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(jī)進(jìn)水口快速門(mén)設(shè)在引水隧洞進(jìn)水塔內(nèi)，孔口尺寸11m×15.5m，底坎高程325m，設(shè)計(jì)水頭55m。在快速門(mén)后設(shè)有兩個(gè)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(jī)單管的布置形式，包括進(jìn)水口和引水隧洞兩個(gè)主要建筑物。每臺(tái)機(jī)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(hào)、6號(hào)機(jī)引水隧洞的鋼襯厚度為38 mm；7號(hào)、8號(hào)機(jī)引水隧洞的鋼襯厚度為40 mm。5號(hào)、6號(hào)機(jī)引水隧洞在廠房前15 m，洞徑由13.4m漸變?yōu)榕c蝸殼進(jìn)口相同的尺寸11.47m，洞內(nèi)最大流速為6.39 m/s；7號(hào)、8號(hào)機(jī)引水隧洞在廠房前25 m，洞徑由14.4 m漸變?yōu)榕c蝸殼進(jìn)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(hào)機(jī)機(jī)組引水隧洞長(zhǎng)度和直徑可以大致估算出隧洞洞內(nèi)積水容量，見(jiàn)表1。

蝸殼進(jìn)口直徑11.47m，進(jìn)口距機(jī)組中心11.65m，在蝸殼最低高程處設(shè)有1個(gè)直徑φ800 mm的下拆式蝸殼盤(pán)形閥，盤(pán)形閥內(nèi)表面與蝸殼內(nèi)表面齊平，積水從蝸殼盤(pán)形閥引至尾水錐管244 m高程。在蝸殼進(jìn)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(zhǎng)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(zhǎng)的8號(hào)機(jī)，積水容量達(dá)到46 134 m3。機(jī)組檢修時(shí)，要安全高效的排出引水隧洞的積水，需要采取一個(gè)可靠而有效的途徑。排出積水通常有以下幾種途徑：（1）通過(guò)蝸殼盤(pán)形閥排水；（2）通過(guò)技術(shù)供水系統(tǒng)排水；（3）在停機(jī)過(guò)程中落快速門(mén)排水；（4）快速門(mén)做防動(dòng)措施后開(kāi)導(dǎo)葉排水。

3.1 通過(guò)蝸殼盤(pán)形閥排水

在蝸殼最低高程▽249.3m處設(shè)有1個(gè)φ800 mm的下拆式蝸殼盤(pán)形閥，盤(pán)形閥為油壓操作，盤(pán)形閥閥口與閥盤(pán)采用錐形不銹鋼密封圈密封。向家壩電站初期蓄水運(yùn)行水位為▽354 m，建成后死水位為▽370 m，最高水位▽380 m。盤(pán)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(pán)形閥排水，水力對(duì)于閥盤(pán)和閥座產(chǎn)生的振動(dòng)和氣蝕是非常嚴(yán)重的，還容易造成閥桿斷裂閥盤(pán)脫落的危險(xiǎn)，這些破壞性的損傷嚴(yán)重威脅到了電站的安全穩(wěn)定運(yùn)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(guò)技術(shù)供水排水

蝸殼進(jìn)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(jī)組停機(jī)后，全關(guān)機(jī)組進(jìn)水口快速門(mén)并做好防動(dòng)措施。打開(kāi)機(jī)組技術(shù)供水總閥，將引水隧道內(nèi)積水通過(guò)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(duì)較短，積水量約為14 725 m3，按照三峽的經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)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(hào)機(jī)的引水隧洞排水時(shí)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(jī)組需要排水檢修，由于防洪汛限水位限制，向家壩水庫(kù)將無(wú)法滿(mǎn)足溪洛渡電站的下泄要求。這樣的排水速度將嚴(yán)重影響到機(jī)組檢修的工期，必將導(dǎo)致無(wú)謂的棄水，這與電站的經(jīng)濟(jì)高效運(yùn)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(jī)過(guò)程中落快速門(mén)排水

