黑麋峰抽蓄電站輸水流道排充水淺析

宋太平，楊 暉，楊 恒，曹春永，李既明，趙聚平

（國網(wǎng)新源湖南黑麋峰抽水蓄能有限公司，湖南 長沙410213）

1 概述

黑麋峰抽水蓄能電站位于湖南省長沙市望城區(qū)，距長沙市中心公路里程為25 km，屬于日調(diào)節(jié)的純抽水蓄能電站，安裝4臺單機容量300 MW的可逆式水泵水輪電動發(fā)電機組，總裝機容量1200 MW，主要承擔湖南及華中電網(wǎng)調(diào)峰、填谷、調(diào)頻、調(diào)相及事故備用等任務(wù)。

黑麋峰抽水蓄能電站主要由上下水庫、輸水系統(tǒng)、地下廠房和地面開關(guān)站等建筑物組成，采用引水隧洞（1洞2機）垂直進廠房、尾水隧洞（1洞1機）斜出廠房的布置方式。上水庫正常蓄水位為400 m，死水位為376.5 m；下水庫正常蓄水位為103.7 m，死水位為65 m。輸水系統(tǒng)由2條引水系統(tǒng)和4條尾水系統(tǒng)組成。2號引水輸水系統(tǒng)由2號引水主洞、2號高壓岔管以及2條引水支管組成，全長973 m（上庫檢修門至球閥），由引水下平段（高程 EL13.6～22.1）、引水斜井段（高程 EL22.1～338.4）、引水上平段（高程 EL338.4～362.6）組成，洞內(nèi)儲水量約 53830.3 m3。每條尾水系統(tǒng)長約320 m（機組中心線至下庫檢修門），由尾水下平段（高程EL2.7～8.7）、尾水斜井段（高程 EL8.7～51.5）、尾水上平段（閘門后漸變段，高程EL51.5～58.5）組成，洞內(nèi)儲水量約 9035.2 m3。

2 輸水系統(tǒng)排水

排水是直接影響現(xiàn)場檢修工作開工的一項關(guān)鍵工作，因此需要盡量縮短排水時間。但在排水過程中，圍巖水壓會對輸水流道襯砌形成外壓，若排水速率太快，則流道襯砌承受外壓太大，將造成輸水系統(tǒng)襯砌破壞。根據(jù)中南勘察設(shè)計院《輸水系統(tǒng)充排實施細則》，黑麋峰輸水流道排水速率應(yīng)不大于4 m/h。因此排水過程應(yīng)嚴格控制速率。在保證輸水系統(tǒng)襯砌安全的前提下， 盡量縮短排水時間，避免影響檢修工期。

2.1 排水前準備工作

（1）制定2號輸水流道排水方案，經(jīng)分管生產(chǎn)領(lǐng)導審批。

（2）發(fā)布2號輸水流道排水風險預(yù)警通知單，并呈送電站相關(guān)外協(xié)單位，排水期間嚴格落實風險預(yù)警通知單等風險預(yù)控措施。

（3）準備好《各級領(lǐng)導和管理人員到崗到位記錄登記表》，充水期間嚴格落實到崗到位制度。

（4）華中網(wǎng)調(diào)已批準2號流道機組檢修工作票。

2.2 排水前現(xiàn)場設(shè)備狀態(tài)

（1）上庫2號進出水口閘門全關(guān)，控制及操作電源已拉開。

（2）3、4 號尾水閘門全開。

（3）3、4 號球閥全關(guān)，3、4 號球閥下游密封投入、上游密封退出。

（4）2號輸水流道自動化及水工監(jiān)測設(shè)施運行正常。

（5）3號、4號機組監(jiān)控系統(tǒng)不停電，通過上位機監(jiān)視3、4號球閥上游鋼管壓力變送器CP101壓力值判斷排水速率。

（6）3號、4號機風閘在投入狀態(tài)。

2.3 排水技術(shù)要求

（1）根據(jù)中南勘察設(shè)計院《輸水系統(tǒng)充排實施細則》，黑麋峰抽蓄電站輸水流道排水過程水位下降速率不大于4 m/h。因此流道水位在斜井段與平段的交接點應(yīng)及時調(diào)整排水閥開度，避免排水速率過快或者過慢。

（2）排水過程中隨著流道水壓下降，球閥下游密封將不能保持可靠投入，因此需提前準備加壓泵加壓使球閥下游密封投入（本次2號輸水流道排空期間將進行球閥密封備用操作水源增設(shè)，完成增設(shè)后能保證密封可靠投入）。

