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進水口快速門設在引水隧洞進水塔內，孔口尺寸11m×15.5m，底坎高程325m，設計水頭55m。在快速門后設有兩個通氣孔，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)采用單機單管的布置形式，包括進水口和引水隧洞兩個主要建筑物。每臺機組設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、6號機引水隧洞的鋼襯厚度為38 mm；7號、8號機引水隧洞的鋼襯厚度為40 mm。5號、6號機引水隧洞在廠房前15 m，洞徑由13.4m漸變?yōu)榕c蝸殼進口相同的尺寸11.47m，洞內最大流速為6.39 m/s；7號、8號機引水隧洞在廠房前25 m，洞徑由14.4 m漸變?yōu)榕c蝸殼進口相同的尺寸11.47 m，洞內最大流速為5.53 m/s。根據5～8號機機組引水隧洞長度和直徑可以大致估算出隧洞洞內積水容量，見表1。

蝸殼進口直徑11.47m，進口距機組中心11.65m，在蝸殼最低高程處設有1個直徑φ800 mm的下拆式蝸殼盤形閥，盤形閥內表面與蝸殼內表面齊平，積水從蝸殼盤形閥引至尾水錐管244 m高程。在蝸殼進口段自蝸殼腰線向下45°處設置技術供水取水口，取水口直徑φ600 mm，引水管φ500 mm。

表1 引水隧洞長度、直徑以及隧洞洞內積水量

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，引水隧洞最長的8號機，積水容量達到46 134 m3。機組檢修時，要安全高效的排出引水隧洞的積水，需要采取一個可靠而有效的途徑。排出積水通常有以下幾種途徑：（1）通過蝸殼盤形閥排水；（2）通過技術供水系統(tǒng)排水；（3）在停機過程中落快速門排水；（4）快速門做防動措施后開導葉排水。

3.1 通過蝸殼盤形閥排水

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

蝸殼進口段自蝸殼腰線向下45°處設置技術供水取水口，取水口φ600 mm，引水管φ500 mm。需要檢修機組停機后，全關機組進水口快速門并做好防動措施。打開機組技術供水總閥，將引水隧道內積水通過技術供水系統(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，壓力鋼管相對較短，積水量約為14 725 m3，按照三峽的經驗，通過技術供水一般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供水減壓閥額定流量2 100 m3/h，將兩路并聯減壓閥都投入，5～8號機的引水隧洞排水時間大致為 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組需要排水檢修，由于防洪汛限水位限制，向家壩水庫將無法滿足溪洛渡電站的下泄要求。這樣的排水速度將嚴重影響到機組檢修的工期，必將導致無謂的棄水，這與電站的經濟高效運行的理念相違背。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該盡量采取這種排水方式。

3.3 在停機過程中落快速門排水

在遇到計劃性檢修或者需要馬上停機臨檢時，可以在機組停機至空轉后直接快閉快速門進行引水隧洞的排水，這種情況實際上就是一個動水落門的過程。根據設計，向家壩電站快速門的快閉時間為210 s，調速器事故停機電磁閥動作以后導葉由全開到全關的時間為20 s。監(jiān)控系統(tǒng)設有快速門快閉動作并且快速門開度小于80%時，啟動二類機械事故停機的控制流程（MARK2.1）。這就需要我們在發(fā)快閉命令之前，先將快閉動作啟動二類機械事故停機軟連片退出。如果不采取這樣的措施，就會出現導葉全關后，引水隧洞的積水還沒來得及排完的情況。監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)令機組停機至空轉后，發(fā)快閉命令。在快速門全關后，密切監(jiān)視機組轉速和導葉開度。當機組不能繼續(xù)維持額定轉速運行時，按下緊停按鈕，機組停機，導葉全關。引水隧洞的積水就在停機過程中排完。這種停機方式有三個關鍵點需要控制：（1）停機之前要做好相關的措施，屏蔽監(jiān)控系統(tǒng)與快閉相關的事故停機流程，保證機組導葉不至于因停機流程啟動而過早關閉；（2）一般采用機組解列至空轉后再快閉快速門的方式，防止逆功率保護動作；（3）機組轉速不能繼續(xù)維持額定轉速時，及時按下緊停按鈕。這種排水方式好處是利用機組停機過程就將積水排出，效率非常高。但是存在一定的風險，對于時機的把握要及時準確，需要在有經驗的值班員指導下進行操作。

