基于水力機(jī)械設(shè)計(jì)的抽水蓄能電站防水淹廠房研究與探討

張 旭，陳 鑫，陳 昕

（1.長江勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，湖北省武漢市 430010；2.中國電建集團(tuán)中南勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖南省長沙市 410007）

0 引言

抽水蓄能電站安裝高程一般較低，通常采用地下式廠房，且新建電站水頭較高，大多在300 ～600m，因此，抽水蓄能電站水淹廠房事故比常規(guī)水電站更加危險(xiǎn)緊迫。抽水蓄能電站一旦發(fā)生水淹廠房事故，廠房可能會在很短時(shí)間內(nèi)被水充滿且救援困難，輕則設(shè)備損壞，重則電站癱瘓、人員傷亡，造成重大社會影響[1]。另外，水淹廠房的事故在國內(nèi)外也并不罕見，如國外舉世震驚的俄羅斯薩揚(yáng)—舒申斯克水電站水淹廠房安全事故，國內(nèi)響洪甸抽水蓄能電站因水環(huán)排水管閥門破裂導(dǎo)致水淹廠房事故等。

由于水淹廠房事故擁有發(fā)展快、危害大、后果嚴(yán)重等特點(diǎn)，國內(nèi)設(shè)計(jì)研究人員越來越重視抽水蓄能電站建設(shè)期的防水淹廠房相關(guān)設(shè)計(jì)工作。抽水蓄能電站防水淹廠房相關(guān)設(shè)計(jì)研究涉及專業(yè)較多，本文從水力機(jī)械專業(yè)角度對水淹廠房事故危險(xiǎn)源和防范措施進(jìn)行研究與探討。

1 水力過渡過程設(shè)計(jì)

與常規(guī)水電站相比，抽水蓄能電站通常采用一管多機(jī)布置型式，具有工況轉(zhuǎn)換多、起停頻繁、雙向水流等特點(diǎn)，因此，輸水系統(tǒng)中水力瞬變過程復(fù)雜。電站運(yùn)行過程中，流道中巨大的水流慣性所帶來的能量不平衡，將引起系統(tǒng)中內(nèi)水壓力及機(jī)組轉(zhuǎn)速的劇烈變化，特別是當(dāng)電站運(yùn)行在極端組合工況時(shí)，流道中的水錘壓力可能會超過設(shè)計(jì)值，導(dǎo)致管道破裂從而引發(fā)水淹廠房等事故發(fā)生。但電站的設(shè)計(jì)除要求安全可靠外，同時(shí)還需考慮經(jīng)濟(jì)性，電站安全設(shè)計(jì)余量又不宜過大。在調(diào)節(jié)保證設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮電站運(yùn)行中可能遇到的各種極端工況，在保證電站安全性的條件下，兼具經(jīng)濟(jì)適用，合理確定電站的調(diào)節(jié)保證設(shè)計(jì)值。另外，在電站投產(chǎn)運(yùn)行時(shí)還應(yīng)進(jìn)行甩負(fù)荷試驗(yàn)、反演計(jì)算等，以保證電站過渡過程的安全性。

調(diào)節(jié)保證設(shè)計(jì)值直接影響到設(shè)備參數(shù)的選擇，甚至影響到電站的布置。機(jī)組的過流部件、進(jìn)水閥以及與流道相連接的管路的承壓設(shè)計(jì)值不應(yīng)低于調(diào)節(jié)保證壓力設(shè)計(jì)值。另外，應(yīng)特別注意極端工況下的尾水管最小壓力值，即便是水頭較低的軸流式機(jī)組也可能發(fā)生反水錘，導(dǎo)致抬機(jī)事故，抽水蓄能電站更應(yīng)重視。通過降低機(jī)組的安裝高程，保證機(jī)組足夠的吸出高度能有效地改善尾水管真空度問題，且對工程量影響不大。

