淺談利用機組流道泄洪過流

羅 武, 張冰雪

(四川圣達水電開發(fā)有限公司,四川 樂山 614900)

1 電站概況及主要參數

沙灣水電站工程位于四川省樂山市沙灣區(qū)葫蘆鎮(zhèn)河段,距葫蘆鎮(zhèn)上游約 1.0 km,為大渡河干流下游梯級開發(fā)中的第一級,工程區(qū)上游 11.5 km為已建的銅街子電站,下游 35 km為即將興建的安谷水電站。該工程以發(fā)電為主,兼顧灌溉,采用河床式廠房接長尾水渠的混合開發(fā)方式,樞紐主要建筑物由非溢流面板壩、泄洪沖沙閘壩、電站主副廠房、接頭壩、尾水渠、升壓站等組成。電站正常蓄水位高程 432.0 m,正常尾水位高程406.35 m,水庫總庫容 4867萬 m3。設計引用流量 2203.2m3/s,裝機容量 480MW,額定水頭24.5 m,保證出力 151 MW,年發(fā)電量 24.07億 kW·h,年利用小時數 5015 h。水輪機型號為 ZZD345E-LH-850,轉輪直徑 8.50 m,額定流量 549.5 m3/s,轉輪葉片數為 5片,允許吸出高度 HS=-8.54 m。水輪發(fā)電機型號 SF120—78/13200。

該工程于 2005年 12月開工建設,2008年 11月完成二期截流,2009年 4月首臺機組開始利用圍堰擋水發(fā)電。2010年 2月 4臺機組全部投產發(fā)電,2010年 5月二期下閘蓄水。

2 機組流道泄洪緣由

大渡河沙灣水電站主體工程分兩期完成,一期工程包括右岸接頭壩段、廠房儲門槽壩段、廠房壩段、5孔沖沙閘工程,在一期圍堰保護下全年施工。二期工程包括剩余 5孔泄洪閘、左岸非溢流壩工程,在二期圍堰保護下枯期施工,二期圍堰設計為在汛期將過流泄洪。

在二期工程完成前利用圍堰擋水發(fā)電,水庫蓄水在 427m高程左右,離水庫正常蓄水位 432 m高程還差 5 m左右。在工程建設實際進程中,為確保 2010年汛期之前完成二期主體工程建設,需利用 2009年汛期前段進行二期永久防滲墻施工,因此而要求在 2009年汛期間盡量避免二期圍堰過水或盡量減少二期圍堰過水頻次。從當時情況看,電站下泄洪水主要有三種方式:5孔泄洪沖沙閘和機組發(fā)電以及二期圍堰過水。電站后三臺機組發(fā)電時間分別計劃為 2009年 7月、11月及 2010年 3月,且利用機組發(fā)電下泄洪水從進度和流量上不能全部滿足要求,而沙灣電站 2009年安全渡汛形勢異常艱巨。為盡量避免二期圍堰過水并確保大壩安全穩(wěn)定運行,保證庫區(qū)上下游人民群眾的生命財產安全,決定在未安裝轉輪等部件的情況下對 3#機組和 2#機組導水機構進行局部封堵后利用機組流道泄洪過流,增加下泄流量。

3 機組流道泄洪方案

3.1 導水機構封堵的初步方案

本電站機組為軸流轉槳式機組,根據機組流道及導水機構的結構,在轉輪等部件未安裝且又需要機組流道泄洪過流時,需要對機組導水機構進行局部封堵。初期提出三種方式進行封堵:第一,將頂蓋把合到座環(huán)上,封堵 24個套筒孔;加工一桶形悶頭把合到頂蓋與支持蓋的把合面上進行封堵,同時封堵相關管路。第二,將頂蓋把合到座環(huán)上,封堵 24個套筒孔;將支持蓋把合到頂蓋上,封堵 4個真空破壞閥孔;將中錐與支持蓋把合,加工一球型悶頭并焊接在中錐上,同時封堵相關管路。第三,將頂蓋把合到座環(huán)上,封堵 24個套筒孔;將支持蓋把合到頂蓋上,封堵 4個真空破壞閥孔;將中錐與支持蓋把合,加工一鋼制堵板,在中錐與密封環(huán)把合面處利用密封環(huán)把合螺孔把合鋼制堵板,在堵板上面焊接工字鋼作為筋板以增加強度,同時封堵相關管路。

