抽水蓄能電站上水庫進/出水口快速閘門防水淹廠房設計探討

鐘全勝，童 慧，蔣立新，任 鑫，鐘聚光

(1.中國電建集團中南勘測設計研究院有限公司，湖南長沙410014；2.湖南平江抽水蓄能電站有限公司，湖南平江414500)

抽水蓄能電站通常采用地下廠房，廠房內(nèi)洞群繁多，包含主廠房、主變洞、尾閘洞及母線洞等，電站主要機電設備均位于地下廠房。抽水蓄能電站水頭多為500～700 m，機組吸出高度一般為負幾十米或上百米，且輸水管路很長，一旦發(fā)生機組爆裂、球閥破壞、重要引水管路爆管等事故或事故疊加，將有可能出現(xiàn)大量的水從電站上、下庫及輸水管路涌入廠房，導致水淹廠房，給電站帶來重大經(jīng)濟損失，甚至造成人身傷亡。

2012年安徽某抽水蓄能電站在試驗時，水泵水輪機水環(huán)排水管直接聯(lián)通尾水管的閥門破裂，使得下游水庫水經(jīng)此涌入廠房，造成水淹廠房事故[1]；2016年河南某抽水蓄能電站機組甩負荷過程中，水輪機頂蓋連接螺栓斷裂，頂蓋在水壓力作用下被抬起，發(fā)生水淹廠房事件。

因此，防水淹廠房設計應是抽水蓄能電站設計的重點之一，應對此進行專項研究和評價。在電站機組或其輔助系統(tǒng)出現(xiàn)事故時，如水輪機頂蓋螺栓撕裂、技術供水管路破裂，機組進水閥和尾閘室事故閘門承擔著防止事故擴大的責任，但以上事故工況下，進水閥可能因電源丟失或油路失壓等原因拒動，而上水庫進/出水口事故閘門是切斷上水庫水源，防止事故擴大的重要保障，因此優(yōu)化該閘門的設計和布置，是電站防水淹廠房設計的重要內(nèi)容。

目前，國內(nèi)外針對抽水蓄能電站防止水淹廠房的設計尚無統(tǒng)一標準，對閘門防水淹廠房的專項研究較少。對此，為提高電站防水淹廠房能力，減少水淹廠房損失，對上水庫進/出水口事故閘門進行防水淹廠房設計探討，提出事故閘門改為快速閘門的方案，研究其可行性。

1 上水庫進/出水口事故閘門典型布置

目前上水庫進/出水口事故閘門典型布置方案為：在進/出水口攔污柵下游設置事故閘門，閘門通過門槽頂部排架上的QPQ型固定卷揚式啟閉機操作，如圖1所示[2]。閘門平時與啟閉機連接，懸掛或鎖定在門槽頂部，為提高閘門啟閉速度，啟閉機采用變頻調(diào)速。

圖1 抽水蓄能電站上水庫進/出水口典型事故閘門及啟閉機布置示意(單位：m)

由于閘門底緣距離門槽底檻較遠，閘門閉門時間較長，如平江抽水蓄能電站上水庫進/出水口事故閘門，閉門行程約51 m，閉門時間約15 min。QPQ型固定卷揚式啟閉機工作時需要動力電源，對供電的可靠性要求高，如河南某抽水蓄能電站發(fā)生水淹廠房后，電廠立刻啟動水淹廠房動作保護，但由于廠用電丟失，且備用動力電源跳閘，導致上水庫事故閘門在發(fā)生事故后35 min、備用電源恢復后才開始動作。

因此，為提高事故閘門防事故擴大的能力，減少水淹廠房損失，縮短事故工況閘門閉門時間，提高閘門閉門可靠性，有必要研究將卷揚式啟閉機操作的事故閘門改為由液壓啟閉機操作的快速閘門。

2 快速閘門方案防事故擴大能力

以平江抽水蓄能電站為例，對比上水庫進/出水口事故閘門和快速閘門兩種方案在不同事故工況下，球閥拒動時的廠房淹沒情況，分析快速閘門方案防事故擴大的能力。平江抽水蓄能電站裝有4臺單機容量350 MW機組，額定水頭648 m。輸水系統(tǒng)總長約2 877.776 m，引水系統(tǒng)總長1 420.487 m。平江抽水蓄能電站廠房橫剖面如圖2所示。

圖2 平江抽蓄廠房橫剖示意(單位：高程m，尺寸mm)