2 排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

抽水蓄能電站廠房內(nèi)排水系統(tǒng)主要包括檢修排水系統(tǒng)、滲漏排水系統(tǒng)。

機(jī)組檢修排水系統(tǒng)是為檢修機(jī)組時(shí)排空上、下游閘門之間或進(jìn)水閥與下游閘門之間的存水而設(shè)置的，分為直接排水和間接排水。滲漏排水系統(tǒng)主要排除廠房圍巖滲水、機(jī)組頂蓋漏水、地漏水、SFC變頻器冷卻水、SFC輸入變冷卻水、SFC輸出變冷卻水、中低壓空氣壓縮機(jī)冷卻水、主變壓器空載冷卻水、深井泵潤滑水排水、生活用水排水、消防水等。

對于有下游河道且低于廠房的抽水蓄能電站，檢修和滲漏排水系統(tǒng)應(yīng)優(yōu)先采用自流排水。自流排水是將檢修或滲漏水排至自流排水洞，再排至下游河道。這種排水方式的排水量大，能有效降低水淹廠房的危險(xiǎn)，當(dāng)發(fā)生水淹廠房事故時(shí)，可以防止事故擴(kuò)大，同時(shí)可以在關(guān)閉上下游閘門后較短時(shí)間內(nèi)排掉廠房內(nèi)的積水，對事故后的維護(hù)有利。設(shè)置自流排水洞的初期投入成本較高，但長期運(yùn)行費(fèi)用低，安全可靠。

對沒有設(shè)置自流排水洞條件的電站，可采用間接排水。檢修水和滲漏水通過各自的排水管或排水廊道分別排至檢修集水井和滲漏集水井，集水井的水再通過水泵排至下游。間接排水，特別是滲漏排水系統(tǒng)采用間接排水，其水淹廠房風(fēng)險(xiǎn)更大。由于滲漏排水系統(tǒng)的滲漏集水井蓋板沒有采用密封形式，且無法像檢修排水系統(tǒng)關(guān)閉閥門可以截?cái)嗨鳎坏┌l(fā)生故障將可能導(dǎo)致水淹廠房事故。滲漏排水系統(tǒng)間接排水設(shè)計(jì)應(yīng)注意以下問題：

（1）滲漏排水泵的可靠性直接關(guān)系到廠房的安全，主要采用臥式離心泵、立式深井泵、射流泵以及潛水泵，其中絕大部分電站選用立式深井泵。由于潛水泵容量較小，造價(jià)較高，且電機(jī)浸在水中，對密封要求較高，檢修和維護(hù)都較麻煩，因此滲漏排水系統(tǒng)中較少采用，但一般會在滲漏集水井底部設(shè)置潛水排污泵在檢修時(shí)清污使用。

（2）滲漏集水井有效容積應(yīng)按匯集30～60min廠內(nèi)總滲漏水量確定，抽水蓄能電站一般采用地下廠房型式，滲漏集水井有效容積可適當(dāng)加大。

（3）滲漏排水泵的工作泵的臺數(shù)應(yīng)按排水量確定，且應(yīng)設(shè)置備用泵，備用泵總流量不宜小于工作泵總流量的50%，且備用泵不宜少于兩臺。備用泵的流量、揚(yáng)程宜與工作泵相等。滲漏排水泵的電源應(yīng)安全可靠，當(dāng)主電源發(fā)生故障時(shí)，應(yīng)能自動(dòng)切換至備用電源。

3 過流部件、進(jìn)水閥及管路強(qiáng)度

3.1 機(jī)組過流部件

機(jī)組過流部件主要包括蝸殼、頂蓋、底環(huán)、尾水管等。

蝸殼應(yīng)采用優(yōu)質(zhì)鋼板制作，應(yīng)能在不考慮與混凝土聯(lián)合受力的條件下單獨(dú)承受各種工況下可能發(fā)生的最大水壓力。蝸殼的厚度應(yīng)考慮必要的腐蝕余量，在制作完成后還應(yīng)進(jìn)行水壓試驗(yàn)。頂蓋應(yīng)有足夠的剛度和強(qiáng)度，能承受主軸的徑向作用力、軸向水推力及過渡過程中的壓力波動(dòng)。底環(huán)應(yīng)采用抗空蝕性能良好的鋼板焊接而成，優(yōu)先采用整體結(jié)構(gòu)。底環(huán)與座環(huán)之間的連接縫必須有可靠的密封措施，不得漏水。底環(huán)每個(gè)導(dǎo)葉軸孔底部設(shè)有排水孔，能及時(shí)將導(dǎo)葉下軸頸泄漏水排掉，防止導(dǎo)葉上抬，底環(huán)上還設(shè)置有足夠數(shù)量的灌漿孔和排氣孔，以便混凝土的澆筑。尾水管應(yīng)能滿足脈動(dòng)壓力和水錘壓力的要求。