以上三種方案都是基于不安裝活動導葉、不能通過導水機構進行水流的截斷。水流的截斷完全需要通過進水口和尾水的閘門進行控制,但進水與尾水閘門均只滿足動水關閉,而不滿足動水開啟的要求,故以上三種方式均不可行。

3.2 機組流道泄洪的優(yōu)化方案

經過多次研討,最終形成了在機組未安裝轉輪和發(fā)電機部件的情況下,利用機組流道進行過流泄洪的優(yōu)化方案:導水機構(底環(huán)、座環(huán)、頂蓋、活動導葉、套筒、控制環(huán)、連桿、拐臂、真空破壞閥、支持蓋、中錐等)全部安裝完成,具備過流和斷流的條件;在中錐與密封環(huán)把合面處加工一鋼制堵板,利用密封環(huán)把合螺孔把合,在堵板上面焊接工字鋼作為筋板以增加強度,同時封堵相關管路,使之具備封堵水流的條件;油壓裝置、接力器全部安裝完成(調速器暫時不安裝),具備調節(jié)導水機構的條件;接力器的控制從油壓裝置至接力器設置臨時油管路,通過油壓裝置的油壓控制接力器開關,在臨時油管路上設置臨時閥門,通過臨時閥門的開關保持接力器的開關位置;機組進口門和尾水門的開啟需按照規(guī)范在平壓情況下進行。

4 機組流道泄洪的實施

4.1 及時確定新增部件設計生產事宜

由于需對導水機構進行封堵后泄洪,除了機組原有部件,如機組導水機構所有部件、油壓裝置全部到貨以外,還需要新增一些部件,包括新增堵板及調速系統(tǒng)臨時新設管路、閥門和零部件。在方案確定后,及時確定新增部件的設計、生產、交貨事宜,保證按計劃到貨。

4.2 認真優(yōu)化設備安裝施工組織

機組導水機構需按照正常安裝工藝進行,待完成泄洪任務、拆除臨時封堵措施后,再進行機組其他部件的安裝。需要拆除的部件包括中錐、控制環(huán)、接力器、連桿、拐臂,之后才能吊裝轉輪。由于當時正在抓緊時間保證 4#機組在 6月底投產發(fā)電,以便通過機組發(fā)電下泄流量,工期已經非常緊張,若再進行 3#機組導水機構的安裝,安裝場地和橋機的使用都顯得異常緊張,需優(yōu)化施工組織設計、優(yōu)化作業(yè)工序、優(yōu)化場地設備布置、優(yōu)化調度橋機并加強資源投入。

4.3 認真組織進行動作試驗

4.3.1 成立專門的組織機構,統(tǒng)一協(xié)調相關工作

為確保試驗的順利進行,成立了機組防洪過流領導小組,并與電站防洪度汛指揮部掛鉤,由設計、監(jiān)理、安裝、業(yè)主等單位的相關人員參加,同時分專業(yè)成立運行組、金結組、水情組、檢查組等工作小組,并提前細化完善接力器操作流程。

4.3.2 機組泄洪過流試驗的技術措施及操作步驟

(1)無水操作試驗:首先對導水機構進行無水操作試驗,記錄導葉開關時間、接力器行程及操作油壓力。

(2)接力器油管路保壓試驗:考慮到接力器油管路為臨時設置管路,不進行 1.5倍壓力試驗,但在進行有水試驗前要求保壓 4.0 MPa 10 min,正常后,壓力降至 3.5 MPa。

(3)進口閘門操作:尾水三孔閘門全部提起并鎖定好;進口只提兩側閘門,有水試驗完成后該兩孔閘門不落下,作為過流的備用狀態(tài)。

(4)導葉開關操作:①操作接力器管路上的相關閥門,使接力器緩慢開啟,導葉開至 30%開度并停留 10 min,再回關至 20%開度停留 10 min;②導葉開度至 60%停留 10 min;最后全關,投入鎖定,處于備用狀態(tài)(導葉 100%開度暫不進行試驗)。

