基于水力機(jī)械設(shè)計(jì)的抽水蓄能電站防水淹廠房研究與探討

張 旭，陳 鑫，陳 昕

（1.長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，湖北省武漢市 430010；2.中國(guó)電建集團(tuán)中南勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖南省長(zhǎng)沙市 410007）

0 引言

抽水蓄能電站安裝高程一般較低，通常采用地下式廠房，且新建電站水頭較高，大多在300 ～600m，因此，抽水蓄能電站水淹廠房事故比常規(guī)水電站更加危險(xiǎn)緊迫。抽水蓄能電站一旦發(fā)生水淹廠房事故，廠房可能會(huì)在很短時(shí)間內(nèi)被水充滿且救援困難，輕則設(shè)備損壞，重則電站癱瘓、人員傷亡，造成重大社會(huì)影響[1]。另外，水淹廠房的事故在國(guó)內(nèi)外也并不罕見(jiàn)，如國(guó)外舉世震驚的俄羅斯薩揚(yáng)—舒申斯克水電站水淹廠房安全事故，國(guó)內(nèi)響洪甸抽水蓄能電站因水環(huán)排水管閥門(mén)破裂導(dǎo)致水淹廠房事故等。

由于水淹廠房事故擁有發(fā)展快、危害大、后果嚴(yán)重等特點(diǎn)，國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)研究人員越來(lái)越重視抽水蓄能電站建設(shè)期的防水淹廠房相關(guān)設(shè)計(jì)工作。抽水蓄能電站防水淹廠房相關(guān)設(shè)計(jì)研究涉及專業(yè)較多，本文從水力機(jī)械專業(yè)角度對(duì)水淹廠房事故危險(xiǎn)源和防范措施進(jìn)行研究與探討。

1 水力過(guò)渡過(guò)程設(shè)計(jì)

與常規(guī)水電站相比，抽水蓄能電站通常采用一管多機(jī)布置型式，具有工況轉(zhuǎn)換多、起停頻繁、雙向水流等特點(diǎn)，因此，輸水系統(tǒng)中水力瞬變過(guò)程復(fù)雜。電站運(yùn)行過(guò)程中，流道中巨大的水流慣性所帶來(lái)的能量不平衡，將引起系統(tǒng)中內(nèi)水壓力及機(jī)組轉(zhuǎn)速的劇烈變化，特別是當(dāng)電站運(yùn)行在極端組合工況時(shí)，流道中的水錘壓力可能會(huì)超過(guò)設(shè)計(jì)值，導(dǎo)致管道破裂從而引發(fā)水淹廠房等事故發(fā)生。但電站的設(shè)計(jì)除要求安全可靠外，同時(shí)還需考慮經(jīng)濟(jì)性，電站安全設(shè)計(jì)余量又不宜過(guò)大。在調(diào)節(jié)保證設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮電站運(yùn)行中可能遇到的各種極端工況，在保證電站安全性的條件下，兼具經(jīng)濟(jì)適用，合理確定電站的調(diào)節(jié)保證設(shè)計(jì)值。另外，在電站投產(chǎn)運(yùn)行時(shí)還應(yīng)進(jìn)行甩負(fù)荷試驗(yàn)、反演計(jì)算等，以保證電站過(guò)渡過(guò)程的安全性。

調(diào)節(jié)保證設(shè)計(jì)值直接影響到設(shè)備參數(shù)的選擇，甚至影響到電站的布置。機(jī)組的過(guò)流部件、進(jìn)水閥以及與流道相連接的管路的承壓設(shè)計(jì)值不應(yīng)低于調(diào)節(jié)保證壓力設(shè)計(jì)值。另外，應(yīng)特別注意極端工況下的尾水管最小壓力值，即便是水頭較低的軸流式機(jī)組也可能發(fā)生反水錘，導(dǎo)致抬機(jī)事故，抽水蓄能電站更應(yīng)重視。通過(guò)降低機(jī)組的安裝高程，保證機(jī)組足夠的吸出高度能有效地改善尾水管真空度問(wèn)題，且對(duì)工程量影響不大。

