貫流式水電站進水口攔污柵設計

貫流式水電站進水口攔污柵設計

在進水口的排水溝中，主要用于防止可能進入設備上游的浮游生物，如樹枝、草、草、垃圾、動物尸體和其他漂浮浮物體。保護機、門、閥和管道的安全，確保設備正常運行。特別是低水電站，尤其是通流式機組。巴基斯坦真納電站隸屬大型貫流式機組,位于印度河主河道右岸,而印度河流域漂浮物非常多,且體積非常大,一旦攔污柵被堵塞,機組水頭和出力降低,會造成巨大經(jīng)濟損失。大型貫流式水電站具有低水頭、大流量等特點,決定了進水口攔污柵具有跨度大、高度高、主梁根數(shù)多、柵體須分節(jié)等特性。以巴基斯坦真納電站固定式攔污柵設計為例,從廠房的布置、攔污柵的設計、制造、安裝及運行維護、大跨度攔污柵的變形問題、進水口清污機的選擇等角度,對貫流式機組進水口攔污柵的設計、制造及安裝過程進行了分析,最后總結提出對工程具有實際意義的幾點建議和相應的改進措施,具體內(nèi)容如下。巴基斯坦真納電站位于巴基斯坦旁遮普省Mianwali(米揚瓦里)地區(qū)Kalabagh(卡拉巴)鎮(zhèn)下游約5km處的(印度河)Jinnah(真納)攔河閘的右岸,利用JINNAH攔河閘形成的水位落差,開挖明渠引水,修建廠房發(fā)電,裝設8臺12MW水輪發(fā)電機組。真納電站是典型的大型貫流式水電站,在每臺機組進水口設固定傾斜式攔污柵,孔口尺寸(寬×高)13.25m×18.44m,單孔攔污柵重約64.2t,考慮安裝方便,每孔攔污柵柵條分32塊柵條框架,見圖1。每塊柵條框架由若干柵條組成,柵條之間由鋼管定位焊接。柵條框架與主梁用螺栓固定。每孔攔污柵埋件均由8根主梁組成,主梁兩端用錨栓固定在預埋一期混凝土中的錨板上,然后回填二期混凝土。在柵前,也沒有設置檢修閘門,這種布置形式,無法在機組運行時對攔污柵進行檢查,在停機后也無法對其進行修理或更換,為了減少攔污柵被堵塞,降低機組水頭和出力,安裝了兩臺移動門式清污機,其中,一臺在單向門式啟閉機的支架上自帶1套液壓清污耙斗;另外一臺獨立的清污機,裝有一套液壓清污耙斗和一套清污抓斗,每臺清污耙斗的功率為2×160kN,容積為4m3,寬度7m,為攔污柵寬度的一半。清污抓斗的功率為100kN,回轉半徑5m,容積為1m3。2.1正確處理與了真納項目選擇的關系真納水電站攔污柵設計采用固定傾斜式,且柵前未設計檢修閘門,其依據(jù)是,在項目的可行性研究階段,巴基斯坦項目業(yè)主聘請的德國公司編制的可行性研究報告中,就將攔污柵設計成固定傾斜式,在項目的談判階段,東方委托設計院提出的項目建議書中保留了這種方案,可研報告和建議書后來都作為EPC總包合同組成部分,成為項目進行詳細設計工作的主要依據(jù)。真納項目選擇的設計單位為西北水電勘測設計研究院,沒有對攔污柵方案作進一步的詳細研究,只是以合同中的初步方案為依據(jù),在詳細設計階段,將真納電站設計成固定式攔污柵,在設計過程中,東方即對該方案存在運行期間檢修維護的缺陷,不符合實際運行需求提出了質(zhì)疑,但設計方以這是原可研性報告和原建議書中確定的方案,是“合同規(guī)定的”為由,而沒有進一步修改。在后來的攔污柵安裝過程中,業(yè)主發(fā)現(xiàn)了因真納電站攔污柵為固定式,并且柵前沒有設置閘門,在電站投運后,無法方便地對攔污柵進行檢修維護,如要檢查和更換柵葉,必須停機,而且只能進行水下作業(yè),因此要求修改,東方以這是主合同認可的方案為由進行辯解,但業(yè)主不同意。而強調(diào)承包商負責工程設計這項工作,必須保證工程的長期安全方便運行。