(5)水位及流量控制:試驗過程中,要求上游水位保持在 426m高程,流量按導葉 60%開度控制。

(6)數據記錄:記錄并通報各種試驗過程狀態(tài)下的導葉開度、壩前水位、尾水水位及各部振動情況,包括尾水、尾水進入門、蝸殼進人門、頂蓋、機坑等部位。

(7)機組防洪過流的備用狀態(tài)為:導葉全關、接力器鎖定投入、關腔保持壓力、尾水門全開、進口兩側的閘門全開。

(8)試驗完畢,保持整個系統(tǒng)處于備用狀態(tài)并做好安全措施,加強巡視,防止誤操作,確保安全。

4.3.3 試驗過程中遇到的問題及分析處理

(1)試驗過程中的目測感覺。在導葉開啟過程中,開度在 0～20°之間時,振動非常大,水擊聲也非常大,并伴有劇烈爆炸聲;開度在 25°～30°之間振動和水擊聲音相對較小,運行較為平穩(wěn);開度在 30°～45°時振動和水擊聲又加劇。于是,臨時會商確定,試驗到 45%開度以后不再增加開度,執(zhí)行回關流程。

(2)監(jiān)測數據。在導葉開度分別為 15%、20%、25%、30%、35%、40%工況下,設于水輪機室封蓋和支持蓋的水平振動和垂直振動 4個點的監(jiān)測數據顯示:在 25%開度以下,振動幅值為相對中等,頻率約為 4.5 Hz;在 25%～30%開度區(qū)間,振動幅值相對較小,表現為 0.67Hz和 4.5 Hz的共生頻率;在 35%開度以上,振動幅值相對最大,頻率約為 0.67Hz至1 Hz的低頻頻率;4個測點幅值只能支持蓋水平振動相對穩(wěn)定,最大測值為 333.7μm,其余 3個振動值在各開度下變化較大,其中支持蓋垂直振動最大測值表現為1079.4μm。

(3)原因分析。根據監(jiān)測數據及目測和感覺情況進行綜合判斷,產生上述情況的主要原因有:第一,支持蓋上面未安裝推力支架,其承受的重量減少 1000多 t(轉輪、大軸、軸承支架、轉子等),支持蓋平面沒有任何約束力,其剛度大打折扣,從而導致垂直振動幅度異常;第二,由于未安裝轉輪及發(fā)電機,轉輪室、頂蓋、支持蓋、封蓋等部件完全任由未消能的大流量水流撞擊,從而致使各部振動加大;第三,試驗時聽到的劇烈爆炸聲是由于封蓋形狀以及導水機構的結構特點引起脫流形成汽蝕泡破滅而產生,其間各部振動發(fā)生大幅值高頻突變。由于進口閘門為三扇,估計水流脫流的形成還與閘門的提起順序有關。

4.4 泄洪過流正式投運的相應對策

根據對動作試驗過程有關問題及原因進行分析,機組過流設備正式投入運行時采取了以下幾項措施:第一,進水口閘門操作順序變更為:面向下游按左、中、右順序提門;第二,導葉開啟時從導葉全關以較快速度直接開至 30%進行過流,退出運行時,從導葉 30%開度以較快速度直接關至全關位置;第三,為預防結構件出現機械性疲勞情況,在沒有得到更多專家商討確認前,機組流道連續(xù)過流時間不宜過長,同時要求廠家詳細計算提供泄洪過流持續(xù)時間以作為參考。

5 方案的擬定和實施過程中的注意事項

在利用機組流道泄洪過流方案的研討和新增部件設計以及實際操作中,為了確保泄洪過流部件運行安全,需要特別注意以下事項。

(1)注意校核機組流道的泄洪流量。

廠家在設計封堵結構時,按照機組額定發(fā)電下泄流量和機組發(fā)電水頭并將其作為計算依據,而在設計導水機構操作控制方式時,要求導水機構處于全開狀態(tài),這兩個邊界條件不一致。在機組不參與發(fā)電而僅僅對導水機構進行封堵后利用流道下泄洪水的情況下,如果要求導葉全開,則下泄流量將大大超過額定發(fā)電流量;而如果按照機組額定發(fā)電流量下泄,則導葉開度不能全開。這就需要廠家和設計方分別校核防洪下泄最大流量,并要求廠家提交防洪下泄流量與導水機構導葉開度的大致關系曲線,并按照關系曲線開展相關試驗。

