向家壩地下電站機組引水隧洞排水方式探討

陳 剛,李春艷,陳 宙,謝 明

（1.向家壩水力發(fā)電廠，四川 宜賓 644612；2.三峽水力發(fā)電廠，湖北 宜昌 443133）

1 概述

向家壩水電站右岸地下電站水輪機進水口快速門設(shè)在引水隧洞進水塔內(nèi)，孔口尺寸11m×15.5m，底坎高程325m，設(shè)計水頭55m。在快速門后設(shè)有兩個通氣孔，通氣孔面積為2×3.97 m2。

2 引水隧洞及蝸殼

右岸地下電站引水系統(tǒng)采用單機單管的布置形式，包括進水口和引水隧洞兩個主要建筑物。每臺機組設(shè)1條引水隧洞，相鄰隧洞之間的中心間距36 m，洞型為圓形，分別由上平段、上彎段、斜井段、下彎段和下平段組成。隧洞入口中心高程332.2 m，出口中心高程255 m。引水隧洞在下彎段以前采用鋼筋混凝土襯砌，襯砌厚度為1 m。為了防止引水管道內(nèi)的高壓水滲入廠房，影響地下廠房的圍巖穩(wěn)定，引水隧洞在下彎段之后采用鋼襯，5號、6號機引水隧洞的鋼襯厚度為38 mm；7號、8號機引水隧洞的鋼襯厚度為40 mm。5號、6號機引水隧洞在廠房前15 m，洞徑由13.4m漸變?yōu)榕c蝸殼進口相同的尺寸11.47m，洞內(nèi)最大流速為6.39 m/s；7號、8號機引水隧洞在廠房前25 m，洞徑由14.4 m漸變?yōu)榕c蝸殼進口相同的尺寸11.47 m，洞內(nèi)最大流速為5.53 m/s。根據(jù)5～8號機機組引水隧洞長度和直徑可以大致估算出隧洞洞內(nèi)積水容量，見表1。

蝸殼進口直徑11.47m，進口距機組中心11.65m，在蝸殼最低高程處設(shè)有1個直徑φ800 mm的下拆式蝸殼盤形閥，盤形閥內(nèi)表面與蝸殼內(nèi)表面齊平，積水從蝸殼盤形閥引至尾水錐管244 m高程。在蝸殼進口段自蝸殼腰線向下45°處設(shè)置技術(shù)供水取水口，取水口直徑φ600 mm，引水管φ500 mm。

表1 引水隧洞長度、直徑以及隧洞洞內(nèi)積水量

3 引水隧洞排水方式分析

向家壩右岸地下電站引水隧洞積水容量巨大，引水隧洞最長的8號機，積水容量達到46 134 m3。機組檢修時，要安全高效的排出引水隧洞的積水，需要采取一個可靠而有效的途徑。排出積水通常有以下幾種途徑：（1）通過蝸殼盤形閥排水；（2）通過技術(shù)供水系統(tǒng)排水；（3）在停機過程中落快速門排水；（4）快速門做防動措施后開導(dǎo)葉排水。

3.1 通過蝸殼盤形閥排水

在蝸殼最低高程▽249.3m處設(shè)有1個φ800 mm的下拆式蝸殼盤形閥，盤形閥為油壓操作，盤形閥閥口與閥盤采用錐形不銹鋼密封圈密封。向家壩電站初期蓄水運行水位為▽354 m，建成后死水位為▽370 m，最高水位▽380 m。盤形閥所承受的水壓力至少有100 m水柱，在如此高的水壓下直接用蝸殼盤形閥排水，水力對于閥盤和閥座產(chǎn)生的振動和氣蝕是非常嚴重的，還容易造成閥桿斷裂閥盤脫落的危險，這些破壞性的損傷嚴重威脅到了電站的安全穩(wěn)定運行。這種排水方式不適合向家壩這種高水頭、超大管徑引水隧洞的水電站。

