黑麋峰抽蓄電站輸水流道排充水淺析

宋太平，楊 暉，楊 恒，曹春永，李既明，趙聚平

（國網(wǎng)新源湖南黑麋峰抽水蓄能有限公司，湖南 長沙410213）

1 概述

黑麋峰抽水蓄能電站位于湖南省長沙市望城區(qū)，距長沙市中心公路里程為25 km，屬于日調(diào)節(jié)的純抽水蓄能電站，安裝4臺單機(jī)容量300 MW的可逆式水泵水輪電動發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量1200 MW，主要承擔(dān)湖南及華中電網(wǎng)調(diào)峰、填谷、調(diào)頻、調(diào)相及事故備用等任務(wù)。

黑麋峰抽水蓄能電站主要由上下水庫、輸水系統(tǒng)、地下廠房和地面開關(guān)站等建筑物組成，采用引水隧洞（1洞2機(jī)）垂直進(jìn)廠房、尾水隧洞（1洞1機(jī)）斜出廠房的布置方式。上水庫正常蓄水位為400 m，死水位為376.5 m；下水庫正常蓄水位為103.7 m，死水位為65 m。輸水系統(tǒng)由2條引水系統(tǒng)和4條尾水系統(tǒng)組成。2號引水輸水系統(tǒng)由2號引水主洞、2號高壓岔管以及2條引水支管組成，全長973 m（上庫檢修門至球閥），由引水下平段（高程 EL13.6～22.1）、引水斜井段（高程 EL22.1～338.4）、引水上平段（高程 EL338.4～362.6）組成，洞內(nèi)儲水量約 53830.3 m3。每條尾水系統(tǒng)長約320 m（機(jī)組中心線至下庫檢修門），由尾水下平段（高程EL2.7～8.7）、尾水斜井段（高程 EL8.7～51.5）、尾水上平段（閘門后漸變段，高程EL51.5～58.5）組成，洞內(nèi)儲水量約 9035.2 m3。

2 輸水系統(tǒng)排水

排水是直接影響現(xiàn)場檢修工作開工的一項(xiàng)關(guān)鍵工作，因此需要盡量縮短排水時(shí)間。但在排水過程中，圍巖水壓會對輸水流道襯砌形成外壓，若排水速率太快，則流道襯砌承受外壓太大，將造成輸水系統(tǒng)襯砌破壞。根據(jù)中南勘察設(shè)計(jì)院《輸水系統(tǒng)充排實(shí)施細(xì)則》，黑麋峰輸水流道排水速率應(yīng)不大于4 m/h。因此排水過程應(yīng)嚴(yán)格控制速率。在保證輸水系統(tǒng)襯砌安全的前提下， 盡量縮短排水時(shí)間，避免影響檢修工期。

2.1 排水前準(zhǔn)備工作

（1）制定2號輸水流道排水方案，經(jīng)分管生產(chǎn)領(lǐng)導(dǎo)審批。

（2）發(fā)布2號輸水流道排水風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警通知單，并呈送電站相關(guān)外協(xié)單位，排水期間嚴(yán)格落實(shí)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警通知單等風(fēng)險(xiǎn)預(yù)控措施。

（3）準(zhǔn)備好《各級領(lǐng)導(dǎo)和管理人員到崗到位記錄登記表》，充水期間嚴(yán)格落實(shí)到崗到位制度。

（4）華中網(wǎng)調(diào)已批準(zhǔn)2號流道機(jī)組檢修工作票。

2.2 排水前現(xiàn)場設(shè)備狀態(tài)

（1）上庫2號進(jìn)出水口閘門全關(guān)，控制及操作電源已拉開。

（2）3、4 號尾水閘門全開。

（3）3、4 號球閥全關(guān)，3、4 號球閥下游密封投入、上游密封退出。

（4）2號輸水流道自動化及水工監(jiān)測設(shè)施運(yùn)行正常。

（5）3號、4號機(jī)組監(jiān)控系統(tǒng)不停電，通過上位機(jī)監(jiān)視3、4號球閥上游鋼管壓力變送器CP101壓力值判斷排水速率。

