冷竹關(guān)水電站引水隧洞放空操作要點(diǎn)分析與經(jīng)驗(yàn)總結(jié)

四川華能康定水電有限責(zé)任公司 胡正建 余 斐

有壓引水式電站正常運(yùn)行時(shí)隧洞內(nèi)承受較高的水壓，隧洞地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜多變，存在水頭高、水量多、山體滲漏水多等特點(diǎn)，往往需通過混凝土灌漿、襯砌等進(jìn)行加固和防滲處理，以提高引水隧洞的安全可靠性[1]。由于有壓引水式電站存在隧洞長(zhǎng)，壓力高、水頭高等特點(diǎn)，不便于將引水系統(tǒng)放空全停檢修。因此每一次全停放空檢修機(jī)會(huì)都是彌足珍貴，需前期進(jìn)行充分的準(zhǔn)備，分析、評(píng)估、計(jì)算引水系統(tǒng)放空操作過程中存在的安全風(fēng)險(xiǎn)，并制定各項(xiàng)措施、方案，以保證放空操作安全、設(shè)備檢修工作有序開展[2]。

1 電站概況及放空風(fēng)險(xiǎn)分析和準(zhǔn)備工作

1.1 電站概況

冷竹關(guān)水電站位于四川省甘孜藏族自治州瀘定縣境內(nèi)，為大渡河支流瓦斯河梯級(jí)開發(fā)的最后一級(jí)引水式梯級(jí)電站?？刀ㄒ韵轮梁涌诟闪鞫翁烊宦洳?108m，平均比降達(dá)42.3‰，多年平均流量46.2m3/s，多年平均懸移質(zhì)輸沙量為9.38萬t，多年平均含沙量為62.7g/m3，水質(zhì)較差。

冷竹關(guān)水電站屬?gòu)搅魇诫娬?，為低閘引水式開發(fā)，電站裝機(jī)容量180MW，安裝3臺(tái)60MW的GE公司混流式機(jī)組，額定水頭362m，設(shè)計(jì)引用流量54.9m3/s，水庫正常蓄水位為1763.50m，死水位為1752.00m，可調(diào)節(jié)庫容32.94萬m3，壓力隧洞全長(zhǎng)6274.085m，年利用為5494小時(shí)，多年平均發(fā)電量為9.889億kWh，電站泄洪、引水、防沙遵循“側(cè)向取水、正向沖沙”的原則。電站由首部樞紐、引水系統(tǒng)、廠區(qū)樞紐三大部分組成，壓力管道采用一管三機(jī)的布置型式，主管長(zhǎng)661.118m、內(nèi)徑3.4m，隧道末端坡度大、壓力高。為檢修、運(yùn)行方便，設(shè)置三個(gè)支洞岔口檢修進(jìn)人門，作為檢修通道。

冷竹關(guān)水電站三臺(tái)機(jī)組球閥自2006年檢修后距今已運(yùn)行12年之久，近年來發(fā)現(xiàn)三臺(tái)機(jī)組球閥不同程度出現(xiàn)漏水情況，且漏水趨勢(shì)逐漸增大，嚴(yán)重影響機(jī)組大、小修等工作，急需進(jìn)行大修以確保機(jī)組正常檢修工作。而球閥大修必須對(duì)引水系統(tǒng)進(jìn)行放空處理，結(jié)合本次全停同步開展了三臺(tái)機(jī)組球閥大修、引水系統(tǒng)放空檢查及清淤、清污機(jī)檢查消缺、壓力鋼管探傷等工作。

