清远抽水蓄能电站上水库事故检修闸门充水阀设计探讨

肖段龙，周育桢，董笑波

（1.广东省水利电力勘测设计研究院，广东 广州 510635；2.国家电网节能服务有限公司，北京 100052；3.河北省桃林口水库管理局，河北 秦皇岛 066400）

0 前 言

广东清远抽水蓄能电站位于广东省清远市的清新县太平镇境内，电站装机容量1280 MW，主要承担广东电网调峰、填谷、调频、调相以及紧急事故备用等任务。清远抽水蓄能电站输水发电系统布置为一洞四机，在上水库引水隧洞进出口段设闸门井1座，孔口尺寸9.2 m×9.2 m （宽×高，下同），布置1扇事故检修闸门，闸门型式为平面滑动门，利用水柱动水闭门，采用高扬程卷扬机进行操作。

当电站上水库水位达到587.0 m时，即可满足机组调试基本要求。由于清远抽水蓄能电站水道为全混凝土衬砌，充水时要求水位缓慢上升。但为了控制水道的总充水时间，对水道各段充水的要求进行了优化:中平段充水要求较快，需要采用约4400 m3/h的大流量进行充水；竖井段要求实现缓慢充水，需要采用约266 m3/h的小流量进行充水。因此充水阀需要具有较好的适应能力和调节能力，同时能实现比较精确的流量控制；另外为了不影响水道总漏水量的测量精度，还要求充水阀关闭时不漏水。

1 充水阀选型布置

清远抽水蓄能电站上水库事故检修闸门充水阀选型时考虑了两个方案:方案一为传统的盖板式，即在门顶上对称设置两个充水阀，充水阀由固定式卷扬机操作；方案二为在流道侧边专用阀井内设置一套单独控制的可控制流量的充水系统。经过技术经济方案比较，充水阀布置选择了投资很少，结构简单实用，闸门顶梁格内的垃圾不会被水流吸入充水阀，充水阀与闸门结合使用，维护方便的方案一。将选定方案的布置型式与一般平盖式充水阀布置方式相比，作了以下改进:①将充水阀设置在事故检修闸门顶主梁腹板以上350 m的平台座上，以防止充水阀卡阻；②充水阀直径减小为φ250 mm，以保证充水阀在小开度时的调节和控制平稳。解决了在惠州抽水蓄能电站B厂水道充水过程中出现充水阀被防护栏杆废料卡阻及充水阀小流量时控制困难的两个问题。

清远抽水蓄能电站上水库事故检修闸门充水阀具体结构由套筒、阀芯组成，套筒焊接在门叶结构上，其顶部水封装置设于充水阀顶盖座板上，与阀芯的平盖组成密封副；阀芯设有可在套筒内上下滑动的导向板，用以保证阀芯与套筒的同心度。阀芯通过轴与吊梁连接，吊梁再与启闭闸门的固定卷扬式启闭机的动滑轮组连接。此外，吊梁还可起到增加压重以利于阀门关闭。其结构示意如图1所示。

图1 充水阀剖面及平面（单位:mm）

充水阀由固定卷扬式启闭机操作。通过启闭机动滑轮组的升降，带动充水阀阀芯的升降；阀芯的平盖与套筒顶部之间的开度可以过流，从而达到充水的目的。启闭机现地控制柜上设有开度指示器，可数字显示开度。

2 充水阀开度与流量关系

水道首次充水按上水库死水位587 m估算；水库正常运行后，水道检修充水上水库按正常高水位612.5 m计算。充水阀流量按以下公式估算

式中，μ为充水阀的流量系数；A为总过流面积；g为水的重力加速度；H为充水水头差。其中μ计算公式如下:

式中，λ为沿程损失系数，约为0.034；l为充水管路长度，约为2100 mm；d为充水阀直径；ζ1～ζ4为充水阀进口至出口的局部损失系数。流量系数计算值为 μ=0.6。

2个直径φ250 mm的充水阀总过水面积为Amax=2πr2×0.1252=0.098 m2。

2.1 计算工况一，上水库处于死水位

上水库处于死水位时，上水库事故检修闸门充水水位587.0 m，充水阀出口高程为574.6 m，此时充水阀最小充水水头差为Hmin=587-574.6=12.4 m。

按公式 （1）计算充水阀不同开度下每小时流量，结果见表1所示。

表1 充水阀开度与流量关系 （死水位工况）

表1表明，当充水阀开度为62.5 mm以上时，充水阀达到最大流量3305 m3/h，流量比设计值约小25%。考虑到此计算工况为极端工况，经复核通过略微延长充水时间仍可满足中平洞充水的要求。当充水阀开度为5 mm时，充水阀最小流量约为264 m3/h，满足设计最小流量要求。

2.2 计算工况二，上水库处于正常水位

当上水库正常水位时，上水库事故检修闸门充水水位612.5 m，充水阀出口高程约为574.6 m，此时充水阀充水水头差为Hmax=612.5-574.6=37.9 m。

按公式 （1）计算充水阀不同开度下每小时流量，具体见表2充水阀开度与流量关系 （正常水位工况）。

表2 充水阀开度与流量关系 （正常水位工况）

表2表明，当充水阀开度为50 mm时，就可满足中平洞设计流量的要求；当充水阀开度为62.5 mm以上时，充水阀达到最大流量5796 m3/h，流量比设计值大31.7%。当充水阀开度约为3 mm时，充水阀最小流量约为278 m3/h，满足设计最小流量要求。两种工况下的充水阀流量与开度关系曲线见图2。

3 结论与建议

图2 充水阀流量与开度关系曲线

在改进惠州抽水蓄能电站上水库事故检修闸门充水阀基础上，经理论计算与分析，提出了清远抽水蓄能电站上水库事故检修闸门上设置充水阀的数量、规格，并推导了充水阀流量和开度的相互关系，以指导不同水位下对充水阀的操作控制；另外充水阀的开度控制可通过启闭机控制柜PLC设置多个断点模式或人工点动控制的模式来实现，从而实现了充水阀最小开度调节与启闭机开度指示器精度的匹配。

由于计算选取的流量系数为经验值，同时开度仪表自身的设备精度及安装误差等原因，可能会导致实际充水流量与计算值略有偏差，这可通过实际运行经验来加以总结和调整，尤其是充水阀在极小开度阶段需特别注意。

［1］广东清远抽水蓄能电站可行性研究报告[R].广州:广东省水利电力勘测设计研究院,2007.

［2］肖段龙.清远抽水蓄能电站水道充水设施方案设计[J].广东水利水电,2013（7）:73-75.

［3］吴新平,等.惠州抽水蓄能电站机电设计特点与创新 [J].水力发电,2010,36（9）:36-39.

［4］蒋立新.黑糜峰抽水蓄能电站金属结构布置与设计[J].水力发电,2010,36（7）:70-72.