（6）3號、4號機(jī)風(fēng)閘在投入狀態(tài)。

2.3 排水技術(shù)要求

（1）根據(jù)中南勘察設(shè)計(jì)院《輸水系統(tǒng)充排實(shí)施細(xì)則》，黑麋峰抽蓄電站輸水流道排水過程水位下降速率不大于4 m/h。因此流道水位在斜井段與平段的交接點(diǎn)應(yīng)及時(shí)調(diào)整排水閥開度，避免排水速率過快或者過慢。

（2）排水過程中隨著流道水壓下降，球閥下游密封將不能保持可靠投入，因此需提前準(zhǔn)備加壓泵加壓使球閥下游密封投入（本次2號輸水流道排空期間將進(jìn)行球閥密封備用操作水源增設(shè)，完成增設(shè)后能保證密封可靠投入）。

（3）流道排水過程中內(nèi)外水壓差應(yīng)滿足：EL180 m以上不大于100 m，EL180 m以下（含岔管）不大于150 m；引水鋼支（岔管后/球閥前）不大于50 m；尾水鋼襯段不大于50 m，尾水混凝土襯段不大于100 m；整個排水過程中，由水工檢測組通過水工建筑物自動化監(jiān)測系統(tǒng)對2號輸水流道進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，內(nèi)外壓差超標(biāo)及時(shí)匯報(bào)排水指揮部。

（4）通過球閥前壓力鋼管壓力變送器CP101數(shù)值及轉(zhuǎn)輪與泄流環(huán)間壓力變送器CP205數(shù)值可計(jì)算出流道內(nèi)水位及排水速率。（水位=壓力值×100/0.98+11，注：因測量該2個壓力值的壓力變送器高程均為11 m）

2.4 排水實(shí)施過程

排水主要分為3大階段，具體排水?dāng)?shù)據(jù)見表1。

表1 2號輸水流道排水?dāng)?shù)據(jù)

（1）第1階段：上游流道排至與下庫平齊

該階段通過打開3、4號機(jī)上游流道排水閥排水（排至尾水管）。為確保流道安全，該階段流道水位排至 EL270、EL220、EL170、EL120、及下庫平齊后均需穩(wěn)壓24 h。穩(wěn)壓結(jié)束后將3、4號尾水閘門落至全關(guān)。

（2）第2階段：通過3、4號機(jī)檢修排水管道自流排至EL60 m（頂層排水廊道高程）

該階段需打開3、4號機(jī)盤型閥、檢修排水閥，通過檢修排水管道從頂層排水廊道自流排水。排水過程中需檢查3、4號尾閘漏水量[1]，如果漏水量較大則需要將尾閘提起重落一次，若仍不能解決問題，則需要將該尾水檢修閘門落至全關(guān)。

（3）第3階段：啟動檢修排水泵排水

當(dāng)流道水位排至與頂層排水廊道平齊后，水無法繼續(xù)自流排出，此時(shí)需啟動檢修排水泵加壓排水。此階段排水速率可通過啟泵數(shù)量（一共有4臺）及檢修排水泵出口閥開度控制。

2.5 排水要點(diǎn)

（1）當(dāng)流道水位與下庫水位接近時(shí)，僅通過機(jī)組上游流道排水閥進(jìn)行排水速率過慢，需退出1臺機(jī)組球閥的下游密封，開啟此臺機(jī)組的盤形閥、檢修排水閥、檢修泵進(jìn)出口閥、檢修泵總出口閥，進(jìn)行自流排水，此方法能有效保證排水速率。

（2）排水初期因水頭高、壓力大，排水閥和管路振動比較大，要加強(qiáng)檢查，找到安全可靠的排水閥開度（機(jī)組上游流道排水閥有2個：1個針閥和1個球閥，1前1后，均能控制排水速率）[2]。