1.2 風(fēng)險(xiǎn)分析

理論上放空流量越小對(duì)于引水隧洞來說就越安全，但放空時(shí)間會(huì)相應(yīng)變長(zhǎng)影響工期和發(fā)電、經(jīng)濟(jì)性較差，若放空的流量過大對(duì)站內(nèi)設(shè)備和引水隧洞來說又有較大的安全隱患、安全性得不到保障。引水隧洞放空操作需在經(jīng)濟(jì)性和安全性之間找到一個(gè)平衡。由于冷竹關(guān)水電站沒有專門的隧洞放空設(shè)施，所以采用機(jī)組空轉(zhuǎn)的方式對(duì)引水隧洞進(jìn)行放空操作是較為經(jīng)濟(jì)和安全的方式，但要注意把握停機(jī)的時(shí)機(jī)，不得超過設(shè)計(jì)最大放空流量。機(jī)組空轉(zhuǎn)進(jìn)行放水期間，廠用電只有外來電源和上游梯級(jí)電站的一路備用電源，廠用電薄弱，并且電能質(zhì)量難以保障。

引水隧洞長(zhǎng)期承受較高的水壓，地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，放空期間有隧洞坍塌事故風(fēng)險(xiǎn)；庫區(qū)放空過程中，水位越低余水水質(zhì)越差，對(duì)機(jī)組調(diào)速器、調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、過流部件等機(jī)電設(shè)備都會(huì)形成一定的考驗(yàn)；放空期間全站出力為0，削減庫區(qū)水位只能采取“開閘放水”的方式，可能會(huì)對(duì)下游河道造成較嚴(yán)重沖刷，對(duì)沿途村落居民形成生命和財(cái)產(chǎn)的威脅；引水隧洞放空完畢后，隧洞內(nèi)有大量山體滲漏水，大量泥沙通過山體滲漏水流向廠房，若不采取措施設(shè)法排出，不但會(huì)影響檢修工作進(jìn)度，還會(huì)有水淹廠房的風(fēng)險(xiǎn)。

通過一臺(tái)機(jī)組空轉(zhuǎn)運(yùn)行排水操作時(shí)，調(diào)速器應(yīng)工作在“頻率”模式以維持100%額定轉(zhuǎn)速，確保機(jī)組安全。由于排水過程水頭會(huì)不斷降低，維持機(jī)組空轉(zhuǎn)的過機(jī)流量會(huì)逐漸增大，相應(yīng)導(dǎo)葉開度會(huì)增加，調(diào)速器內(nèi)部邏輯可能會(huì)限制導(dǎo)葉開度，導(dǎo)致機(jī)組轉(zhuǎn)速無法維持100%額定轉(zhuǎn)速，可能使機(jī)組長(zhǎng)期在低轉(zhuǎn)速運(yùn)行損壞軸瓦，導(dǎo)葉開度被限制的同時(shí)還影響排水進(jìn)度；由于人為因素，管理、監(jiān)視不到位等原因，放空操作導(dǎo)致事故。

1.3 放空前準(zhǔn)備工作

組織成立《冷竹關(guān)水電站全停水檢修管理組織機(jī)構(gòu)》，下設(shè)機(jī)電、土建、運(yùn)行操作、安全監(jiān)督、后勤保障等五個(gè)小組，明確各級(jí)人員職責(zé)，確保全停檢修工作有序、順利進(jìn)行；根據(jù)國(guó)家電力公司成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院《冷竹關(guān)水電站運(yùn)行說明書》設(shè)計(jì)要求，組織分析、討論、編制《冷竹關(guān)水電站引水系統(tǒng)排水充水方案》，確保放空操作安全；提前梳理全停檢修期間的檢修項(xiàng)目，編制相關(guān)檢修方案，合理控制檢修項(xiàng)目工期；提前與四川省電力公司調(diào)度中心進(jìn)行溝通，辦理冷竹關(guān)水電站全停水檢修手續(xù)，保證檢修項(xiàng)目按計(jì)劃開工，并根據(jù)批準(zhǔn)時(shí)間提前削減庫區(qū)水位。