在遇到計(jì)劃性檢修或者需要馬上停機(jī)臨檢時(shí)，可以在機(jī)組停機(jī)至空轉(zhuǎn)后直接快閉快速門(mén)進(jìn)行引水隧洞的排水，這種情況實(shí)際上就是一個(gè)動(dòng)水落門(mén)的過(guò)程。根據(jù)設(shè)計(jì)，向家壩電站快速門(mén)的快閉時(shí)間為210 s，調(diào)速器事故停機(jī)電磁閥動(dòng)作以后導(dǎo)葉由全開(kāi)到全關(guān)的時(shí)間為20 s。監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)有快速門(mén)快閉動(dòng)作并且快速門(mén)開(kāi)度小于80%時(shí)，啟動(dòng)二類(lèi)機(jī)械事故停機(jī)的控制流程（MARK2.1）。這就需要我們?cè)诎l(fā)快閉命令之前，先將快閉動(dòng)作啟動(dòng)二類(lèi)機(jī)械事故停機(jī)軟連片退出。如果不采取這樣的措施，就會(huì)出現(xiàn)導(dǎo)葉全關(guān)后，引水隧洞的積水還沒(méi)來(lái)得及排完的情況。監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)令機(jī)組停機(jī)至空轉(zhuǎn)后，發(fā)快閉命令。在快速門(mén)全關(guān)后，密切監(jiān)視機(jī)組轉(zhuǎn)速和導(dǎo)葉開(kāi)度。當(dāng)機(jī)組不能繼續(xù)維持額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)，按下緊停按鈕，機(jī)組停機(jī)，導(dǎo)葉全關(guān)。引水隧洞的積水就在停機(jī)過(guò)程中排完。這種停機(jī)方式有三個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)需要控制：（1）停機(jī)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(jī)流程，保證機(jī)組導(dǎo)葉不至于因停機(jī)流程啟動(dòng)而過(guò)早關(guān)閉；（2）一般采用機(jī)組解列至空轉(zhuǎn)后再快閉快速門(mén)的方式，防止逆功率保護(hù)動(dòng)作；（3）機(jī)組轉(zhuǎn)速不能繼續(xù)維持額定轉(zhuǎn)速時(shí)，及時(shí)按下緊停按鈕。這種排水方式好處是利用機(jī)組停機(jī)過(guò)程就將積水排出，效率非常高。但是存在一定的風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)于時(shí)機(jī)的把握要及時(shí)準(zhǔn)確，需要在有經(jīng)驗(yàn)的值班員指導(dǎo)下進(jìn)行操作。

在這種方式操作過(guò)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(mén)動(dòng)水落門(mén)形成明流的初始階段，門(mén)后水流脫空區(qū)逐漸增大，由通氣孔進(jìn)入的空氣大部分是摻雜在水中的，有一部分通過(guò)水輪機(jī)被水流帶至下游，因過(guò)機(jī)流速較小，被挾帶而下的氣量有限，這時(shí)的通氣量比較小。隨著閘門(mén)不斷下降，門(mén)后水躍區(qū)繼續(xù)擴(kuò)大，最終水流脫頂進(jìn)入斜管段，此時(shí)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(jìn)氣，瞬時(shí)風(fēng)速達(dá)到最大值?？焖匍T(mén)在接近全關(guān)的時(shí)候，上止水才起到密封的作用。當(dāng)快速門(mén)處于動(dòng)水關(guān)閉過(guò)程中明滿(mǎn)流轉(zhuǎn)變的臨界相對(duì)開(kāi)度（約0.3～0.5）時(shí)，上止水與壩體還存在10 600 mm×150 mm的空隙，該空隙將形成進(jìn)氣的通道，導(dǎo)致快速門(mén)泵房產(chǎn)生負(fù)壓。某電站6號(hào)機(jī)在動(dòng)水落門(mén)過(guò)程中壓力鋼管產(chǎn)生“吸氣”現(xiàn)象，導(dǎo)致快速門(mén)機(jī)房?jī)?nèi)形成很大的負(fù)壓，將泵房?jī)?nèi)通風(fēng)的軸流風(fēng)機(jī)和泵房門(mén)吸掉損壞。后來(lái)專(zhuān)門(mén)針對(duì)該情況進(jìn)行了技術(shù)改造，將泵房門(mén)由平板門(mén)改為柵格門(mén)，并在墻體上鑿開(kāi)若干個(gè)足夠大的通氣孔。向家壩右岸地下電站快速門(mén)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(dòng)水落門(mén)過(guò)程中是否會(huì)出現(xiàn)較大負(fù)壓而產(chǎn)生破壞性影響的情況，還需要進(jìn)一步的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)證實(shí)。因此，采用停機(jī)過(guò)程中落門(mén)排水是否可行需要進(jìn)行動(dòng)水落門(mén)試驗(yàn)來(lái)檢驗(yàn)。