（3）流道排水過程中內(nèi)外水壓差應(yīng)滿足：EL180 m以上不大于100 m，EL180 m以下（含岔管）不大于150 m；引水鋼支（岔管后/球閥前）不大于50 m；尾水鋼襯段不大于50 m，尾水混凝土襯段不大于100 m；整個排水過程中，由水工檢測組通過水工建筑物自動化監(jiān)測系統(tǒng)對2號輸水流道進行實時監(jiān)測，內(nèi)外壓差超標及時匯報排水指揮部。

（4）通過球閥前壓力鋼管壓力變送器CP101數(shù)值及轉(zhuǎn)輪與泄流環(huán)間壓力變送器CP205數(shù)值可計算出流道內(nèi)水位及排水速率。（水位=壓力值×100/0.98+11，注：因測量該2個壓力值的壓力變送器高程均為11 m）

2.4 排水實施過程

排水主要分為3大階段，具體排水數(shù)據(jù)見表1。

表1 2號輸水流道排水數(shù)據(jù)

（1）第1階段：上游流道排至與下庫平齊

該階段通過打開3、4號機上游流道排水閥排水（排至尾水管）。為確保流道安全，該階段流道水位排至 EL270、EL220、EL170、EL120、及下庫平齊后均需穩(wěn)壓24 h。穩(wěn)壓結(jié)束后將3、4號尾水閘門落至全關(guān)。

（2）第2階段：通過3、4號機檢修排水管道自流排至EL60 m（頂層排水廊道高程）

該階段需打開3、4號機盤型閥、檢修排水閥，通過檢修排水管道從頂層排水廊道自流排水。排水過程中需檢查3、4號尾閘漏水量[1]，如果漏水量較大則需要將尾閘提起重落一次，若仍不能解決問題，則需要將該尾水檢修閘門落至全關(guān)。

（3）第3階段：啟動檢修排水泵排水

當流道水位排至與頂層排水廊道平齊后，水無法繼續(xù)自流排出，此時需啟動檢修排水泵加壓排水。此階段排水速率可通過啟泵數(shù)量（一共有4臺）及檢修排水泵出口閥開度控制。

2.5 排水要點

（1）當流道水位與下庫水位接近時，僅通過機組上游流道排水閥進行排水速率過慢，需退出1臺機組球閥的下游密封，開啟此臺機組的盤形閥、檢修排水閥、檢修泵進出口閥、檢修泵總出口閥，進行自流排水，此方法能有效保證排水速率。

（2）排水初期因水頭高、壓力大，排水閥和管路振動比較大，要加強檢查，找到安全可靠的排水閥開度（機組上游流道排水閥有2個：1個針閥和1個球閥，1前1后，均能控制排水速率）[2]。

（3）整個輸水流道排水過程中，均應(yīng)密切監(jiān)視機組頂蓋水位，防止水淹廠房。

3 輸水系統(tǒng)充水

輸水系統(tǒng)充水是電站恢復(fù)正常運行過程中的一個重要環(huán)節(jié)。充水過程中，隨著輸水系統(tǒng)充水水位的上升，水道襯砌、周圍圍巖承受內(nèi)壓力也趨于上升[3]，巖石結(jié)構(gòu)應(yīng)力也隨之變化，充水太快，則破壞巖石應(yīng)力結(jié)構(gòu)，易造成裂紋甚至裂縫；充水太慢則加長復(fù)役操作時間，加長檢修工期，影響電站、機組的恢復(fù)備用時間。故充水過程中亟需加強監(jiān)測設(shè)備監(jiān)視，全面把控充水速率，確保設(shè)備、電站安全。

3.1 充水前準備工作

（1）制定2號輸水流道充水方案，經(jīng)分管生產(chǎn)領(lǐng)導審批。同時發(fā)布2號輸水流道充水風險預(yù)警通知單，并呈送電站相關(guān)外協(xié)單位，充水期間嚴格落實風險預(yù)警通知單等風險預(yù)控措施。

（2） 2號輸水流道內(nèi)部檢查已完成，確認流道內(nèi)無遺留人員及物品。

（3）準備好《各級領(lǐng)導和管理人員到崗到位記錄登記表》[4]，嚴格落實到崗到位制度。

（4） 2號輸水流道有關(guān)檢修、試驗工作（包括球閥、調(diào)速器）已結(jié)束，工作票已終結(jié)。

3.2 充水前現(xiàn)場設(shè)備狀態(tài)

