福建周宁抽水蓄能电站金属结构设备设计与布置

张志兵，李世豪

（华电福新周宁抽水蓄能有限公司，福建 宁德 355101）

1 工程概况

福建周宁抽水蓄能电站安装4 台单机容量300 MW 可逆式水泵水轮机组[1]，为日调节纯抽水蓄能电站，年平均发电量为12 亿kW·h，年平均抽水电量16 亿kW·h。工程属一等大（1）型工程，电站枢纽主要由上水库、下水库、输水系统、地面开关站及地下厂房等建筑物组成[2]。主要永久性建筑物按1 级建筑物设计，次要永久性建筑物按3 级建筑物设计。

电站金属结构主要分布于输水系统（包括上水库、下水库进/出水口）、泄水系统（包括下水库溢洪道、下水库泄洪底孔）、机组尾水出口和导流洞等部位。金属结构设备主要包括闸门、拦污栅及其启闭设备，承担泄洪、保护机组安全运行和控制水位等任务，总工程量为3 768.6 t。

上水库调节库容815万m3，正常蓄水位716.00 m，死水位691.00 m，设计洪水位（P=0.5%）717.32 m；下水库调节库容799 m3，正常蓄水位299.00 m，死水位262.00 m，设计洪水位（P=0.5%）304.15 m。

电站检修闸门的结构设计依据静水压力计算。依照NB 35055-2015《水利水电工程钢闸门设计规范》[3]第8 条计算启闭机容量，并参考启闭机的系列标准选取，所选取的启闭机容量不小于计算值。当闸门采用动水操作时，按静水压力乘以1.1 的动力系数考虑。本工程地震基本烈度为Ⅵ度，地震动加速度峰值为0.045 g，金属结构按照规范的荷载组合进行复核。

2 金属结构设备布置与设计

2.1 上水库金属结构设备

上水库进/出水口金属结构设备：2 扇事故闸门、8 扇拦污栅、2 台3 200 kN 固定卷扬式启闭机及启闭机房内的2 台50 kN 单梁葫芦。

为避免上水库中的污物在发电时进入机组而影响机组正常运行[4]，上水库进/出水口共设置8 扇拦污栅，每个进/出水口设4 扇。为便于拦污栅检修，在高程691.50 m 处设置了1 个检修平台。当拦污栅需维修时，将上库水位降至死水位以下，通过临时起吊设备将拦污栅整体起吊，分节拆吊至检修平台进行操作。如拦污栅需大修或需更换时，用临时设备将拦污栅移至搬运轨道处，通过小车将拦污栅运至坝顶，小车采用牵引力为2×100 kN 的卷扬机进行操作。

当机组运行出现事故或正常检修时，且主阀保护发生故障，水泵水轮机导叶不能完全关闭，在2 条引水隧洞平段上的闸门井内均设置1 道事故闸门，共2 扇，以截断上库水流，避免事故扩大。闸门由固定卷扬式启闭机操作，容量为3 200 kN。在735.80 m 高程平台上布置启闭机，启闭机房内设有1 台50 kN单梁检修电动葫芦。

为确保生态流量的下泄，在上库导流泄放洞底板设置放水钢管。钢管沿底板铺设至出口，出口高程609.45 m，管径为DN150。在出口处设置球阀控制水流，并设工作和检修阀。阀门均为动水操作，满足区间生态流量的要求。

2.2 下水库金属结构设备

下水库进/出水口金属结构设备：2 扇溢洪道弧形工作闸门和2 套2×630 kN 液压启闭机、8 扇拦污栅、1 扇泄洪底孔事故闸门、2 扇检修闸门、1 扇溢洪道检修闸门、1 台2×320 kN 双向门式启闭机、1 台2 000 kN 坝顶双向门式启闭机、1 台1 250 kN台车式启闭机、1 台2 000 kN 坝顶双向门式启闭机（与溢洪道检修闸门共用）、2 扇泄洪底孔弧形工作闸门和2 套2 500 kN/1 600 kN 液压启闭机。

为防止下水库中的污物在抽水时进入机组，下水库进/出水口共设置8 扇拦污栅，每个进/出水口设4 扇。拦污栅采用坝顶2×320 kN 双向门式启闭机启闭。在下水库进/出水口拦污栅后布置1 道检修闸门，用于机组或尾水隧洞检修时挡水。两孔共设2 扇，采用1 台1 250 kN 台车式启闭机操作。闸门操作方式为静水启闭。在高程306.00 m 处设置了1 个检修平台，拦污栅清污或检修时，通过自动抓梁将拦污栅整体起吊，分节拆吊至检修平台上进行操作。

每扇溢洪道工作闸门前设有1 道检修门门槽，两孔共用1 扇检修门，用于其下游弧形工作闸门或门槽检修时挡水。闸门操作方式为静水启闭，检修闸门平时锁定在孔口上方。闸门检修在306.00 m高程平台进行，采用2 000 kN 坝顶双向门机配专用自动抓梁操作。下库溢流坝段布置两孔溢流表孔，设2 扇弧形工作闸门，主要用于宣泄洪水。溢流表孔工作闸门采用露顶式弧形钢闸门，闸门操作方式为动水启闭，可局部开启，采用2×630 kN 双吊点后拉式液压启闭机操作。