提前與甘孜地方調(diào)度中心進(jìn)行溝通，確定全停期間地方外來電源備用情況，組織檢查電站閘首及廠區(qū)供電系統(tǒng)設(shè)備情況、柴油儲(chǔ)備充足，編制《冷竹關(guān)水電站全停檢修期間保廠用電方案》，確保電源安全可靠；以書面形式向康定市防汛辦辦理放水申請(qǐng)手續(xù)，通知姑咱鎮(zhèn)防汛辦及下游沿途村落，做好宣傳。組織對(duì)河道預(yù)警系統(tǒng)及閘壩下游河道進(jìn)行安全隱患排查、梳理，確認(rèn)無影響過水的風(fēng)險(xiǎn)；全面組織檢查、調(diào)試?yán)渲耜P(guān)水電站進(jìn)水口工作閘門、沖沙廊道閘門、排污閘門、沖沙閘門、泄洪閘門、廠房滲漏排水系統(tǒng)、機(jī)組尾水閘門、機(jī)組球閥及導(dǎo)葉等機(jī)電設(shè)備的操作機(jī)構(gòu)完好，啟閉靈活可靠，形成書面檢查報(bào)告。

根據(jù)水工專業(yè)人員計(jì)算，整個(gè)引水系統(tǒng)約有15.5萬m3的水量，放空后山體必然有大量的滲漏水，針對(duì)機(jī)組球閥檢修、壓力鋼管探傷，結(jié)合電站尾水水位過高的實(shí)際情況，編制《冷竹關(guān)球閥大修引水隧洞滲漏排水方案》，防止全停檢修期間引水隧洞內(nèi)大量泥沙流入廠房集水井造成淤積。在廠房滲漏集水井內(nèi)安裝兩臺(tái)額定流量為250m3/h的臨時(shí)排污泵，排除隧洞內(nèi)泥沙及山體滲漏水。

安排專業(yè)人員核實(shí)調(diào)速器邏輯，確保機(jī)組在空轉(zhuǎn)運(yùn)行情況下導(dǎo)葉開度不會(huì)被限制，否則必須現(xiàn)地手動(dòng)控制導(dǎo)葉維持機(jī)組轉(zhuǎn)速，并安排專人24小時(shí)值守；提前編制關(guān)鍵數(shù)據(jù)表格，屆時(shí)供值班人員定期抄錄壓力、水位、導(dǎo)葉開度等重要數(shù)據(jù)，便于監(jiān)視排水進(jìn)度和機(jī)組工況，分析安全隱患；在廠房?jī)?nèi)專門設(shè)置全停檢修值班室，編制《冷竹關(guān)水電站全停檢修項(xiàng)目通訊錄》，確保全停檢修期間通訊暢通、溝通協(xié)調(diào)及時(shí)。

2 放空過程

電站集控中心根據(jù)庫區(qū)來水流量及水位情況，通過調(diào)整機(jī)組負(fù)荷逐步消落庫區(qū)水位至1756.00～1757.00m區(qū)間控制，期間密切監(jiān)視庫區(qū)垃圾及攔污柵壓差情況；當(dāng)庫區(qū)水位降至1755.50m以下時(shí)，向調(diào)度申請(qǐng)減負(fù)荷至0MW，保留一臺(tái)機(jī)組運(yùn)行，將其它機(jī)組解列停機(jī)。將負(fù)責(zé)引水系統(tǒng)排水機(jī)組解列至空轉(zhuǎn)運(yùn)行，集控值班人員24小時(shí)監(jiān)視機(jī)組工況并記錄相關(guān)數(shù)據(jù)，現(xiàn)場(chǎng)值班人員定期巡視并記錄蝸殼壓力、導(dǎo)葉開度等關(guān)鍵數(shù)據(jù)變化情況，判斷引水系統(tǒng)排水進(jìn)度。

