豐滿水電站進水口分層取水結構裝置佈置設計論文
豐滿水電站進水口分層取水結構裝置佈置設計論文
1概 述
豐滿水電站是我國第一個因病壩，必須採取有效措施進行全面治理重建的工程專案。工程位於吉林省境內第二松花江幹流上的豐滿峽谷口，距吉林市16 km.新建工程為一等大（Ⅰ）型，開發任務以發電為主，兼有防洪、灌溉、城市及工業供水、養殖和旅遊等綜合效益，新建電站共安裝6臺機組，總裝機容量1 200 MW.
2進水口分層取水金屬結構
裝置佈置進水口分層取水採用單管單機佈置，6臺機共設定6個引水管道。在每個進水口沿水流方向各設定1道疊梁閘門、攔汙柵、檢修閘門和快速閘門。
近年來，隨著對生態環境保護的重視，降低下洩低溫水對生態環境產生不利影響，水電站引水發電系統進水口分層取水方式正逐漸被採用。豐滿重建工程是我國北方第1座進水口利用疊梁閘門實現分層取水措施的大型水電站，進水口分層取水設定在大壩右岸。國內已建的分層取水進水口布置，通常為沿水流方向由上游至下游依次佈置為攔汙柵、疊梁閘門、檢修閘門及快速閘門。由於該工程地處東北嚴寒地區，冬季時間長達5個月之久，並且極端氣溫可達到-42.5 ℃,進水口處冬季有冰蓋形成，厚度約1.5 m左右，並且水位變化幅度較大，這樣，攔汙柵佈置在最前端處於校核洪水位之上，冬季會由於冰蓋上下位置的變化而被破壞，為保證攔汙柵冬季的正常執行，解決冰凍問題，進行了多方案的比較，但由於攔汙柵柵體前後為動態水流，採用除冰方式來解決冰凍問題的方案並不十分可靠，且投資較大。為此，該工程採用攔汙柵後置於疊梁閘門方案，解決了攔汙柵冰凍問題。
3疊梁閘門及其啟閉裝置
疊梁閘門為分層取水不可或缺的重要裝置之一，執行期間隨庫水位的變化，可透過增加或減少疊梁門數量達到控制下洩水溫的目的。在每個進水口前端佈置3孔疊梁門，共設定疊梁閘門18孔18扇，為避免疊梁閘門的檢修、維護及損壞對工程正常執行的影響，另設定一扇備用疊梁閘門。每扇疊梁閘門分9節，單節高度3 m,共171節疊梁閘門。疊梁閘門的功用要求其門頂過水，閘門會出現振動現象，加上機組出現事故，快速閘門的突然關閉對閘門產生反向水錘壓力。因此，其結構設計不同於其他閘門，透過多方案比較人工計算及模型試驗，閘門結構型式門頂部為流線型的平面滑動式。閘門孔口尺寸為7.0 m×27.0 m（寬×高，下同）。按4 m水頭差設計計算，其下節閘門作用在220.00 m高程的底檻上，閘門檢修平臺高程為269.50 m.閘門為焊接結構，主體結構材料根據其工作環境溫度、操作條件及設計工況選為Q345B,主橫樑採用工字型實腹等截面焊接結構，為防止梁格內積累汙物，造成閘門結構破壞，面板佈置在上游側，閘門主支承採用複合滑道支承兼做側止水，具有較低的摩擦係數及較高的耐磨性，可以大大減小啟閉力，降低啟閉機容量，節省了工程投資。
閘門的操作方式為動水啟閉。為減小壩面的佈置寬度，節約工程投資，選用與攔汙柵共用的2×400 kN雙向門式啟閉機配抓梁來操作。雙向門機的容量及軌上揚程由攔汙柵確定，總揚程由疊梁閘門操作要求確定，可分別攜帶2套抓梁1套起重吊具及清汙抓鬥，用於進水口疊梁閘門的啟閉、攔汙柵的啟閉及柵前的清汙。啟閉機現地操作，門機由小車機構（包括起升機構及小車行走機構）、機房、清汙抓鬥、大車行走機構、門架、走梯、電纜捲筒、夾軌器、風速儀及電氣組成。啟閉機上設有帶數碼顯示儀表的高度限制器、過負荷裝置、風速儀等安全措施。 門機軌道安裝在269.50 m高程壩面上，疊梁閘門的檢修與維護也在此壩面上進行，疊梁閘門冬季無執行要求時置於門庫內。
4攔汙柵及其啟閉裝置
為有效地攔截汙物，保證機組有效出力，在疊梁門的下游側設一道潛孔直立式活動攔汙柵，每個進水口設3孔3扇，共設定攔汙柵18孔18扇。
攔汙柵孔口尺寸為8.0 m×11.2 m,設計水頭差為4 m,底檻高程為222.00 m,其檢修維護及清汙平臺高程為269.5 m.攔汙柵結構設計為框架直立式板梁焊接結構，結構按國家運輸單元劃分標準沿高度方向設計成7節制造運輸，節間採用銷軸配合連線板活動連線，在工地組裝。以利於提柵清汙時裝卸方便和檢修維護，攔汙柵正反向均設有鑄鋼滑塊，側面設有鋼滑塊導向。