計算事故工況如下：工況1，球閥前壓力鋼管排水管局部爆裂，過流斷面按DN200直徑考慮；工況2，蝸殼進人門螺栓撕裂，過流斷面按DN600直徑考慮；工況3，頂蓋螺栓撕裂，因頂蓋過流出口圓環(huán)面積大于引水蝸殼最小斷面面積，過流斷面按蝸殼最小斷面DN2100直徑考慮。設計方案如下：方案1，電站設置事故閘門，不設自流排水洞，采用水泵間接排水；方案2，電站設置事故閘門，設自流排水洞；方案3，電站設置快速閘門，不設自流排水洞，采用水泵間接排水；方案4，電站設置快速閘門，設自流排水洞。各方案中，事故閘門閉門時間15 min，快速閘門閉門時間3 min；上水庫事故(快速)閘門落下前，爆管出流按恒定出流計算；閘門落下后，流道平段按定水頭出流計算，斜井段按照變水頭出流計算。計算結(jié)果如表1所示。

可以看出，對于電站不設置自流排水洞的方案，工況1下，設置快速閘門可將水輪機層淹沒深度減小到1 m以下，保證了該層運行人員的安全；工況2下，設置快速閘門淹沒高層從發(fā)電機層降低至母線層以上0.2 m，保證了母線層及以上位置絕大部分電氣設備的安全，保證了母線層運行人員的安全。對于電站設置自流排水洞的方案，快速閘門對各工況下的淹沒高程改善有限，主要作用為減少水淹廠房時間，減小設備損失。工況3下，由于出流斷面過大，各方案均會出現(xiàn)很大淹沒，快速閘門方案主要作用為減少水淹廠房時間，減小設備損失。

表1 各方案水淹情況對比

考慮到多數(shù)規(guī)劃或籌建抽水蓄能電站裝機規(guī)模和輸水發(fā)電系統(tǒng)布置與平江抽水蓄能電站類似，由以上計算結(jié)果可以看出，抽水蓄能電站，尤其是不設置自流排水洞的電站，上水庫進/出水口設置快速閘門對防止水淹廠房事故擴大，減少水淹廠房損失具有較大的積極作用。

3 設置常規(guī)水電站進水口快速閘門方案

常規(guī)水電站機組前多未設置進水閥，進水口設有快速閘門，其功能與抽水蓄能電站進水球閥類似?？焖匍l門在常規(guī)水電站進水口有著豐富的應用經(jīng)驗[3]，參考常規(guī)水電站進水口快速閘門布置，研究在抽水蓄能電站上水庫進/出水口設置快速閘門的可行性。

3.1 設備布置和選型

在進/出水口攔污柵下游設置快速閘門，閘門采用液壓啟閉機操作，布置如圖3所示。

圖3 抽水蓄能電站上水庫進/出水口設常規(guī)水電站進水口快速閘門方案布置示意(單位：m)

閘門門葉面板及底止水均設置在上水庫側(cè)，頂、側(cè)止水設置在廠房側(cè)，利用水柱閉門。閘門通過多節(jié)拉桿與啟閉機連接，平時停放在孔口上部的門楣附近處于待命狀態(tài)，閘門底緣距離孔口頂部高程0.5～1.0 m。液壓啟閉機采用浮動式支承結(jié)構，液壓系統(tǒng)閉門回路采用差動回路。

為避免液壓系統(tǒng)漏油時，液壓啟閉機自動復位失靈導致閘門下落，啟閉機頂部設置活塞桿機械鎖定裝置。為檢修快速閘門門槽方便，在快速閘門上游側(cè)布置一道檢修閘門，檢修閘門啟閉、液壓啟閉機和快速閘門檢修采用雙向門機操作。

3.2 方案分析

《抽水蓄能電站設計導則》條文說明指出：“當采用快速閘門或者要求閘門懸掛位置較低，且位于閘門井水體中時，應通過模型試驗來論證涌波對閘門的影響。只有論證閘門確實處于安全狀態(tài)，才能采用這種布置，否則應盡量避免這種布置。另外，快速閘門一般都停放在孔口上部的門楣附近。機組頻繁工況轉(zhuǎn)換帶來的雙向脈動水流造成閘門晃動，容易使吊耳及吊軸等承重構件發(fā)生疲勞破壞，閘門的正、反向支承受到反復沖擊。這些不利于閘門安全的因素，在設計時均應克服”[4]。

