深圳抽水蓄能电站上水库进/出水口拦污栅设计

李珍祥

(广东省水利电力规划勘测设计研究院,广东 广州 510635)



深圳抽水蓄能电站上水库进/出水口拦污栅设计

李珍祥

(广东省水利电力规划勘测设计研究院,广东 广州 510635)

抽水蓄能电站的水道布置较为复杂,理想的进水口布置形式常受到输水道条件、扩散段体型等诸多因素的影响和限制。深圳抽水蓄能电站上库进/出水口的拦污栅的布置方式为将栅槽一侧轨道做成斜面,对应的拦污栅支承滑块与之保持对应的斜率,确保拦污栅放置入栅槽后栅叶上的支承滑块与栅槽的轨道面之间没有间隙的半固定式布置方式。实践证明,该布置方式可以有效限制栏污栅在栅槽中的振动,并且可以确保拦污栅的检修条件。

拦污栅设计；蓄能电站

1 工程概况

深圳抽水蓄能电站(下文中简称“深蓄”)位于广东省深圳市,本工程枢纽建筑物主要有上水库、下水库、输水系统、厂房系统和厂内永久公路等五大部分。上库正常蓄水位为526.81 m,死水位为502.00 m,调节库容为825.24万m3。下库正常蓄水位为80.00 m,死水位为60.00 m,调节库容为1 625.24万m3,其中发电调节库容为825.24万m3,供水调节库容为800万m3。本电站服务于广东省电网,主要送电方向为深圳市，装机容量为1 200 MW,平均水头为448.30 m。

2 抽水蓄能电站进/出水口拦污栅的特点

拦污栅的布置是否合理直接影响到建筑物和拦污栅自身的安全运行,如果布置不合理会造成很大的损失经济上和带来运行管理的不便。常规电站、泵站的拦污栅仅承受单向水流作用,拦污栅通常不会因为水流的变化而产生振动。常规的电站或泵站在运行时仅有一种水流方向,抽水蓄能电站发电工况下的水流方向与抽水工况下的水流方向相反,且两种工况频繁交替变化。抽水蓄能电站拦污栅在频繁交替变化的水流作用下常会出现振动的情况,栅叶也会由于振动疲劳等原因发生破坏。双向水流问题对拦污栅的正常使用影响至关重要。根据国内外同行的多年设计经验,通常采用在水工布置时采用合理的水工建筑物结构形式可有效防止拦污栅有害振动的产生。通常情况下,抽水蓄能电站的水道布置较为复杂,受到输水道条件、扩散段体型等诸多因素的影响和限制,很难设计出理想的水工建筑物体形。为解决拦污栅振动问题,有些电站也采用固定拦污栅的布置形式,但是固定拦污栅有着明显的检修维护困难的缺点。因为抽水蓄能电站有抽水和发电工况下进/出水口具有不同的水流方向,与之对应的拦污栅工作条件复杂,目前还没有一套成熟的拦污栅设计理论。

3 深蓄上库进/出水口拦污栅设计

3.1 总体布置

深蓄上库位于植被覆盖良好、污物较少的地区,且集雨面积很小,年径流量亦很小,下库是当地饮用水源水库,又都处在风景区,植被良好,污物较少,故而为尽量避免污物进入进水口威胁拦污栅的安全和水泵水轮机的安全运行,结合地形等有利条件,在上库的进/出水口各设置1道拦污栅。且其进/出水口位于深水之下,其拦污栅受冰冻和污物堵塞的机会相对较少,不考虑设置机械清污设备；拦污栅在立面上亦可采用垂直布置形式,以达到缩短进水口建筑物的长度,减少建筑物的投资的效果。上库进/出水口拦污栅布置于喇叭口最前端,共4孔,孔口尺寸均为8.5 m×14.75 m(宽×高,下同),每孔拦污栅分6节,每节高2.54 m。为方便安装、检修及更换,拦污栅型式采用活动格栅,双向减震滑块支承,结构按5 m水头设计,静水启闭,并设置清污平台。另外,参考国内已建同类工程经验,拦污栅检修的机会比较少,故未设置永久起吊设备,只是将其检修平台设在死水位以上,必要时可在检修平台上采用临时设备起吊[1]。栅叶布置形式见图1。