透過對原豐滿庫區汙物情況的調查瞭解，原電站進水口處汙物很少，近些年來未對機組發電執行產生實質性影響。但是考慮2010年洪水時期庫區存在汙物堆積情況，為安全起見，在分層取水口雙向門機上設定了清汙抓鬥，以便清除攔汙柵前至疊梁門之間水面上堆積的汙物。
選用與疊梁門共用的啟閉容量為2×400 kN雙向門機配自動抓梁進行操作，採用提柵人工及輔以清汙抓鬥聯合清汙。門機軌道安裝在269.50m高程壩頂上，攔汙柵的清汙、檢修與維護也在此壩頂處進行。
5檢修閘門及其啟閉裝置
在攔汙柵的下游側設一道平面滑動檢修閘門及與其相應的埋件，依據閘門的使用頻率，6孔可配置1扇檢修閘門，用於快速閘門及其埋件檢修時擋水。檢修閘門孔口尺寸為8.0 m×11.2 m,其底板高程為222.00 m,按正常蓄水位設計，取系列水頭為45 m.檢修閘門為焊接結構，主體材料根據其工作環境溫度、操作條件及荷載工況設計為Q345B,主橫樑採用工字型實腹等截面焊接結構，為降低啟閉機容量，節約工程投資，主滑道選用摩擦係數低，抗壓強度高的鋼基銅塑複合材料。門葉結構按國家運輸單元劃分標準沿高度方向設計成4節設計、製造、運輸。在現場焊接連成2節，節間採用銷軸配合連線板活動連線。
閘門的操作條件為靜水啟閉，考慮進水口流速較小，採用節間充水平壓方式，進行充水平壓，當閘門前後水位差達到預先設計值時靜水啟門，不工作時存放在門庫內，結合快速閘門啟閉裝置的安裝與檢修選用2×1 250 kN雙向門式啟閉機配液壓抓梁來操作。門機軌道安裝在269.50 m高程壩面上，閘門的'檢修與維護也在此壩面上進行。
6快速閘門及其啟閉裝置
在檢修閘門的下游側設一道平面快速閘門及與其相應的埋件，共設6孔6扇快速閘門，在機組和引水隧洞發生事故時可起到快速保護作用。快速閘門門型選擇：經比較，快速閘門採用上游止水，定輪支承時，閘門不僅自重較重，而且還要另需加配重，採用下游止水，滑道支承時，閘門自重較輕，可利用水柱下門，而且不需另加配重，且對水工結構有利。經綜合比較，快速閘門採用滑動式支承較經濟合理，水工佈置結構緊湊。閘門平時停在喇叭口上游孔口以上約1.0 m左右。快速閘門按正常蓄水位263.50 m設計，其底板高程為222.00 m,閘門孔口尺寸為8.0 m×9.6 m,設計水頭為45 m,閘門為焊接結構，主體材料根據其操作條件荷載工況及其工作環境溫度設計為Q345B.門葉主橫樑為焊接組合工字梁，縱隔板為實腹T型焊接結構，主橫樑採用工字型實腹等截面焊接結構，為降低啟閉機容量，節約工程投資，主滑道選用抗壓強度高、減摩係數低的鋼基銅塑複合材料。門葉結構和吊耳結構按國家運輸單元劃分標準沿高度方向設計成4節設計、製造、運輸，在現場採用連線板焊接成整節，閘門的檢修與維護設定在241.36 m高程的平臺上。
閘門的操作方式為利用水柱動水閉門，充水閥充水平壓靜水啟門。經佈置和計算，為保證閘門能快速閉門，啟閉裝置採用液壓啟閉機配拉桿操作安全可靠，並便於遠端控制。每扇快速閘門各由1臺5 000 kN/3 200 kN（持住力/啟門力）液壓啟閉機配拉桿操作，採用一機一泵站佈置，為了使壩面整潔、美觀，臨時交通方便，將泵站佈置在壩面269.50 m高程以下的266.00 m高程的平臺上。啟閉機能在中控室遠控或機旁盤及現地手動操作。
每扇快速工作閘門的控制不僅具備現地、遠方"手動"和"自動"控制功能，還具備對快速工作閘門的啟閉控制、液壓泵站的自動啟停、工作泵與備用泵切換等的控制，並能夠對啟閉過程中各種工況引數自動監測、顯示以及對各種故障狀態進行聲光報警，"自動"工作模式下的控制系統還能對故障實施必要的處理。泵站內設有足夠的照明裝置。液壓啟閉機吊點型式為單吊點，工作行程10.3 m,最大行程10.5 m,液壓啟閉機的安裝與檢修利用QMS-2×1 250 kN雙向門機來操作。
7結 語
豐滿重建工程進水口分層取水金屬結構裝置佈置設計，成功解決了寒冷地區攔汙柵冬季執行防冰凍問題，節省了大量資金。各閘門及其啟閉裝置選型合理，滿足現行規範要求。疊梁閘門操作執行靈活可靠，滿足了下洩水溫的要求，保證了下游生態平衡，成果具有創新性，可在同類工程專案中進行廣泛的推廣和應用。