浅谈新疆波波娜高水头引水式水电站充水实践

2012-04-28张振杰

水利建设与管理 2012年12期

张振杰

(新华水力发电有限公司北京 100070)

1 前言

位于新疆和田喀拉喀什河上的波波娜水电站是新疆电网重要的电源点，于2006年年底开工建设，2011年4月三台机组全部并网投入运行。对于长距离高水头引水式电站来说，其充水程序的制定、组织机构的建立和过程控制，对水电站建设和投运十分重要。波波娜水电站通过科学管理，实现了预期目标，其充水方案对类似工程很有借鉴意义。

2 工程概况

2.1 主要建筑物

波波娜水电站位于新疆和田地区喀拉喀什河上，为引水式电站。波波娜水电站工程由拦河坝、泄水建筑物和发电引水系统及电站厂房等主要建筑物组成，其电站装机容量150MW，保证出力34.8MW，多年平均有效发电量6.66亿kW·h。大坝采用混合坝，拦河坝总长456m，重力坝段布置有表孔溢洪道、泄洪冲沙底孔。发电引水系统主要由进口引水渠、进水口、引水隧洞、调压井、压力管道、岔管、支管组成，引水系统采用一洞三机联合供水的布置型式，电站共三台机组，设计引用流量70.2m3/s，额定水头 242.0m，整个引水系统总长12.485km，在引水隧洞末端11.627m处布设调压井，压力管道长843.5m，斜井段倾角为500。

调压井为带上室阻抗式，竖井高59.3m，断面面积90m2。上室为矩形断面，高度 26.5m，断面面积为630m2。在调压井后部布设检修闸井。检修门后部设1.65m ×0.8m 的通气孔。

发电厂房为引水式地面厂房，厂房由主厂房和副厂房组成。主机间内共布置三台单机容量为50MW的水轮发电机组(SF50—14/4250)。

尾水平台布置尾水闸门启闭设备，尾水门机轨距3m。尾水闸孔口高3.869m，宽3.942m，共3孔，尾水闸墩后接反坡段。

2.2 安全监测

波波娜水电站安全监测埋设的观测仪器有双向应变计、无应力计、温度计、钢筋计、测缝计、渗压计、扬压力计、坝面标点及钢板计等九种仪器，总量为246支/组。按照仪器分布区域，观测站设六个观测点，坝区设三个观测点，重力坝、面板坝和进水口各设一个观测点，坝区设一个中转机，将三个测点通过光缆进入中转机端口，再由中转机通过光缆引入中控室监测系统。调压井设一个观测站，使用无线发射传送信号。发电厂观测信号通过电缆直接接入监测系统。

3 发电引水洞、机组蜗壳尾水管具备充水的要求

3.1 工程设计

重力坝、面板坝、进水口、发电引水洞Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ标、调压井、厂房、牧道、1号路桥、安全监测、机电安装、消防设计图纸已全部提供。所有在建工程设计变更已出具。主要隐蔽工程、重要单项工程、分部工程验收均参加并在验收书上签字。水库调度运行计划已提供。下闸蓄水阶段验收设计工作报告已提供。

3.2 工程施工

大坝区域:重力坝混凝土、灌浆已完成，溢流表孔和泄洪冲砂底孔闸门、启闭机已安装完成并进行了无水调试。面板坝面板、防浪墙、坝顶道路混凝土、灌浆均已完成，库区清理已完成。

进水口区域:引渠、闸井、冲沙闸井、冲沙涵管、底板灌浆已完成，进水口事故闸门及固定式卷扬机、拦污栅、挡水门、门机、冲沙闸工作闸门和事故闸门、固定式卷扬机已安装完成并无水调试。

发电引水洞区域:所有洞衬混凝土、灌浆已完成，支洞封堵混凝土、灌浆已完成。

调压井区域:压力钢管及回填混凝土、灌浆，调压井竖井及上室混凝土及灌浆已完成，事故检修闸门及固定式卷扬机安装完成并无水调试。

厂房区域:主副厂房、尾水反坡和尾水渠、主变基础混凝土，主副厂房装修完成，1号、2号、3号水轮发电机组及励磁、调速器、机旁盘、测量、监控、保护盘柜，1号、2号、3号主变，主厂房桥式起重机，1号、2号、3号球阀及附属电控、水控柜、液压站安装完成，1号、2号机组自控流程已完成调试。