3.4 快速門(mén)做防動(dòng)措施后開(kāi)導(dǎo)葉排水

3.4.1 在保證機(jī)組不轉(zhuǎn)動(dòng)的前提下小開(kāi)度開(kāi)啟導(dǎo)葉排水

機(jī)組全停后，將快速門(mén)全關(guān)并做好防動(dòng)措施，現(xiàn)地手動(dòng)小開(kāi)度開(kāi)啟導(dǎo)葉排水（約3%開(kāi)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(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)，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(kāi)度開(kāi)得過(guò)大，機(jī)組拖動(dòng)風(fēng)閘緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)后，推力瓦和水導(dǎo)瓦長(zhǎng)時(shí)間干摩擦而將瓦燒壞。因此導(dǎo)葉開(kāi)度的控制是關(guān)鍵，不能開(kāi)得過(guò)大。根據(jù)三峽電站水輪機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)驗(yàn)，在額定水頭下，投入高壓油減載裝置后，機(jī)組在導(dǎo)葉漏水的作用下，就開(kāi)始蠕動(dòng)。若開(kāi)度開(kāi)得過(guò)大，機(jī)組就有可能轉(zhuǎn)動(dòng)而將風(fēng)閘磨壞。某電站就出現(xiàn)過(guò)在開(kāi)導(dǎo)葉排水的過(guò)程中將風(fēng)閘磨損的情況。2003年10月4日6號(hào)機(jī)組動(dòng)應(yīng)力試驗(yàn)結(jié)束后，進(jìn)水口閘門(mén)全關(guān)，需將壓力鋼管排水后對(duì)機(jī)組進(jìn)行檢查。運(yùn)行人員接到排水令后，準(zhǔn)備現(xiàn)地手動(dòng)開(kāi)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(kāi)機(jī)令，調(diào)速器執(zhí)行了正常的開(kāi)機(jī)流程，機(jī)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(kāi)度開(kāi)啟導(dǎo)葉（不讓機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)）的排水方式，需要嚴(yán)格控制好導(dǎo)葉開(kāi)度，導(dǎo)葉開(kāi)度需要在試驗(yàn)中確定，并且開(kāi)度的大小跟水頭以及機(jī)組本身的特性有關(guān)系。正因?yàn)檫@種不確定性，如果操作不當(dāng)就會(huì)產(chǎn)生有很大的風(fēng)險(xiǎn)。

3.4.2 開(kāi)機(jī)至空轉(zhuǎn)過(guò)程中排水

開(kāi)機(jī)至空轉(zhuǎn)排水的過(guò)程也存在引水隧洞水面下降產(chǎn)生的“吸氣”現(xiàn)象，與動(dòng)水落門(mén)不同的是，快速門(mén)在開(kāi)機(jī)之前已經(jīng)全關(guān)并做防動(dòng)措施，快速門(mén)水封已經(jīng)將引水隧洞完全密封，引水隧洞補(bǔ)氣全部由補(bǔ)氣孔來(lái)承擔(dān)，泵房不會(huì)產(chǎn)生負(fù)壓的情況。開(kāi)機(jī)前需要做好相關(guān)措施：（1）快速門(mén)全關(guān)并做好防動(dòng)措施；（2）斷開(kāi)機(jī)組啟勵(lì)電源；（3）機(jī)組出口開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，刀閘拉開(kāi)，并斷開(kāi)相應(yīng)動(dòng)力電源及操作電源。這些措施的存在會(huì)導(dǎo)致監(jiān)控系統(tǒng)正常的開(kāi)機(jī)條件不滿(mǎn)足，因此不能以監(jiān)控系統(tǒng)自動(dòng)開(kāi)機(jī)至空轉(zhuǎn)流程來(lái)執(zhí)行相關(guān)操作?？紤]到向家壩電站監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)有手動(dòng)單步開(kāi)機(jī)流程，主要用于機(jī)組的無(wú)水聯(lián)調(diào)試驗(yàn)以及啟動(dòng)試驗(yàn)等，其特點(diǎn)是：（1）不受開(kāi)機(jī)條件限制，只要發(fā)令，LCU就執(zhí)行當(dāng)前步操作；（2）手動(dòng)單步開(kāi)機(jī)流程單步執(zhí)行沒(méi)有時(shí)間限制，超時(shí)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(shí)將流程復(fù)歸。根據(jù)這些特點(diǎn)，可以采用監(jiān)控單步開(kāi)機(jī)流程來(lái)逐一啟動(dòng)相關(guān)輔助設(shè)備，各輔助設(shè)備均按順控流程啟動(dòng)，避免了繁雜的手動(dòng)操作，減小了出錯(cuò)的幾率。執(zhí)行到調(diào)速器開(kāi)機(jī)這一步時(shí)，將流程復(fù)歸并切至自動(dòng)。在調(diào)速器現(xiàn)地電調(diào)柜手動(dòng)開(kāi)導(dǎo)葉，至機(jī)組轉(zhuǎn)速上升至額定。在這一過(guò)程中，要盡快將機(jī)組轉(zhuǎn)速調(diào)至額定，減少機(jī)組在低轉(zhuǎn)速運(yùn)行的時(shí)間，以減小對(duì)推力瓦的損傷。隨著引水隧洞的水量的減少，機(jī)組轉(zhuǎn)速開(kāi)始下降，在下降到20%Ne時(shí)投入風(fēng)閘，讓機(jī)組轉(zhuǎn)速迅速降到0。機(jī)組全停后全關(guān)導(dǎo)葉投入鎖錠，停運(yùn)相關(guān)輔助設(shè)備。這種排水方式操作相對(duì)復(fù)雜一些，沒(méi)有磨風(fēng)閘的風(fēng)險(xiǎn)。開(kāi)機(jī)前要確保高壓油減載裝置投運(yùn)，開(kāi)機(jī)至額定轉(zhuǎn)速時(shí)，要嚴(yán)格控制導(dǎo)葉開(kāi)度，防止機(jī)組過(guò)速。空載導(dǎo)葉開(kāi)度需要在機(jī)組調(diào)試時(shí)確定，還要考慮到水頭變化的影響。機(jī)組轉(zhuǎn)速降下來(lái)后要在適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)速及時(shí)投入風(fēng)閘。這種排水方式操作相對(duì)復(fù)雜，對(duì)于風(fēng)閘和推力瓦來(lái)講相對(duì)安全，但是需要啟停機(jī)組一次，會(huì)對(duì)機(jī)械設(shè)備增加一次疲勞損傷。

