向家坝地下电站机组引水隧洞排水方式探讨

陈 刚,李春艳,陈 宙,谢 明

（1.向家坝水力发电厂，四川 宜宾 644612；2.三峡水力发电厂，湖北 宜昌 443133）

1 概述

向家坝水电站右岸地下电站水轮机进水口快速门设在引水隧洞进水塔内，孔口尺寸11m×15.5m，底坎高程325m，设计水头55m。在快速门后设有两个通气孔，通气孔面积为2×3.97 m2。

2 引水隧洞及蜗壳

右岸地下电站引水系统采用单机单管的布置形式，包括进水口和引水隧洞两个主要建筑物。每台机组设1条引水隧洞，相邻隧洞之间的中心间距36 m，洞型为圆形，分别由上平段、上弯段、斜井段、下弯段和下平段组成。隧洞入口中心高程332.2 m，出口中心高程255 m。引水隧洞在下弯段以前采用钢筋混凝土衬砌，衬砌厚度为1 m。为了防止引水管道内的高压水渗入厂房，影响地下厂房的围岩稳定，引水隧洞在下弯段之后采用钢衬，5号、6号机引水隧洞的钢衬厚度为38 mm；7号、8号机引水隧洞的钢衬厚度为40 mm。5号、6号机引水隧洞在厂房前15 m，洞径由13.4m渐变为与蜗壳进口相同的尺寸11.47m，洞内最大流速为6.39 m/s；7号、8号机引水隧洞在厂房前25 m，洞径由14.4 m渐变为与蜗壳进口相同的尺寸11.47 m，洞内最大流速为5.53 m/s。根据5～8号机机组引水隧洞长度和直径可以大致估算出隧洞洞内积水容量，见表1。

蜗壳进口直径11.47m，进口距机组中心11.65m，在蜗壳最低高程处设有1个直径φ800 mm的下拆式蜗壳盘形阀，盘形阀内表面与蜗壳内表面齐平，积水从蜗壳盘形阀引至尾水锥管244 m高程。在蜗壳进口段自蜗壳腰线向下45°处设置技术供水取水口，取水口直径φ600 mm，引水管φ500 mm。

表1 引水隧洞长度、直径以及隧洞洞内积水量

3 引水隧洞排水方式分析

向家坝右岸地下电站引水隧洞积水容量巨大，引水隧洞最长的8号机，积水容量达到46 134 m3。机组检修时，要安全高效的排出引水隧洞的积水，需要采取一个可靠而有效的途径。排出积水通常有以下几种途径：（1）通过蜗壳盘形阀排水；（2）通过技术供水系统排水；（3）在停机过程中落快速门排水；（4）快速门做防动措施后开导叶排水。

3.1 通过蜗壳盘形阀排水

在蜗壳最低高程▽249.3m处设有1个φ800 mm的下拆式蜗壳盘形阀，盘形阀为油压操作，盘形阀阀口与阀盘采用锥形不锈钢密封圈密封。向家坝电站初期蓄水运行水位为▽354 m，建成后死水位为▽370 m，最高水位▽380 m。盘形阀所承受的水压力至少有100 m水柱，在如此高的水压下直接用蜗壳盘形阀排水，水力对于阀盘和阀座产生的振动和气蚀是非常严重的，还容易造成阀杆断裂阀盘脱落的危险，这些破坏性的损伤严重威胁到了电站的安全稳定运行。这种排水方式不适合向家坝这种高水头、超大管径引水隧洞的水电站。

3.2 通过技术供水排水

蜗壳进口段自蜗壳腰线向下45°处设置技术供水取水口，取水口φ600 mm，引水管φ500 mm。需要检修机组停机后，全关机组进水口快速门并做好防动措施。打开机组技术供水总阀，将引水隧道内积水通过技术供水系统排至尾水。这也是目前三峡电站较为常用的一种压力钢管排水方式。三峡左右岸都是坝后式厂房，压力钢管相对较短，积水量约为14 725 m3，按照三峡的经验，通过技术供水一般3.6 h就可以把压力钢管的积水排至与尾水平压。向家坝右岸地下电站技术供水减压阀额定流量2 100 m3/h，将两路并联减压阀都投入，5～8号机的引水隧洞排水时间大致为 6.2、7.5、10.1、11.5 h。向家坝电站正常蓄水位▽380 m,死水位▽370 m，防洪汛限水位▽370 m。当上游溪洛渡电站建成后，汛期大发期间，如果遇到比较紧急的情况下机组需要排水检修，由于防洪汛限水位限制，向家坝水库将无法满足溪洛渡电站的下泄要求。这样的排水速度将严重影响到机组检修的工期，必将导致无谓的弃水，这与电站的经济高效运行的理念相违背。但是这是一种很安全的排水方式，在枯水期，检修工期允许的情况应该尽量采取这种排水方式。