4 工程验收

波波娜水电站实际89个分部已完成分部工程验收，大坝下闸蓄水、引水洞通水阶段验收通过。充水前工程缺陷处理已完成。

5 组织机构

成立波波娜水电站水库蓄水和引水系统充水指挥部:下设水工专业组、机电专业组、安全监测组、后勤保障组。人员配置为总指挥一人，副总指挥五人，成员由业主、设计、监理、运行、施工单位及厂家代表等若干人组成。

6 充水前须完成的工作

充水前须完成的工作见表1。

表1 水库蓄水及发电引水洞、机组蜗壳尾水管充水前须完成工作一览表

续表

以上水库蓄水及发电引水洞充水前须完成的工作，应经“充水与机组启动前专项验收小组”组织的验收并通过。

7 水库蓄水及机组试运行充水控制

根据《新疆和田喀拉喀什河波波娜水电站工程防洪度汛与初期蓄水报告》，控制波波娜水电站蓄水进度的主要因素是面板坝日上升水位的要求，本次蓄水日上升水位按照2m控制，表孔闸门开度根据水位～流量～开度关系曲线来进行控制。

7.1 水库蓄水及机组试运行充水控制流程如下:

发电引水洞及压力钢管充水操作流程见表2:

表2 发电引水洞及压力钢管充水操作流程

续表

水库蓄水操作流程见表3:

表3 水库蓄水操作流程

上述操作流程根据充水指挥部总指挥的命令，由施工责任人指定操作人和监护人按操作票的有关程序和要求进行操作。

充水程序包括:水轮发电机组尾水充水、水库蓄水、调压井前引水洞充水和调压井后的压力钢管充水四个步骤。水库蓄水及发电引水洞充水整个过程约需9天完成。步骤如下:

7.2 尾水管充水

根据现场实际情况，确定采用消防水管对机组进行尾水管充水。充水步骤如下:

a.利用消防给水管向检修集水廊道内充水，充至起泵水位后停止，然后利用检修泵向尾水反坡内充水，直至1591.891m停止以上工作。

b.利用尾水管平压充水阀将尾水管内充满，再打开蜗壳排水阀将蜗壳内充满，尾水反坡内水位为1591.891m，尾水管充水结束。

c.在充水过程中随时检查水轮机顶盖、导水机构、主轴密封、测压系统管路、尾水管进人门等处的漏水情况，记录测压表读数。

7.3 水库蓄水

a.水库蓄水计划分三个阶段。第一阶段蓄水至1848.20m后开启冲沙闸;第二阶段蓄水在压力钢管充水完成后，进行库区蓄水至1850.00m水库死水位工作;第三阶段蓄水在机组调试阶段进行蓄水至正常蓄水位1855.00m工作。

b.在满足条件的前提下，发电洞进水口事故检修门完全关闭，冲沙闸工作门完全关闭，调压井检修门闸门关闭。并取得蓄水、充水前的初始观测数据。

c.水库蓄水至1848.20m时，利用两个表孔溢洪道(表孔堰顶工程1848.20m，闸门均开启，不控制水流)，调节水库水位。库水位保持在1848.20～1848.50m之间。水库蓄水时要注意观察发电洞进水口事故检修门漏水量，并根据发电洞进水口事故检修门漏水情况进行评估。

d.水库蓄水至1848.20m时停止第一阶段蓄水工作，此时开启冲沙闸进行冲沙，清除蓄水时发电引水洞拦沙坎前淤积的泥沙。库水位由底孔工作门进行下闸调控，以保持库水位不变。如上游来水较大可同时利用冲沙闸和底孔进行联合调控，冲沙时保持库水位不变。

e.发电洞进水口冲沙闸出水水质与库水基本一致时，关闭发电洞进水口冲沙闸，关闭调压井检修闸门，关闭3号支洞进人门，进行事故检修门的动水启闭试验，具体操作为小开度(约50mm，根据现场试验后确定)开启进水口闸门向引水洞充水，注意观察闸门及启闭机运行情况，如闸门抖动厉害，应适当调整闸门开度。充水3min后，关闭进水口闸门，以确认进水口闸门可以动水闭门。如闸门动水闭门正常后，继续进行发电引水洞第一阶段充水工作。

