貫流式水電站進(jìn)水口攔污柵設(shè)計(jì)

貫流式水電站進(jìn)水口攔污柵設(shè)計(jì)

在進(jìn)水口的排水溝中，主要用于防止可能進(jìn)入設(shè)備上游的浮游生物，如樹枝、草、草、垃圾、動(dòng)物尸體和其他漂浮浮物體。保護(hù)機(jī)、門、閥和管道的安全，確保設(shè)備正常運(yùn)行。特別是低水電站，尤其是通流式機(jī)組。巴基斯坦真納電站隸屬大型貫流式機(jī)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(jī)組水頭和出力降低,會(huì)造成巨大經(jīng)濟(jì)損失。大型貫流式水電站具有低水頭、大流量等特點(diǎn),決定了進(jìn)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(shè)計(jì)為例,從廠房的布置、攔污柵的設(shè)計(jì)、制造、安裝及運(yùn)行維護(hù)、大跨度攔污柵的變形問題、進(jìn)水口清污機(jī)的選擇等角度,對(duì)貫流式機(jī)組進(jìn)水口攔污柵的設(shè)計(jì)、制造及安裝過程進(jìn)行了分析,最后總結(jié)提出對(duì)工程具有實(shí)際意義的幾點(diǎn)建議和相應(yīng)的改進(jìn)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(yáng)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(shè)8臺(tái)12MW水輪發(fā)電機(jī)組。真納電站是典型的大型貫流式水電站,在每臺(tái)機(jī)組進(jìn)水口設(shè)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(yù)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(shè)置檢修閘門,這種布置形式,無法在機(jī)組運(yùn)行時(shí)對(duì)攔污柵進(jìn)行檢查,在停機(jī)后也無法對(duì)其進(jìn)行修理或更換,為了減少攔污柵被堵塞,降低機(jī)組水頭和出力,安裝了兩臺(tái)移動(dòng)門式清污機(jī),其中,一臺(tái)在單向門式啟閉機(jī)的支架上自帶1套液壓清污耙斗;另外一臺(tái)獨(dú)立的清污機(jī),裝有一套液壓清污耙斗和一套清污抓斗,每臺(tái)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(zhuǎn)半徑5m,容積為1m3。2.1正確處理與了真納項(xiàng)目選擇的關(guān)系真納水電站攔污柵設(shè)計(jì)采用固定傾斜式,且柵前未設(shè)計(jì)檢修閘門,其依據(jù)是,在項(xiàng)目的可行性研究階段,巴基斯坦項(xiàng)目業(yè)主聘請(qǐng)的德國公司編制的可行性研究報(bào)告中,就將攔污柵設(shè)計(jì)成固定傾斜式,在項(xiàng)目的談判階段,東方委托設(shè)計(jì)院提出的項(xiàng)目建議書中保留了這種方案,可研報(bào)告和建議書后來都作為EPC總包合同組成部分,成為項(xiàng)目進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)工作的主要依據(jù)。真納項(xiàng)目選擇的設(shè)計(jì)單位為西北水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,沒有對(duì)攔污柵方案作進(jìn)一步的詳細(xì)研究,只是以合同中的初步方案為依據(jù),在詳細(xì)設(shè)計(jì)階段,將真納電站設(shè)計(jì)成固定式攔污柵,在設(shè)計(jì)過程中,東方即對(duì)該方案存在運(yùn)行期間檢修維護(hù)的缺陷,不符合實(shí)際運(yùn)行需求提出了質(zhì)疑,但設(shè)計(jì)方以這是原可研性報(bào)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(jìn)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(shè)置閘門,在電站投運(yùn)后,無法方便地對(duì)攔污柵進(jìn)行檢修維護(hù),如要檢查和更換柵葉,必須停機(jī),而且只能進(jìn)行水下作業(yè),因此要求修改,東方以這是主合同認(rèn)可的方案為由進(jìn)行辯解,但業(yè)主不同意。而強(qiáng)調(diào)承包商負(fù)責(zé)工程設(shè)計(jì)這項(xiàng)工作,必須保證工程的長(zhǎng)期安全方便運(yùn)行。