頂蓋、蝸殼進(jìn)人門和尾水管進(jìn)人門的把合螺栓應(yīng)使用高強(qiáng)度螺栓，不因振動(dòng)、水壓力脈動(dòng)影響而松動(dòng)疲勞[2]。俄羅斯薩揚(yáng)—舒申斯克水電站就因機(jī)組長期處于振動(dòng)區(qū)運(yùn)行導(dǎo)致水輪機(jī)頂蓋把合螺栓斷裂，造成水淹廠房的惡性事件發(fā)生。國內(nèi)也曾有抽水蓄能電站的水泵水輪機(jī)頂蓋把合螺栓脆斷造成水淹廠房事故。在螺栓的設(shè)計(jì)和質(zhì)量控制上應(yīng)注意以下幾個(gè)方面：

（1）由于螺栓強(qiáng)度等級越高，經(jīng)過塑性變形后會更迅速脆裂，應(yīng)力集中也會更加明顯，缺陷部位更容易發(fā)展成裂紋，因此，應(yīng)選擇合適強(qiáng)度等級的螺栓。

（2）當(dāng)要求預(yù)應(yīng)力時(shí)，螺栓、螺桿和連桿等零部件均應(yīng)進(jìn)行預(yù)應(yīng)力處理，零部件的預(yù)應(yīng)力不得超過材料屈服強(qiáng)度7/8。螺栓的載荷不應(yīng)小于連接部分設(shè)計(jì)載荷的2倍。另外，抽水蓄能機(jī)組的工況復(fù)雜，螺栓受力沒有規(guī)律，容易疲勞破壞，除凈載荷計(jì)算外，螺栓還需進(jìn)行疲勞校核。

（3）螺栓鍛造過程中應(yīng)避免缺陷，保證力學(xué)性能，在螺紋加工前和加工后應(yīng)加強(qiáng)無損檢測，保證胚料以及螺栓表面的質(zhì)量。

3.2 進(jìn)水球閥

在進(jìn)水閥切斷動(dòng)水水流時(shí)，進(jìn)水球閥的閥體、軸承座、上游側(cè)法蘭應(yīng)能承受水流作用在活門和閥體上的最大水推力。伸縮節(jié)應(yīng)能適應(yīng)由溫度變化和水作用力變化引起的進(jìn)水閥沿壓力鋼管軸線方向位移。

3.3 與流道連通的管路

抽水蓄能電站中，與流道直接相連的管路較多，如技術(shù)供水取水管和排水管、主軸密封供水管、上下止漏環(huán)供水管、壓水排氣管、水環(huán)釋放管等。管路上的鋼管、管件或閥門可能由于設(shè)計(jì)壓力偏低、焊接缺陷、振動(dòng)疲勞或外力因素等造成管路爆裂[3]，導(dǎo)致水淹廠房事故發(fā)生，因此，選擇鋼管、管件和閥門的材質(zhì)、設(shè)計(jì)壓力時(shí)，應(yīng)考慮流道極端情況下的最大水壓力。

4 防水淹廠房報(bào)警裝置

目前新建電廠都是按照“無人值班，少人值守”的理念建設(shè)和運(yùn)行[3]。為保證在水淹廠房事故發(fā)生的初期，運(yùn)行人員能及時(shí)發(fā)現(xiàn)事故并采取補(bǔ)救措施，防止事故擴(kuò)大，在電站應(yīng)設(shè)置防水淹廠房報(bào)警裝置。

一套水淹廠房報(bào)警裝置包含3個(gè)水位計(jì)，安裝在電站的最低處。水淹廠房報(bào)警裝置盡量選擇兩種以上型式的水位計(jì)[4]。由于水淹廠房發(fā)生初期，水淹沒地面較廣，水位量程較小，水位也極不穩(wěn)定，推薦選用超聲波、電容式、電極式及音叉式等型式的水位計(jì)[5]。