在這種方式操作過程中，要特別注意引水隧洞因水面下降而產生的“吸氣”現象。在快速門動水落門形成明流的初始階段，門后水流脫空區(qū)逐漸增大，由通氣孔進入的空氣大部分是摻雜在水中的，有一部分通過水輪機被水流帶至下游，因過機流速較小，被挾帶而下的氣量有限，這時的通氣量比較小。隨著閘門不斷下降，門后水躍區(qū)繼續(xù)擴大，最終水流脫頂進入斜管段，此時出水中帶有少量空氣外，隧道內水面不斷下降，形成“吸氣”現象，使通氣孔大量進氣，瞬時風速達到最大值?？焖匍T在接近全關的時候，上止水才起到密封的作用。當快速門處于動水關閉過程中明滿流轉變的臨界相對開度（約0.3～0.5）時，上止水與壩體還存在10 600 mm×150 mm的空隙，該空隙將形成進氣的通道，導致快速門泵房產生負壓。某電站6號機在動水落門過程中壓力鋼管產生“吸氣”現象，導致快速門機房內形成很大的負壓，將泵房內通風的軸流風機和泵房門吸掉損壞。后來專門針對該情況進行了技術改造，將泵房門由平板門改為柵格門，并在墻體上鑿開若干個足夠大的通氣孔。向家壩右岸地下電站快速門泵房是用水泥蓋板蓋住的，而泵房未設置任何通氣孔。在動水落門過程中是否會出現較大負壓而產生破壞性影響的情況，還需要進一步的現場試驗證實。因此，采用停機過程中落門排水是否可行需要進行動水落門試驗來檢驗。

3.4 快速門做防動措施后開導葉排水

3.4.1 在保證機組不轉動的前提下小開度開啟導葉排水

機組全停后，將快速門全關并做好防動措施，現地手動小開度開啟導葉排水（約3%開度）。需要采取的措施：（1）風閘頂起；（2）投入高壓油減載裝置；（3）投入水導外循環(huán)裝置。需要將風閘頂起是為了防止機組轉動，投入高壓油減載裝置和水導外循環(huán)裝置是為了防止導葉開度開得過大，機組拖動風閘緩慢轉動后，推力瓦和水導瓦長時間干摩擦而將瓦燒壞。因此導葉開度的控制是關鍵，不能開得過大。根據三峽電站水輪機組運行的經驗，在額定水頭下，投入高壓油減載裝置后，機組在導葉漏水的作用下，就開始蠕動。若開度開得過大，機組就有可能轉動而將風閘磨壞。某電站就出現過在開導葉排水的過程中將風閘磨損的情況。2003年10月4日6號機組動應力試驗結束后，進水口閘門全關，需將壓力鋼管排水后對機組進行檢查。運行人員接到排水令后，準備現地手動開導葉排水，在未將調速器N1500切至“檢修”模式的情況下，給調速器開機令，調速器執(zhí)行了正常的開機流程，機組轉速最高上升至30.6%Ne，期間風閘一直在投入，導致風閘閘板磨損3～4 mm。采用這種小開度開啟導葉（不讓機組轉動）的排水方式，需要嚴格控制好導葉開度，導葉開度需要在試驗中確定，并且開度的大小跟水頭以及機組本身的特性有關系。正因為這種不確定性，如果操作不當就會產生有很大的風險。