針對(duì)廠房主體工程施工已經(jīng)基本完成、攔污柵的設(shè)計(jì)制造也已完成的實(shí)際狀況,東方對(duì)攔污柵在后期制造和安裝時(shí)作了一些修改,并加強(qiáng)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(xiàng)棘手的工作,早期投運(yùn)的攔污柵,大都采用刷漆除銹嚴(yán)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(fèi)工費(fèi)料。后來大多數(shù)攔污柵和埋件均進(jìn)行鍍鋅防銹處理,效果比較好,雖然制作時(shí)增加了費(fèi)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(shè)計(jì)的涂防銹保護(hù)層的基礎(chǔ)上,又增加了一層金屬熱噴涂保護(hù)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(zhǎng)了使用運(yùn)行時(shí)間。2.3提高安裝質(zhì)量針對(duì)真納電站固定式攔污柵存在無法進(jìn)行方便的檢修和維護(hù)的設(shè)計(jì)缺陷,在安裝過程中,要求安裝隊(duì)伍具備精良的工藝和技術(shù)素質(zhì),嚴(yán)格按照?qǐng)D紙和相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)/規(guī)范的要求進(jìn)行施工,反復(fù)復(fù)測(cè)安裝結(jié)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(zāi)中,攔污柵未受到大的損壞。2.4洪水對(duì)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(zāi),很短時(shí)間內(nèi)上下游圍堰被洪水沖垮,其中上游柵前水位一度達(dá)到EL212.50m,比正常運(yùn)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(dá)到3～4m深。洪災(zāi)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(duì)攔污柵進(jìn)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(duì)良好,基本未因洪水的沖擊和泥沙的淤積而損壞,只有極個(gè)別柵條有微量變形,重新進(jìn)行了更換消缺處理。特大洪災(zāi)也客觀上檢驗(yàn)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(bǔ)因設(shè)計(jì)原因造成不便維修的缺陷,東方向業(yè)主額外增供了一臺(tái)套柵葉作為備件。2.5攔污柵的安裝設(shè)計(jì)總之,真納電站固定式攔污柵,客觀存在不方便檢修和維護(hù)的問題,通過上述措施能在一定程度上彌補(bǔ)。但盡管如此,建議為了方便攔污柵在運(yùn)行后的維修,可以借鑒國內(nèi)外成熟的水電站攔污柵設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),設(shè)計(jì)成在運(yùn)行條件下可以將柵葉吊出或拆除的型式,或者在柵前設(shè)置檢修閘門,專門用于在停機(jī)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(fù)責(zé)工程設(shè)計(jì)這項(xiàng)工作的責(zé)任和機(jī)會(huì),在工程的詳細(xì)設(shè)計(jì)階段,認(rèn)真研究合同對(duì)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(duì)工程的長(zhǎng)期可靠方便運(yùn)行有利的前提下,盡可能對(duì)工程進(jìn)行優(yōu)化。如果必要,可以對(duì)合同規(guī)定的原來在初步設(shè)計(jì)階段確定的方案進(jìn)行修改,而不能把原合同在前期初步方案作為后期詳細(xì)設(shè)計(jì)階段的唯一依據(jù),最終影響工程的性能和長(zhǎng)期可靠方便運(yùn)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(jié)果,仍要由承包方自己承擔(dān)責(zé)任,因?yàn)槭浅邪阶约贺?fù)責(zé)最終的詳細(xì)設(shè)計(jì)。