浅析电站闸门和启闭机设计

浅析电站闸门和启闭机设计摘要：水电站泄洪洞、放空洞、引水隧洞和厂房尾水洞的闸门与启闭机的总体布置，对放空洞的工作闸门和事故闸门作了重点介绍。关键词：平面闸门；启闭机；特点；放空洞；1闸门、启闭机的总体布置1.1泄洪洞闸门、启闭机的布置泄洪洞长466．343m，进水口为有压短管型式，无压洞身，通过竖井消能后与放空洞的下游段结合。进口设工作闸门，孔口尺寸为3．4m×4m（宽×高，下同），底坎高程2630．00m，平台高程2643．50m，设计水头21m。该门操作频繁，并有局部开启工况，考虑到弧形闸门水流条件相对较好，因此采用弧形闸门作为工作闸门。因闸门需借助启闭机的下压力才能关闭，故利用一台摇摆式双作用液压启闭机操作闸门，启门容量为320kN，闭门容量为30kN，活塞杆行程6m。为保证工作闸门因故障不能闭门时能及时截断水流，使库区水位不再降低，在工作闸门上游设事故闸门，孔口尺寸为3．4m×4．5m，底坎高程2630．00m，平台高程2665．00m，设计水头21m，当工作闸门检修维护时，作为检修闸门挡水。该门采用平面滑动闸门，设计工况为动水闭门，静水启门，由一台固定卷扬式启闭机操作，启闭机容量630kN，扬程40m。1.2放空（导流）洞闸门、启闭机的布置放空洞长1120．177m，在桩号（放）0＋696．733m处设工作闸门，工作闸门前为有压洞，后为无压洞。工作闸门孔口尺寸为3m×4．5m，底坎高程2540．11m，平台高程2549．50m，设计水头110．89m。该门的作用主要为放空水库，但根据水库来水流量，要求能在校核水位开门宣泄洪水，因此其操作水头也为110．89m。经过对弧形闸门和窄门槽平面闸门的结构刚度、止水严密性、闸室空间布置等方面的比较，考虑到孔口处流速大，门槽前后采用钢板衬护。闸门由一台垂直式双作用液压启闭机操作，启门容量2×4500kN，闭门容量2×3000kN，活塞杆行程5m。为保证工作闸门发生故障不能闭门时能及时截断水流，使库区水位不再降低，在工作闸门上游，桩号（放）0＋519．704m处设事故闸门，孔口尺寸为3m×4．3m，底坎高程2541．75m，检修平台高程2652．00m，启闭机平台高程2664．00m，设计水头109．25m，当工作闸门检修维护时，该门采用平面滑动闸门，设计工况为动水闭门，静水启门，由一台固定卷扬式启闭机操作，启闭机容量2500kN，扬程9m，通过拉杆与闸门连接。1.3引水隧洞闸门、启闭机的布置引水隧洞位于大坝左岸，全长7118．78m，进口处设三孔拦污栅，呈拱形布置，孔口中心线间的夹角为60°，底坎高程2590．00m，每孔孔口尺寸为3．6m×8m，按4m水压差设计。因受地形限制，引水隧洞进口伸入水库，平台高程2601．30m，位于正常蓄水位以下约50m处，因此难以布置永久性起吊设备。在桩号（引）0＋161．00m处设工作闸门，底坎高程2590．00m，孔口尺寸为4．6m×4．6m，设计水头61m。该门的作用为控制进入引水隧洞的水流，当隧洞因故需要维护检修时，动水关闭闸门截断水流。由于引水隧洞长，为提高对隧洞充水的效率，闸门为动水开启，因此考虑为平面工作闸门，动水启闭，定轮支承，上游止水，闭门需加重。闸门由一台高扬程固定卷扬式启闭机操作，容量为2500kN，扬程75m，启闭机设置在2674．50m高程的启闭机房内。平时，闸门锁定在门槽顶部2658．50m高程处。由于隧洞进口水头较高，为检修工作闸门门槽，在工作闸门上游桩号（引）0＋156．27m处设置一扇平面滑动检修闸门。底坎高程2590．00m，孔口尺寸为4．