啟動(dòng)河道預(yù)警系統(tǒng)，巡查下游河道情況，按照閘門操作調(diào)度流程適當(dāng)增大生態(tài)環(huán)保棄水流量進(jìn)行預(yù)警。當(dāng)下游河道巡查人員到位后，逐步開啟沖沙閘、泄洪閘，控制下泄流量大于入庫流量7m3/s～10m3/s，流量下泄應(yīng)盡量保持平衡，避免造成人為洪峰，水庫放空時(shí)間不小于2小時(shí)；冷竹關(guān)水電站庫區(qū)形成自然河道后，全開閘首1#泄洪閘、2#泄洪閘、排污閘、沖沙閘、沖沙廊道，全關(guān)進(jìn)水口檢修門，并做好閘門防誤動(dòng)措施，專人看守，確保安全。

為保證隧洞的穩(wěn)定、防止隧洞坍塌，對(duì)排水流量有嚴(yán)格要求，只能采取一臺(tái)機(jī)組空轉(zhuǎn)運(yùn)行進(jìn)行排水，引水隧洞排水流量不得超過1.2m3/s，壓力管道排水流量不得超過1.5m3/s，冷竹關(guān)水電站單機(jī)在額定水頭362m下空轉(zhuǎn)引用流量為1.04m3/s；在引水系統(tǒng)排水過程中，密切監(jiān)視記錄蝸殼壓力變化趨勢(shì)，滿足排水速度要求，當(dāng)水位達(dá)到對(duì)應(yīng)引水隧洞檢修支洞門高程時(shí)，通知基建專業(yè)人員對(duì)檢修封堵頭進(jìn)行檢查。

根據(jù)計(jì)算和實(shí)際觀測(cè)結(jié)果，當(dāng)機(jī)組蝸殼進(jìn)口壓力下降至3.33MPa時(shí)引水隧洞余水基本排空，此時(shí)計(jì)算的排水流量約為1.16m3/s，也即引水隧洞全程的最大排水流量，小于設(shè)計(jì)規(guī)范要求1.2m3/s，引水隧洞放空耗時(shí)約36小時(shí)，未發(fā)生不安全事件；當(dāng)機(jī)組蝸殼進(jìn)口壓力小于3.33MPa時(shí)進(jìn)入壓力管道排水階段，壓力下降速度增快，現(xiàn)場(chǎng)人員嚴(yán)密監(jiān)視機(jī)組各關(guān)鍵數(shù)據(jù)，當(dāng)蝸殼進(jìn)口壓力下降至2.8MPa，此時(shí)導(dǎo)葉開度為18%，計(jì)算此時(shí)的排水流量為1.39m3/s，小于設(shè)計(jì)規(guī)范要求1.5m3/s，為穩(wěn)妥起見，上位機(jī)啟動(dòng)1F機(jī)組自動(dòng)停機(jī)流程，將1F機(jī)組停機(jī)。

待排水機(jī)組停機(jī)后，投入機(jī)組制動(dòng)風(fēng)閘，全開機(jī)組球閥，通過機(jī)組導(dǎo)葉進(jìn)行排水，觀察蝸殼壓力變化趨勢(shì)以判斷排水速度，若排水速度過慢應(yīng)手動(dòng)適當(dāng)開啟機(jī)組導(dǎo)葉，控制排水流量不大于1.5m3/s，以使機(jī)組不轉(zhuǎn)動(dòng)為原則，若機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)則停機(jī)重新按此方法執(zhí)行，繼續(xù)進(jìn)行排水；由于冷竹關(guān)水電站尾水水位過高，比蝸殼進(jìn)口壓力傳感器安裝高程約高9m，所以當(dāng)蝸殼壓力降至約0.1MPa后壓力不再變化，推測(cè)引水隧洞內(nèi)余水基本排空，壓力管道內(nèi)余水與尾水水位齊平，將按照《冷竹關(guān)球閥大修引水隧洞滲漏排水方案》進(jìn)行壓力管道排余水工作。