（3）整個輸水流道排水過程中，均應(yīng)密切監(jiān)視機(jī)組頂蓋水位，防止水淹廠房。

3 輸水系統(tǒng)充水

輸水系統(tǒng)充水是電站恢復(fù)正常運(yùn)行過程中的一個重要環(huán)節(jié)。充水過程中，隨著輸水系統(tǒng)充水水位的上升，水道襯砌、周圍圍巖承受內(nèi)壓力也趨于上升[3]，巖石結(jié)構(gòu)應(yīng)力也隨之變化，充水太快，則破壞巖石應(yīng)力結(jié)構(gòu)，易造成裂紋甚至裂縫；充水太慢則加長復(fù)役操作時(shí)間，加長檢修工期，影響電站、機(jī)組的恢復(fù)備用時(shí)間。故充水過程中亟需加強(qiáng)監(jiān)測設(shè)備監(jiān)視，全面把控充水速率，確保設(shè)備、電站安全。

3.1 充水前準(zhǔn)備工作

（1）制定2號輸水流道充水方案，經(jīng)分管生產(chǎn)領(lǐng)導(dǎo)審批。同時(shí)發(fā)布2號輸水流道充水風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警通知單，并呈送電站相關(guān)外協(xié)單位，充水期間嚴(yán)格落實(shí)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警通知單等風(fēng)險(xiǎn)預(yù)控措施。

（2） 2號輸水流道內(nèi)部檢查已完成，確認(rèn)流道內(nèi)無遺留人員及物品。

（3）準(zhǔn)備好《各級領(lǐng)導(dǎo)和管理人員到崗到位記錄登記表》[4]，嚴(yán)格落實(shí)到崗到位制度。

（4） 2號輸水流道有關(guān)檢修、試驗(yàn)工作（包括球閥、調(diào)速器）已結(jié)束，工作票已終結(jié)。

3.2 充水前現(xiàn)場設(shè)備狀態(tài)

（1） 3、4號機(jī)上游流道檢修排水閥、球閥閥芯排水閥全關(guān)。

（2） 3、4號機(jī)錐管人孔門、蝸殼人孔門、盤型閥、檢修排水閥已關(guān)閉。

（3）上庫2號進(jìn)出水口閘門全關(guān)，且具備充水條件。

（4）下庫3、4號尾閘全關(guān)，且具備充水條件。

（5） 3、4 號機(jī)球閥上、下游密封退出，4 號球閥全開[5]，4號機(jī)調(diào)速器導(dǎo)葉開度10%，3號球閥全關(guān)。

（6） 3號、4號機(jī)風(fēng)閘在投入狀態(tài)。

3.3 充水技術(shù)要求

（1）根據(jù)中南勘察設(shè)計(jì)院《輸水系統(tǒng)充排實(shí)施細(xì)則》，黑麋峰抽蓄電站輸水流道充水過程水位上升速率不大于10 m/h，高水頭即EL338.4 m時(shí)水位上升速率不大于5 m/h。因此在流道斜井段與平段的連接點(diǎn)應(yīng)及時(shí)調(diào)整充水閥開度，避免充水速率過快或者過慢。

（2）整個充水過程中，由水工檢測組通過水工建筑物自動化監(jiān)測系統(tǒng)對2號輸水流道進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，內(nèi)外壓差超標(biāo)及時(shí)匯報(bào)充水指揮部。

（3）通過球閥前壓力鋼管壓力變送器CP101數(shù)值及轉(zhuǎn)輪與泄流環(huán)間壓力變送器CP205數(shù)值可計(jì)算出流道內(nèi)水位及充水速率。（水位=壓力值×100/0.98+11。注：因測量該2個壓力值的壓力變送器高程均為11 m）

3.4 充水實(shí)施過程

充水主要分為兩大階段，具體充水?dāng)?shù)據(jù)見表2。

表2 2號輸水流道充水?dāng)?shù)據(jù)

（1）第一階段：上游流道、尾水管充至與下庫平齊

該階段通過提起3號、4號尾閘充水閥（約8 cm）向流道內(nèi)充水。充水過程中應(yīng)注意尾水管平段充水速率較慢，且無法通過壓力數(shù)值監(jiān)測水位，所以需現(xiàn)場加強(qiáng)巡視，通過打開錐管人孔門附近壓力測量閥有無水流來判斷水位。為確保流道安全，該階段完成后需穩(wěn)壓12 h。穩(wěn)壓結(jié)束后將3、4號尾水閘門提至全開。

