横山水库闸门应急启闭能力提升实践
时间：2023-01-20 17:40:07 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
卢林全，林建芳，陈行军，蔡天德，王承峰，周晓军
（阅水科技有限公司，浙江 宁波 315199）
2016年6月10日，贵州省黔东南州黎平县双江水电站闸门工作电源及备用电源因灾中断，在1#、4#闸门全开，2#闸门开至0.5 m，3#闸门开至3.5 m后，2#、3#闸门因失电无法继续开启，造成洪水漫坝事故，导致电站厂房及进厂公路被淹，水轮发电机组和监控系统进水，沿河两岸的双江镇双江村低洼处进水并不同程度受灾[1]。2019年8月20—22日，四川省阿坝州汶川卧龙特区耿达镇龙潭水电站闸首工作电源及备用电源因灾中断，溢洪道3扇闸门分别开启0.8、0.6、0.5 m后，失电无法正常继续开启，造成洪水漫坝事故[2]。
在这两起事故中，导致事故的主要原因是：正常电源因灾中断，使用备用电源开启闸门的过程中，备用电源也中断，无法按要求将全部闸门开启到位，泄洪流量达不到泄洪要求，水位上涨，超过坝顶，造成洪水漫坝。
这些事故是否会发生在横山水库，横山水库能否做到万无一失？为消除安全隐患，横山水库管理站对提升闸门应急启闭能力的改造方案进行探索和实践。
2.1 横山水库设计防洪标准与闸门启闭机供电电源现状
横山水库位于甬江流域奉化江支流县江上游，坝址在宁波市奉化区尚田街道许家村附近，是以防洪、供水、灌溉为主，结合发电、养鱼等综合利用的大（Ⅱ）型水利工程。工程枢纽由面板堆石坝、混凝土重力坝、泄洪闸、供水隧洞、发电放空隧洞、发电站组成，总库容1.11亿m3。大坝防洪设计标准为100 a一遇，校核标准为10 000 a一遇[3]。
横山水库溢流段净长30 m，分3段，每段10 m，溢流堰顶安装10 m×12 m的弧形闸门3扇。闸门配QH-2×500型卷扬启闭机3台，由浙江省水利建筑机械有限公司生产，YZR225M-8-22kW电动机，启动扭矩280 N·m，启门高度16 m，启门速度1.40 m/min，未配手摇装置。
改造前闸门启闭机的供电电源为4路，依次为10 kV电网、35 kV电网、电站发电机、备用柴油发电机。
2.2 4路供电电源的防洪能力及可靠性分析
原先闸门启闭机供电的操作方式为：正常情况下由10 kV电网、35 kV电网和电站发电机出线的其中1路向厂用电400 V母线供电，任一电源失电后，切换为另一电源供电；
当10 kV电网和35 kV电网失电、电站停机时，由柴油发电机组作为备用操作电源，通过切换开关向400 V母线供电。
4路电源的防洪标准与柴油发电机的运行状态分析如下：
（1）根据GB 50201—2014《防洪标准》[4]（见表1~2），10 kV和35 kV线路的防洪标准为10~20 a一遇，上级的变电所电压＜220 kV，防洪标准为50 a一遇，综合供电防洪标准为10~20 a一遇。
表1 高压和超高压变电设施的防护等级与防洪标准表
表2 高压、超高压和特高压架空输电线路的防护等级与防洪标准表
（2）电站厂房的防洪设计标准为100 a一遇，校核标准为200 a一遇[3]，超过100 a一遇洪水来临时，电站应按要求停机撤离。
（3）柴油发电机安装于启闭机房内，安装位置的防洪标准与启闭机一致，运行状态为冷备用状态，日常按要求试运行，运行时间约为12 h/a。柴油发电机由柴油机、发电机、冷却装置、控制装置、供油装置、排烟装置、配电装置等组成，任一部件发生故障均无法正常发电。
2.3 分析结论
由以上分析可知，因电网线路和水电站的设计防洪能力低于水库大坝设计的防洪标准要求，无法在大坝遭遇超过设计标准的洪水发生时，保障闸门启闭所需的可靠供电需求。
柴油发电机安装在启闭机房内，存在消防安全隐患，需要整改。要保证柴油发电机正常供电，其所有部件必须可靠运行。上述2起漫坝事故即由柴油发电机故障导致，事故原因表明，柴油发电机的运行可靠性不足，在应急时是致命短板。
综上，存在问题主要有：常供电源因防洪标准不足，在超标准洪水发生时无法保障供电；
柴油发电机作为唯一后备电源，应急需要时如遇柴油发电机或供电线路故障，闸门将无法全部正常开启泄洪，洪水较大时会直接导致洪水漫坝、溃坝事故，水库存在重大安全隐患。
横山水库管理站在对照龙潭电站漫坝事故的风险隐患排查中，发现本站存在供电能力与水库防洪标准要求不匹配的重大安全隐患，于是积极组织实施整改。
