冷竹關水電站引水隧洞放空操作要點分析與經(jīng)驗總結

四川華能康定水電有限責任公司 胡正建 余 斐

有壓引水式電站正常運行時隧洞內(nèi)承受較高的水壓，隧洞地質結構復雜多變，存在水頭高、水量多、山體滲漏水多等特點，往往需通過混凝土灌漿、襯砌等進行加固和防滲處理，以提高引水隧洞的安全可靠性[1]。由于有壓引水式電站存在隧洞長，壓力高、水頭高等特點，不便于將引水系統(tǒng)放空全停檢修。因此每一次全停放空檢修機會都是彌足珍貴，需前期進行充分的準備，分析、評估、計算引水系統(tǒng)放空操作過程中存在的安全風險，并制定各項措施、方案，以保證放空操作安全、設備檢修工作有序開展[2]。

1 電站概況及放空風險分析和準備工作

1.1 電站概況

冷竹關水電站位于四川省甘孜藏族自治州瀘定縣境內(nèi)，為大渡河支流瓦斯河梯級開發(fā)的最后一級引水式梯級電站?？刀ㄒ韵轮梁涌诟闪鞫翁烊宦洳?108m，平均比降達42.3‰，多年平均流量46.2m3/s，多年平均懸移質輸沙量為9.38萬t，多年平均含沙量為62.7g/m3，水質較差。

冷竹關水電站屬徑流式電站，為低閘引水式開發(fā)，電站裝機容量180MW，安裝3臺60MW的GE公司混流式機組，額定水頭362m，設計引用流量54.9m3/s，水庫正常蓄水位為1763.50m，死水位為1752.00m，可調節(jié)庫容32.94萬m3，壓力隧洞全長6274.085m，年利用為5494小時，多年平均發(fā)電量為9.889億kWh，電站泄洪、引水、防沙遵循“側向取水、正向沖沙”的原則。電站由首部樞紐、引水系統(tǒng)、廠區(qū)樞紐三大部分組成，壓力管道采用一管三機的布置型式，主管長661.118m、內(nèi)徑3.4m，隧道末端坡度大、壓力高。為檢修、運行方便，設置三個支洞岔口檢修進人門，作為檢修通道。

冷竹關水電站三臺機組球閥自2006年檢修后距今已運行12年之久，近年來發(fā)現(xiàn)三臺機組球閥不同程度出現(xiàn)漏水情況，且漏水趨勢逐漸增大，嚴重影響機組大、小修等工作，急需進行大修以確保機組正常檢修工作。而球閥大修必須對引水系統(tǒng)進行放空處理，結合本次全停同步開展了三臺機組球閥大修、引水系統(tǒng)放空檢查及清淤、清污機檢查消缺、壓力鋼管探傷等工作。

1.2 風險分析

理論上放空流量越小對于引水隧洞來說就越安全，但放空時間會相應變長影響工期和發(fā)電、經(jīng)濟性較差，若放空的流量過大對站內(nèi)設備和引水隧洞來說又有較大的安全隱患、安全性得不到保障。引水隧洞放空操作需在經(jīng)濟性和安全性之間找到一個平衡。由于冷竹關水電站沒有專門的隧洞放空設施，所以采用機組空轉的方式對引水隧洞進行放空操作是較為經(jīng)濟和安全的方式，但要注意把握停機的時機，不得超過設計最大放空流量。機組空轉進行放水期間，廠用電只有外來電源和上游梯級電站的一路備用電源，廠用電薄弱，并且電能質量難以保障。

引水隧洞長期承受較高的水壓，地質結構復雜，放空期間有隧洞坍塌事故風險；庫區(qū)放空過程中，水位越低余水水質越差，對機組調速器、調節(jié)機構、過流部件等機電設備都會形成一定的考驗；放空期間全站出力為0，削減庫區(qū)水位只能采取“開閘放水”的方式，可能會對下游河道造成較嚴重沖刷，對沿途村落居民形成生命和財產(chǎn)的威脅；引水隧洞放空完畢后，隧洞內(nèi)有大量山體滲漏水，大量泥沙通過山體滲漏水流向廠房，若不采取措施設法排出，不但會影響檢修工作進度，還會有水淹廠房的風險。

通過一臺機組空轉運行排水操作時，調速器應工作在“頻率”模式以維持100%額定轉速，確保機組安全。由于排水過程水頭會不斷降低，維持機組空轉的過機流量會逐漸增大，相應導葉開度會增加，調速器內(nèi)部邏輯可能會限制導葉開度，導致機組轉速無法維持100%額定轉速，可能使機組長期在低轉速運行損壞軸瓦，導葉開度被限制的同時還影響排水進度；由于人為因素，管理、監(jiān)視不到位等原因，放空操作導致事故。

1.3 放空前準備工作

組織成立《冷竹關水電站全停水檢修管理組織機構》，下設機電、土建、運行操作、安全監(jiān)督、后勤保障等五個小組，明確各級人員職責，確保全停檢修工作有序、順利進行；根據(jù)國家電力公司成都勘測設計研究院《冷竹關水電站運行說明書》設計要求，組織分析、討論、編制《冷竹關水電站引水系統(tǒng)排水充水方案》，確保放空操作安全；提前梳理全停檢修期間的檢修項目，編制相關檢修方案，合理控制檢修項目工期；提前與四川省電力公司調度中心進行溝通，辦理冷竹關水電站全停水檢修手續(xù)，保證檢修項目按計劃開工，并根據(jù)批準時間提前削減庫區(qū)水位。