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(duì)工程文件的審批和檢查驗(yàn)收都不能免除承包方對(duì)工程性能和安全可靠運(yùn)行的責(zé)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(shè)有一根支撐鋼軌,同時(shí)作為清污機(jī)耙斗的運(yùn)行軌道,但是設(shè)計(jì)時(shí)鋼軌下端(▽192.80)未生根固定,而采用了將鋼軌上端固定在進(jìn)水口胸墻上的懸掛式,這種固定方式將使整個(gè)攔污柵在水流方向沒有約束,在水流速度有較大變化的實(shí)際運(yùn)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(dòng),從而不能安全穩(wěn)定的運(yùn)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(yùn)行的設(shè)計(jì)缺陷,要求設(shè)計(jì)院改變中間鋼軌的固定形式,由原來固定在上方進(jìn)水口胸墻上的懸掛式,改變成將支撐鋼軌下端生根埋設(shè)在進(jìn)口流道混凝土底板中的下部固定形式,使整個(gè)攔污柵在中間有了一根可靠固定在混凝土基礎(chǔ)板上的支撐體,使整個(gè)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(zāi)后,因單孔攔污柵重60多t,個(gè)別孔口攔污柵主梁下繞依舊十分厲害。最大值達(dá)到50mm,詳見下表測(cè)量記錄,通過測(cè)量記錄表看出2#、5#、7#下繞明顯,今后運(yùn)行階段有可能會(huì)出現(xiàn)不良現(xiàn)象。根據(jù)真納電站攔污柵的實(shí)際安裝經(jīng)驗(yàn),建議對(duì)這種大跨度水輪機(jī)組進(jìn)水口,可在流道中間設(shè)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(qiáng)其運(yùn)行可靠性,還可以改善廠房混凝土結(jié)構(gòu)的受力情況,相比之下,因貫流式機(jī)組進(jìn)口流道較寬,在流道中間設(shè)隔墩改變水流流態(tài)對(duì)機(jī)組出力的影響較小,國內(nèi)已經(jīng)有很多工程實(shí)例。續(xù)上表:為保證固定式攔污柵的安全可靠運(yùn)行,延長(zhǎng)運(yùn)行年限,減少攔污柵前污物堆積造成的水頭損失,以保證機(jī)組的出力,要求在攔污柵前設(shè)置性能優(yōu)良運(yùn)行可靠的清污機(jī)。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(shè)計(jì)階段未設(shè)置任何清污機(jī),后來運(yùn)行階段,印度河流域大量漂浮物仍堵塞了電站進(jìn)水口,不得不增加了容量較小的清污機(jī)用于攔污柵前清污。真納電站在設(shè)計(jì)時(shí)吸取了恰其馬(Chashma)水電站清污的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn),同時(shí)結(jié)合真納水電站的特點(diǎn),印度河流域流態(tài),漂浮物的性質(zhì)和數(shù)量,進(jìn)水口的性質(zhì),水下深度,機(jī)組流量、流速及對(duì)攔污柵的要求等多方面因素,設(shè)計(jì)了2臺(tái)獨(dú)立的液壓耙斗清污機(jī),兩臺(tái)清污機(jī)總清污容積最大達(dá)到9m3。兩臺(tái)清污機(jī)的液壓清污耙斗均可深入8臺(tái)機(jī)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(tái)清污機(jī)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(jī)對(duì)比照片。5.1攔污柵的設(shè)計(jì)攔污柵是水電站重要的金屬結(jié)構(gòu)輔助設(shè)備,同時(shí)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(jì)效益。因此攔污柵的設(shè)計(jì)、制造、安裝至關(guān)重要。為了保證機(jī)組正常運(yùn)行,進(jìn)水口設(shè)置清污機(jī)非常重要,選擇清污機(jī)時(shí)需考慮清污效果、清污通道、任何運(yùn)行工況下動(dòng)水清污等因素,保證及時(shí)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(jī)組出力。5.2攔污柵的運(yùn)行維護(hù)結(jié)合低水頭貫流式機(jī)組的特點(diǎn),為了攔污柵的方便安裝檢修和更換維護(hù),最好設(shè)計(jì)成活動(dòng)式攔污柵,即便設(shè)計(jì)成固定式攔污柵,也應(yīng)在柵前設(shè)計(jì)檢修閘門。這樣,廠房的整體結(jié)構(gòu)加大了,土建開挖和混凝土工程量變大,但是對(duì)機(jī)電安裝和電站的經(jīng)濟(jì)效益是有利的。攔污柵運(yùn)行期間,盡管現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范沒有對(duì)攔污柵具體檢查維護(hù)年限做出明確規(guī)定,但攔污柵定期全面檢查與維護(hù)是必要的,是保證攔污柵正常運(yùn)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(hù)、陰極保護(hù)等措施,提高攔污柵的使用壽命,減少電站維護(hù)工作量。5.3污柵的長(zhǎng)度對(duì)于大流量水輪機(jī)組進(jìn)口攔