根據(jù)以上條文說明，上水庫進/出水口設置快速閘門的主要問題是閘門井內(nèi)涌波和雙向脈動水流將給快速閘門及其連接構件造成不利影響。

對于抽水蓄能電站，上水庫進/出水口主要可分為側(cè)式進/出水口和豎井式進/出水口，側(cè)式進/出水口根據(jù)布置型式可分為閘門豎井式、岸塔式和岸坡式，豎井式進/出水口根據(jù)布置型式可分為閘門布置在山體內(nèi)與閘門布置在水庫內(nèi)兩種布置方式。除閘門布置在水庫內(nèi)的豎井式進/出水口(如溧陽抽水蓄能電站)外，其余的進/出水口布置方式中，事故閘門井與輸水管道入口距離均較遠，典型工程統(tǒng)計結(jié)果如表2所示。

從表2可以發(fā)現(xiàn)，與常規(guī)水電站相比，抽水蓄能電站事故閘門井與輸水水道入口距離均較遠，電站出現(xiàn)過渡過程工況，事故閘門井內(nèi)涌波情況如調(diào)壓井一樣，同時由于上水庫進/出水口至水輪機導葉之間的輸水管道很長，再加之抽水蓄能電站機組工況轉(zhuǎn)換頻繁，這樣事故閘門井內(nèi)涌波較常規(guī)水電站頻繁且劇烈許多，而抽水、發(fā)電工況帶來的雙向脈動水流也是常規(guī)水電站不具有的。再者，若閘門設計水頭較高，需要設置多節(jié)拉桿，閘門與啟閉機之間的連接環(huán)節(jié)增多。因此，與常規(guī)水電站相比，抽水蓄能電站閘門井內(nèi)涌波和雙向脈動水流造成快速閘門及其連接構件破壞的可能性加大。

表2 典型工程上水庫進/出水口事故閘門井與輸水水道入口距離統(tǒng)計

抽水蓄能電站在抽水工況時，如果快速閘門突然掉落，閘門快速封閉孔口，該閘門至下庫進/出水口的管道內(nèi)水體體積巨大，快速閘門下游側(cè)將形成巨大的水錘壓力，該壓力可能遠大于快速閘門及輸水管道的設計水壓力，極端情況下，將出現(xiàn)閘門垮塌、流道破壞的重大事故?？紤]到快速閘門掉落的危害較大，不允許在抽水工況下，出現(xiàn)上水庫進/出水口閘門意外墜落的事故。

因此，不推薦抽水蓄能電站上水庫進/水口采用設置常規(guī)水電站進水口快速閘門的方案。

4 設置閘閥式快速閘門方案

分析常規(guī)水電站進水口快速閘門方案發(fā)現(xiàn)，如何消除或減少閘門井內(nèi)涌波和雙向脈動水流的不利影響，是研究快速閘門方案可行性的一個重要方向。參考抽水蓄能電站尾閘室設置事故閘門實踐，在抽水蓄能電站進/出水口設置閘閥式快速閘門。

4.1 設備布置和選型

在進/出水口攔污柵下游設置快速閘門，閘門采用液壓啟閉機操作，布置如圖4所示。

圖4 抽水蓄能電站上水庫進/出水口設閘閥式快速閘門方案布置示意(單位：m)

閘門門葉面板及底止水均設置在上水庫側(cè)，頂、側(cè)止水設置在廠房側(cè)，利用水柱閉門。閘門門槽頂部設置密封蓋板，蓋板兼做液壓啟閉機機架。閘門直接與啟閉機連接，平時停放在孔口上部的門楣附近處于待命狀態(tài)，閘門底緣距離孔口頂部高程0.5～1.0 m。液壓啟閉機采用固定式支承結(jié)構，油缸缸體的下端坐落在門槽頂蓋板，液壓系統(tǒng)閉門回路采用差動回路，啟閉機除配置交流電外，還配有蓄電池。

為避免液壓系統(tǒng)漏油時，液壓啟閉機自動復位失靈導致閘門下落，同時為防止閘門與啟閉機連接構件破壞導致閘門下落，在密封蓋板上設置鎖定裝置和監(jiān)測裝置，鎖定裝置成對布置，如圖5所示。閘門在全開位時，閘門頂部的鎖定吊耳與鎖定吊軸脫空，處于待命保護狀態(tài)；當閘門下降到設計行程，鎖定吊耳與鎖定吊軸接觸，阻止閘門繼續(xù)下落，同時監(jiān)測裝置發(fā)送信號報警。極端工況下，鎖定裝置失效，閘門繼續(xù)下落，監(jiān)測裝置通過行程開關將此事故信號引至電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)報警并執(zhí)行事故停機組、關球閥等操作。

