大型抽水蓄能電站防水淹廠房事故演算與風險分析

陳 源，胡清娟，蔣明東，耿必君

(1.中國電建集團中南勘測設(shè)計研究院有限公司，湖南長沙410014；2.國網(wǎng)新源控股有限公司，北京100761；3.湖南平江抽水蓄能有限公司，湖南平江414500)

1 工程概述

水淹廠房作為電站安全穩(wěn)定運行的重大安全風險事故[1]一直以來是行業(yè)內(nèi)討論研究的重點問題，從電站安全及提高防水淹廠房能力方面來看，對水淹廠房進行風險分析并采取一定截流和排水防護措施是十分必要的。目前電站主要通過設(shè)置自流排水洞，改進水泵水輪機頂蓋結(jié)構(gòu)等方面來提升防水淹廠房的能力[2，3]。

由于抽水蓄能電站的水頭較高，引水系統(tǒng)壓力鋼管較長，一旦發(fā)生廠內(nèi)爆管事故，機組導葉及進水閥不能及時關(guān)閉，將引起水淹廠房事故。2009年SY水電廠發(fā)生水淹廠房重大事故[3]，2號機組頂蓋螺栓疲勞斷裂，在水力作用下旋轉(zhuǎn)部件及頂蓋脫離飛出，水淹整個廠房，直接經(jīng)濟損失超過40 億美元。2016年HL抽水蓄能電站頂蓋螺栓斷裂，造成水淹廠房事故，廠房最高水線達發(fā)電機層1.6 m左右，經(jīng)自流排水洞排水，水位下降至蝸殼層1 m高左右。因此發(fā)生水淹廠房事故時，引水壓力鋼管是否設(shè)置了快速截斷水流的設(shè)施成為關(guān)鍵。國外一些大中型抽水蓄能電站和長輸水系統(tǒng)的常規(guī)電站在輸水系統(tǒng)中設(shè)置蝶閥或閘門，迄今為止，國內(nèi)尚未對此問題進行系統(tǒng)研究。從可靠性和安全性角度，研究在引水系統(tǒng)設(shè)置快速截斷水流的設(shè)施作為防水淹廠房的保護措施，是非常必要的。本文以PJ抽水蓄能電站為依托，對抽水蓄能電站引水系統(tǒng)上平段設(shè)置蝶閥方案進行防水淹廠房事故演算和風險分析。

PJ抽水蓄能電站裝有4臺單機容量350 MW機組，上水庫正常蓄水位1 062 m，死水位1 041.00 m。額定水頭648 m。輸水系統(tǒng)由引水系統(tǒng)和尾水系統(tǒng)兩部分組成，均采用一洞兩機布置方式。電站廠房主要由主廠房、副廠房及安裝間等組成。其中主廠房尾水管層高程280.5 m、錐管層地面高程287.5 m、水輪機層地面高程295.60 m、母線層地面高程301.60 m、發(fā)電機層地面高程307.60 m。

本文主要針對輸水系統(tǒng)上平段設(shè)置蝶閥與不設(shè)置蝶閥的淹沒情況、自流排水及水泵排水的淹沒情況進行對比分析研究，包括淹沒速率及淹沒高程等。對不同工程條件下水淹廠房的風險進行分析。

2 廠房水淹源分析計算

2.1 計算工況

考慮到抽水蓄能電站地下廠房的特點及可能發(fā)生水淹廠房的局部爆管工況，選取了以下3種具有代表性的事故工況，3種情況爆管高程約為水輪機安裝高程292.0 m。

(1)球閥前壓力鋼管排水管局部爆裂。

(2)蝸殼進人門及尾水管進人門螺栓撕裂；由于引水系統(tǒng)水壓較高，尾水系統(tǒng)水壓較低，蝸殼進人門和尾水管進人門直徑相差不大，蝸殼進人門螺栓撕裂工況更不利。故以下主要針對蝸殼進人門進行事故工況模擬計算。

(3)頂蓋螺栓撕裂。

2.2 計算模型

上庫進水口檢修閘門關(guān)閉時間為t1=15 min，在此閘門關(guān)閉過程中，引水流道均充滿水，上庫正常蓄水位1 062 m，爆管處高程約為292.000 m。

根據(jù)工程流體力學孔口恒定出流[4]的計算公式

(1)