7.4 调压井前发电引水洞充水

本次发电引水洞充水分三步进行控制。第一次充水闸门开度在50mm，流量约1.9m3/s左右，充至发电引水洞及调压井总容积的30%，水位控制在1822.70m高程，充水约需时12h 20min。第二次充水闸门开度在100mm，流量约3.8m3/s左右，充至发电引水洞及调压井总容积的80%，水位控制在1838.00m高程，充水约需时10h 20min。第三次充水开度在200mm，流量控制在7.5m3/s以内，充至发电引水洞及调压井总容积的100%，水位控制在 1848.20m高程，充水约需时2h 10min。

a.发电引水洞充水前，再次确认调压井检修闸门关闭，冲沙闸工作门完全关闭，3号支洞进人门完全关闭，发电引水洞进水口事故闸门开启，流量控制在2m3/s左右。

b.发电引水洞充水时，由泄洪冲沙底孔工作闸门(必要时启动冲沙闸工作门)进行下闸调控，保持库水位不变。

c.调压井前引水洞充水操作步骤:

ⓐ第一次充水，库水位蓄至1848.20m后开启冲沙闸进行冲沙，冲沙完成后，开启进水口事故闸门并待动水试验合格后充水。第一次充水闸门开度在50mm，流量约1.9m3/s左右，充水时，观察事故闸门前的水位上升和闸门及启闭机运行情况，如闸门抖动厉害，可适当调整闸门开度或调整为间歇式充水。水位控制在1822.70m高程，约需时 12h 20min停止充水，保压12h，记录观测数据，监视各部位是否正常;

ⓑ第二次充水，根据第一次充水各部位情况进行的检查结果进行，如检查结果无问题，进行第二次充水，第二次充水闸门开度在100mm，流量约3.8m3/s左右，此次充水，应继续观察事故闸门前的水位上升和闸门及启闭机运行情况，此次充水水位控制在1838.00m高程，充水约需时10h 20min停止充水，保压12h，记录观测数据，监视各部位是否正常;

ⓒ第三次充水，根据第二次充水各部位情况进行的检查结果进行，第三次充水闸门开度在0.20m，流量控制在7.5m3/s以内，充水至库水位1848.20m，约需时2h 10min停止，保压24h，记录观测数据，并监视各部位是否正常;

ⓓ在发电引水洞充水和保压观测中，注意观察重力坝、面板坝、调压井前引水洞、各施工支洞及施工支洞堵头、发电引水洞冲沟段边坡、山体渗漏情况。如发现面板坝、发电引水洞沿线渗漏、边坡变形、失稳，支洞封堵门变形、渗漏量大，施工支洞堵头渗漏量大，观测数据偏离正常范围等异常情况，应立即报告，指挥部采取相应处理措施;

ⓔ发电引水洞系统充水及保压观测期间，在发电引水洞系统的沿线，指挥部要安排由副指挥长带队的安全监测组进行观测和巡视，将获取的信息第一时间报给指挥部;

ⓕ经对发电引水洞充水的情况进行检查，结果正常，即对发电洞进水口事故检修门进行静水试验。静水试验合格后，提起发电洞进水口事故检修门并锁定。然后进行压力管道的充水。

7.5 压力钢管洞充水

a.发电引水洞充水完成后，对压力管道充水。由于压力钢管管道长而且水头高，整个压力管道充水分4个阶段进行。充水时，打开调压井事故闸门充水阀对压力钢管进行充水，根据球阀前压力表读数判断充水的进展，注意监视机组球阀前的压力上升情况和机组球阀的漏水情况，并对机组球阀的漏水情况进行测量。

b.压力钢管道充水四个阶段划分如下:

ⓐ压力钢管道第一次充水时，调压井事故闸门充水阀打开60mm对压力钢管进行充水，当压力钢管道前的压力表达到0.6MPa时，时间约11h 10min停止充水，保压12h，并监视机组球阀前后检修密封和工作密封的漏水情况。应注意监视机组球阀前的压力上升情况和机组球阀的漏水情况。记录压力钢管监测数据，并对机组球阀的漏水情况进行测量;

ⓑ压力管道第二次充水:第一次充水后各部位检查结果正常，进行压力管道第二次充水，调压井事故闸门充水阀仍打开60mm对压力钢管进行充水，当压力钢管道前的压力表达到1.2MPa时，时间约1h 30min停止充水，同时继续观察机组球阀前后检修密封和工作密封的漏水情况，保压12h并监视各部位是否正常。对3台机组球阀的漏水情况进行测量，同时监视伸缩节漏水情况，记录压力钢管监测数据;