（1） 3、4號機上游流道檢修排水閥、球閥閥芯排水閥全關(guān)。

（2） 3、4號機錐管人孔門、蝸殼人孔門、盤型閥、檢修排水閥已關(guān)閉。

（3）上庫2號進出水口閘門全關(guān)，且具備充水條件。

（4）下庫3、4號尾閘全關(guān)，且具備充水條件。

（5） 3、4 號機球閥上、下游密封退出，4 號球閥全開[5]，4號機調(diào)速器導葉開度10%，3號球閥全關(guān)。

（6） 3號、4號機風閘在投入狀態(tài)。

3.3 充水技術(shù)要求

（1）根據(jù)中南勘察設(shè)計院《輸水系統(tǒng)充排實施細則》，黑麋峰抽蓄電站輸水流道充水過程水位上升速率不大于10 m/h，高水頭即EL338.4 m時水位上升速率不大于5 m/h。因此在流道斜井段與平段的連接點應(yīng)及時調(diào)整充水閥開度，避免充水速率過快或者過慢。

（2）整個充水過程中，由水工檢測組通過水工建筑物自動化監(jiān)測系統(tǒng)對2號輸水流道進行實時監(jiān)測，內(nèi)外壓差超標及時匯報充水指揮部。

（3）通過球閥前壓力鋼管壓力變送器CP101數(shù)值及轉(zhuǎn)輪與泄流環(huán)間壓力變送器CP205數(shù)值可計算出流道內(nèi)水位及充水速率。（水位=壓力值×100/0.98+11。注：因測量該2個壓力值的壓力變送器高程均為11 m）

3.4 充水實施過程

充水主要分為兩大階段，具體充水數(shù)據(jù)見表2。

表2 2號輸水流道充水數(shù)據(jù)

（1）第一階段：上游流道、尾水管充至與下庫平齊

該階段通過提起3號、4號尾閘充水閥（約8 cm）向流道內(nèi)充水。充水過程中應(yīng)注意尾水管平段充水速率較慢，且無法通過壓力數(shù)值監(jiān)測水位，所以需現(xiàn)場加強巡視，通過打開錐管人孔門附近壓力測量閥有無水流來判斷水位。為確保流道安全，該階段完成后需穩(wěn)壓12 h。穩(wěn)壓結(jié)束后將3、4號尾水閘門提至全開。

（2）第二階段：2號引水流道充至與上庫平齊

該階段充水前應(yīng)關(guān)閉4號球閥，投入3、4號球閥下游密封（密封操作水源取自2號輸水流道）及球閥接力器機械鎖錠。通過提起1號進出水口閘門充水閥進行充水。為確保流道安全，根據(jù)中南勘察設(shè)計院要求，水位充至EL140 m后需穩(wěn)壓24 h，水位分別充至EL220 m、EL280 m、EL338.4 m后均需穩(wěn)壓48 h，然后繼續(xù)充水。當水位到達EL338.4 m之前應(yīng)及時減小充水閥開度，否則充水速率會非常快（EL338.4 m以上是豎井段，水量小、高程大）。

3.5 充水要點

整個輸水流道充水過程中，均應(yīng)密切監(jiān)視機組頂蓋的水位，防止水淹廠房。

充水過程中應(yīng)加強現(xiàn)場設(shè)備巡視，現(xiàn)場開啟過的錐管人孔門、蝸殼人孔門、相關(guān)管路閥門等極可能出現(xiàn)漏水情況[6]，如現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)漏水情況，必須立即匯報充水總指揮，并暫停充水進行漏水處理。

流道水位接近引水流道斜井段水位22.1 m、上庫通氣孔362.6 m時，須密切監(jiān)視水位及變化速率，提前減小充水閥開度，避免水位上升過快。

4 輸水系統(tǒng)排充水風險管控

4.1 風險分析

2號輸水流道排充水過程中存在水淹廠房、排充水過快導致流道內(nèi)外水壓差過大，造成流道破壞等危險因素或事故隱患，為保證安全、有序的開展排水工作，必須進行風險分析，并做好風險防控。