水淹廠房報(bào)警裝置的水位計(jì)采用“三取二”的控制模式，即當(dāng)其中一個(gè)水位計(jì)動(dòng)作時(shí)，僅發(fā)出警報(bào)，當(dāng)兩個(gè)水位計(jì)同時(shí)動(dòng)作，保護(hù)系統(tǒng)動(dòng)作緊急停機(jī)。至少在主廠房內(nèi)最低處和尾閘洞最低處各設(shè)置一套水淹廠房報(bào)警裝置，若需在水淹廠房初期盡快確定事故具體位置，可在每層增加測點(diǎn)以及擋水坎等[5]。

5 進(jìn)水球閥的結(jié)構(gòu)和布置

《抽水蓄能電站設(shè)計(jì)導(dǎo)則》明確要求：“應(yīng)在中控室設(shè)置緊急停機(jī)和緊急關(guān)閉上、下庫事故閘門的可靠措施”。但由于抽水蓄能電站引水系統(tǒng)較長，上游事故閘門離廠房較遠(yuǎn)，因此，一般優(yōu)先關(guān)閉蝸殼前的進(jìn)水球閥。如果發(fā)生較大的水淹廠房事故，如頂蓋掀起或進(jìn)水閥附近管路爆管等，可能沖壞進(jìn)水球閥控制管路導(dǎo)致進(jìn)水球閥無法正常關(guān)閉，因此，在進(jìn)水球閥的結(jié)構(gòu)和布置上應(yīng)采取有效的措施防止此類情況發(fā)生。

5.1 選用含有重錘的進(jìn)水閥

當(dāng)發(fā)生水淹廠房事故，進(jìn)水閥的壓力油源或管路可能遭到破壞，進(jìn)水球閥無法關(guān)閉，而設(shè)置有重錘的進(jìn)水閥能在壓力油切斷的情況下依然能將重錘的重力勢能轉(zhuǎn)化為閥門關(guān)閉的能量。但重錘尺寸較大，設(shè)置重錘會增加廠房的跨度，從而增加工程造價(jià)和工程施工難度。

5.2 壓力控制油管埋地敷設(shè)

由于控制油管管徑較細(xì)，當(dāng)發(fā)生水淹廠房事故時(shí)易被沖斷，影響進(jìn)水球閥緊急關(guān)閉。可將控制油管埋地敷設(shè)，可有效避免控制油管在事故時(shí)遭到破壞。

5.3 取消進(jìn)水球閥上旁通管

取消進(jìn)水球閥上的旁通管，可以減少因爆管導(dǎo)致水淹廠房的隱患，但進(jìn)水球閥前后平壓問題，特別是壓力鋼管的水力震蕩問題，有待穩(wěn)妥解決。

5.4 進(jìn)水球閥布置在球閥室

進(jìn)水球閥可布置在專門的球閥室，如圖1所示，當(dāng)主廠房內(nèi)有水淹廠房事故發(fā)生，不會影響到球閥室的進(jìn)水球閥，進(jìn)水球閥可以順利關(guān)閉，但可能會給運(yùn)行和檢修帶來不便。

圖1 進(jìn)水球閥布置在球閥室示意圖Figure 1 Arrangement diagram of inlet ball valve in ball valve room

6 結(jié)束語

隨著抽水蓄能電站建設(shè)高峰期的到來，電站的安全越來越受到重視。本文從水力過渡過程、排水系統(tǒng)、過流部件強(qiáng)度、水淹廠房報(bào)警裝置和進(jìn)水球閥的設(shè)置等幾個(gè)方面，對抽水蓄能電站防水淹廠房設(shè)計(jì)上應(yīng)注意的地方進(jìn)行了總結(jié)和探討，并提出了一些可供參考的建議。本文僅從水力機(jī)械專業(yè)設(shè)計(jì)角度出發(fā)，但防水淹廠房設(shè)計(jì)涉及專業(yè)較多，有待形成一套完整的理論，并通過工程實(shí)踐證明安全可行，以供抽水蓄能電站在設(shè)計(jì)和建設(shè)中應(yīng)用。