水电站升船机运行风险因素与对策分析

方元芳

（福建水口发电集团有限公司，福建福州 350004）

0 引言

水口水电站位于福建闽清县境内的闽江干流下游，上游距离南平市94 km，下游距离福州市84 km。航运过坝建筑物位于枢纽右岸，设有一线3级船闸和一线垂直升船机。其中，2×500 t级垂直升船机于2004年底投用，具有过坝速度快、不耗水等优点。

水口升船机采用湿运全平衡钢丝绳卷扬式垂直提升机型，承船厢通过钢丝绳、卷筒及滑轮组与两侧平衡重相连，在主电气传动控制系统驱动牵引下实现垂直升降。为确保承船厢安全稳定运行，全平衡式升船机平衡系统配置有转矩平衡重、可控平衡重和重力平衡重等3种平衡重，平衡重的总重量等于承船厢及其设备自重、额定水深时的水体重量之和，其中转矩平衡重和可控平衡重的重量约为1.7倍承船厢内0.4 m误载水体重量。

1 现状与问题

1.1 下游水位持续下降

多年来，水口水电站受下游河道长年持续挖沙、上游河沙补给减少及下游河道受水流冲刷等多种因素影响，同流量下游水位持续下降。从2000年至2017年，为满足通航要求，通航流量抬高至2800 m3/s，为原设计流量的9倍多，使满足通航要求的压力不断加大。出库流量的加大同时影响升船机上、下游水位变幅、水位变率和涌浪等，不同程度地影响船只在进出船厢过程中承船厢的水深度。因此，通航流量的抬高加大了船闸及升船机的通航安全风险，为此，水口升船机在现行条件下增加电站出口流量，对升船机的安全运行没能起到积极有效的作用。

1.2 水位与流量关系

水口电站下游河道水位下切每年各不相同，甚至一年比一年恶化。为更好地分析电站下泄基荷流量相应的相对准确现状水位，根据实测与调查水位与相应水口出库流量及实测断面分析，绘制北溪坝址水尺断面水位流量关系曲线（图1）。水口水电站单台机组设计最大流量467.7 m3/s，最小流量196 m3/s，嵩滩埔单台机组额定流量50.5 m3/s。

从前期水口电站坝下不同位置天然水位—流量关系曲线、单站平均水位年统计表及北溪下坝线水位流量关系曲线可以看出，水口坝下及下游坝坝轴线位置相应水口水电站出库流量下游下切水位变化较大，其中7台机组满发，2台机组甩负荷下游水位下降约1 m；7台机组满发，4台机组甩负荷下游水位下降约2 m。

图1 北溪坝址水尺断面水位流量关系曲线

随着时间的推移，河床的冲沙不断恶化而上游又不能提供很好地补给，将直接导致下游水位变率加大，为此，可以推断现阶段升船机下游出口水位受河床断面等因素影响，其实际水位变化不会比下游坝址位置水位变率小。

1.3 升船机下游水位降幅实时检验试验

鉴于水口水电站因下游河床下切造成的水口水电站下游及升船机引航道水位、流量已发生很大变化，直接威胁到升船机的安全运行，特别是水位变率加快，可能导致船厢倾覆事故危及人身安全，曾就7台机组满发通航时，按突发设备事故，2台机组甩负荷，出力骤降，进行升船机下游水位降幅实时检测试验（发电机组负荷变化曲线见图2，升船机下游水位降幅曲线见图3，水位降幅曲线横坐标设定为某一时间为零点）。从试验及水位降幅曲线可以看出，机组调降负荷开始约2 min，升船机下游引航道水位开始下降，其中：约过4 min升船机下游引航道水位下降约41 cm；约过5 min升船机下游引航道水位下降46 cm；约过15 min升船机下游引航道水位下降55 cm；约过29 min后升船机下游引航道水位下降69 cm；以上数据为模拟工况下测量所得，若遇机组实际保护动作切机甩负荷，升船机下游引航道水位变幅可能会更快。

图2 发电机组负荷变化曲线

图3 升船机下游水位降幅曲线

升船机在下游对接工况下的对接停留时间约为15 min，显然，在当前下游河道断面发生极大变化的情况下，特别是机组满发时，一旦2台机组突然发生故障时，升船机下游引航道15 min内水位降幅已大大超出了升船机原设计要求的船厢最大允许误载水深±0.4 m，下游引航道水位下降变率也远超原设计要求的0.5 m/h。尽管发生上述事故的概率极小，但由于上述事故的随机性，对升船机安全运行的影响程度目前尚不可预测。

水口水电站升船机目前实际情况是一方面在升船机下游特定水位区域，通航时需要7台机组满发的流量才能使下游水位满足通航要求；另一方面由于下游水位的下切，7台机满发时如遇2台或4台机甩负荷事故，升船机下游引航道水位下降速率将大大超出升船机设计值，给升船机的安全运行带来一定的风险。

2 措施及对策

（1）根据升船机集中控制室已有电站负荷显示，在电站调峰运行期末，升船机应尽量避开下游对接运行。

（2）升船机监控系统中，对承船厢与下游挡水闸门对接时段，一旦电站机组发生故障时，增加紧急关闭承船厢下游卧倒闸门的程序。其与原设计的“当航道实时水位下降0.3 m时，将随即启动承船厢下游卧倒闸门关闭程序”的差异在于紧急关闭承船厢卧倒闸门的指令是根据电站机组的故障情况，而不是根据下游航道实时水位条件。

（3）承船厢下游卧倒闸门启闭机在下游对接时段，液压泵组在完成各项操作后应运行在卸荷状态而不停机，另外现地增设手动紧急关门操作开关，以便在航道水位出现骤降时，现地能紧急关闭卧倒闸门，防止承船厢内水体快速流失。因此，承船厢上必须有运行值班人员，承担现场指挥和操作任务。

（4）调整承船厢下行运行时的厢内水深允许偏差始终为正的最大值。

（5）承船厢对接工况的最大负水深允许误差是诱发承船厢纵向倾覆的主要因素，在当前的下游水位运行情况下，最大限度地增加最大负水深允许误差，使承船厢在下游对接运行时段一旦遇到水位骤降，能有一定的时间以完成船舶驶离门区和关闭承船厢下游通航闸门的操作。

（6）增加承船厢与闸首对接工况的最大允许误载水深的同时，为不改变升船机主提升容量，同时满足升船机全平衡条件，可调整平衡系统平衡重的配置，也即增加转矩平衡重和可控平衡重重量，以提高承船厢抗纵向倾覆的能力。

（7）增加承船厢与闸首对接工况的最大允许误载水深及增加转矩平衡重和可控平衡重重量的同时，应相应对升船机安全制动器进行改造，提高安全制动系统的制动力矩，以满足升船机转矩平衡重和可控平衡重重量增加后的制动要求。

（8）对承船厢的撑紧装置进行改造，适当提高撑紧力，以提高承船厢处于与上、下游挡水闸门对接工况时的垂直支承阻力，从而提高承船厢的抗纵向倾覆能力。

（9）修订升船机下游对接时下游水位突降事故现场应急处理方案，并加强应急处置演练。

3 结语

升船机承船厢水位稳定是升船机安全运行重要因素,特别是与下游对接时下游水位突降将引发不可逆的重大事故,要通过现场应急处置的提升及通过设备有针对性升级来提升安全系数,确保安全运行。