王 振 宇

(湖北漢江王甫洲水力發(fā)電有限責(zé)任公司，湖北 老河口 441800)

1 前 言

王甫洲水電站位于湖北省老河口市近郊的漢江干流上，上距丹江口水利樞紐約30km，是漢江中下游水電航運(yùn)梯級(jí)的第一級(jí)。王甫洲水電站由電站廠房、重力壩、船閘、泄水閘、圍堤五大水工建筑物組成，具有發(fā)電、航運(yùn)、灌溉、養(yǎng)殖、旅游等綜合效益。樞紐為Ⅱ等工程，主要建筑物為3級(jí)。電站為低水頭河床式電站，安裝4臺(tái)單機(jī)容量為2.725萬(wàn)kW的燈泡貫流式機(jī)組(成套水輪發(fā)電機(jī)組由奧地利伊林公司引進(jìn))，總裝機(jī)容量10.9萬(wàn)kW，單機(jī)最大流量為420m3/s。電站設(shè)計(jì)年均利用小時(shí)5 330h，設(shè)計(jì)年均發(fā)電量5.81億kW·h。水庫(kù)總庫(kù)容3.095億m3。

取水口的攔污柵布置在檢修門后，為固定式斜面攔污柵，柵頂高程86.23m,柵底高程60.76m，攔污柵斜面傾角75°。每臺(tái)機(jī)組設(shè)有兩扇攔污柵，每扇攔污柵高26.368m、寬7.4m，柵條間距200mm。為了便于安裝和檢修更換，攔污柵由吊裝單元拼裝而成。每扇攔污柵的吊裝單元布置從左到右分成5條、從上到下有8排，這樣每扇攔污柵共有40個(gè)吊裝單元。吊裝單元尺寸有兩種，分別為1 296mm×3 346mm和1 492mm×3 346mm。柵體吊裝單元上下兩端用螺栓和主梁連接，左右兩側(cè)自由。中間1條攔污柵每個(gè)吊裝單元有6片柵條，中間布置了3根小橫梁，攔污柵條鑲焊在小橫梁上；兩側(cè)4條攔污柵吊裝單元均有7片柵條，布置形式與上面相同。

4臺(tái)機(jī)組于2000年始相繼投產(chǎn)發(fā)電，運(yùn)行僅僅不到兩年時(shí)間，在機(jī)組狀態(tài)檢修時(shí)工作人員相繼發(fā)現(xiàn)4臺(tái)機(jī)組攔污柵條均有不同程度的斷裂和裂紋，其中1號(hào)機(jī)組和4號(hào)機(jī)組的攔污柵破壞較嚴(yán)重，裂紋達(dá)200多處，并且部分柵條脫落(27塊)。從單扇攔污柵看，從上往下，第5、6排吊裝單元破壞嚴(yán)重，破壞最嚴(yán)重的攔污柵單元高程與機(jī)組燈泡頭在同一水平線上，柵條斷裂位置在柵條與主梁或小橫梁連接處，其次為第4、7排，再次為第3排，最上面的第1、2排基本完好無(wú)損。從水平方向看，破壞主要發(fā)生在柵面中間，靠閘墩兩側(cè)破壞要輕一些。

2 攔污柵損壞原因試驗(yàn)

王甫洲電廠在丹江口水庫(kù)下游約30km處，其上游的大型污物在丹江口就已被攔截，因此造成攔污柵外部損壞的這個(gè)因素完全可以排除。根據(jù)對(duì)攔污柵柵條實(shí)際損壞的形態(tài)分析，都是在柵條兩端固定焊接部位產(chǎn)生脆性裂紋，由此可以判斷是由于共振造成的損壞，即攔污柵結(jié)構(gòu)的自振頻率與下泄水流脈動(dòng)壓力的頻率相等或接近。為了證實(shí)判斷的準(zhǔn)確性，特委托武漢大學(xué)工程檢測(cè)中心對(duì)1號(hào)、4號(hào)機(jī)組的攔污柵進(jìn)行了試驗(yàn)，試驗(yàn)內(nèi)容包括攔污柵結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性、攔污柵動(dòng)力響應(yīng)及水流脈動(dòng)壓力三部分。

導(dǎo)致攔污柵振動(dòng)的因素很多，但從運(yùn)行角度看，機(jī)組的流速(導(dǎo)葉開度)影響最大，因此試驗(yàn)工況主要通過(guò)改變機(jī)組導(dǎo)葉的開度進(jìn)行。表1為攔污柵過(guò)流時(shí)，導(dǎo)葉的開度試驗(yàn)工況。

表1 攔污柵試驗(yàn)工況

2.1 攔污柵動(dòng)力特性試驗(yàn)