（2）第二階段：2號引水流道充至與上庫平齊

該階段充水前應(yīng)關(guān)閉4號球閥，投入3、4號球閥下游密封（密封操作水源取自2號輸水流道）及球閥接力器機(jī)械鎖錠。通過提起1號進(jìn)出水口閘門充水閥進(jìn)行充水。為確保流道安全，根據(jù)中南勘察設(shè)計(jì)院要求，水位充至EL140 m后需穩(wěn)壓24 h，水位分別充至EL220 m、EL280 m、EL338.4 m后均需穩(wěn)壓48 h，然后繼續(xù)充水。當(dāng)水位到達(dá)EL338.4 m之前應(yīng)及時(shí)減小充水閥開度，否則充水速率會非?？欤‥L338.4 m以上是豎井段，水量小、高程大）。

3.5 充水要點(diǎn)

整個輸水流道充水過程中，均應(yīng)密切監(jiān)視機(jī)組頂蓋的水位，防止水淹廠房。

充水過程中應(yīng)加強(qiáng)現(xiàn)場設(shè)備巡視，現(xiàn)場開啟過的錐管人孔門、蝸殼人孔門、相關(guān)管路閥門等極可能出現(xiàn)漏水情況[6]，如現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)漏水情況，必須立即匯報(bào)充水總指揮，并暫停充水進(jìn)行漏水處理。

流道水位接近引水流道斜井段水位22.1 m、上庫通氣孔362.6 m時(shí)，須密切監(jiān)視水位及變化速率，提前減小充水閥開度，避免水位上升過快。

4 輸水系統(tǒng)排充水風(fēng)險(xiǎn)管控

4.1 風(fēng)險(xiǎn)分析

2號輸水流道排充水過程中存在水淹廠房、排充水過快導(dǎo)致流道內(nèi)外水壓差過大，造成流道破壞等危險(xiǎn)因素或事故隱患，為保證安全、有序的開展排水工作，必須進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析，并做好風(fēng)險(xiǎn)防控。

4.2 預(yù)警計(jì)劃管控時(shí)段

排水：2018年02月25日至2018年03月11日。

充水：2018年03月18日至2018年03月31日。

4.3 預(yù)控措施

（1）建立安全質(zhì)量管理體系和組織機(jī)構(gòu)，實(shí)行日碰頭會制度，進(jìn)行排充水全過程管理，推行標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)。

（2）提前制定方案，完成審批流程，內(nèi)容包含排充水目標(biāo)、排充水流程、組織措施、技術(shù)措施、安全措施、現(xiàn)場管理辦法等，要詳細(xì)、全面。

（3）合理安排排充水時(shí)間和排充水操作人員和現(xiàn)場處理人員，確保排充水進(jìn)度安排合理，工作人員精力充沛。

（4）工作過程中遵守安規(guī)，嚴(yán)格執(zhí)行工作票、操作票制度，確?，F(xiàn)場安全措施可靠，工作規(guī)范有序，凡事有章可循。

（5）開工前召開班前會，進(jìn)行安全技術(shù)交底，每天生產(chǎn)早會專題匯報(bào)排水進(jìn)度，定期監(jiān)測流道水位，控制排充水速率。

（6）做好排充水速率的把控，實(shí)行班組、部門、廠級三個管理層次逐級監(jiān)督制度。

（7）安排專人在排充水過程中24 h現(xiàn)場巡視和24 h各監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)監(jiān)視，做好數(shù)據(jù)收集、分析與對比，發(fā)現(xiàn)異常立即匯報(bào)和處理。

4.4 風(fēng)險(xiǎn)解除

2號輸水流道排充水完成后，及時(shí)發(fā)布風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警解除通知單，并呈送相關(guān)外協(xié)單位。

5 輸水系統(tǒng)排充水安全監(jiān)測

5.1 監(jiān)測要求

（1）排水階段對引水系統(tǒng)相關(guān)的自動化觀測項(xiàng)目監(jiān)測頻次為1次/h，人工滲流觀測項(xiàng)目，每天監(jiān)測2次，重點(diǎn)監(jiān)測部位巡視檢查每天2次。