两孔泄洪底孔工作闸门前各设有1 道事故闸门门槽，共设1 扇事故闸门。闸门操作方式为动闭静启，事故闸门平时用锁定梁锁定在孔口上方的门槽内。闸门检修在306.00 m 高程平台进行，采用2 000 kN 坝顶双向门机（与溢洪道检修闸门共用）配专用自动抓梁操作。下库溢流坝段设有两孔泄洪底孔，设2 扇弧形工作闸门。泄洪底孔工作闸门采用潜孔式弧形钢闸门，闸门操作方式为动水启闭，采用2 500 kN/1 600 kN 液压启闭机操作。

每套弧形闸门及其对应的液压启闭机各布置1套在线监测系统。通过在线监控系统对弧形闸门及液压启闭机的运行数据进行实时自动监测，并经过信息传输与处理，实现对弧形闸门和液压启闭机结构静应力、动应力、振动响应、运行姿态及轴承运行状态的实时在线监测和故障预警、报警。在决策系统支持下，制订优化调度并监控弧形闸门和液压启闭机的运行状态，以确保其运行安全和充分合理利用水资源。

为确保生态流量的下泄，在下水库混凝土重力坝设置生态放水管。阀室段管中心高程255.80 m，管径为DN400。在出口廊道内设置闸阀以控制管路水流，并设工作和检修阀，管道铺设从坝脚至下游护坦，以满足区间生态流量的要求。

为满足施工导流后封堵需要，下库左岸导流洞进口设封堵闸门1 道，闸门型式为潜孔式平面滑动钢闸门，底坎高程214.00 m，明洞段平台顶高程222.50 m。闸门在枯水期下闸挡水，封堵水位216.00 m。采用临时起吊设备操作。

2.3 机组尾水事故闸门金属结构设备

闸门采用闸阀式高压平面滑动闸门，安装在尾水闸门室内，主支承采用滑道形式。电站每台机组尾水管设1 扇尾水事故闸门，共4 扇。闸门操作方式为静水启闭，利用自重及部分水柱压力动水下门，由旁通管充水平压。闸门及充水管上设置自动泄压装置。尾水事故闸门启闭应与机组前的球阀联锁，即在打开尾水事故闸门后，再开启球阀；先关闭球阀截断上库水流，再关闭尾水事故闸门[5]， 以防止在全关状态下闸门意外承受来自上库方向水压而遭破坏[6]。

闸门平时由液压启闭机锁定于孔口上方的腰箱内。每扇闸门采用1 250 kN/5 000 kN（启门力/持住力）液压启闭机操作，在尾闸平台中部启闭机房内安装液压控制泵站。为便于液压启闭机的安装检修，尾闸洞内设有1 台630 kN/100 kN 检修桥机。启闭机采用现地和远方控制相结合的方式进行控制。

周宁抽水蓄能电站的金属结构设备主要特性见表1。

3 设计工作重点及难点

（1）相较于常规水电站，抽水蓄能电站拦污栅的布置设计要能适应在双向水流的过流条件[7]。由于双向过流的工作条件，上、下库进/出水口的出流流态较差，易引起拦污栅振动，从而造成拦污栅的损坏。针对抽蓄电站拦污栅的特点从以下方面进行考虑：

1）为了降低水流经过拦污栅所产生的扰动频率，拦污栅的主横梁、纵梁及栅条的双向迎水面采用圆弧或锥角。

2）拦污栅采用固定支承。为了增加拦污栅的自振频率，上、下游每块支承滑块下均设有橡皮垫块，拦污栅入槽后每块橡皮压缩2 mm，使得栅和栅槽间具有适当的预紧力。

3）每组栅条另设置2 根水平支撑条以提高栅条的侧向稳定性并增加栅条的抗振性能。

4）增强拦污栅的结构刚度。由3 根箱形主横梁、2 根边梁和2 根箱形纵梁组成刚度较高的栅架结构。拦污栅由4 节栅叶组成。

（2）由于周宁抽水蓄能电站机组尾水事故闸门最高挡水位达146 m，在超高水头下的闸门强度及门槽封水设计为设计难点。针对尾水事故闸门的设计从以下方面进行考虑：

1）进人孔盖与腰箱顶盖、腰箱顶盖与腰箱之间采用可靠的密封装置。门槽结构型式采用全封闭箱形。

2）闸门设置自动泄压装置，以防止在全关状态下闸门意外承受上库方向水压而造成损坏。

4 结语

福建周宁抽蓄电站的金属结构设计严格依照国家现行相关规程，对照《工程建设标准强制性条文》，所有设计均符合强制性条文及相关规范的要求，设计中关于施工、运行的安全性措施均在施工技术要求及现场设计交底中予以明确。本文根据周宁抽蓄电站实际工程情况，对金属结构设备进行了合理设计与布置，确保闸门、拦污栅及各类启闭设备安全运行。福建周宁抽蓄电站自2022 年8 月全容量投产至今，金属结构部分均正常运行。