3.4.2 開機至空轉過程中排水

開機至空轉排水的過程也存在引水隧洞水面下降產生的“吸氣”現象，與動水落門不同的是，快速門在開機之前已經全關并做防動措施，快速門水封已經將引水隧洞完全密封，引水隧洞補氣全部由補氣孔來承擔，泵房不會產生負壓的情況。開機前需要做好相關措施：（1）快速門全關并做好防動措施；（2）斷開機組啟勵電源；（3）機組出口開關斷開，刀閘拉開，并斷開相應動力電源及操作電源。這些措施的存在會導致監(jiān)控系統(tǒng)正常的開機條件不滿足，因此不能以監(jiān)控系統(tǒng)自動開機至空轉流程來執(zhí)行相關操作?？紤]到向家壩電站監(jiān)控系統(tǒng)設有手動單步開機流程，主要用于機組的無水聯調試驗以及啟動試驗等，其特點是：（1）不受開機條件限制，只要發(fā)令，LCU就執(zhí)行當前步操作；（2）手動單步開機流程單步執(zhí)行沒有時間限制，超時流程不復歸；（3）當前流程就緒以后才能執(zhí)行下一步；（4）可隨時將流程復歸。根據這些特點，可以采用監(jiān)控單步開機流程來逐一啟動相關輔助設備，各輔助設備均按順控流程啟動，避免了繁雜的手動操作，減小了出錯的幾率。執(zhí)行到調速器開機這一步時，將流程復歸并切至自動。在調速器現地電調柜手動開導葉，至機組轉速上升至額定。在這一過程中，要盡快將機組轉速調至額定，減少機組在低轉速運行的時間，以減小對推力瓦的損傷。隨著引水隧洞的水量的減少，機組轉速開始下降，在下降到20%Ne時投入風閘，讓機組轉速迅速降到0。機組全停后全關導葉投入鎖錠，停運相關輔助設備。這種排水方式操作相對復雜一些，沒有磨風閘的風險。開機前要確保高壓油減載裝置投運，開機至額定轉速時，要嚴格控制導葉開度，防止機組過速?？蛰d導葉開度需要在機組調試時確定，還要考慮到水頭變化的影響。機組轉速降下來后要在適當的轉速及時投入風閘。這種排水方式操作相對復雜，對于風閘和推力瓦來講相對安全，但是需要啟停機組一次，會對機械設備增加一次疲勞損傷。

4 總結

蝸殼盤形閥排出引水隧洞的積水具有極大的風險，基本上都不采用，只有在蝸殼與尾水平壓以后，才使用蝸殼盤形閥排出蝸殼內積水。

向家壩水電站是一個季節(jié)性比較強的電站，枯水期水量僅夠1～2臺機組運行，備用機組較多，方式安排也比較靈活，機組檢修的工期安排也不會很緊急，因此在備用機組較多的枯水期，通過技術供水來排水是比較好的方式，也是最安全可靠的方式。

對于機組停機進行計劃性的檢修或臨檢，可在停機過程中動水落門排水，簡單直接。這種方式需要機組調試時進行動水落門試驗，需要對快速門、流道、通氣孔以及泵房等各項設計進行充分驗證，確認其安全性以后才能運用。特別是對于泵房密閉式的結構，動水落門產生的負壓是否會產生破壞性的影響，還需要通過試驗來驗證。

采用小開度開啟導葉排水方式，在操作之前要先投入風閘、高壓油減載裝置以及水導油外循環(huán)系統(tǒng)，需要特別注意導葉開度不宜過大，避免機組轉動將風閘磨壞。特別是對于向家壩電站800 MW巨型機組，必須要對機組在導葉開啟過大后較長時間低速轉動采取預控措施，防止推力互導瓦燒毀。這種方式對導葉開度的控制要求非常嚴格，存在燒瓦的風險，對值班員操作要求較高，應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，可采用開機至空轉排水方式。這種方式除了操作之前要采取必要的措施外，機組各輔助設備均按監(jiān)控系統(tǒng)順控流程自動執(zhí)行，不會遺漏或誤操作，同時也可避免機組在低轉速下長時間運行導致軸瓦燒毀的危險。整個過程類似機組啟動試驗手動開機過程，值班員對整個操作過程都比較熟悉，有較強的可操作性。對于檢修工期比較短，機組由備用轉檢修時，可采用該方式排水。

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[3]王才歡.三峽電站進水口平面快速事故閘門水力特性試驗研究[J].水力水電技術,2005.(10).

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