4.2 預(yù)警計劃管控時段

排水：2018年02月25日至2018年03月11日。

充水：2018年03月18日至2018年03月31日。

4.3 預(yù)控措施

（1）建立安全質(zhì)量管理體系和組織機構(gòu)，實行日碰頭會制度，進行排充水全過程管理，推行標準化作業(yè)。

（2）提前制定方案，完成審批流程，內(nèi)容包含排充水目標、排充水流程、組織措施、技術(shù)措施、安全措施、現(xiàn)場管理辦法等，要詳細、全面。

（3）合理安排排充水時間和排充水操作人員和現(xiàn)場處理人員，確保排充水進度安排合理，工作人員精力充沛。

（4）工作過程中遵守安規(guī)，嚴格執(zhí)行工作票、操作票制度，確保現(xiàn)場安全措施可靠，工作規(guī)范有序，凡事有章可循。

（5）開工前召開班前會，進行安全技術(shù)交底，每天生產(chǎn)早會專題匯報排水進度，定期監(jiān)測流道水位，控制排充水速率。

（6）做好排充水速率的把控，實行班組、部門、廠級三個管理層次逐級監(jiān)督制度。

（7）安排專人在排充水過程中24 h現(xiàn)場巡視和24 h各監(jiān)測點數(shù)據(jù)監(jiān)視，做好數(shù)據(jù)收集、分析與對比，發(fā)現(xiàn)異常立即匯報和處理。

4.4 風險解除

2號輸水流道排充水完成后，及時發(fā)布風險預(yù)警解除通知單，并呈送相關(guān)外協(xié)單位。

5 輸水系統(tǒng)排充水安全監(jiān)測

5.1 監(jiān)測要求

（1）排水階段對引水系統(tǒng)相關(guān)的自動化觀測項目監(jiān)測頻次為1次/h，人工滲流觀測項目，每天監(jiān)測2次，重點監(jiān)測部位巡視檢查每天2次。

（2）排空階段對引水系統(tǒng)相關(guān)的自動化觀測項目監(jiān)測頻次為1次/4 h，人工滲流觀測項目，每天監(jiān)測1次，重點監(jiān)測部位巡視檢查1次。

（3）充水階段對引水系統(tǒng)相關(guān)的自動化觀測項目監(jiān)測頻次為1次/h，人工滲流觀測項目，每天監(jiān)測2次，重點監(jiān)測部位巡視檢查每天2次。

5.2 監(jiān)測儀器安裝情況

（1）底層排水廊道滲壓計3支，量水堰1個。（2）中層排水廊道滲壓計6支，量水堰1個。（3）頂層排水廊道滲壓計共12支。

（4） 4號施工支洞量水堰1個，溫度計2支。

（5） 5號施工支洞滲壓計3支。

（6） 1號引水洞錨桿應(yīng)力計6支，位移計6支，滲壓計15支。

（7） 2號引水洞錨桿應(yīng)力計3支，位移計3支，滲壓計8支。

（8）引水岔管錨桿應(yīng)力計6支，鋼筋計共4支，位移計3支，滲壓計3支。

（9）引水支洞錨桿計應(yīng)力計18支，滲壓計22支，位移計9支。

（10）主廠房錨桿計共129支，位移計共88支，錨索測力計共28支。

（11）主變洞錨桿42支，位移計49支。

5.3 監(jiān)測結(jié)果分析

（1）滲漏量分析

根據(jù)自動化監(jiān)測數(shù)據(jù)及人工測量數(shù)據(jù)底層排水廊道最大滲漏量為8.53 L/s，發(fā)生在2018年2月25日，最小滲漏量為0.64 L/s，發(fā)生在3月24日；中層排水廊道最大滲漏量為1.63 L/s，發(fā)生在2018年3月6日，最小滲漏量為0.32 L/s，發(fā)生在3月14日。廠房中層排水廊道和底層排水廊道滲漏量變化隨水位變化呈規(guī)律性變化，排水期間滲漏量總體變化減小，充水期間滲漏量總體變化變大，至充水結(jié)束，各監(jiān)測部位滲流量與流道排水前流量略有減小，4號施工堵頭滲漏量變化較小，變化范圍在0.00～0.16 L/s。

（2）滲壓計觀測結(jié)果分析

從地下洞室觀測斷面埋設(shè)的滲壓計觀測結(jié)果表明，流道充排水前，因機組抽水發(fā)電上、下庫水位變化頻繁，各滲壓計測值波動明顯，排水、充水期間前后滲壓計測值變化較小，廠房圍巖抵抗內(nèi)水壓力及滲水的性能良好，引水系統(tǒng)排水、充水對廠房擾動較小。

（3）位移計觀測結(jié)果分析

地下洞室監(jiān)測斷面埋設(shè)的多點位移計測值日變幅不大，測值呈現(xiàn)規(guī)律性變化，且在監(jiān)測范圍內(nèi)。排水期間和充水期間地下洞室在水壓力作用下的多點位移計測值變化各有不同，M4 D-1-4廠的測值在充水期間隨水位上升而略有增大，增大幅度小于0.5 mm。M4 C-4廠這套多點位移計4支儀器測值變化在充水期間變化幅度稍大，說明該套儀器對水位變化較為敏感。其他多點位移計測值整體上變化較小。說明排水、充水對地下洞室觀測斷面影響比較小。