ⓒ压力管道第三次充水:第二次充水后各部位检查结果正常，进行压力管道第三次充水，调压井事故闸门充水阀仍打开60mm对压力钢管进行充水，当压力钢管道前的压力表达到1.8MPa时，时间约1h 30min停止充水，同时继续观察机组球阀前后检修密封和工作密封的漏水情况，保压12h并监视各部位是否正常。并对3台机组球阀的漏水情况进行测量，同时监视伸缩节漏水情况，记录压力钢管监测数据;

ⓓ压力管道第四次充水:第三次充水后各部位检查结果正常，进行压力管道第四次充水，调压井事故闸门充水阀仍打开60mm对压力钢管进行充水，当压力钢管道前的压力表达到2.3MPa时，时间约1h 50min停止充水，保压24h并监视各部位是否正常。同时对3台机组球阀的漏水情况进行测量，监视伸缩节漏水情况，记录压力钢管监测数据。

c.当压力钢管水充满后，检查3台机组球阀漏水量合格后，调压井事故门处于平压时，对调压井事故闸门进行静水试验，静水试验合格后，提起调压井事故闸门并锁定于1859m平台。

7.6 水库蓄水至1850m

a.水库蓄水至1850m时，具备机组初步调试条件。此时，派专门人员分三班24h监测库区水位，确保库区水位保持1850m基本不变。同时，安全监测组分组加强对大坝、发电引水洞系统的沿线进行巡视观测，并把观测到的情况定时或不定时地报告给指挥部，记录观测数据。

b.各部位检查结果正常，即进行机组有水调试工作，机组调试按施工单位编写的《1号机组启动试运行方案》执行。

7.7 水库蓄水至1855m

当机组有水调试完成后，水库蓄水至1855m。安全监测组分组加强对大坝、发电引水洞系统的沿线进行巡视观测，并把观测到的情况定时或不定时地报告给指挥部，记录观测数据。

8 充水中应重点监视的部位

在充水过程中应重点监视水工建筑物、发电引水洞进水口事故检修门、调压井检修闸门、调压井检修闸门、机组进水球阀、伸缩节、水轮机导叶等设备及部位的漏水情况。

9 水库蓄水和发电引水洞充水应急措施

a.水库蓄水时如发生发电引水洞进水口事故闸门不能开启或关闭，则加大泄洪冲沙底孔开度，排泄库区蓄水。

b.在向压力管道充水时，先开启调压井事故闸门充水阀约50mm，开启3min后进行动水关闭试验，无异常时即可进行充水。如充水阀不能关闭，则立即关闭发电引水洞进水口事故闸门，并打开球阀旁通阀，利用蜗壳排空阀进行排水。

10 水库蓄水和发电引水洞充水通信联络

a.指挥部设在主厂房中控室。现场指挥部、监理处均有人员24h值班。

b.业主、设计、监理、运行、施工单位、及厂家代表等有关人员手机24h开机，电话号码统一上报指挥部，由指挥部统一下发给指挥部下设的专业组。

c.总指挥、副总指挥，水工专业组、机电专业组、安全监测组、后勤保障组长配备对讲机。

d.大坝、进水口、厂房、各施工支洞及冲沟检查采用对讲机与手机的联络方式。

11 安全措施

a.人身安全:各现场部位检查人员必须注意安全，尤其是对边坡、冲沟等危险部位检查，应有两人以上同行，并保证所到部位的通信联络。

b.发电引水洞充水前，发电引水洞进水口平台上要撤走无关人员和无关设备。

c.充水前应对所有的车辆进行全面检查，确保车辆运输的安全。

d.带电部位须为专业人员进行操作，配电盘柜操作人员在作业前，戴好绝缘手套，作业前先测试盘柜的绝缘情况。

e.大坝、调压井、厂房所有孔洞处用盖板封堵，并设置护栏。必须进入孔洞作业时，先将照明投上，作业人员佩戴好安全带或安全绳再行实施。安全员在孔口监视，发生异常及时撤离。

f.充水出现异常情况时，由指挥长下令启动安全应急方案。

12 充水巡视车辆、后勤保障及配备物资

a.业主、运行、设计、监理、施工、厂家等单位均应配备足够的车辆参加水库蓄水和发电引水洞系统充水。

b.抢险物资配置:大坝重力坝处设200kW柴油发电机1台，进水口设50kW柴油发电机1台。调压井处设75kW柴油发电机1台;调压井配置气腿钻2台，灌浆设备2套，作业人员15人;厂房区域配置260kW潜水泵9台;各标段均有铁锹、手电、雨靴、编织袋等防汛物资，满足要求;后勤保障:准备一定数量的检查人员所必需的矿泉水、干粮、常用药品等，并定时送饭。