水輪發電機壓力鋼管排水方式比較

文習波，龐爭爭

（雅礱江流域水電開發有限公司，四川成都 610051）

0 概述

在國內大中型水輪發電機組的年度計劃檢修項目中，一般包含壓力鋼管（引水隧洞）、水輪發電機組機械部位以及調速器液壓系統等的檢修工作，其安全措施不僅需要關閉進水口工作閘門、落下尾水管檢修閘門，還需排空壓力鋼管及尾水管道內的全部積水。巨型混流式水輪發電機組的壓力鋼管由于長度長、內徑大、水頭高，對蝸殼放空閥、壓力鋼管放空閥等均存在較大的壓力，一般超過1.0 MPa。如何安全地排出壓力鋼管的內部積水，以及采用何種排水策略既能快速達到目的，又能降低運行操作風險，需要進行不斷的研究。

1 引水系統介紹

四川境內雅礱江中下游三座巨型水電站：錦屏水電站、官地水電站、二灘水電站，雖然同為混流式水輪發電機組，但引水隧洞系統不盡相同。錦屏Ⅱ級水電站采用一條引水隧洞帶兩機運行，采用上游調壓井及獨立閘門隔開；官地水電站采用一機一壓力鋼管引水方式，并用蝸殼取水供水冷卻方式；二灘水電站采用一機一壓力鋼管引水方式，并用技術供水泵尾水取水冷卻方式。有些巨型水電站同時兼具多種引水系統，如四川向家壩水電站，#1～#4機組采用一機一壓力鋼管引水方式，#5～#8機組采用一機一引水隧洞方式。

2 壓力鋼管排水方式

2.1 通過導葉漏水排水

大型水電站壓力鋼管管道長、水頭高，引水隧洞呈現“Z”字形狀。水輪機活動導葉在高水頭的壓力下，其立面間隙會增大，因此利用導葉漏水來排水是一種常見的方法。特別是新投產的水電站，由于水工專業對引水隧洞混凝土結構的特殊需求，為防止鋼管與洞體出現大的脫空等缺陷，一般需要在引水隧洞的上平段、中段及下平段分別進行保壓，每次保壓約6小時。在這種要求下，需要運行人員對壓力鋼管水位和排水速率進行精確的控制。

以官地水電站為例，通過調節進水口工作閘門充水閥的開度，即可控制特殊情況下的排水速率。原因是導葉的漏水量會隨著水頭的降低而逐漸減小，但變化量不大，可以將其看作一個定量不變，即Qout為恒定值。

（1）保壓保水時段：

Qin=Qout

（2）勻速排水時段：

(Qout-Qin)·T=K·(HP1-HP2)·R2

其中：Qin為充水流量，Qout為導葉漏水流量，T為時間，HP1為蝸殼尾部初壓力折算水頭，HP2為蝸殼尾部末壓力折算水頭，R為壓力鋼管內徑，K為綜合系數。從中可以看出：（1）在保壓階段，只要控制充水流量與導葉漏水流量相等即可；（2）在勻速排水階段，由于單位時間內水頭變化是由人為確定的（每小時下降4米），因此只需控制進水口閘門的充水閥開度就可以控制壓力鋼管水位的下降。根據該機多次排水操作后的相關數據，繪制一張充水閥開度與鋼管內水位變化曲線，便可成為該臺機組的壓力鋼管排水特性圖。

作為一種保障人與公民權利的理論和思潮，自由主義起源于歐洲，也是當今西方世界具有一定普適性的價值觀念。由于國情和傳統不同，自由主義往往在不同國家表現出一些不同的特征。在美國，自由主義被認為具備了一些特別顯著的美國化色彩，形成了所謂“美國的自由主義傳統”，但無論如何，所謂“美國的自由主義傳統”與“自由主義”的基本內涵具有相通性，都強調維護人與公民的基本權利。①國內學者分別研究美國自由主義傳統和美國國家認同的成果均相對較多，但關于美國自由主義傳統作為國家認同標志的特性及其對美國內政外交的影響依然重視和研究不夠，值得我們做進一步的分析探討。②

此排水方式利用活動導葉間漏水與進水口閘門的充水閥來控制水位，需要運行人員精確地調整充水閥開度，有時甚至每次需要上下調整1 mm，一個小時調整一次，操作頻繁，而且閘門開度不易控制。另外，此排水方式耗時長，即使不含分段保壓時間，也超過24小時。在排水過程中，操作人員需要時刻監視蝸殼壓力，準確判斷，及時調整，因此對運行操作人員要求高，具有一定風險性。

2.2 通過技術供水系統排水

當水輪發電機組技術供水系統采用蝸殼取水方式時，可以通過技術供水系統排出壓力鋼管內積水。此方式是在機組停機并落下進水口工作閘門后，打開技術供水系統的相關閥門，壓力鋼管內積水經過蝸殼、通過技術供水系統管道排至下游尾水。其典型的水流示意圖見圖1。

向家壩水電站壓力鋼管常規排水就是采用此方式，該電站單臺機組技術供水系統的設計額定流量為2 308 m3/h，壓力鋼管從開始排水到積水排完，需要的時間約為至7.0 h（1FB～4FB）、10.8 h（5FB）、13.0 h（6FB）、17.5 h（7FB）、20.0 h（8FB）。此方式排水操作簡單，風險小，但是時間長，蝸殼內還會剩余較多的余水，延遲蝸殼排水（開啟蝸殼和尾水盤型閥經檢修集水井排水）的時間。