（4）錨桿觀測結(jié)果分析

排充水階段，錨桿應(yīng)力計AS3 A-1-1廠和AS3 A-1-3廠的測值呈現(xiàn)降低的變化狀態(tài)，測值降低分別約2 MPa、5 MPa，其他地下洞室錨桿應(yīng)力測值變化趨勢無明顯異常，變幅相對較小，基本呈穩(wěn)定趨勢。相比于排水前，變幅均小于30 MPa。

（5）鋼錨索測力計觀測結(jié)果分析

排水期間和充水期間廠房上游邊墻、主變室在水壓力作用下的應(yīng)力測值變化不大，與排水前相比，變化最大為52.21 kN，對應(yīng)測點編號為DPB-2-4廠，說明排水、充水對廠房上游邊墻、主變室影響比較小。

5.4 監(jiān)測總結(jié)

（1）輸水系統(tǒng)及尾水隧洞排水、充水過程中嚴格按照要求的監(jiān)測方式和監(jiān)測頻次進行，各監(jiān)測工作有序開展。

（2）根據(jù)每日數(shù)據(jù)以及排水、充水工作完畢后數(shù)據(jù)整理分析得出，本次排水、充水工作中各測點測值變化基本能反映各監(jiān)測部位運行狀態(tài)，以及排水、充水期間水位變化對監(jiān)測部位的實際影響。

（3）本次排充水試驗期間，水位的上升和下降時，監(jiān)測部位巖體內(nèi)部的位移變形、應(yīng)力應(yīng)變、滲水滲流等監(jiān)測物理量的變化量總體較小，個別儀器測值呈現(xiàn)微弱的增大或減小的變化趨勢，表現(xiàn)出與水位變化相應(yīng)的規(guī)律性。因此，本次排充水試驗表明輸水系統(tǒng)各部位運行狀態(tài)受水位變化的影響較小，洞室?guī)r體結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定。

6 輸水系統(tǒng)排充水經(jīng)驗總結(jié)

黑麋峰抽水蓄能電站輸水系統(tǒng)2009年首次充水。此次2號輸水流道排充水為電站投運后首次，在積累了2017年1號流道排充水操作的經(jīng)驗基礎(chǔ)上，本次2號流道排充水解決了球閥密封備用操作水源等問題，積累了更加寶貴的經(jīng)驗。

（1）鑒于1號流道充水時球閥密封因水壓降低無法正常投退，故本次2號流道充水前為球閥密封增設(shè)了備用操作水源（1～4號機球閥密封水互為備用），保證了球閥密封正常投入。

（2）本次充水時上庫2號閘門由于開度顯示儀問題，在全關(guān)狀態(tài)下顯示為-32.9的開度，遠遠超出設(shè)定的下極限值，此時內(nèi)部PLC閉鎖導致閘門只能開啟不能關(guān)閉。拔出下極限的繼電器或斷開開度顯示儀的電源均無法解開閉鎖，查看控制柜門上PLC對應(yīng)的端子接線圖，解開下極限的輸入端子后閘門能正常關(guān)閉。但要關(guān)閉閘門時注意不要超過全關(guān)開度，以免鋼絲繩發(fā)生松動。以后遇到類似問題需緊急處理時可參考上述方法。

（3）通過開啟4號球閥和4號機調(diào)速器導葉，使充水過程中4號機尾水管與2號流道水位齊平，保證了2號流道的充水效率。

（4）在斜井段充水時，2號進水口閘門充水閥開度應(yīng)控制在8～9 cm之間，閘門開度稍微變化對充水速率有較大影響，因此在調(diào)整充水閥開度的時候要結(jié)合充水聲音進行判斷。

7 結(jié)束語

黑麋峰蓄能電站輸水系統(tǒng)的充排水是一個工期長、難度大、操作復(fù)雜、危險點源較多的工作，經(jīng)過2009年、2014年、2017年、2018年4次輸水系統(tǒng)排充水操作，每次排充水前籌劃、排充水過程中監(jiān)督、排充水后總結(jié)，積累起不少有益經(jīng)驗，此次2018年的2號輸水系統(tǒng)排充水操作的總結(jié)，對我國抽水蓄能電站輸水系統(tǒng)排充水操作有著較大的指導意義。