2 排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

抽水蓄能電站廠房?jī)?nèi)排水系統(tǒng)主要包括檢修排水系統(tǒng)、滲漏排水系統(tǒng)。

機(jī)組檢修排水系統(tǒng)是為檢修機(jī)組時(shí)排空上、下游閘門(mén)之間或進(jìn)水閥與下游閘門(mén)之間的存水而設(shè)置的，分為直接排水和間接排水。滲漏排水系統(tǒng)主要排除廠房圍巖滲水、機(jī)組頂蓋漏水、地漏水、SFC變頻器冷卻水、SFC輸入變冷卻水、SFC輸出變冷卻水、中低壓空氣壓縮機(jī)冷卻水、主變壓器空載冷卻水、深井泵潤(rùn)滑水排水、生活用水排水、消防水等。

對(duì)于有下游河道且低于廠房的抽水蓄能電站，檢修和滲漏排水系統(tǒng)應(yīng)優(yōu)先采用自流排水。自流排水是將檢修或滲漏水排至自流排水洞，再排至下游河道。這種排水方式的排水量大，能有效降低水淹廠房的危險(xiǎn)，當(dāng)發(fā)生水淹廠房事故時(shí)，可以防止事故擴(kuò)大，同時(shí)可以在關(guān)閉上下游閘門(mén)后較短時(shí)間內(nèi)排掉廠房?jī)?nèi)的積水，對(duì)事故后的維護(hù)有利。設(shè)置自流排水洞的初期投入成本較高，但長(zhǎng)期運(yùn)行費(fèi)用低，安全可靠。

對(duì)沒(méi)有設(shè)置自流排水洞條件的電站，可采用間接排水。檢修水和滲漏水通過(guò)各自的排水管或排水廊道分別排至檢修集水井和滲漏集水井，集水井的水再通過(guò)水泵排至下游。間接排水，特別是滲漏排水系統(tǒng)采用間接排水，其水淹廠房風(fēng)險(xiǎn)更大。由于滲漏排水系統(tǒng)的滲漏集水井蓋板沒(méi)有采用密封形式，且無(wú)法像檢修排水系統(tǒng)關(guān)閉閥門(mén)可以截?cái)嗨鳎坏┌l(fā)生故障將可能導(dǎo)致水淹廠房事故。滲漏排水系統(tǒng)間接排水設(shè)計(jì)應(yīng)注意以下問(wèn)題：

（1）滲漏排水泵的可靠性直接關(guān)系到廠房的安全，主要采用臥式離心泵、立式深井泵、射流泵以及潛水泵，其中絕大部分電站選用立式深井泵。由于潛水泵容量較小，造價(jià)較高，且電機(jī)浸在水中，對(duì)密封要求較高，檢修和維護(hù)都較麻煩，因此滲漏排水系統(tǒng)中較少采用，但一般會(huì)在滲漏集水井底部設(shè)置潛水排污泵在檢修時(shí)清污使用。

（2）滲漏集水井有效容積應(yīng)按匯集30～60min廠內(nèi)總滲漏水量確定，抽水蓄能電站一般采用地下廠房型式，滲漏集水井有效容積可適當(dāng)加大。

（3）滲漏排水泵的工作泵的臺(tái)數(shù)應(yīng)按排水量確定，且應(yīng)設(shè)置備用泵，備用泵總流量不宜小于工作泵總流量的50%，且備用泵不宜少于兩臺(tái)。備用泵的流量、揚(yáng)程宜與工作泵相等。滲漏排水泵的電源應(yīng)安全可靠，當(dāng)主電源發(fā)生故障時(shí)，應(yīng)能自動(dòng)切換至備用電源。

3 過(guò)流部件、進(jìn)水閥及管路強(qiáng)度

3.1 機(jī)組過(guò)流部件

機(jī)組過(guò)流部件主要包括蝸殼、頂蓋、底環(huán)、尾水管等。

蝸殼應(yīng)采用優(yōu)質(zhì)鋼板制作，應(yīng)能在不考慮與混凝土聯(lián)合受力的條件下單獨(dú)承受各種工況下可能發(fā)生的最大水壓力。蝸殼的厚度應(yīng)考慮必要的腐蝕余量，在制作完成后還應(yīng)進(jìn)行水壓試驗(yàn)。頂蓋應(yīng)有足夠的剛度和強(qiáng)度，能承受主軸的徑向作用力、軸向水推力及過(guò)渡過(guò)程中的壓力波動(dòng)。底環(huán)應(yīng)采用抗空蝕性能良好的鋼板焊接而成，優(yōu)先采用整體結(jié)構(gòu)。底環(huán)與座環(huán)之間的連接縫必須有可靠的密封措施，不得漏水。底環(huán)每個(gè)導(dǎo)葉軸孔底部設(shè)有排水孔，能及時(shí)將導(dǎo)葉下軸頸泄漏水排掉，防止導(dǎo)葉上抬，底環(huán)上還設(shè)置有足夠數(shù)量的灌漿孔和排氣孔，以便混凝土的澆筑。尾水管應(yīng)能滿足脈動(dòng)壓力和水錘壓力的要求。