3.3 在停机过程中落快速门排水

在遇到计划性检修或者需要马上停机临检时，可以在机组停机至空转后直接快闭快速门进行引水隧洞的排水，这种情况实际上就是一个动水落门的过程。根据设计，向家坝电站快速门的快闭时间为210 s，调速器事故停机电磁阀动作以后导叶由全开到全关的时间为20 s。监控系统设有快速门快闭动作并且快速门开度小于80%时，启动二类机械事故停机的控制流程（MARK2.1）。这就需要我们在发快闭命令之前，先将快闭动作启动二类机械事故停机软连片退出。如果不采取这样的措施，就会出现导叶全关后，引水隧洞的积水还没来得及排完的情况。监控系统发令机组停机至空转后，发快闭命令。在快速门全关后，密切监视机组转速和导叶开度。当机组不能继续维持额定转速运行时，按下紧停按钮，机组停机，导叶全关。引水隧洞的积水就在停机过程中排完。这种停机方式有三个关键点需要控制：（1）停机之前要做好相关的措施，屏蔽监控系统与快闭相关的事故停机流程，保证机组导叶不至于因停机流程启动而过早关闭；（2）一般采用机组解列至空转后再快闭快速门的方式，防止逆功率保护动作；（3）机组转速不能继续维持额定转速时，及时按下紧停按钮。这种排水方式好处是利用机组停机过程就将积水排出，效率非常高。但是存在一定的风险，对于时机的把握要及时准确，需要在有经验的值班员指导下进行操作。

在这种方式操作过程中，要特别注意引水隧洞因水面下降而产生的“吸气”现象。在快速门动水落门形成明流的初始阶段，门后水流脱空区逐渐增大，由通气孔进入的空气大部分是掺杂在水中的，有一部分通过水轮机被水流带至下游，因过机流速较小，被挟带而下的气量有限，这时的通气量比较小。随着闸门不断下降，门后水跃区继续扩大，最终水流脱顶进入斜管段，此时出水中带有少量空气外，隧道内水面不断下降，形成“吸气”现象，使通气孔大量进气，瞬时风速达到最大值。快速门在接近全关的时候，上止水才起到密封的作用。当快速门处于动水关闭过程中明满流转变的临界相对开度（约0.3～0.5）时，上止水与坝体还存在10 600 mm×150 mm的空隙，该空隙将形成进气的通道，导致快速门泵房产生负压。某电站6号机在动水落门过程中压力钢管产生“吸气”现象，导致快速门机房内形成很大的负压，将泵房内通风的轴流风机和泵房门吸掉损坏。后来专门针对该情况进行了技术改造，将泵房门由平板门改为栅格门，并在墙体上凿开若干个足够大的通气孔。向家坝右岸地下电站快速门泵房是用水泥盖板盖住的，而泵房未设置任何通气孔。在动水落门过程中是否会出现较大负压而产生破坏性影响的情况，还需要进一步的现场试验证实。因此，采用停机过程中落门排水是否可行需要进行动水落门试验来检验。

3.4 快速门做防动措施后开导叶排水

3.4.1 在保证机组不转动的前提下小开度开启导叶排水

机组全停后，将快速门全关并做好防动措施，现地手动小开度开启导叶排水（约3%开度）。需要采取的措施：（1）风闸顶起；（2）投入高压油减载装置；（3）投入水导外循环装置。需要将风闸顶起是为了防止机组转动，投入高压油减载装置和水导外循环装置是为了防止导叶开度开得过大，机组拖动风闸缓慢转动后，推力瓦和水导瓦长时间干摩擦而将瓦烧坏。因此导叶开度的控制是关键，不能开得过大。根据三峡电站水轮机组运行的经验，在额定水头下，投入高压油减载装置后，机组在导叶漏水的作用下，就开始蠕动。若开度开得过大，机组就有可能转动而将风闸磨坏。某电站就出现过在开导叶排水的过程中将风闸磨损的情况。2003年10月4日6号机组动应力试验结束后，进水口闸门全关，需将压力钢管排水后对机组进行检查。运行人员接到排水令后，准备现地手动开导叶排水，在未将调速器N1500切至“检修”模式的情况下，给调速器开机令，调速器执行了正常的开机流程，机组转速最高上升至30.6%Ne，期间风闸一直在投入，导致风闸闸板磨损3～4 mm。采用这种小开度开启导叶（不让机组转动）的排水方式，需要严格控制好导叶开度，导叶开度需要在试验中确定，并且开度的大小跟水头以及机组本身的特性有关系。正因为这种不确定性，如果操作不当就会产生有很大的风险。

