第３５卷第５期 １０６ ２０１２年１０月 水电站机电技术 Ｖｏ１３５ Ｎｏ．５ ．Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ＆Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｏｆＨｙｄｍｐｏｗｅｒＳｔａｔｉｏｎ ０ｃｔ２０１２ ．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） 摘要：对于大管径长引水隧洞的水轮机组，有必要对引水隧洞排出积水的方式进行探讨，通过分析比较各种排水 方式的优劣，寻求一种与实际情况相符合的高效安全的排水方式。特别是对于调节库容小，检修工期要求紧的电站， 这种探讨尤为必要。 关键词：水轮机组；引水隧洞；排水方式 中图分类号：ＴＶ７３２ 文献标识码：Ｂ 文章编号：１ ６７２—５３８７（２０１ ２）０５—０１ ０６—０３ 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１１ ｍ×１５－５ ｍ， 表１引水隧洞长度、直径以及隧洞洞内积水量 底坎高程３２５ ｍ，设计水头５５ ｍ。在快速门后设有两 个通气孔，通气孔面积为２ ｘ ３．９７ ｍｚ。 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， 口，取水口直径４｝６００ ｍｍ，引水管４，５００ ｍｍ。 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 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。隧洞人口中心高程３３２．２ ｍ，出口中 心高程２５５ ｉｎ。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１３．４ ＩＴＩ渐变为与蜗壳进口相同的尺寸１ １．４７ ｍ， 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 ＩＴＩ渐变为与蜗壳进口相同 的尺寸１１．４７ ＩＴＩ，洞内最大流速为５．５３ ｒｒｄｓ。根据５～ 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Ｖ２４９－３ ｍ处设有１个西８００ 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 ｒｎ，建成后死水位为 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。 ３７０ ｍ，最高水位Ｖ３８０ 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 收稿日期：２０１２—０７—０４ 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４，８００ 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 作者简介：陈刚（１９７８一），男，工程师，从事水电站运行管理工作。 陈刚，等：向家坝地下电站机组引水隧洞排水方式探讨 １０７ 大管径引水隧洞的水电站。 ３．２通过技术供水排水 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 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￣ｂ６００ ｍｍ，引水管６５００ ｍｍ。需 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 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Ｖ３８０ ｍ，死水位 ３７０ ｒｎ，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，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 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 进人斜管段，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 Ｘ １５０ ｒｎｍ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 １３ ６号机组动 １０８ 水电站机电技术 第３５卷 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，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，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 投人风闸。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。 参考文献： ［１】１５Ｆ快速门动水闭门试验报告ＩＦ－］．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Ⅱ】．西北水资源与水工程．１９９０（３）． 【３］王才欢．三峡电站进水１７：平面快速事故闸门水力特性试 验研究Ⅱ】．水力水电技术，２００５．（１Ｏ）． 【４］刘维平．水电站进水口快速闸门水力学分析叽．水科学进 展，１９９４．１２．