3.2 通過技術(shù)供水排水

蝸殼進口段自蝸殼腰線向下45°處設(shè)置技術(shù)供水取水口，取水口φ600 mm，引水管φ500 mm。需要檢修機組停機后，全關(guān)機組進水口快速門并做好防動措施。打開機組技術(shù)供水總閥，將引水隧道內(nèi)積水通過技術(shù)供水系統(tǒng)排至尾水。這也是目前三峽電站較為常用的一種壓力鋼管排水方式。三峽左右岸都是壩后式廠房，壓力鋼管相對較短，積水量約為14 725 m3，按照三峽的經(jīng)驗，通過技術(shù)供水一般3.6 h就可以把壓力鋼管的積水排至與尾水平壓。向家壩右岸地下電站技術(shù)供水減壓閥額定流量2 100 m3/h，將兩路并聯(lián)減壓閥都投入，5～8號機的引水隧洞排水時間大致為 6.2、7.5、10.1、11.5 h。向家壩電站正常蓄水位▽380 m,死水位▽370 m，防洪汛限水位▽370 m。當(dāng)上游溪洛渡電站建成后，汛期大發(fā)期間，如果遇到比較緊急的情況下機組需要排水檢修，由于防洪汛限水位限制，向家壩水庫將無法滿足溪洛渡電站的下泄要求。這樣的排水速度將嚴重影響到機組檢修的工期，必將導(dǎo)致無謂的棄水，這與電站的經(jīng)濟高效運行的理念相違背。但是這是一種很安全的排水方式，在枯水期，檢修工期允許的情況應(yīng)該盡量采取這種排水方式。

3.3 在停機過程中落快速門排水

在遇到計劃性檢修或者需要馬上停機臨檢時，可以在機組停機至空轉(zhuǎn)后直接快閉快速門進行引水隧洞的排水，這種情況實際上就是一個動水落門的過程。根據(jù)設(shè)計，向家壩電站快速門的快閉時間為210 s，調(diào)速器事故停機電磁閥動作以后導(dǎo)葉由全開到全關(guān)的時間為20 s。監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)有快速門快閉動作并且快速門開度小于80%時，啟動二類機械事故停機的控制流程（MARK2.1）。這就需要我們在發(fā)快閉命令之前，先將快閉動作啟動二類機械事故停機軟連片退出。如果不采取這樣的措施，就會出現(xiàn)導(dǎo)葉全關(guān)后，引水隧洞的積水還沒來得及排完的情況。監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)令機組停機至空轉(zhuǎn)后，發(fā)快閉命令。在快速門全關(guān)后，密切監(jiān)視機組轉(zhuǎn)速和導(dǎo)葉開度。當(dāng)機組不能繼續(xù)維持額定轉(zhuǎn)速運行時，按下緊停按鈕，機組停機，導(dǎo)葉全關(guān)。引水隧洞的積水就在停機過程中排完。這種停機方式有三個關(guān)鍵點需要控制：（1）停機之前要做好相關(guān)的措施，屏蔽監(jiān)控系統(tǒng)與快閉相關(guān)的事故停機流程，保證機組導(dǎo)葉不至于因停機流程啟動而過早關(guān)閉；（2）一般采用機組解列至空轉(zhuǎn)后再快閉快速門的方式，防止逆功率保護動作；（3）機組轉(zhuǎn)速不能繼續(xù)維持額定轉(zhuǎn)速時，及時按下緊停按鈕。這種排水方式好處是利用機組停機過程就將積水排出，效率非常高。但是存在一定的風(fēng)險，對于時機的把握要及時準確，需要在有經(jīng)驗的值班員指導(dǎo)下進行操作。

在這種方式操作過程中，要特別注意引水隧洞因水面下降而產(chǎn)生的“吸氣”現(xiàn)象。在快速門動水落門形成明流的初始階段，門后水流脫空區(qū)逐漸增大，由通氣孔進入的空氣大部分是摻雜在水中的，有一部分通過水輪機被水流帶至下游，因過機流速較小，被挾帶而下的氣量有限，這時的通氣量比較小。隨著閘門不斷下降，門后水躍區(qū)繼續(xù)擴大，最終水流脫頂進入斜管段，此時出水中帶有少量空氣外，隧道內(nèi)水面不斷下降，形成“吸氣”現(xiàn)象，使通氣孔大量進氣，瞬時風(fēng)速達到最大值?？焖匍T在接近全關(guān)的時候，上止水才起到密封的作用。當(dāng)快速門處于動水關(guān)閉過程中明滿流轉(zhuǎn)變的臨界相對開度（約0.3～0.5）時，上止水與壩體還存在10 600 mm×150 mm的空隙，該空隙將形成進氣的通道，導(dǎo)致快速門泵房產(chǎn)生負壓。某電站6號機在動水落門過程中壓力鋼管產(chǎn)生“吸氣”現(xiàn)象，導(dǎo)致快速門機房內(nèi)形成很大的負壓，將泵房內(nèi)通風(fēng)的軸流風(fēng)機和泵房門吸掉損壞。后來專門針對該情況進行了技術(shù)改造，將泵房門由平板門改為柵格門，并在墻體上鑿開若干個足夠大的通氣孔。向家壩右岸地下電站快速門泵房是用水泥蓋板蓋住的，而泵房未設(shè)置任何通氣孔。在動水落門過程中是否會出現(xiàn)較大負壓而產(chǎn)生破壞性影響的情況，還需要進一步的現(xiàn)場試驗證實。因此，采用停機過程中落門排水是否可行需要進行動水落門試驗來檢驗。