頂蓋、蝸殼進(jìn)人門(mén)和尾水管進(jìn)人門(mén)的把合螺栓應(yīng)使用高強(qiáng)度螺栓，不因振動(dòng)、水壓力脈動(dòng)影響而松動(dòng)疲勞[2]。俄羅斯薩揚(yáng)—舒申斯克水電站就因機(jī)組長(zhǎng)期處于振動(dòng)區(qū)運(yùn)行導(dǎo)致水輪機(jī)頂蓋把合螺栓斷裂，造成水淹廠房的惡性事件發(fā)生。國(guó)內(nèi)也曾有抽水蓄能電站的水泵水輪機(jī)頂蓋把合螺栓脆斷造成水淹廠房事故。在螺栓的設(shè)計(jì)和質(zhì)量控制上應(yīng)注意以下幾個(gè)方面：

（1）由于螺栓強(qiáng)度等級(jí)越高，經(jīng)過(guò)塑性變形后會(huì)更迅速脆裂，應(yīng)力集中也會(huì)更加明顯，缺陷部位更容易發(fā)展成裂紋，因此，應(yīng)選擇合適強(qiáng)度等級(jí)的螺栓。

（2）當(dāng)要求預(yù)應(yīng)力時(shí)，螺栓、螺桿和連桿等零部件均應(yīng)進(jìn)行預(yù)應(yīng)力處理，零部件的預(yù)應(yīng)力不得超過(guò)材料屈服強(qiáng)度7/8。螺栓的載荷不應(yīng)小于連接部分設(shè)計(jì)載荷的2倍。另外，抽水蓄能機(jī)組的工況復(fù)雜，螺栓受力沒(méi)有規(guī)律，容易疲勞破壞，除凈載荷計(jì)算外，螺栓還需進(jìn)行疲勞校核。

（3）螺栓鍛造過(guò)程中應(yīng)避免缺陷，保證力學(xué)性能，在螺紋加工前和加工后應(yīng)加強(qiáng)無(wú)損檢測(cè)，保證胚料以及螺栓表面的質(zhì)量。

3.2 進(jìn)水球閥

在進(jìn)水閥切斷動(dòng)水水流時(shí)，進(jìn)水球閥的閥體、軸承座、上游側(cè)法蘭應(yīng)能承受水流作用在活門(mén)和閥體上的最大水推力。伸縮節(jié)應(yīng)能適應(yīng)由溫度變化和水作用力變化引起的進(jìn)水閥沿壓力鋼管軸線方向位移。

3.3 與流道連通的管路

抽水蓄能電站中，與流道直接相連的管路較多，如技術(shù)供水取水管和排水管、主軸密封供水管、上下止漏環(huán)供水管、壓水排氣管、水環(huán)釋放管等。管路上的鋼管、管件或閥門(mén)可能由于設(shè)計(jì)壓力偏低、焊接缺陷、振動(dòng)疲勞或外力因素等造成管路爆裂[3]，導(dǎo)致水淹廠房事故發(fā)生，因此，選擇鋼管、管件和閥門(mén)的材質(zhì)、設(shè)計(jì)壓力時(shí)，應(yīng)考慮流道極端情況下的最大水壓力。

4 防水淹廠房報(bào)警裝置

目前新建電廠都是按照“無(wú)人值班，少人值守”的理念建設(shè)和運(yùn)行[3]。為保證在水淹廠房事故發(fā)生的初期，運(yùn)行人員能及時(shí)發(fā)現(xiàn)事故并采取補(bǔ)救措施，防止事故擴(kuò)大，在電站應(yīng)設(shè)置防水淹廠房報(bào)警裝置。

一套水淹廠房報(bào)警裝置包含3個(gè)水位計(jì)，安裝在電站的最低處。水淹廠房報(bào)警裝置盡量選擇兩種以上型式的水位計(jì)[4]。由于水淹廠房發(fā)生初期，水淹沒(méi)地面較廣，水位量程較小，水位也極不穩(wěn)定，推薦選用超聲波、電容式、電極式及音叉式等型式的水位計(jì)[5]。