式中，H為初始水頭，對于爆管極端情況下，可取為在上庫正常蓄水位時，球閥前壓力鋼管的承壓；A為出流面積；μ為流量系數(shù)，一般取0.60～0.65?？紤]底孔出流不收縮，流量系數(shù)取0.65。

2.3 變水頭出流計算

當上庫事故閘門關(guān)閉后，閘門至爆管處間的引水鋼管中的水柱逐漸減少，爆管后15 min內(nèi)，可按恒定流處理，流量與水頭的關(guān)系見式(3)。根據(jù)從孔口流出的水體積應(yīng)等于管道水位下降減少的水體積，

(2)

由公式(1)和公式(2)可推導得出當引水鋼管中水頭由H1降至H2時，所需時間為

(3)

式中，A0為上庫閘門至球閥前引水壓力鋼管較長，且管徑較大，直徑在2.7～6.5 m間變化；i為引水壓力鋼管斜率。根據(jù)該階段水道布置，引水鋼管管徑及長度計算PJ抽水蓄能電站引水系統(tǒng)管內(nèi)水量約為35 460.75 m3。

2.4 水淹廠房事故淹沒時間和高程計算

發(fā)生水淹廠房事故時，進水球閥關(guān)閉故障的情況下，上庫事故閘門落下前，爆管出流按恒定出流情況計算，時間約為15 min；閘門落下后，平段按定水頭出流情況計算，斜井段按照變水頭出流情況計算?？紤]廠房內(nèi)水位淹沒至水泵水輪機層約2 m處，即配電箱完全被淹沒，水泵失去工作能力，不再排水。

在其爆裂時的最不利工況時，按照上庫正常蓄水位，球閥前壓力鋼管最大過流面積DN200直徑考慮，計算恒定出流時流量為2.51 m3/s；蝸殼進人門按DN600直徑進行考慮，計算恒定出流時流量為22.59 m3/s；；頂蓋螺栓斷裂時，考慮最不利情況，電站頂蓋掀起時，過流斷面流量由蝸殼最小斷面流量決定，其斷面圓直徑為2.1 m，計算恒定出流時流量為276.71 m3/s。計算結(jié)果如圖1、2、3所示。

圖1 壓力鋼管排水管爆管淹沒速率

2.4.1上平段設(shè)置蝶閥

當上平段不設(shè)蝶閥，爆管后發(fā)生水淹廠房事故時，滲漏排水泵自動啟動，廠房內(nèi)水量最大時將淹至水泵水輪機層以上，淹沒高程為水泵水輪機層以上1.94 m高度。當關(guān)閉時間為120 s時，廠房內(nèi)水量最大將淹至水泵水輪機層以上，淹沒高度為0.63 m。各層淹沒時間如表1所示。

表1 壓力鋼管排水管爆管淹沒時間 min

在上平段設(shè)置蝶閥，對DN200球閥前壓力鋼管排水管爆裂的工況，水泵水輪機層淹沒高度將減少約1.28 m，且設(shè)置蝶閥后水泵水輪機層的淹沒高程不超過1 m，保證了人員安全。

圖2 蝸殼進人門螺栓斷裂淹沒速率

當上平段不設(shè)蝶閥，蝸殼進人門螺栓斷裂后發(fā)生水淹廠房事故時，滲漏排水泵啟動，廠房內(nèi)水量最大時將淹至發(fā)電動電機層，至最高水位淹沒時間為0.78 h，淹沒高度為0.62 m。當上平段設(shè)置蝶閥，蝶閥關(guān)閉時間為60 s時，爆管后若水淹廠房，廠房內(nèi)水量最大時將淹至水泵水輪機層以上層，淹沒高度為3.12 m。蝶閥關(guān)閉時間為120 s時，爆管后若水淹廠房，廠房內(nèi)水量最大時將淹至水泵水輪機層以上，淹沒高度為5.71 m。各層淹沒時間如表2所示。

表2 蝸殼進人門螺栓斷裂淹沒時間 min

在上平段設(shè)置蝶閥，對DN600蝸殼進人門螺栓撕裂工況，淹沒高層從發(fā)電電動機層降低至水泵水輪機層，對水淹廠房事故改善較大。保證了母線層及以上的電氣設(shè)備安全，為人員和重要設(shè)備的轉(zhuǎn)移創(chuàng)造了條件。