（2）排空階段對引水系統(tǒng)相關(guān)的自動化觀測項(xiàng)目監(jiān)測頻次為1次/4 h，人工滲流觀測項(xiàng)目，每天監(jiān)測1次，重點(diǎn)監(jiān)測部位巡視檢查1次。

（3）充水階段對引水系統(tǒng)相關(guān)的自動化觀測項(xiàng)目監(jiān)測頻次為1次/h，人工滲流觀測項(xiàng)目，每天監(jiān)測2次，重點(diǎn)監(jiān)測部位巡視檢查每天2次。

5.2 監(jiān)測儀器安裝情況

（1）底層排水廊道滲壓計(jì)3支，量水堰1個。（2）中層排水廊道滲壓計(jì)6支，量水堰1個。（3）頂層排水廊道滲壓計(jì)共12支。

（4） 4號施工支洞量水堰1個，溫度計(jì)2支。

（5） 5號施工支洞滲壓計(jì)3支。

（6） 1號引水洞錨桿應(yīng)力計(jì)6支，位移計(jì)6支，滲壓計(jì)15支。

（7） 2號引水洞錨桿應(yīng)力計(jì)3支，位移計(jì)3支，滲壓計(jì)8支。

（8）引水岔管錨桿應(yīng)力計(jì)6支，鋼筋計(jì)共4支，位移計(jì)3支，滲壓計(jì)3支。

（9）引水支洞錨桿計(jì)應(yīng)力計(jì)18支，滲壓計(jì)22支，位移計(jì)9支。

（10）主廠房錨桿計(jì)共129支，位移計(jì)共88支，錨索測力計(jì)共28支。

（11）主變洞錨桿42支，位移計(jì)49支。

5.3 監(jiān)測結(jié)果分析

（1）滲漏量分析

根據(jù)自動化監(jiān)測數(shù)據(jù)及人工測量數(shù)據(jù)底層排水廊道最大滲漏量為8.53 L/s，發(fā)生在2018年2月25日，最小滲漏量為0.64 L/s，發(fā)生在3月24日；中層排水廊道最大滲漏量為1.63 L/s，發(fā)生在2018年3月6日，最小滲漏量為0.32 L/s，發(fā)生在3月14日。廠房中層排水廊道和底層排水廊道滲漏量變化隨水位變化呈規(guī)律性變化，排水期間滲漏量總體變化減小，充水期間滲漏量總體變化變大，至充水結(jié)束，各監(jiān)測部位滲流量與流道排水前流量略有減小，4號施工堵頭滲漏量變化較小，變化范圍在0.00～0.16 L/s。

（2）滲壓計(jì)觀測結(jié)果分析

從地下洞室觀測斷面埋設(shè)的滲壓計(jì)觀測結(jié)果表明，流道充排水前，因機(jī)組抽水發(fā)電上、下庫水位變化頻繁，各滲壓計(jì)測值波動明顯，排水、充水期間前后滲壓計(jì)測值變化較小，廠房圍巖抵抗內(nèi)水壓力及滲水的性能良好，引水系統(tǒng)排水、充水對廠房擾動較小。

（3）位移計(jì)觀測結(jié)果分析

地下洞室監(jiān)測斷面埋設(shè)的多點(diǎn)位移計(jì)測值日變幅不大，測值呈現(xiàn)規(guī)律性變化，且在監(jiān)測范圍內(nèi)。排水期間和充水期間地下洞室在水壓力作用下的多點(diǎn)位移計(jì)測值變化各有不同，M4 D-1-4廠的測值在充水期間隨水位上升而略有增大，增大幅度小于0.5 mm。M4 C-4廠這套多點(diǎn)位移計(jì)4支儀器測值變化在充水期間變化幅度稍大，說明該套儀器對水位變化較為敏感。其他多點(diǎn)位移計(jì)測值整體上變化較小。說明排水、充水對地下洞室觀測斷面影響比較小。

（4）錨桿觀測結(jié)果分析

排充水階段，錨桿應(yīng)力計(jì)AS3 A-1-1廠和AS3 A-1-3廠的測值呈現(xiàn)降低的變化狀態(tài)，測值降低分別約2 MPa、5 MPa，其他地下洞室錨桿應(yīng)力測值變化趨勢無明顯異常，變幅相對較小，基本呈穩(wěn)定趨勢。相比于排水前，變幅均小于30 MPa。