3.1 卷扬启闭机的运行原理和闸门启闭需要的能量分析
横山水库溢洪道闸门宽10 m，高12 m，重68 t，卷扬启闭机，电动机功率为22 kW。
卷扬启闭机的工作原理：三相电源通过控制器向刹车电机和启闭电机供电。打开刹车，启闭电机正转或反转，带动减速机卷动卷筒，利用钢丝绳的收放实现闸门启闭。
采用卷扬启闭机，闸门泄洪全开度开启8.40 m用时6 min，需要电量约2.2 kW·h；
闸门靠自重关闭，操作时需要消耗闸门下落过程中的势能，此时电机处于发电状态，若增加能源回收功能，则可以回收增加储电量。
3.2 改造提升方案分析、确定与实施
3.2.1 改造提升方案与设备选型
根据原启闭机参数，本次改造选用加装闸门应急装置方案，设备选用水利部推广目录中的“XJY型卷扬启闭机应急装置”（推广证书编号TZ2020299），绍兴河悦机电设备有限公司生产。该应急装置由机械离合器、电机及减速箱、移动式操控柜等组成，型号为HYJY-5.5，电机功率5.5 kW，减速箱速比9.47，启动扭矩325 N·m，启门速度0.20~0.40 m/min，电池组为72 V/100 Ah。
3.2.2 现场安装实施情况
加装应急装置过程如下：
（1）将原启闭机减速机（ZFY500-400，江苏太兴隆减速机有限公司）的输入轴由单侧出口改为两端出口，实现一端出口连接原启闭机的工作电机，另一端出口连接XJY型卷扬启闭机应急装置的手动离合器。
（2）现场搭建应急装置安装平台，用于安装应急装置的离合器、减速机、电机等固定部分，移动式操控柜通过航空插头与应急装置的电机相连（见图1）。
图1 改造安装布置示意图
3.2.3 改造后启闭能力测试
现场安装完成后，经测试，使用应急装置开启闸门，开度从0.25 m开至2.93 m，用时10.8 min，电机平均电流60.2 A，平均电压45.3 V，速度为0.25 m/min，电机耗电量0.68 kW·h；
使用应急装置关闭闸门，从2.93 m关至0.25 m，用时9.6 min，电机平均电流36.4 A，平均电压48.9 V，速度为0.28 m/min，电机发电量0.37 kW·h；
考虑到相关控制设备的用电量，关闭闸门回收电量为开启闸门用电量的50%左右。
根据以上实际运行测算，应急装置存储电量能保障闸门全开2个以上行程，满足闸门应急启闭的需求。
该加装应急装置方案实施后，经1个汛期的检验使用，总结有以下优点：
（1）该应急装置采用最近端安装，同时提供储能电源与动力，实现与原闸门启闭机同高程，防洪能力足够，闸门可独立启闭，外部雷电、泥石流、山体滑坡、塌方等引起的交通、电力中断等灾害，都不会影响闸门安全启闭。加装应急装置后，消除了原水库存在的闸门应急启闭能力与水库大坝防洪要求不匹配的安全隐患，可以保障应急时闸门可靠启闭，并保障水库防洪能力达到设计的防洪标准。
（2）该应急装置的移动式操控柜可互换，安装3台应急装置后，相当于每台闸门有3套独立电源，彻底解决了由于电源单一、可靠性不足易造成系统性风险的问题。
（3）该应急装置与原刹车联动，应急操作方式与正常操作方式一样便捷，开关闸门时只需1人操作、1人监护，应急效率高。
（4）相比原先使用备用柴油发电机应急启闭闸门的操作过程，利用该应急装置启闭闸门时，无复杂的倒闸切换操作，也没有柴油发电机的巨大震动、噪音与烟气污染，使用过程更为便捷、环保，可靠性高。
（5）该应急装置采用在线监控下的热备用方式运行，解决了原冷备用方式存在的“设备健康情况难以准确评估，运行状态不明，维护保养不便”等问题；
该应急装置配套的在线监控软件，可以在线监控电量存储情况和充、放电过程等信息，保障设备随时可用。
经修订后，SL 41—2018《水利水电工程启闭机设计规范》增加应急情况下保障闸门可靠启闭的相关条款为：防洪、排涝功能应设置可靠的备用电源；
操作泄洪、挡潮及其他应急闸门的启闭机时，在地震烈度大于VII度的地区，重要闸门的启闭机需要设置应急备用电源，有应急启动措施；
备用电源应为自动快速启动的柴油发电机组或其他应急电源，确保供电的可靠性[5]。
横山水库此次加装储能式应急装置，是在“独立储能、近端动力”的保障方式，“多机互备”的保障机制，“在线热备”的保障技术等3方面应用创新方案，综合提升闸门应急启闭能力，使其与水利工程防洪标准要求相匹配，消除安全隐患，确保水库防洪能力正常发挥。
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