(2)注意評價下泄洪水對機組流道的影響。

確定的機組額定發(fā)電流量為550m3/s。根據廠家的泄洪初步設計要求,在防洪下泄時,必須使導水機構導葉開度處于全開位置,這時,下泄流量有可能達到額定下泄流量的 2倍左右,而且由于封蓋位置低于尾水水位,在投運過程中,封蓋承受的水頭超過機組發(fā)電水頭,同時還要考慮與機組發(fā)電過流相比機組封堵后的洪水水流流量、水流流態(tài)均發(fā)生變化、頂蓋承受重量減少 1000多 t(轉輪、大軸、軸承支架、轉子等),這些工況的變化,將對機組流道以及導水機構各部件造成影響,因此需要由廠家和設計分別根據這種最不利的工況(工況時間為洪峰持續(xù)時間,按大約 48 h考慮),就防洪下泄對整個過流通道包括混凝土、導水機構固定導葉、活動導葉、封堵結構、進人孔等各部位、各部件、各孔洞及其連接螺栓的安全可靠性進一步進行校核并提供評價意見,以作為決策依據。

(3)注意復核進水口閘門動水關閉性能并探討是否可以先直接關閉導水機構。

如果因某種原因需要在防洪過流過程中退出防洪任務,根據廠家設計要求,需要在先將進水口閘門動水關閉后再關閉導水機構。機組進水口閘門為事故閘門,本身具備動水關閉性能,但由于防洪下泄流量與機組額定發(fā)電流量相差較大,工況變化,需設計考慮在最大防洪下泄流量等最不利工況下校核進水口閘門的動水關閉性能是否能滿足要求,是否需要增加配重。同時需研究探討是否可以先直接關閉導水機構,然后再落進水口閘門,這樣做既可以達到快速截斷水流的目的,又可以不受進口門動水關閉性能的影響。

(4)注意復核相關參數的選擇。

由于工況的變化,一些參數需要進行認真復核校對。廠家最初提供的設計文件中流量的選擇和開度的確定不一致,在實施過程中必須進一步明確以哪個參數選擇為主,以便指導現場操作。本電站最終選擇開度作為控制參數。對于運行中接力器開、閉的速度控制,需要機組制造廠家進一步明確究竟采用什么樣的速度才不至于出現安全隱患。本電站的控制速度最終確定為不小于 3 min,不超過 10min,不宜過長,以免長時間操作出現誤操作事故。對于油壓設備的壓力取值范圍,要求相關方對操作過程中的油壓設備的壓力取值范圍進一步進行優(yōu)化。由于接力器部分操作油管路為新增臨時管路,建議在各油壓設備處于合格壓力狀態(tài)、壓油罐油槽油位足夠、保證操作安全可靠的情況下選取低壓力值。在新增部件設計時,需要考慮安裝臨時壓力表以監(jiān)測轉輪室內的壓力。為確保其更加安全可靠,可以考慮封蓋再配重或增加支撐以增加強度。

(5)注意完善、細化運行操作方式。

由于本電站未安裝調速器,接力器的操作通過臨時閥門和管路以純手動方式進行,需由設備廠家進行必要的計算后提出詳細的控制方式和操作說明。對于整個系統(tǒng)的備用和投運,要求提出詳細具體的技術要求,包括處于備用狀態(tài)和投運狀態(tài)等各種工況下需滿足的條件和要求,投運之前需要做哪些具體準備工作,投運過程中的操作注意事項和規(guī)程規(guī)范、提閘門究竟按照什么順序提哪幾孔,以及投運后的維護和安全防護,如何退出整個防洪任務等。對于運行維護的安全措施,要求安裝單位根據廠家的操作規(guī)范規(guī)程編寫操作程序和操作票,對現場閥門和管路進行標識編號;安裝單位要制定現場管理制度和交接班制度,并按章執(zhí)行。

6 結 語

本電站利用機組流道進行泄洪過流是一種嘗試,在確保沙灣電站 2009年渡汛期二期圍堰未過水并于 2010年 5月實現二期工程下閘蓄水過程中發(fā)揮了一定的作用,具有一定的借鑒意義。但要注意:在方案確定階段,要充分聽取各方意見,集思廣益,并就各種工況進行校核,提供理論支持;在實施階段,要認真準備各種技術措施,檢查各部情況,尤其是首次開啟導葉時一定要慢速度進行操作并總結經驗,遇到意外情況立即停止、分析原因并提出對策;同時,一定要邀請專業(yè)資質單位使用專用儀器和設備對試驗過程中的機組振動進行監(jiān)測,作為相關決策的依據。