3.4.2 开机至空转过程中排水

开机至空转排水的过程也存在引水隧洞水面下降产生的“吸气”现象，与动水落门不同的是，快速门在开机之前已经全关并做防动措施，快速门水封已经将引水隧洞完全密封，引水隧洞补气全部由补气孔来承担，泵房不会产生负压的情况。开机前需要做好相关措施：（1）快速门全关并做好防动措施；（2）断开机组启励电源；（3）机组出口开关断开，刀闸拉开，并断开相应动力电源及操作电源。这些措施的存在会导致监控系统正常的开机条件不满足，因此不能以监控系统自动开机至空转流程来执行相关操作。考虑到向家坝电站监控系统设有手动单步开机流程，主要用于机组的无水联调试验以及启动试验等，其特点是：（1）不受开机条件限制，只要发令，LCU就执行当前步操作；（2）手动单步开机流程单步执行没有时间限制，超时流程不复归；（3）当前流程就绪以后才能执行下一步；（4）可随时将流程复归。根据这些特点，可以采用监控单步开机流程来逐一启动相关辅助设备，各辅助设备均按顺控流程启动，避免了繁杂的手动操作，减小了出错的几率。执行到调速器开机这一步时，将流程复归并切至自动。在调速器现地电调柜手动开导叶，至机组转速上升至额定。在这一过程中，要尽快将机组转速调至额定，减少机组在低转速运行的时间，以减小对推力瓦的损伤。随着引水隧洞的水量的减少，机组转速开始下降，在下降到20%Ne时投入风闸，让机组转速迅速降到0。机组全停后全关导叶投入锁锭，停运相关辅助设备。这种排水方式操作相对复杂一些，没有磨风闸的风险。开机前要确保高压油减载装置投运，开机至额定转速时，要严格控制导叶开度，防止机组过速。空载导叶开度需要在机组调试时确定，还要考虑到水头变化的影响。机组转速降下来后要在适当的转速及时投入风闸。这种排水方式操作相对复杂，对于风闸和推力瓦来讲相对安全，但是需要启停机组一次，会对机械设备增加一次疲劳损伤。

4 总结

蜗壳盘形阀排出引水隧洞的积水具有极大的风险，基本上都不采用，只有在蜗壳与尾水平压以后，才使用蜗壳盘形阀排出蜗壳内积水。

向家坝水电站是一个季节性比较强的电站，枯水期水量仅够1～2台机组运行，备用机组较多，方式安排也比较灵活，机组检修的工期安排也不会很紧急，因此在备用机组较多的枯水期，通过技术供水来排水是比较好的方式，也是最安全可靠的方式。

对于机组停机进行计划性的检修或临检，可在停机过程中动水落门排水，简单直接。这种方式需要机组调试时进行动水落门试验，需要对快速门、流道、通气孔以及泵房等各项设计进行充分验证，确认其安全性以后才能运用。特别是对于泵房密闭式的结构，动水落门产生的负压是否会产生破坏性的影响，还需要通过试验来验证。

采用小开度开启导叶排水方式，在操作之前要先投入风闸、高压油减载装置以及水导油外循环系统，需要特别注意导叶开度不宜过大，避免机组转动将风闸磨坏。特别是对于向家坝电站800 MW巨型机组，必须要对机组在导叶开启过大后较长时间低速转动采取预控措施，防止推力互导瓦烧毁。这种方式对导叶开度的控制要求非常严格，存在烧瓦的风险，对值班员操作要求较高，应尽可能少用这种方式排水。

考虑到向家坝右岸地下电站引水隧洞水量较大，可采用开机至空转排水方式。这种方式除了操作之前要采取必要的措施外，机组各辅助设备均按监控系统顺控流程自动执行，不会遗漏或误操作，同时也可避免机组在低转速下长时间运行导致轴瓦烧毁的危险。整个过程类似机组启动试验手动开机过程，值班员对整个操作过程都比较熟悉，有较强的可操作性。对于检修工期比较短，机组由备用转检修时，可采用该方式排水。

[1]15F快速门动水闭门试验报告[R].三峡水力发电厂.

[2]韩 立.发电引水管道快速闸门后通气量计算及闸下掺气装置研究综述[J].西北水资源与水工程.1990(3).

[3]王才欢.三峡电站进水口平面快速事故闸门水力特性试验研究[J].水力水电技术,2005.(10).

[4]刘维平.水电站进水口快速闸门水力学分析[J].水科学进展,1994.12.