水轮发电机压力钢管排水方式比较

2014-03-26文习波庞争争

机电工程技术 2014年4期

文习波，庞争争

（雅砻江流域水电开发有限公司，四川成都 610051）

0 概述

在国内大中型水轮发电机组的年度计划检修项目中，一般包含压力钢管（引水隧洞）、水轮发电机组机械部位以及调速器液压系统等的检修工作，其安全措施不仅需要关闭进水口工作闸门、落下尾水管检修闸门，还需排空压力钢管及尾水管道内的全部积水。巨型混流式水轮发电机组的压力钢管由于长度长、内径大、水头高，对蜗壳放空阀、压力钢管放空阀等均存在较大的压力，一般超过1.0 MPa。如何安全地排出压力钢管的内部积水，以及采用何种排水策略既能快速达到目的，又能降低运行操作风险，需要进行不断的研究。

1 引水系统介绍

四川境内雅砻江中下游三座巨型水电站：锦屏水电站、官地水电站、二滩水电站，虽然同为混流式水轮发电机组，但引水隧洞系统不尽相同。锦屏Ⅱ级水电站采用一条引水隧洞带两机运行，采用上游调压井及独立闸门隔开；官地水电站采用一机一压力钢管引水方式，并用蜗壳取水供水冷却方式；二滩水电站采用一机一压力钢管引水方式，并用技术供水泵尾水取水冷却方式。有些巨型水电站同时兼具多种引水系统，如四川向家坝水电站，#1～#4机组采用一机一压力钢管引水方式，#5～#8机组采用一机一引水隧洞方式。

2 压力钢管排水方式

2.1 通过导叶漏水排水

大型水电站压力钢管管道长、水头高，引水隧洞呈现“Z”字形状。水轮机活动导叶在高水头的压力下，其立面间隙会增大，因此利用导叶漏水来排水是一种常见的方法。特别是新投产的水电站，由于水工专业对引水隧洞混凝土结构的特殊需求，为防止钢管与洞体出现大的脱空等缺陷，一般需要在引水隧洞的上平段、中段及下平段分别进行保压，每次保压约6小时。在这种要求下，需要运行人员对压力钢管水位和排水速率进行精确的控制。

以官地水电站为例，通过调节进水口工作闸门充水阀的开度，即可控制特殊情况下的排水速率。原因是导叶的漏水量会随着水头的降低而逐渐减小，但变化量不大，可以将其看作一个定量不变，即Qout为恒定值。

（1）保压保水时段：

Qin=Qout

（2）匀速排水时段：

(Qout-Qin)·T=K·(HP1-HP2)·R2

其中：Qin为充水流量，Qout为导叶漏水流量，T为时间，HP1为蜗壳尾部初压力折算水头，HP2为蜗壳尾部末压力折算水头，R为压力钢管内径，K为综合系数。从中可以看出：（1）在保压阶段，只要控制充水流量与导叶漏水流量相等即可；（2）在匀速排水阶段，由于单位时间内水头变化是由人为确定的（每小时下降4米），因此只需控制进水口闸门的充水阀开度就可以控制压力钢管水位的下降。根据该机多次排水操作后的相关数据，绘制一张充水阀开度与钢管内水位变化曲线，便可成为该台机组的压力钢管排水特性图。

作为一种保障人与公民权利的理论和思潮，自由主义起源于欧洲，也是当今西方世界具有一定普适性的价值观念。由于国情和传统不同，自由主义往往在不同国家表现出一些不同的特征。在美国，自由主义被认为具备了一些特别显著的美国化色彩，形成了所谓“美国的自由主义传统”，但无论如何，所谓“美国的自由主义传统”与“自由主义”的基本内涵具有相通性，都强调维护人与公民的基本权利。①国内学者分别研究美国自由主义传统和美国国家认同的成果均相对较多，但关于美国自由主义传统作为国家认同标志的特性及其对美国内政外交的影响依然重视和研究不够，值得我们做进一步的分析探讨。②

此排水方式利用活动导叶间漏水与进水口闸门的充水阀来控制水位，需要运行人员精确地调整充水阀开度，有时甚至每次需要上下调整1 mm，一个小时调整一次，操作频繁，而且闸门开度不易控制。另外，此排水方式耗时长，即使不含分段保压时间，也超过24小时。在排水过程中，操作人员需要时刻监视蜗壳压力，准确判断，及时调整，因此对运行操作人员要求高，具有一定风险性。