圖1 采用技術供水管路排水

2.3 停機方式排水

停機排水是指機組自系統解列后即保持在空轉狀態，先手動啟動機組高壓油減載系統，再發令快速落下機組進水口工作閘門，在機組停機過程中將壓力鋼管內積水經過導葉排至下游。在發快速閘門快關命令前，應先屏蔽相應事故控制流程，防止由于快速閘門下降到事故位后啟動快速停機流程而過早關閉導葉。在發令快速落進水口工作閘門后密切監視機組導葉開度和轉速，在適當時機（如轉速接近50%額定轉速時）人為按下緊急停機按鈕或CCS上啟動自動停機流程，關閉導葉，并根據情況在適當時機手動幫助投入機組制動風閘。

此排水方式利用機組停機過程同時快速落下機組快速門，排除壓力鋼管內部積水，速度很快，但是在動水落門過程中容易在快速門泵房等處產生負壓，危及設備安全。此外，按緊急停機按鈕的時機難掌握，對操作人員的要求高，操作風險大。

2.4 自動開機方式排水

機組正常停機后，人為操作落下機組上游快速閘門并做好防動措施，聯系監控專業檢修人員解除自動開機條件中的快速閘門全關閉鎖開機條件，CCS上發令開機至空轉令，監視機組技術供水系統、高壓油泵、推力外循環油泵等設備，必要時手動啟動。

機組到達空轉態后，嚴密監視機組轉速和蝸殼壓力，轉速下降到50%左右時手動啟動停機流程。也可以不發機組停機令，讓機組轉速自由下降至20%時手動投入風閘。此種方式利用機組導葉“開—關”過程中排除積水，速度較快，對操作人員要求較高，有較大的風險。

2.5 手動開導葉排水

此種方式是在機組停機并落下進水口工作閘門后，現地手動操作導葉，將其開至一定的開度排除壓力鋼管內積水。手動開導葉分以下兩種情況，一種是讓機組轉動，一種是不讓機組轉動。

導葉開度較大時，機組會轉動起來，因此在操作導葉前應將技術供水系統、高壓油泵、推力外循環油泵等先手動啟動，將調速器控制方式切至現地，手動開啟導葉。機組轉動起來后應密切關注轉速，隨著壓力鋼管積水通過導葉逐步排走，機組轉速也會逐漸下降，當機組轉速下降到20%左右時投入制動風閘。在操作過程中，應控制打開導葉的速度，控制機組轉動的時間，防止機組較長時間慢速運行。此種排水方式操作比較簡單，風險也較小。由于不同機組間的特性差異，以及每次操作人員的經驗、判斷不同，需要對機組的轉動特性進行不斷摸索，進行經驗總結，以尋求最優的導葉開度值和開啟時間控制。

2.5.2 導葉小開度排水

這種方式是防止機組轉動的情況下小開度開啟導葉排水，因此需控制導葉開度，即不能太小導致無法排水，又不能太大引起機組轉動。在操作導葉之前，應手動投入制動風閘，再將調速器控制方式切至現地手動，緩慢開啟導葉至2%～3%左右。導葉開度跟每臺機組的特性及水頭有一定關系，需在試驗中進一步確定。此種方式要嚴格控制導葉開度大小，防止開度過大導致損壞制動風閘。

2.6 開啟蝸殼盤型閥排水

此方式是開啟蝸殼盤型閥，將壓力鋼管內積水通過蝸殼盤型閥排至下游尾水。此排水方式需人工手動打開蝸殼盤型閥，由于此時壓力鋼管充滿積水，水壓大（一般超過10個大氣壓），操作蝸殼盤型閥有較大難度，同時在排水過程中盤型閥振動、銹蝕及氣蝕現象，存在損壞盤型閥密封或閥桿斷裂等風險。據有關資料顯示，直接開啟蝸殼放空閥排水不適用高水頭電站。

3 排水方式比較

（1）通過導葉間隙排水，操作簡單，風險小，但時間相對較長。某些電站新投機組需要進行保壓控制排水速率，或者例行的年度檢修且對時間要求較松時，應優先采用此種排水方式。

（2）通過技術供水系統排水，操作簡單，風險小，但時間相對較長，此方式需要讓壓力鋼管道內的全部積水經過機組濾水器排至尾水，對濾水器要求較高，且沒有必要。在具體實施過程中，可將濾水器停用，采用旁通管道實現。在例行的年度檢修且對時間要求較松時，可以采用此種排水方式。

（3）手動開導葉排水特別是導葉小開度排水時，依賴運行操作員的經驗技術水平，要求運行人員嚴格遵守操作流程步驟，排水過程中應采取預控措施防止機組帶風閘轉動。手動開導葉小開度排水速率快，風險較高，一般盡量少采用此方式。

（4）在停機過程中排水和自動開機排水，排水快，但風險也高，在機組緊急搶修或工期要求很緊時，可以采用此方式。

（5）通過開啟蝸殼盤型閥排水，操作難度較大，存在設備損壞的風險，此排水方式在高水頭電站一般較少采用。

（6）若綜合以上排水方式，如先利用導葉間隙漏水或技術供水排水，降低水頭后再開啟蝸殼放空閥，則是一種非常好的選擇方式。

4 結語

巨型混流式水輪發電機組的壓力鋼管排水操作是一項較復雜、難度較大的操作，涉及諸多方面，但如何確保排水時的安全是操作的關鍵。電廠應對每種排水方式進行風險分析并制定相應的操作方案，根據時間緊迫性、風險程度等情況選擇合適的排水方式。

［1］張銀云.湖南鎮電站壓力鋼管停復役操作運行分析［J］.小水電，2011（4）：137-139.

［2］吳洪飛.水輪發電機組檢修排水方式探討［J］.水電站機電技術，2012，35（5）：21-22，30.