2.4.2設(shè)置自流排水洞

當采取自留排水洞排水措施時，自流排水洞高程為277.30 m，錐管層高程為287.5 m，自流排水洞斷面如圖3所示。

圖3 自流排水洞斷面(單位：mm)

錐管層淹沒水時：此時自流排水洞的排水流量由路廊道層格柵過流通道決定。計算通流面積大約為1.5×5=7.5 m2。在管路廊道層水位達到一定高度時，自流排水洞將達到滿流狀態(tài)。此時當自流排水洞排水流量與爆管流量相同時，地下廠房內(nèi)的水位達到最高，假設(shè)此時淹沒高度為H管，經(jīng)計算當發(fā)生DN200爆管和蝸殼進人門螺栓斷裂時，地下廠房內(nèi)的水位最高分別為0.13 m和1.09 m，淹沒高程較低，且地下廠房內(nèi)人員有足夠的時間處理事故。對于頂蓋螺栓斷裂工況，由于廠房淹沒進水流量較大，故必須切斷進水來源并加強排水措施防止事故擴大。

圖4 頂蓋螺栓斷裂淹沒速率

如圖4和表3所示，當頂蓋栓斷裂引起頂蓋掀開水淹廠房時，若設(shè)置自流排水洞不設(shè)蝶閥時，廠房內(nèi)水量最大時將淹至電動電機層，且廠房容量不足以容納上庫進水量。當不設(shè)置自流排水洞，在上平段設(shè)置蝶閥時，蝶閥關(guān)閉時間為60 s時，頂蓋螺栓斷裂后水淹廠房，廠房內(nèi)水量最大時將淹至發(fā)母線層以上，淹沒高度為5.07 m。蝶閥關(guān)閉時間為120 s時，廠房內(nèi)水量最大時將淹至電動發(fā)電機層以上，淹沒高度為4.16 m。當設(shè)置自留排水洞同時在上平段設(shè)置蝶閥時，蝶閥關(guān)閉時間為60 s時，頂蓋螺栓斷裂后水淹廠房，廠房內(nèi)水量最大時將淹至水泵水輪機層以上，淹沒高度為3.97 m。蝶閥關(guān)閉時間為120 s時，廠房內(nèi)水量最大時將淹至電動發(fā)電機層以上，淹沒高度為0.57 m。

表3 頂蓋螺栓斷裂淹沒時間 min

3 結(jié)論及建議

(1)通過對抽水蓄能電站防水淹廠房事故演算與風險分析發(fā)現(xiàn)，地下廠房設(shè)置自流排水洞對于廠房內(nèi)局部爆管防水淹廠房事故情況具有顯著的改善效果；對于不具備設(shè)自流排水洞條件、采用水泵間接排水的抽水蓄能電站，上平段設(shè)置蝶閥或其它具有快速截斷能力的裝置對防止水淹廠房事故進一步擴大作用顯著。

(2)當出現(xiàn)蝸殼進人門螺栓撕裂等類似工況發(fā)生時，通過上平段蝶閥或其它具有快速截斷能力的裝置緊急關(guān)閉，可以將淹沒高程從電動發(fā)電機層降低到水泵水輪機層及以下，不僅可以保證母線層以上的電氣設(shè)備安全運行，并可為重大事故發(fā)生時延緩事故進一步擴大、人員撤離、重要設(shè)備轉(zhuǎn)移等創(chuàng)造有利條件。

(3)對于頂蓋螺栓斷裂工況發(fā)生水淹廠房時，單獨設(shè)置蝶閥或其它裝置快速截斷水流，或單獨設(shè)置自流排水洞對防水淹廠房程度難以實現(xiàn)有效的控制措施，當兩者相結(jié)合時，蝶閥采用60 s關(guān)閉時，可以有效控制廠房淹沒高度在母線層地面高程以下。

(4)由于當頂蓋螺栓斷裂工況造成水淹廠房事故時，淹沒流量和速度均較快，因此需要加強對機組主要受力部件(如連接螺栓等)的定位監(jiān)控[5]，對螺栓的疲勞情況、松動情況、無損探傷等作為重點進行切實有效的監(jiān)控和維護[6，7]，避免事故的發(fā)生。