4 總結(jié)

蝸殼盤(pán)形閥排出引水隧洞的積水具有極大的風(fēng)險(xiǎn)，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(pán)形閥排出蝸殼內(nèi)積水。

向家壩水電站是一個(gè)季節(jié)性比較強(qiáng)的電站，枯水期水量?jī)H夠1～2臺(tái)機(jī)組運(yùn)行，備用機(jī)組較多，方式安排也比較靈活，機(jī)組檢修的工期安排也不會(huì)很緊急，因此在備用機(jī)組較多的枯水期，通過(guò)技術(shù)供水來(lái)排水是比較好的方式，也是最安全可靠的方式。

對(duì)于機(jī)組停機(jī)進(jìn)行計(jì)劃性的檢修或臨檢，可在停機(jī)過(guò)程中動(dòng)水落門(mén)排水，簡(jiǎn)單直接。這種方式需要機(jī)組調(diào)試時(shí)進(jìn)行動(dòng)水落門(mén)試驗(yàn)，需要對(duì)快速門(mén)、流道、通氣孔以及泵房等各項(xiàng)設(shè)計(jì)進(jìn)行充分驗(yàn)證，確認(rèn)其安全性以后才能運(yùn)用。特別是對(duì)于泵房密閉式的結(jié)構(gòu)，動(dòng)水落門(mén)產(chǎn)生的負(fù)壓是否會(huì)產(chǎn)生破壞性的影響，還需要通過(guò)試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證。

采用小開(kāi)度開(kāi)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(kāi)度不宜過(guò)大，避免機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)將風(fēng)閘磨壞。特別是對(duì)于向家壩電站800 MW巨型機(jī)組，必須要對(duì)機(jī)組在導(dǎo)葉開(kāi)啟過(guò)大后較長(zhǎng)時(shí)間低速轉(zhuǎn)動(dòng)采取預(yù)控措施，防止推力互導(dǎo)瓦燒毀。這種方式對(duì)導(dǎo)葉開(kāi)度的控制要求非常嚴(yán)格，存在燒瓦的風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)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(kāi)機(jī)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(jī)組各輔助設(shè)備均按監(jiān)控系統(tǒng)順控流程自動(dòng)執(zhí)行，不會(huì)遺漏或誤操作，同時(shí)也可避免機(jī)組在低轉(zhuǎn)速下長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行導(dǎo)致軸瓦燒毀的危險(xiǎn)。整個(gè)過(guò)程類(lèi)似機(jī)組啟動(dòng)試驗(yàn)手動(dòng)開(kāi)機(jī)過(guò)程，值班員對(duì)整個(gè)操作過(guò)程都比較熟悉，有較強(qiáng)的可操作性。對(duì)于檢修工期比較短，機(jī)組由備用轉(zhuǎn)檢修時(shí)，可采用該方式排水。

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