2.2 通过技术供水系统排水

当水轮发电机组技术供水系统采用蜗壳取水方式时，可以通过技术供水系统排出压力钢管内积水。此方式是在机组停机并落下进水口工作闸门后，打开技术供水系统的相关阀门，压力钢管内积水经过蜗壳、通过技术供水系统管道排至下游尾水。其典型的水流示意图见图1。

向家坝水电站压力钢管常规排水就是采用此方式，该电站单台机组技术供水系统的设计额定流量为2 308 m3/h，压力钢管从开始排水到积水排完，需要的时间约为至7.0 h（1FB～4FB）、10.8 h（5FB）、13.0 h（6FB）、17.5 h（7FB）、20.0 h（8FB）。此方式排水操作简单，风险小，但是时间长，蜗壳内还会剩余较多的余水，延迟蜗壳排水（开启蜗壳和尾水盘型阀经检修集水井排水）的时间。

图1 采用技术供水管路排水

2.3 停机方式排水

停机排水是指机组自系统解列后即保持在空转状态，先手动启动机组高压油减载系统，再发令快速落下机组进水口工作闸门，在机组停机过程中将压力钢管内积水经过导叶排至下游。在发快速闸门快关命令前，应先屏蔽相应事故控制流程，防止由于快速闸门下降到事故位后启动快速停机流程而过早关闭导叶。在发令快速落进水口工作闸门后密切监视机组导叶开度和转速，在适当时机（如转速接近50%额定转速时）人为按下紧急停机按钮或CCS上启动自动停机流程，关闭导叶，并根据情况在适当时机手动帮助投入机组制动风闸。

此排水方式利用机组停机过程同时快速落下机组快速门，排除压力钢管内部积水，速度很快，但是在动水落门过程中容易在快速门泵房等处产生负压，危及设备安全。此外，按紧急停机按钮的时机难掌握，对操作人员的要求高，操作风险大。

2.4 自动开机方式排水

机组正常停机后，人为操作落下机组上游快速闸门并做好防动措施，联系监控专业检修人员解除自动开机条件中的快速闸门全关闭锁开机条件，CCS上发令开机至空转令，监视机组技术供水系统、高压油泵、推力外循环油泵等设备，必要时手动启动。

机组到达空转态后，严密监视机组转速和蜗壳压力，转速下降到50%左右时手动启动停机流程。也可以不发机组停机令，让机组转速自由下降至20%时手动投入风闸。此种方式利用机组导叶“开—关”过程中排除积水，速度较快，对操作人员要求较高，有较大的风险。

2.5 手动开导叶排水

此种方式是在机组停机并落下进水口工作闸门后，现地手动操作导叶，将其开至一定的开度排除压力钢管内积水。手动开导叶分以下两种情况，一种是让机组转动，一种是不让机组转动。

导叶开度较大时，机组会转动起来，因此在操作导叶前应将技术供水系统、高压油泵、推力外循环油泵等先手动启动，将调速器控制方式切至现地，手动开启导叶。机组转动起来后应密切关注转速，随着压力钢管积水通过导叶逐步排走，机组转速也会逐渐下降，当机组转速下降到20%左右时投入制动风闸。在操作过程中，应控制打开导叶的速度，控制机组转动的时间，防止机组较长时间慢速运行。此种排水方式操作比较简单，风险也较小。由于不同机组间的特性差异，以及每次操作人员的经验、判断不同，需要对机组的转动特性进行不断摸索，进行经验总结，以寻求最优的导叶开度值和开启时间控制。

2.5.2 导叶小开度排水

这种方式是防止机组转动的情况下小开度开启导叶排水，因此需控制导叶开度，即不能太小导致无法排水，又不能太大引起机组转动。在操作导叶之前，应手动投入制动风闸，再将调速器控制方式切至现地手动，缓慢开启导叶至2%～3%左右。导叶开度跟每台机组的特性及水头有一定关系，需在试验中进一步确定。此种方式要严格控制导叶开度大小，防止开度过大导致损坏制动风闸。

2.6 开启蜗壳盘型阀排水

此方式是开启蜗壳盘型阀，将压力钢管内积水通过蜗壳盘型阀排至下游尾水。此排水方式需人工手动打开蜗壳盘型阀，由于此时压力钢管充满积水，水压大（一般超过10个大气压），操作蜗壳盘型阀有较大难度，同时在排水过程中盘型阀振动、锈蚀及气蚀现象，存在损坏盘型阀密封或阀杆断裂等风险。据有关资料显示，直接开启蜗壳放空阀排水不适用高水头电站。