針對廠房主體工程施工已經(jīng)基本完成、攔污柵的設計制造也已完成的實際狀況,東方對攔污柵在后期制造和安裝時作了一些修改,并加強安裝的施工質(zhì)量控制。2.2c加固攔污柵及埋件的防腐攔污柵的銹蝕也是一項棘手的工作,早期投運的攔污柵,大都采用刷漆除銹嚴重落后的方法。但是除銹刷漆施工難度大,又系高空作業(yè),而且施工又不便利,難以徹底,費工費料。后來大多數(shù)攔污柵和埋件均進行鍍鋅防銹處理,效果比較好,雖然制作時增加了費用,但可保證至少15年左右不需除銹刷漆處理。為了改善真納水電站的攔污柵及埋件的防腐性能,東方在原來設計的涂防銹保護層的基礎上,又增加了一層金屬熱噴涂保護層。涂料種類、涂層道數(shù)、漆膜厚度符合下表規(guī)定。確保攔污柵及埋件的防腐性能安全可靠,延長了使用運行時間。2.3提高安裝質(zhì)量針對真納電站固定式攔污柵存在無法進行方便的檢修和維護的設計缺陷,在安裝過程中,要求安裝隊伍具備精良的工藝和技術素質(zhì),嚴格按照圖紙和相關國家標準/規(guī)范的要求進行施工,反復復測安裝結果,確保安裝過程不能有絲毫的偏差,也才客觀上保證了在2010年7月底的特大洪災中,攔污柵未受到大的損壞。2.4洪水對攔污柵的影響2010年7月底,真納電站在上、下游閘門下閘完成后,突如其來遭受巴基斯坦百年一遇的特大洪災,很短時間內(nèi)上下游圍堰被洪水沖垮,其中上游柵前水位一度達到EL212.50m,比正常運行水位EL211.50m高了1m,印度河洪水期間持續(xù)在25000m3/s高流速的大過流量,在攔污柵前淤積泥沙達到3～4m深。洪災后,真納電站上下游引水渠和尾水渠重新修建圍堰,抽水清淤,對攔污柵進行維修,在經(jīng)受了如此巨大的非正常洪水的不利條件的影響后,發(fā)現(xiàn)攔污柵的狀況相對良好,基本未因洪水的沖擊和泥沙的淤積而損壞,只有極個別柵條有微量變形,重新進行了更換消缺處理。特大洪災也客觀上檢驗了真納電站固定式攔污柵的承載能力能滿足工程條件。此外,為了彌補因設計原因造成不便維修的缺陷,東方向業(yè)主額外增供了一臺套柵葉作為備件。2.5攔污柵的安裝設計總之,真納電站固定式攔污柵,客觀存在不方便檢修和維護的問題,通過上述措施能在一定程度上彌補。但盡管如此,建議為了方便攔污柵在運行后的維修,可以借鑒國內(nèi)外成熟的水電站攔污柵設計經(jīng)驗,設計成在運行條件下可以將柵葉吊出或拆除的型式,或者在柵前設置檢修閘門,專門用于在停機條件下排水檢修攔污柵。更重要的是,在今后的EPC合同的執(zhí)行中,要充分理解承包商負責工程設計這項工作的責任和機會,在工程的詳細設計階段,認真研究合同對工程性能的綜合要求,在完全滿足合同規(guī)定的功能,并最終對工程的長期可靠方便運行有利的前提下,盡可能對工程進行優(yōu)化。如果必要,可以對合同規(guī)定的原來在初步設計階段確定的方案進行修改,而不能把原合同在前期初步方案作為后期詳細設計階段的唯一依據(jù),最終影響工程的性能和長期可靠方便運行。如果一味的受合同的限制,造成影響工程性能或安全的結果,仍要由承包方自己承擔責任,因為是承包方自己負責最終的詳細設計。要充分理解EPC合同的一條最基本的原則:合同的規(guī)定和要求以及在合同執(zhí)行過程中業(yè)主對工程文件的審批和檢查驗收都不能免除承包方對工程性能和安全可靠運行的責任。真納電站攔污柵孔口寬度為13.25m,八根主梁,每根主梁重約4t,在中間設有一根支撐鋼軌,同時作為清污機耙斗的運行軌道,但是設計時鋼軌下端(▽192.80)未生根固定,而采用了將鋼軌上端固定在進水口胸墻上的懸掛式,這種固定方式將使整個攔污柵在水流方向沒有約束,在水流速度有較大變化的實際運行條件下,在垂直方向和水流方向都將有較大的變形和振動,從而不能安全穩(wěn)定的運行。