圖5 閘閥式快速閘門鎖定裝置三維示意

4.2 方案分析

4.2.1方案可行性

(1)閘閥式快速閘門一直位于封閉的門槽框架內(nèi)，在過渡過程工況，閘門井內(nèi)無劇烈水流涌波，水流對閘門及其連接構件的沖擊較小，較大地減小了閘門井內(nèi)涌波的不利影響。快速閘門反向及側(cè)向支承采用輪子加彈性結(jié)構(或板彈簧)的形式，閘門會被水封、反向支承及側(cè)向支承這些彈性構件預壓頂緊，當閘門處于全開狀態(tài)時，閘門上下游及左右側(cè)均受到彈性約束，這樣可較大地減輕抽水、發(fā)電工況雙向脈動水流造成的閘門晃動，減小雙向脈動水流帶來的不利影響。

(2)閘閥式快速閘門方案中，閘門直接與液壓啟閉機連接，連接環(huán)節(jié)少，連接構件出現(xiàn)破壞的概率降低。

(3)閘門鎖定裝置直接鎖定閘門，能確保閘門和啟閉機的連接即便破壞，閘門也不會掉落，極大地降低了閘門意外墜落的風險。該鎖定裝置運用在廣州抽水蓄能、惠州抽水蓄能、瓊中抽水蓄能等電站尾閘室事故閘門中，未曾出現(xiàn)閘門掉落事故。

(4)設有監(jiān)控裝置保護，若出現(xiàn)多重事故疊加的極端工況導致閘門掉落，監(jiān)測裝置能立刻向電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)報警并執(zhí)行事故停機組、關球閥等保護動作。

綜上所述，再根據(jù)抽水蓄能電站尾閘室事故閘門運行經(jīng)驗，抽水蓄能電站上水庫進/出水口設置閘閥式快速閘門的方案是可行的。

4.2.2方案評價

(1)由于快速閘門底緣距離門槽底檻較近，快速閘門能夠快速動水關閉，切斷水流。平江抽水蓄能電站上水庫進/出水口采用閘閥式快速閘門方案，閘門閉門時間可由15 min縮短至3～4 min，當出現(xiàn)水淹廠房事故時，快速閉門有利于減小電站財產(chǎn)損失，有利于運行人員安全撤離，提高了閘門的防事故擴大能力。

(2)液壓系統(tǒng)閉門回路采用差動回路，通過操作差動回路上的電磁閥，即可將液壓啟閉機有桿腔和無桿腔連通，閘門利用自重(水柱)快速閉門。這樣即使交流電丟失，蓄電池也能為啟閉機供電，保證鎖定裝置打開，閘門及時下落，提高了事故工況下閘門閉門的可靠性。

(3)造價方面，對平江抽水蓄能電站上水庫進/出水口設置事故閘門和快速閘門兩個方案主要工程量進行了造價對比(如表3所示)。閘閥式快速閘門方案新增投資4 724.45萬元，約占工程總投資880 000萬的0.6%。

表3 平江抽水蓄能電站上水庫進/出水口閘門方案造價對比 萬元

5 結(jié) 論

為提高電站防水淹廠房能力，減少水淹廠房損失，對抽水蓄能電站上水庫進/出水口設置快速閘門的方案進行探討。采用常規(guī)水電站進水口快速閘門的方案，閘門井內(nèi)涌波和雙向脈動水流將給抽水蓄能電站中的快速閘門及其連接構件造成不利影響，該方案不予推薦。采用閘閥式快速閘門方案，能較大地減小閘門井內(nèi)涌波和雙向脈動水流的不利影響，通過設置鎖定、監(jiān)測等裝置能防止閘門意外墜落或誤操作，因此該方案是基本可行的。閘閥式快速閘門方案可將閘門閉門時間由15 min降低至3～4 min，能提高閘門防事故擴大能力，減少水淹廠房損失，提高事故工況閘門閉門可靠性，且新增工程量不大，為抽水蓄能電站防水淹廠房設計提供了新的思路。為確保上水庫進/出水口閘閥式快速閘門方案的安全可靠，下一步可對此開展專題研究工作。