（5）鋼錨索測力計(jì)觀測結(jié)果分析

排水期間和充水期間廠房上游邊墻、主變室在水壓力作用下的應(yīng)力測值變化不大，與排水前相比，變化最大為52.21 kN，對應(yīng)測點(diǎn)編號為DPB-2-4廠，說明排水、充水對廠房上游邊墻、主變室影響比較小。

5.4 監(jiān)測總結(jié)

（1）輸水系統(tǒng)及尾水隧洞排水、充水過程中嚴(yán)格按照要求的監(jiān)測方式和監(jiān)測頻次進(jìn)行，各監(jiān)測工作有序開展。

（2）根據(jù)每日數(shù)據(jù)以及排水、充水工作完畢后數(shù)據(jù)整理分析得出，本次排水、充水工作中各測點(diǎn)測值變化基本能反映各監(jiān)測部位運(yùn)行狀態(tài)，以及排水、充水期間水位變化對監(jiān)測部位的實(shí)際影響。

（3）本次排充水試驗(yàn)期間，水位的上升和下降時(shí)，監(jiān)測部位巖體內(nèi)部的位移變形、應(yīng)力應(yīng)變、滲水滲流等監(jiān)測物理量的變化量總體較小，個別儀器測值呈現(xiàn)微弱的增大或減小的變化趨勢，表現(xiàn)出與水位變化相應(yīng)的規(guī)律性。因此，本次排充水試驗(yàn)表明輸水系統(tǒng)各部位運(yùn)行狀態(tài)受水位變化的影響較小，洞室?guī)r體結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定。

6 輸水系統(tǒng)排充水經(jīng)驗(yàn)總結(jié)

黑麋峰抽水蓄能電站輸水系統(tǒng)2009年首次充水。此次2號輸水流道排充水為電站投運(yùn)后首次，在積累了2017年1號流道排充水操作的經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，本次2號流道排充水解決了球閥密封備用操作水源等問題，積累了更加寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

（1）鑒于1號流道充水時(shí)球閥密封因水壓降低無法正常投退，故本次2號流道充水前為球閥密封增設(shè)了備用操作水源（1～4號機(jī)球閥密封水互為備用），保證了球閥密封正常投入。

（2）本次充水時(shí)上庫2號閘門由于開度顯示儀問題，在全關(guān)狀態(tài)下顯示為-32.9的開度，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出設(shè)定的下極限值，此時(shí)內(nèi)部PLC閉鎖導(dǎo)致閘門只能開啟不能關(guān)閉。拔出下極限的繼電器或斷開開度顯示儀的電源均無法解開閉鎖，查看控制柜門上PLC對應(yīng)的端子接線圖，解開下極限的輸入端子后閘門能正常關(guān)閉。但要關(guān)閉閘門時(shí)注意不要超過全關(guān)開度，以免鋼絲繩發(fā)生松動。以后遇到類似問題需緊急處理時(shí)可參考上述方法。

（3）通過開啟4號球閥和4號機(jī)調(diào)速器導(dǎo)葉，使充水過程中4號機(jī)尾水管與2號流道水位齊平，保證了2號流道的充水效率。

（4）在斜井段充水時(shí)，2號進(jìn)水口閘門充水閥開度應(yīng)控制在8～9 cm之間，閘門開度稍微變化對充水速率有較大影響，因此在調(diào)整充水閥開度的時(shí)候要結(jié)合充水聲音進(jìn)行判斷。

7 結(jié)束語

黑麋峰蓄能電站輸水系統(tǒng)的充排水是一個工期長、難度大、操作復(fù)雜、危險(xiǎn)點(diǎn)源較多的工作，經(jīng)過2009年、2014年、2017年、2018年4次輸水系統(tǒng)排充水操作，每次排充水前籌劃、排充水過程中監(jiān)督、排充水后總結(jié)，積累起不少有益經(jīng)驗(yàn)，此次2018年的2號輸水系統(tǒng)排充水操作的總結(jié)，對我國抽水蓄能電站輸水系統(tǒng)排充水操作有著較大的指導(dǎo)意義。