落下三臺(tái)機(jī)組尾水閘門，通過退出機(jī)組球閥工作密封、檢修密封方式，將壓力管道內(nèi)余水排至機(jī)組尾水管，啟動(dòng)兩臺(tái)檢修排水泵進(jìn)行排水；引水系統(tǒng)完全排空后，在三臺(tái)機(jī)組球閥進(jìn)水側(cè)布置擋水圍堰，安裝臨時(shí)潛水泵，將引水系統(tǒng)山體滲漏水引至廠房滲漏集水井，再通過安裝好的兩臺(tái)臨時(shí)排污泵抽至尾水渠，確保廠房安全和檢修工作有序開展；整個(gè)壓力鋼管段排水耗時(shí)4小時(shí)52分鐘，由于1F機(jī)組在停機(jī)后出現(xiàn)導(dǎo)葉錯(cuò)位故障，且導(dǎo)葉漏水過大導(dǎo)致機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)不利于排余水，中途倒換至2F機(jī)組進(jìn)行排水，消耗了2小時(shí)45分鐘。所以理論上整個(gè)引水系統(tǒng)放空操作總耗約38小時(shí)，符合設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

3 經(jīng)驗(yàn)總結(jié)

引水隧洞地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、多變，放空過程中容易引起隧洞垮塌事故，應(yīng)嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求合理控制排水流量及速度，以不超過設(shè)計(jì)排水壓力為準(zhǔn)，兼顧經(jīng)濟(jì)性和安全性，做好監(jiān)視和數(shù)據(jù)分析，把握水位、壓力關(guān)鍵點(diǎn)，當(dāng)水頭降低無法滿足機(jī)組額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)，應(yīng)手動(dòng)控制機(jī)組導(dǎo)葉以維持額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行，避免機(jī)組長(zhǎng)期于低轉(zhuǎn)速運(yùn)行，燒壞軸瓦；電站應(yīng)結(jié)合自身實(shí)際情況判斷庫區(qū)淤積情況，在庫區(qū)放空操作過程中建議將電站全部機(jī)組停機(jī)備用，待庫區(qū)形成自然河道后再開機(jī)排引水隧洞余水。防止庫區(qū)水位過低大量泥沙通過空轉(zhuǎn)運(yùn)行排水機(jī)組流入引水隧洞，影響機(jī)組運(yùn)行安全。

末端大坡度集中落差設(shè)計(jì)的引水系統(tǒng)，在排水前期由于水頭下降不明顯，可充分利用機(jī)組調(diào)速器的自動(dòng)化行為令調(diào)速器在自動(dòng)模式下控制機(jī)組空轉(zhuǎn)排水，其一可使控制機(jī)組空轉(zhuǎn)更加可靠精確、減小人為手動(dòng)控制誤操作的可能性，其二可減少現(xiàn)場(chǎng)值守人員配置、節(jié)省精力，只需要做好機(jī)組工況和數(shù)據(jù)監(jiān)視；提前分析壓力數(shù)據(jù)關(guān)鍵點(diǎn)，便于各專業(yè)人員做好迅速響應(yīng)準(zhǔn)備，在放空進(jìn)入壓力鋼管排水高程時(shí)（冷竹關(guān)水電站體現(xiàn)在蝸殼進(jìn)口壓力為3.33MPa，實(shí)際壓力到3.35MPa時(shí)現(xiàn)場(chǎng)值班人員就進(jìn)入了密切監(jiān)視狀態(tài)）,蝸殼壓力將出現(xiàn)快速下降的情況，必須提前預(yù)計(jì)好停機(jī)的時(shí)機(jī)（本次停機(jī)選擇蝸殼進(jìn)口壓力下降至2.8MPa時(shí)），不得使空轉(zhuǎn)過機(jī)流量大于壓力鋼管排水流量1.5m3/s，不得為節(jié)約排水時(shí)間讓機(jī)組繼續(xù)空轉(zhuǎn)，造成安全事故。