3.4 快速門做防動措施后開導(dǎo)葉排水

3.4.1 在保證機組不轉(zhuǎn)動的前提下小開度開啟導(dǎo)葉排水

機組全停后，將快速門全關(guān)并做好防動措施，現(xiàn)地手動小開度開啟導(dǎo)葉排水（約3%開度）。需要采取的措施：（1）風(fēng)閘頂起；（2）投入高壓油減載裝置；（3）投入水導(dǎo)外循環(huán)裝置。需要將風(fēng)閘頂起是為了防止機組轉(zhuǎn)動，投入高壓油減載裝置和水導(dǎo)外循環(huán)裝置是為了防止導(dǎo)葉開度開得過大，機組拖動風(fēng)閘緩慢轉(zhuǎn)動后，推力瓦和水導(dǎo)瓦長時間干摩擦而將瓦燒壞。因此導(dǎo)葉開度的控制是關(guān)鍵，不能開得過大。根據(jù)三峽電站水輪機組運行的經(jīng)驗，在額定水頭下，投入高壓油減載裝置后，機組在導(dǎo)葉漏水的作用下，就開始蠕動。若開度開得過大，機組就有可能轉(zhuǎn)動而將風(fēng)閘磨壞。某電站就出現(xiàn)過在開導(dǎo)葉排水的過程中將風(fēng)閘磨損的情況。2003年10月4日6號機組動應(yīng)力試驗結(jié)束后，進水口閘門全關(guān)，需將壓力鋼管排水后對機組進行檢查。運行人員接到排水令后，準備現(xiàn)地手動開導(dǎo)葉排水，在未將調(diào)速器N1500切至“檢修”模式的情況下，給調(diào)速器開機令，調(diào)速器執(zhí)行了正常的開機流程，機組轉(zhuǎn)速最高上升至30.6%Ne，期間風(fēng)閘一直在投入，導(dǎo)致風(fēng)閘閘板磨損3～4 mm。采用這種小開度開啟導(dǎo)葉（不讓機組轉(zhuǎn)動）的排水方式，需要嚴格控制好導(dǎo)葉開度，導(dǎo)葉開度需要在試驗中確定，并且開度的大小跟水頭以及機組本身的特性有關(guān)系。正因為這種不確定性，如果操作不當(dāng)就會產(chǎn)生有很大的風(fēng)險。