攔污柵動(dòng)力特性試驗(yàn)分有水和無(wú)水兩種工況進(jìn)行。攔污柵動(dòng)力特性檢測(cè)采用敲激法和自激法。敲激法是采用重錘敲擊攔污柵使之振動(dòng)，自激法是利用下泄水流引起攔污柵振動(dòng)。無(wú)水工況試驗(yàn)采用敲激法，有水工況試驗(yàn)采用自激法。

2.1.1 攔污柵動(dòng)力特性(無(wú)水)

從結(jié)構(gòu)形式、材料、邊界條件等看，各攔污柵單元格的結(jié)構(gòu)形式相同，因此試驗(yàn)條件基本一致。試驗(yàn)對(duì)象為1號(hào)機(jī)組第二孔攔污柵第一排和第二排中的兩個(gè)單元格，分別為單元格1與單元格2。表2為現(xiàn)場(chǎng)頻率試驗(yàn)結(jié)果。

表2 攔污柵單元格無(wú)水工況頻率 Hz

由表2可見，攔污柵各階頻率基本呈倍頻關(guān)系。試驗(yàn)結(jié)果表明：在無(wú)水工況下，單元格1與單元格2的前四階頻率有一定差別。前者的各階頻率要低于后者，表明盡管單元格1與單元格2在結(jié)構(gòu)形式、處理特性等方面相同，但由于安裝后形成單元格的邊界條件不完全相同，使得兩者的頻率也有差別?？梢姡惭b情況對(duì)攔污柵的頻率有一定影響。

2.1.2 攔污柵動(dòng)力特性(有水)

由于攔污柵損壞主要是在流水作用下產(chǎn)生的，因此有水時(shí)的攔污柵振動(dòng)頻率才是真正需要引起注意的頻率。表3為攔污柵在水流作用下實(shí)測(cè)的各階自振頻率。

表3與表2相比，有水時(shí)攔污柵的自振頻率發(fā)生了很大的變化?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)主要是通過(guò)改變機(jī)組導(dǎo)葉開度進(jìn)行。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況以及加速度和應(yīng)力實(shí)測(cè)結(jié)果可以清楚地看到，在機(jī)組11.6%～63.4%導(dǎo)葉開度下，攔污柵振動(dòng)比較平穩(wěn)，而在73.4%導(dǎo)葉開度時(shí)振動(dòng)非常明顯。表3頻率測(cè)試結(jié)果表明，攔污柵結(jié)構(gòu)振動(dòng)頻率表現(xiàn)出兩類特征，一是在一般開度時(shí)隨開度的增加頻率變化從低階到高階比較有規(guī)律；二是在導(dǎo)葉73.4%開度時(shí)，頻率非常單一，頻率值為18.71Hz，為第四階頻率。

表3 攔污柵單元格有水工況自振頻率 Hz

2.2 攔污柵加速度試驗(yàn)

加速度是衡量攔污柵結(jié)構(gòu)振動(dòng)強(qiáng)弱的主要參數(shù)。表4為1號(hào)機(jī)組攔污柵加速度均方根值與最大絕對(duì)值實(shí)測(cè)結(jié)果，其中均方根值描述振動(dòng)信號(hào)的能量大小。

表4 1號(hào)機(jī)組攔污柵加速度值 g

由表4可以看出，加速度大小與機(jī)組導(dǎo)葉開度密切相關(guān)，即開度越大，加速度值也越大。開度32%以下時(shí)加速度很小，開度為73.4%時(shí)，加速度最大，為最不利開度。由此可見，攔污柵振動(dòng)大小具有明顯的局部性。

2.3 攔污柵動(dòng)應(yīng)力試驗(yàn)

動(dòng)應(yīng)力從結(jié)構(gòu)強(qiáng)度反映攔污柵振動(dòng)大小，與靜應(yīng)力相比，結(jié)構(gòu)振動(dòng)參數(shù)的動(dòng)應(yīng)力引起材料疲勞的破壞作用比靜應(yīng)力要大得多。表5為動(dòng)應(yīng)力實(shí)測(cè)結(jié)果。

表5 1號(hào)機(jī)組攔污柵動(dòng)應(yīng)力實(shí)測(cè)值 MPa

動(dòng)應(yīng)力測(cè)量結(jié)果表明，動(dòng)應(yīng)力大小的變化規(guī)律與機(jī)組開度的關(guān)系和加速度測(cè)量結(jié)果一致，即隨開度增加動(dòng)應(yīng)力值增加。最大值出現(xiàn)在測(cè)點(diǎn)4，工況為機(jī)組開度73.4%，其動(dòng)應(yīng)力均方根值為19.4MPa,最大動(dòng)應(yīng)力值為41.07MPa。

2.4 脈動(dòng)壓力

表6為水流脈動(dòng)壓力實(shí)測(cè)頻率值，在頻率為18.7Hz時(shí)，脈動(dòng)壓力的功率值有明顯的極大值，特別是18.7Hz這一頻率值與試驗(yàn)得到的攔污柵條在水中的固有頻率相同，形成了“共振”的條件。