在攔污柵的安裝過程中,發(fā)現(xiàn)了這一影響攔污柵安全穩(wěn)定運行的設計缺陷,要求設計院改變中間鋼軌的固定形式,由原來固定在上方進水口胸墻上的懸掛式,改變成將支撐鋼軌下端生根埋設在進口流道混凝土底板中的下部固定形式,使整個攔污柵在中間有了一根可靠固定在混凝土基礎板上的支撐體,使整個攔污柵的變形量和穩(wěn)定性明顯改變。在經(jīng)歷2010年7月底巴基斯坦特大洪災后,因單孔攔污柵重60多t,個別孔口攔污柵主梁下繞依舊十分厲害。最大值達到50mm,詳見下表測量記錄,通過測量記錄表看出2#、5#、7#下繞明顯,今后運行階段有可能會出現(xiàn)不良現(xiàn)象。根據(jù)真納電站攔污柵的實際安裝經(jīng)驗,建議對這種大跨度水輪機組進水口,可在流道中間設混凝土隔墩,將單孔大跨度改成兩孔小跨度的攔污柵,可大大減小攔污柵的跨度,以增加攔污柵的穩(wěn)定性,增強其運行可靠性,還可以改善廠房混凝土結構的受力情況,相比之下,因貫流式機組進口流道較寬,在流道中間設隔墩改變水流流態(tài)對機組出力的影響較小,國內(nèi)已經(jīng)有很多工程實例。續(xù)上表:為保證固定式攔污柵的安全可靠運行,延長運行年限,減少攔污柵前污物堆積造成的水頭損失,以保證機組的出力,要求在攔污柵前設置性能優(yōu)良運行可靠的清污機。真納電站下游的恰其馬(Chashma)水電站,同樣是布置在印度河主河道右岸600m左右,繞開了主河道上大面積污物及漂浮物,因此其施工設計階段未設置任何清污機,后來運行階段,印度河流域大量漂浮物仍堵塞了電站進水口,不得不增加了容量較小的清污機用于攔污柵前清污。真納電站在設計時吸取了恰其馬(Chashma)水電站清污的經(jīng)驗教訓,同時結合真納水電站的特點,印度河流域流態(tài),漂浮物的性質(zhì)和數(shù)量,進水口的性質(zhì),水下深度,機組流量、流速及對攔污柵的要求等多方面因素,設計了2臺獨立的液壓耙斗清污機,兩臺清污機總清污容積最大達到9m3。兩臺清污機的液壓清污耙斗均可深入8臺機組攔污柵水下底部(▽192.80)清污,底坎和死角均可清污,有效防止漂浮物堵塞攔污柵。而且,廠房左、右岸均有清污通道,保證兩臺清污機清污方便,這些均確保柵前的清污能力。見所附恰其馬電站(圖3)和真納電站(圖4)清污機對比照片。5.1攔污柵的設計攔污柵是水電站重要的金屬結構輔助設備,同時也造成很大的水頭損失,特別是低水頭水電站的水頭損失,直接影響電站的安全生產(chǎn)與經(jīng)濟效益。因此攔污柵的設計、制造、安裝至關重要。為了保證機組正常運行,進水口設置清污機非常重要,選擇清污機時需考慮清污效果、清污通道、任何運行工況下動水清污等因素,保證及時有效清除柵前雜物和漂浮物,防止攔污柵堵塞,影響水流流態(tài)和機組出力。5.2攔污柵的運行維護結合低水頭貫流式機組的特點,為了攔污柵的方便安裝檢修和更換維護,最好設計成活動式攔污柵,即便設計成固定式攔污柵,也應在柵前設計檢修閘門。這樣,廠房的整體結構加大了,土建開挖和混凝土工程量變大,但是對機電安裝和電站的經(jīng)濟效益是有利的。攔污柵運行期間,盡管現(xiàn)行國家標準和規(guī)范沒有對攔污柵具體檢查維護年限做出明確規(guī)定,但攔污柵定期全面檢查與維護是必要的,是保證攔污柵正常運行和發(fā)揮水電站效益的前提。新投產(chǎn)攔污柵已摒棄刷漆除銹落后的方法,采用鍍鋅保護、陰極保護等措施,提高攔污柵的使用壽命,減少電站維護工作量。5.3污柵的長度對于大流量水輪機組進口攔