3.4.2 開機至空轉(zhuǎn)過程中排水

開機至空轉(zhuǎn)排水的過程也存在引水隧洞水面下降產(chǎn)生的“吸氣”現(xiàn)象，與動水落門不同的是，快速門在開機之前已經(jīng)全關(guān)并做防動措施，快速門水封已經(jīng)將引水隧洞完全密封，引水隧洞補氣全部由補氣孔來承擔(dān)，泵房不會產(chǎn)生負壓的情況。開機前需要做好相關(guān)措施：（1）快速門全關(guān)并做好防動措施；（2）斷開機組啟勵電源；（3）機組出口開關(guān)斷開，刀閘拉開，并斷開相應(yīng)動力電源及操作電源。這些措施的存在會導(dǎo)致監(jiān)控系統(tǒng)正常的開機條件不滿足，因此不能以監(jiān)控系統(tǒng)自動開機至空轉(zhuǎn)流程來執(zhí)行相關(guān)操作。考慮到向家壩電站監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)有手動單步開機流程，主要用于機組的無水聯(lián)調(diào)試驗以及啟動試驗等，其特點是：（1）不受開機條件限制，只要發(fā)令，LCU就執(zhí)行當(dāng)前步操作；（2）手動單步開機流程單步執(zhí)行沒有時間限制，超時流程不復(fù)歸；（3）當(dāng)前流程就緒以后才能執(zhí)行下一步；（4）可隨時將流程復(fù)歸。根據(jù)這些特點，可以采用監(jiān)控單步開機流程來逐一啟動相關(guān)輔助設(shè)備，各輔助設(shè)備均按順控流程啟動，避免了繁雜的手動操作，減小了出錯的幾率。執(zhí)行到調(diào)速器開機這一步時，將流程復(fù)歸并切至自動。在調(diào)速器現(xiàn)地電調(diào)柜手動開導(dǎo)葉，至機組轉(zhuǎn)速上升至額定。在這一過程中，要盡快將機組轉(zhuǎn)速調(diào)至額定，減少機組在低轉(zhuǎn)速運行的時間，以減小對推力瓦的損傷。隨著引水隧洞的水量的減少，機組轉(zhuǎn)速開始下降，在下降到20%Ne時投入風(fēng)閘，讓機組轉(zhuǎn)速迅速降到0。機組全停后全關(guān)導(dǎo)葉投入鎖錠，停運相關(guān)輔助設(shè)備。這種排水方式操作相對復(fù)雜一些，沒有磨風(fēng)閘的風(fēng)險。開機前要確保高壓油減載裝置投運，開機至額定轉(zhuǎn)速時，要嚴格控制導(dǎo)葉開度，防止機組過速?？蛰d導(dǎo)葉開度需要在機組調(diào)試時確定，還要考慮到水頭變化的影響。機組轉(zhuǎn)速降下來后要在適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)速及時投入風(fēng)閘。這種排水方式操作相對復(fù)雜，對于風(fēng)閘和推力瓦來講相對安全，但是需要啟停機組一次，會對機械設(shè)備增加一次疲勞損傷。

4 總結(jié)

蝸殼盤形閥排出引水隧洞的積水具有極大的風(fēng)險，基本上都不采用，只有在蝸殼與尾水平壓以后，才使用蝸殼盤形閥排出蝸殼內(nèi)積水。

向家壩水電站是一個季節(jié)性比較強的電站，枯水期水量僅夠1～2臺機組運行，備用機組較多，方式安排也比較靈活，機組檢修的工期安排也不會很緊急，因此在備用機組較多的枯水期，通過技術(shù)供水來排水是比較好的方式，也是最安全可靠的方式。

對于機組停機進行計劃性的檢修或臨檢，可在停機過程中動水落門排水，簡單直接。這種方式需要機組調(diào)試時進行動水落門試驗，需要對快速門、流道、通氣孔以及泵房等各項設(shè)計進行充分驗證，確認其安全性以后才能運用。特別是對于泵房密閉式的結(jié)構(gòu)，動水落門產(chǎn)生的負壓是否會產(chǎn)生破壞性的影響，還需要通過試驗來驗證。

采用小開度開啟導(dǎo)葉排水方式，在操作之前要先投入風(fēng)閘、高壓油減載裝置以及水導(dǎo)油外循環(huán)系統(tǒng)，需要特別注意導(dǎo)葉開度不宜過大，避免機組轉(zhuǎn)動將風(fēng)閘磨壞。特別是對于向家壩電站800 MW巨型機組，必須要對機組在導(dǎo)葉開啟過大后較長時間低速轉(zhuǎn)動采取預(yù)控措施，防止推力互導(dǎo)瓦燒毀。這種方式對導(dǎo)葉開度的控制要求非常嚴格，存在燒瓦的風(fēng)險，對值班員操作要求較高，應(yīng)盡可能少用這種方式排水。

考慮到向家壩右岸地下電站引水隧洞水量較大，可采用開機至空轉(zhuǎn)排水方式。這種方式除了操作之前要采取必要的措施外，機組各輔助設(shè)備均按監(jiān)控系統(tǒng)順控流程自動執(zhí)行，不會遺漏或誤操作，同時也可避免機組在低轉(zhuǎn)速下長時間運行導(dǎo)致軸瓦燒毀的危險。整個過程類似機組啟動試驗手動開機過程，值班員對整個操作過程都比較熟悉，有較強的可操作性。對于檢修工期比較短，機組由備用轉(zhuǎn)檢修時，可采用該方式排水。

[1]15F快速門動水閉門試驗報告[R].三峽水力發(fā)電廠.

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[4]劉維平.水電站進水口快速閘門水力學(xué)分析[J].水科學(xué)進展,1994.12.