图1 栅叶结构布置示意

3.2 设计中的关键问题

1) 栅叶与栅槽的配合

拦污栅的振动是抽水蓄能电站不可回避的问题,也是影响拦污栅正常使用的关键问题。虽然通过采用地脚螺栓将拦污栅栅叶与栅槽刚性连接在一起的固定式拦污栅可以有效避免振动的产生,但是在出现事故或需要检修时极为不方便,此种布置形式不是很理想。为了避免拦污栅因水流方向改变而产生振动,同时满足拦污栅的检修要求,深蓄上库进/出水口拦污栅在布置时将栅槽一侧轨道做成150∶1的斜面,对应的拦污栅支承滑块与之保持对应的斜率,确保拦污栅放置入栅槽后栅叶上的支承滑块与栅槽的轨道面之间没有间隙的半固定式布置方式。在安装时,根据实际测量数据,采用1 mm厚的滑块垫板调整滑块高度,使拦污栅在重力的作用下能与栅槽紧密接触,将拦污栅半固定于栅槽中,该种布置形式既可有效避免栅叶在栅槽内产生振动,又方便将栅叶提出孔口来维修、更换。抽水蓄能电站拦污栅较为常见的支承滑块的形式有自润滑材料滑块和铸铁滑块两种。就铸铁滑块而言,其成本低,但是摩擦系数大,拦污栅所需的启吊力较大；而自润滑材料滑块成本相对铸铁滑块略高,但是其摩擦系数小,拦污栅所需的启吊力亦较小。深蓄上库进/出水口拦污栅与栅槽之间采用半固定的楔型安装方式,滑块与栅槽轨道之间未留间隙。由于制造偏差或安装误差等原因,在吊起拦污栅时,拦污栅的栅叶与栅槽之间可能出现卡锁状态,该状态可能会导致拦污栅所需启吊力的增加。鉴于以上原因,深蓄上库进/出水口拦污栅所用支承滑块采用自润滑材料滑块[2]。

2) 栅叶的主要结构形式

拦污栅栅叶是由栅条、主梁、边梁、导流板及隔板组成。为保证拦污栅的整体刚度,同时也简化制造拦污栅的工艺流程,栅叶选用焊接结构,将主梁与边梁等高焊接,栅条及导流板焊接于主梁上,支承隔板焊接固定于栅条之间。这种结构形式的在工程实践中较常用。根据满足双向水流、减少水阻力的原则,深蓄上库进/出水口拦污栅尽可能的采用近似流线的体形。为减小流经拦污栅时的水头损失和水流引发的激振,深蓄上库进/出水口拦污栅设计时,其主梁采用双腹板截面,并在主梁翼板上焊接导流板(如附图2所示)。

图2 主横梁结构型式示意

3) 栅条间距选择

拦污栅的栅条间距不宜过大,过大则易通过有害物质；其间距也不宜过小,过小则会加大水头损失。深蓄水轮机转轮直径D1=4.16 m,机组为混流式机组,根据《泵站设计规范》(GB 50265—2010)和《水利水电工程机电设计技术规范》(SL 511—2011)中轴流泵对应拦污栅栅条净距取0.05倍水泵叶轮直径,混流泵和离心泵对应拦污栅栅条净距取0.03倍水泵叶轮直径[3],对于轴流式和贯流式水轮机对应拦污栅栅条净距按(120～130)D1计算(D1为轮轮机的转轮直径,下同),对于混流式水轮机对应拦污栅栅条净距按(120～130)D1计算；且栅条最小净距不宜小于50 mm,最大净距不宜大于250 mm的要求[4],结合孔口尺寸和结构布置,确定拦污栅栅条净距取为131 mm。

4) 栅条振动计算

从相关实验可知,当水流流经类似于栅条等柱状构件,并且对应的雷诺数数值增大到一定程度后,会有相当大范围明显的分离区在柱状构件的尾部将出现,并伴有两个旋转方向相反的漩涡交替脱落、 又交替出现于构件尾部,进而引起水流激振和使构件振动。深蓄上库进/出水口拦污栅布置于水流方向随抽水和发电工况变化而变化的进/出水口,由于拦污栅的结构特点栅条垂直于水流方向的刚度较小,当过栅流速增大到某一范围时,栅条尾部将出现交替的涡流脱落,往往会横向产生共振而导致栅条破坏。拦污栅的破坏主要是由于单根栅条在垂直于水流方向上产生共振,所以应特别注意水流对栅条横向的作用力频率跟单根栅条的横向作用力频率的相互关系。虽然在顺水流方向同样存在由水流作用力,但是由于栅条顺流向的刚度大, 固有频率也高,一般情况下可不再另行计算[5]。