6m×4．6m，设计水头61m，下游止水，采用滑道支承。闸门为静水启闭，启门时，先开启门顶充水阀进行充水，待上、下游水压差小于3m时启门，由一台高扬程固定卷扬式启闭机操作，容量为630kN，扬程80m，启闭机设置在2674．50m高程的启闭机房内。平时，闸门锁定在门槽顶部2658．50m高程处。电站施工时，通过3个施工支洞对引水隧洞进行施工，考虑到发电后对隧洞维修检查方便，在2号、3号施工支洞封堵处留进人门，并安装封堵闸门。封堵闸门孔口尺寸为2．4m×1．8m，设计水头为87．1m。闸门为铰链推拉式，封闭时用螺栓与埋件固定。闸门在无水情况下开启或封闭。1.4厂房尾水闸门、启闭机的布置地下厂房枢纽为两洞室，即主、副主厂房洞室和尾水闸门室，水轮机为2台冲击式机组。为便于检修机组和尾水管，在尾水管出口设置检修闸门。考虑到闸门操作空间较小，为方便使用，在两孔尾水出口设置两扇平面滑动检修闸门。底坎高程1998．28m，校核尾水位2001．40m，孔口尺寸为4．2m×3．6m，设计水头3．22m，采用滑道支承，上游止水，下游设弹性反轮对水封进行预压。闸门为静水启闭，起门时，闸门小开度充水，待上、下游平压后，提起闸门。由一台移动式双吊点电动葫芦操作，容量2×50kN，扬程6m，通过拉杆与闸门相连。电动葫芦轨道安装在2011．40m高程处梁的底面。平时，闸门锁定在门槽顶部2004．28m高程平台上。2设计特点2.1放空洞工作闸门放空洞工作闸门孔口尺寸为3×4．5～110．89m，作为放空水库控制闸门的同时，在洪水期还可能参与泄洪。鉴于该工作闸门的工况，综合水工水道布置，比较了弧形闸门和平面闸门两种形式。弧形闸门门槽虽然水流条件好，但在高水头工况下上游止水效果不易得到满足，需要采取专门的止水设备，如液压变形止水或偏心铰压紧式止水，但构造复杂，检修维护繁琐。由于该孔口尺寸不大，闸门承受水平水压力为16500kN，故采用窄门槽平面高压滑动闸门，下游止水，止水为青铜对不锈钢的硬止水型式，有一定的技术优势。因此在工程中，也采用了这种型式。窄门槽高压滑动闸门因最早作为高压阀门而又称闸阀，门叶为6根主梁与面板、边梁组成的刚体结构，面板在上游侧。为保证闸门在动水启闭过程中水流顺畅，避免负压，底缘设计成45°倾角的斜面并采用圆弧与垂直面板过渡，边梁为一厚板（195mm）；下游支承面设计有青铜滑道，同时兼作硬止水，其加工精度要求高，与门叶的装配采用螺栓连接，为保证止水的严密，装配好后用环氧树脂充填缝隙。门槽段分为上、下游框架及腰箱，分块加工，安装时用螺栓连接成整体结构，与门叶配合面设有材质为1Cr13的不锈钢作为支承面及止水座板。为了保证门叶支承滑道兼硬止水与门槽的配合精度，在门叶焊接后应进行整体退火处理，对配合面整体加工，并在厂内整体组装，厂内组装和工地安装调试对配合面的要求均为“用0．03mm塞尺每隔30mm量一次，不得贯穿”。平面闸门有门槽，高速水流流经门槽时由于边界条件发生了变化，水力学问题比较突出，因此针对该闸门，委托南科院水工所作了闸门水力学及流激振动试验，依据试验结果，对门槽附近流道体型进行了优化，改善了出口压坡斜度、跌坎高度、挑坎尺寸、扩散角等窄门槽平面滑动闸门的几个关键参数，提高了门槽的抗空化、空蚀能力，所有测点的门槽空化数均大于规范的规定值（K＝0．4～0．6），并具有一定的安全裕度。为保证工作闸门门槽后水流上部自由水面挟气和表面拖曳力产生的输气量，以及由于设置跌坎而形成的射流底空腔的输气量，在门槽后设有两处通气孔，一处在洞顶，一处在跌坎侧面，尺寸分别为圆孔1000mm和方孔（600×600）mm2。