本次引水系統(tǒng)排空操作95%以上時(shí)間都在利用調(diào)速器自動(dòng)控制機(jī)組空轉(zhuǎn)排水，故對(duì)機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)有很高的要求，務(wù)必在操作開始前安排機(jī)械、電氣、自動(dòng)化專業(yè)人員對(duì)其進(jìn)行全面的檢查，確保在機(jī)組空轉(zhuǎn)排水過程中不發(fā)生影響排水操作的故障；本次排水操作的壓力鋼管段排水耗時(shí)較長(zhǎng)，主要原因在于排水機(jī)組（1F機(jī)組）停機(jī)后發(fā)生導(dǎo)葉錯(cuò)位故障，處理完畢后，開啟球閥嘗試手動(dòng)控制導(dǎo)葉進(jìn)行排水，但導(dǎo)葉開度還為0的情況下導(dǎo)葉漏水就使機(jī)組發(fā)生了轉(zhuǎn)動(dòng)，不得不將排水機(jī)組由1F倒至2F機(jī)組，因此耽誤了較多的時(shí)間。吸取本次經(jīng)驗(yàn)，建議在選擇排水機(jī)組時(shí)安排各專業(yè)人員進(jìn)行充分評(píng)估，避免類似情況再次發(fā)生。

引水系統(tǒng)放空前期山體滲漏水量較大，且隧洞檢查及清淤時(shí)水質(zhì)變差，可能大量泥沙會(huì)通過山體滲漏水流入廠房造成泥沙淤積。在條件允許的電站建議采取通過引水隧洞檢修支洞布置人工圍堰墻的分流措施，逐級(jí)將山體滲漏水量引走，盡可能減小流入廠房的滲漏水。電站應(yīng)結(jié)合自身的實(shí)際情況提前編制好排水方案，充分考慮引水、排水、排沙的臨時(shí)措施，不得使用不具備排沙功能的水泵進(jìn)行排沙，避免水泵運(yùn)行故障導(dǎo)致集水井淤積，影響廠內(nèi)安全和檢修工作開展。

由于冷竹關(guān)水電站機(jī)組水輪機(jī)吸出高程為負(fù)值，若尾水門漏水則會(huì)影響檢修工作開展，在引水系統(tǒng)放空過程中，就可提前落下備用機(jī)組尾水閘門進(jìn)行抽水試驗(yàn)，核實(shí)尾水門是否漏水、便于提前處理，此方法可節(jié)省較多時(shí)間；引水系統(tǒng)放空后，在球閥進(jìn)水側(cè)布置人工圍堰措施時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)人員會(huì)頻繁通過球閥進(jìn)出壓力鋼管，必須做好防止球閥誤動(dòng)關(guān)閉的安全措施，且指定專人負(fù)責(zé)登記、批準(zhǔn)進(jìn)出人員情況，任何人員不得私自進(jìn)入；充分利用上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)功能，總結(jié)放空、充水操作經(jīng)驗(yàn)，截取放空壓力、排水曲線圖保存，為下一次操作提供寶貴經(jīng)驗(yàn)。

綜上，在當(dāng)前日益嚴(yán)峻的電力形勢(shì)下，無調(diào)節(jié)能力的電站全停檢修工作基本安排在枯水期進(jìn)行，盡可能的減少電量損失，珍惜每次全停機(jī)會(huì)，完成各項(xiàng)檢修、消缺工作，盡可能保質(zhì)保量的完成。長(zhǎng)壓力引水隧洞全停檢修排水越慢理論上就越安全，但卻又是不經(jīng)濟(jì)的，需平衡兩者間的關(guān)系?；仡櫪渲耜P(guān)水電站引水系統(tǒng)全停檢修過程，因前期準(zhǔn)備充分，工作組織有力，安全措施得當(dāng)，在全體工作人員共同努力下，沒有因管理和技術(shù)原因?qū)е屡潘畷r(shí)間延誤，提前12天完成全部工作，恢復(fù)設(shè)備運(yùn)行發(fā)電，冷竹關(guān)水電站引水系統(tǒng)放空操作做到了安全性和經(jīng)濟(jì)性的最佳結(jié)合。