表6 水流脈動(dòng)壓力實(shí)測(cè)頻率 Hz

3 攔污柵損壞原因分析

3.1 共 振

比較表3與表6，攔污柵與水流脈動(dòng)壓力頻率前三階基本相同，但由于導(dǎo)葉開度小時(shí)水流能量也較小，沒有激起“共振”，而在導(dǎo)葉開度73.4%時(shí)，脈動(dòng)水壓力的頻率成分主要分布在18.71Hz，此時(shí)與攔污柵有水工況第四階頻率相同，導(dǎo)致攔污柵發(fā)生了共振。共振引起攔污柵發(fā)生強(qiáng)烈振動(dòng)，導(dǎo)致攔污柵加速度與動(dòng)應(yīng)力嚴(yán)重超標(biāo)，并使攔污柵柵條材料長(zhǎng)期處于疲勞運(yùn)行狀態(tài)。而機(jī)組導(dǎo)葉開度在73.4%左右為機(jī)組的常用開度，因此長(zhǎng)期共振作用是導(dǎo)致攔污柵發(fā)生疲勞破壞的主要原因。

3.2 進(jìn)水口流態(tài)影響

攔污柵破壞主要發(fā)生在1號(hào)和4號(hào)機(jī)組，位于中間的2號(hào)和3號(hào)機(jī)組破壞相對(duì)較輕。發(fā)生這種現(xiàn)象與王甫洲樞紐布置有關(guān)，特別是1號(hào)機(jī)組進(jìn)水口左側(cè)有一段較長(zhǎng)的圍堤，左側(cè)寬闊的水面使橫向和斜向的水流與進(jìn)水口正向水流相遇，從而在1號(hào)機(jī)組進(jìn)水口處形成了較強(qiáng)的立軸漩渦，導(dǎo)致進(jìn)水口處流態(tài)紊亂；而攔污柵進(jìn)水口流態(tài)調(diào)整不充分導(dǎo)致攔污柵附近流態(tài)較差，也是引起攔污柵損壞的原因之一。

3.3 攔污柵布置位置靠近機(jī)組

攔污柵位于檢修門后使柵后進(jìn)水段很短，柵體距機(jī)組很近。從攔污柵破壞部位看，靠機(jī)組最近部位即機(jī)組燈泡頭高程處的攔污柵吊裝單元破壞最嚴(yán)重，此處攔污柵條直接受貫流式機(jī)組流道中下泄水流的強(qiáng)大吸引力作用也是柵條損壞的原因之一。

4 攔污柵振動(dòng)的處理建議

攔污柵是水電廠重要的輔助設(shè)備，對(duì)水電廠的安全運(yùn)行和經(jīng)濟(jì)效益影響很大，特別是對(duì)于低水頭貫流式機(jī)組的安全運(yùn)行而言極其重要。

4.1 對(duì)攔污柵進(jìn)行減振加固

從提高攔污柵整體剛度出發(fā)，將同橫排各吊裝單元的小橫梁連接起來(lái)，兩側(cè)吊裝單元的小橫梁再與混凝土隔墩連接起來(lái)，可以使攔污柵在空氣中的自振頻率從12.32Hz提高到32.48Hz,其在水中的振動(dòng)頻率也將相應(yīng)提高。加固后的攔污柵可以避開產(chǎn)生共振頻率，從而達(dá)到減振目的。此方法最簡(jiǎn)單，成本最低，效果最好，王甫洲公司在2004年和2006年分別對(duì)1號(hào)和4號(hào)機(jī)組按此方法進(jìn)行了改造。一年后的檢修時(shí)統(tǒng)計(jì)裂紋攔污柵裂紋，發(fā)現(xiàn)裂紋大幅減少，脫落現(xiàn)象基本消失，效果非常明顯。

4.2 避開共振區(qū)運(yùn)行

在攔污柵尚未加固的情況下，將機(jī)組導(dǎo)葉開度避開不利區(qū)(70%左右)運(yùn)行。

4.3 改變進(jìn)水口流態(tài)

王甫洲電廠是利用老河道作為引水渠，使1號(hào)機(jī)組左水面?zhèn)葘掗?，在條件允許的情況下，可在1號(hào)機(jī)組左側(cè)修建導(dǎo)流堤，使攔污柵進(jìn)水口水流平順、對(duì)稱，避免立軸漩渦形成；或在進(jìn)水口增設(shè)防渦梁、板及防渦柵破漩渦，改善流態(tài)。但此方法工程量巨大，且前期工作比較繁瑣，處理比較麻煩。

參考文獻(xiàn)：

[1] 陳美娟，葉士林.王甫洲水電站斜面攔污柵設(shè)計(jì)[J].人民長(zhǎng)江，1997,28(11).

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