试验表明，洞顶通气孔的输气量大于跌坎侧面通气孔的输气量，最大输气量出现在闸门开度为n＝0．5时，风速分别为50m／s和45m／s，当工作闸门全开时，分别降为16m／s和11m／s，说明通气孔的尺寸是合适的。启闭闸门的设备选用双缸双作用式液压启闭机，容量为2×4500／2×300kN，油缸安装在门槽腰箱上端法兰盘上，为钢性支座、螺栓连接并设有密封装置以封水。液压启闭机活塞杆上加工有螺纹，直接与门叶上的套筒相连并采用承载螺母固定。启闭机活塞杆最大行程5m，工作行程4．7m，缸径630mm，杆径300mm；液压系统采用插装阀组，先导阀为YUKEN产品，高压球阀为HYDAC产品，其余阀组均为榆次油研产品；行程监测装置由两套CAP2000内置式传感器组成，测得的数据通过PLC汇总分析，达到监测两个油缸活塞杆位置的目的，从而监测闸门的开度。双缸同步精度要求为10mm，是通过行程监测装置和液压系统中的旁路纠偏回路以及PLC等控制元件实现的。泵站为卧式布置，两套电动机—油泵组互为备用，油箱及管路材料均为不锈钢。2.2放空洞事故闸门的设计放空洞事故闸门孔口尺寸为3×4．3—109．25m，在工作闸门出现故障不能闭门时，需要放下事故闸门及时截断水流，避免造成水的损失，因此其工况为动水闭门、静水启门。事故闸门一般为平面闸门，就支承型式而言有定轮和滑道之分，就封水方式而言有上游封水和下游封水之别。由于水头高，水压力达15450kN，若采用上游封水，仅利用闸门自重动水闭门不能实现，需设置加重，而采用下游止水，可以利用门上水柱动水闭门。该门尺寸较小，定轮装置结构较复杂，定轮的布置与梁格的布置易产生冲突。最近几年随着滑道材料技术的发展，其摩擦系数可以达到一个较低的水平（0．08～0．12），计算闭门力时对水柱的利用可以相对较少，而计算持住力时取较高的最小摩擦系数有利于降低启闭机容量。因此，放空洞事故闸门采用了平面滑动闸门。闸门由5根主梁与下游面板、边梁组成刚体结构，为使动水闭门过程中水流平顺，避免负压，底缘上游倾角取60°，下游倾角取30°，动水闭门时水柱作用在最下面的主梁上。门槽为Ⅱ型门槽，宽深比为1．683，错距比为0．05，二期混凝土范围内设有钢板衬砌。模型试验表明，该门槽体型抗空化、空蚀能力较强。事故闸门门槽后洞顶设有通气孔，尺寸为800mm×2000mm，其运行控制条件为在工作闸门全开情况下，事故闸门局部开启的输气量。模型试验表明，最大通气孔风速出现在n＝0．1～0．3开度时，为65m／s，已经超出了隧洞设计规范要求的60m／s、闸门设计规范要求的40～50m／s之值。这是由于闸后流态特殊，闭门过程中水流冲击门槽后产生反弹，加剧了紊动，导致水流挟气显著增加而致。由于闸门底缘负压量实测值在常规范围内，且该门的事故闭门工况较少出现，因此通气孔的尺寸是适宜的。操作事故闸门的启闭设备为固定卷扬式启闭机。由于闸门为下游止水，启闭机钢丝绳有可能长期浸入水中，为保证动水闭门过程中与闸门的连接可靠，采用拉杆装置与闸门门叶相连。经计算，初选启闭机容量为2000kN。由于该启闭机容量的控制为动水闭门过程中的闸门持住力，不同的开度，持住力的变化较大，根据模型试验得出的闸门在闭门过程中的净动水作用力，包括水柱重量、上托力、下吸力，以及不同开度水平方向的水压力等，以滑动副的摩擦系数计算得出启闭机的容量应增加到2500kN。3结束语大坝为心墙堆石坝，泄洪系统仅靠一条泄洪洞和一条放空洞实现，虽然闸门、启闭机等设备总量并不大，但就放空洞而言，工作闸门和事故闸门的挡水水头、运行水头等技术参数较高，设计有一定的难度。