栅条的共振通常取决于过栅流速和拦污栅的结构形式(栅条截面形式、栅条间距、栅条之间的相互连接方式、栅条与框架的连接方式等)。通过改变拦污栅的结构形式使作用在栅条上的作用力频率比栅条固有频率出现较大的差距,可以有效减小产生共振的可能性,从而保证栅条在动荷载作用时的稳定性[6]。

涡流脱落产生的干扰频率按式(1)计算：

(1)

式中 f为涡流脱落产生的干扰频率,Hz；v为过栅流速,mm/s,有试验时为实测最大过栅净流速,否则采用2.25倍平均过栅流速；δ为栅条断面厚度,mm；Sr为斯特劳哈尔数,无量纲系数,当迎水面为矩形时,宜采用0.19～0.23,流速大、高厚比大都取大值。

单根栅条的固有振动频率按式(2)计算：

(2)

栅条在水中的有效重量按式3计算：

(3)

其中

V=1hδ

(4)

式中 W为栅条在水中的有效重量,N；V为栅条支点间的体积,mm3；Ws为栅条材料的容重,N/mm3；b为栅条净距,mm；W0为水的容重,N/mm3；h为栅条断面高度,mm。

按式(1)～(3)计算,深蓄上库进/出水口拦污栅涡流脱落产生的干扰频率为0.01Hz,单根栅条的固有振动频率为0.46Hz。

(5)

涡流脱落产生的干扰频率与单根栅条的固有振动频率有较大的差别,拦污栅在运行过程过不会出现共振的情况。

4 结语

文章结合抽水蓄能电站拦污栅需要承受抽水和发电两种工况下的双向水流作用的工作特点,对深圳抽水蓄能电站上库进/出水口的拦污栅设计进行了介绍。认为,在抽水蓄能电站拦污栅设计时,栅叶结构宜按5 m水头进行设计；为有效避免栅叶在栅槽内振动,同时方便安装、检修及更换,拦污栅栅槽宜做成楔形,栅叶宜采用双向减震滑块支承形式的活动格栅,以应的滑块宜采用自润滑材料滑块；抽水蓄能电站库区通常植被覆盖良好、污物较少的地区,且集雨面积很小,年径流量亦很小,拦污栅受污物堵塞的机会相对较少,可以不考虑设置机械清污设备；参考国内已建同类工程经验,拦污栅检修的机会比较少,临时设备起吊即可。在进行抽水蓄能电站拦污栅设计时,应根据过栅流速选择合理的栅条截面形式、栅条间距、栅条之间的相互连接方式、栅条与框架的连接方式以使栅条在水流作用下的振动频率与栅条固有频率有较大的差距,避免共振发生,保证栅条在动荷载作用时的稳定性。

[1] 肖段龙,张巍.清远抽水蓄能电站上库进出水口拦污栅吊装方案设计[J].广东水利水电, 2014(2)：70-72．

[2] 李大伟,周兵.白山抽水蓄能电站拦污栅设计[J].东北水利水电, 2010(5)：11-12．

[3] 泵站设计规范：GB 50265—2010[S]．

[4] 水利水电工程机电设计技术规范：SL 511—2011[S]．

[5] 国家电力公司华东勘测设计研究院金属结构所.天荒坪抽水蓄能电站上、下库进/出水口拦污栅设计[J].华东水电技术, 2000(2)：227-29，245．

[6] 水利水电工程钢闸门设计规范：SL 74—2013[S]．

(本文责任编辑 马克俊)

Trash Rack Design of the Inlet/outlet Reservoir in Shenzhen Pumped Storage Power Station

LI Zhenxiang

(Guangdong Hydropower Planning &Design Institute, Guangzhou 510635,China)

Channel arrangement of pumped-storage power station is relatively complex, so the ideal water inlet arrangement type often is limited to two conditions. Design of diffusion section shape also has many limitations. The track of the trash rack in Shenzhen pumped storage power station is designed as slopes, and also kept the supporting slider of the trash rack to fit with the track to make sure the trash rack was semi-fixed in the channels. Practice has proved that this placement take effective at limiting the vibration of trash rack, and also kept the maintenance condition of the trash rack.

trash rack design; pumped storage power station

2016-03-31;

2016-04-19

李珍祥(1986),男,本科,工程师,从事水工金属结构设计工作。

TV732+.2

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1008-0112(2016)03-0053-03