水淹廠房報(bào)警裝置的水位計(jì)采用“三取二”的控制模式，即當(dāng)其中一個(gè)水位計(jì)動(dòng)作時(shí)，僅發(fā)出警報(bào)，當(dāng)兩個(gè)水位計(jì)同時(shí)動(dòng)作，保護(hù)系統(tǒng)動(dòng)作緊急停機(jī)。至少在主廠房?jī)?nèi)最低處和尾閘洞最低處各設(shè)置一套水淹廠房報(bào)警裝置，若需在水淹廠房初期盡快確定事故具體位置，可在每層增加測(cè)點(diǎn)以及擋水坎等[5]。

5 進(jìn)水球閥的結(jié)構(gòu)和布置

《抽水蓄能電站設(shè)計(jì)導(dǎo)則》明確要求：“應(yīng)在中控室設(shè)置緊急停機(jī)和緊急關(guān)閉上、下庫(kù)事故閘門(mén)的可靠措施”。但由于抽水蓄能電站引水系統(tǒng)較長(zhǎng)，上游事故閘門(mén)離廠房較遠(yuǎn)，因此，一般優(yōu)先關(guān)閉蝸殼前的進(jìn)水球閥。如果發(fā)生較大的水淹廠房事故，如頂蓋掀起或進(jìn)水閥附近管路爆管等，可能沖壞進(jìn)水球閥控制管路導(dǎo)致進(jìn)水球閥無(wú)法正常關(guān)閉，因此，在進(jìn)水球閥的結(jié)構(gòu)和布置上應(yīng)采取有效的措施防止此類(lèi)情況發(fā)生。

5.1 選用含有重錘的進(jìn)水閥

當(dāng)發(fā)生水淹廠房事故，進(jìn)水閥的壓力油源或管路可能遭到破壞，進(jìn)水球閥無(wú)法關(guān)閉，而設(shè)置有重錘的進(jìn)水閥能在壓力油切斷的情況下依然能將重錘的重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為閥門(mén)關(guān)閉的能量。但重錘尺寸較大，設(shè)置重錘會(huì)增加廠房的跨度，從而增加工程造價(jià)和工程施工難度。

5.2 壓力控制油管埋地敷設(shè)

由于控制油管管徑較細(xì)，當(dāng)發(fā)生水淹廠房事故時(shí)易被沖斷，影響進(jìn)水球閥緊急關(guān)閉。可將控制油管埋地敷設(shè)，可有效避免控制油管在事故時(shí)遭到破壞。

5.3 取消進(jìn)水球閥上旁通管

取消進(jìn)水球閥上的旁通管，可以減少因爆管導(dǎo)致水淹廠房的隱患，但進(jìn)水球閥前后平壓?jiǎn)栴}，特別是壓力鋼管的水力震蕩問(wèn)題，有待穩(wěn)妥解決。

5.4 進(jìn)水球閥布置在球閥室

進(jìn)水球閥可布置在專門(mén)的球閥室，如圖1所示，當(dāng)主廠房?jī)?nèi)有水淹廠房事故發(fā)生，不會(huì)影響到球閥室的進(jìn)水球閥，進(jìn)水球閥可以順利關(guān)閉，但可能會(huì)給運(yùn)行和檢修帶來(lái)不便。

圖1 進(jìn)水球閥布置在球閥室示意圖Figure 1 Arrangement diagram of inlet ball valve in ball valve room

6 結(jié)束語(yǔ)

隨著抽水蓄能電站建設(shè)高峰期的到來(lái)，電站的安全越來(lái)越受到重視。本文從水力過(guò)渡過(guò)程、排水系統(tǒng)、過(guò)流部件強(qiáng)度、水淹廠房報(bào)警裝置和進(jìn)水球閥的設(shè)置等幾個(gè)方面，對(duì)抽水蓄能電站防水淹廠房設(shè)計(jì)上應(yīng)注意的地方進(jìn)行了總結(jié)和探討，并提出了一些可供參考的建議。本文僅從水力機(jī)械專業(yè)設(shè)計(jì)角度出發(fā)，但防水淹廠房設(shè)計(jì)涉及專業(yè)較多，有待形成一套完整的理論，并通過(guò)工程實(shí)踐證明安全可行，以供抽水蓄能電站在設(shè)計(jì)和建設(shè)中應(yīng)用。