提前與甘孜地方調度中心進行溝通，確定全停期間地方外來電源備用情況，組織檢查電站閘首及廠區(qū)供電系統(tǒng)設備情況、柴油儲備充足，編制《冷竹關水電站全停檢修期間保廠用電方案》，確保電源安全可靠；以書面形式向康定市防汛辦辦理放水申請手續(xù)，通知姑咱鎮(zhèn)防汛辦及下游沿途村落，做好宣傳。組織對河道預警系統(tǒng)及閘壩下游河道進行安全隱患排查、梳理，確認無影響過水的風險；全面組織檢查、調試冷竹關水電站進水口工作閘門、沖沙廊道閘門、排污閘門、沖沙閘門、泄洪閘門、廠房滲漏排水系統(tǒng)、機組尾水閘門、機組球閥及導葉等機電設備的操作機構完好，啟閉靈活可靠，形成書面檢查報告。

根據(jù)水工專業(yè)人員計算，整個引水系統(tǒng)約有15.5萬m3的水量，放空后山體必然有大量的滲漏水，針對機組球閥檢修、壓力鋼管探傷，結合電站尾水水位過高的實際情況，編制《冷竹關球閥大修引水隧洞滲漏排水方案》，防止全停檢修期間引水隧洞內(nèi)大量泥沙流入廠房集水井造成淤積。在廠房滲漏集水井內(nèi)安裝兩臺額定流量為250m3/h的臨時排污泵，排除隧洞內(nèi)泥沙及山體滲漏水。

安排專業(yè)人員核實調速器邏輯，確保機組在空轉運行情況下導葉開度不會被限制，否則必須現(xiàn)地手動控制導葉維持機組轉速，并安排專人24小時值守；提前編制關鍵數(shù)據(jù)表格，屆時供值班人員定期抄錄壓力、水位、導葉開度等重要數(shù)據(jù)，便于監(jiān)視排水進度和機組工況，分析安全隱患；在廠房內(nèi)專門設置全停檢修值班室，編制《冷竹關水電站全停檢修項目通訊錄》，確保全停檢修期間通訊暢通、溝通協(xié)調及時。

2 放空過程

電站集控中心根據(jù)庫區(qū)來水流量及水位情況，通過調整機組負荷逐步消落庫區(qū)水位至1756.00～1757.00m區(qū)間控制，期間密切監(jiān)視庫區(qū)垃圾及攔污柵壓差情況；當庫區(qū)水位降至1755.50m以下時，向調度申請減負荷至0MW，保留一臺機組運行，將其它機組解列停機。將負責引水系統(tǒng)排水機組解列至空轉運行，集控值班人員24小時監(jiān)視機組工況并記錄相關數(shù)據(jù)，現(xiàn)場值班人員定期巡視并記錄蝸殼壓力、導葉開度等關鍵數(shù)據(jù)變化情況，判斷引水系統(tǒng)排水進度。

啟動河道預警系統(tǒng)，巡查下游河道情況，按照閘門操作調度流程適當增大生態(tài)環(huán)保棄水流量進行預警。當下游河道巡查人員到位后，逐步開啟沖沙閘、泄洪閘，控制下泄流量大于入庫流量7m3/s～10m3/s，流量下泄應盡量保持平衡，避免造成人為洪峰，水庫放空時間不小于2小時；冷竹關水電站庫區(qū)形成自然河道后，全開閘首1#泄洪閘、2#泄洪閘、排污閘、沖沙閘、沖沙廊道，全關進水口檢修門，并做好閘門防誤動措施，專人看守，確保安全。

為保證隧洞的穩(wěn)定、防止隧洞坍塌，對排水流量有嚴格要求，只能采取一臺機組空轉運行進行排水，引水隧洞排水流量不得超過1.2m3/s，壓力管道排水流量不得超過1.5m3/s，冷竹關水電站單機在額定水頭362m下空轉引用流量為1.04m3/s；在引水系統(tǒng)排水過程中，密切監(jiān)視記錄蝸殼壓力變化趨勢，滿足排水速度要求，當水位達到對應引水隧洞檢修支洞門高程時，通知基建專業(yè)人員對檢修封堵頭進行檢查。

根據(jù)計算和實際觀測結果，當機組蝸殼進口壓力下降至3.33MPa時引水隧洞余水基本排空，此時計算的排水流量約為1.16m3/s，也即引水隧洞全程的最大排水流量，小于設計規(guī)范要求1.2m3/s，引水隧洞放空耗時約36小時，未發(fā)生不安全事件；當機組蝸殼進口壓力小于3.33MPa時進入壓力管道排水階段，壓力下降速度增快，現(xiàn)場人員嚴密監(jiān)視機組各關鍵數(shù)據(jù)，當蝸殼進口壓力下降至2.8MPa，此時導葉開度為18%，計算此時的排水流量為1.39m3/s，小于設計規(guī)范要求1.5m3/s，為穩(wěn)妥起見，上位機啟動1F機組自動停機流程，將1F機組停機。

待排水機組停機后，投入機組制動風閘，全開機組球閥，通過機組導葉進行排水，觀察蝸殼壓力變化趨勢以判斷排水速度，若排水速度過慢應手動適當開啟機組導葉，控制排水流量不大于1.5m3/s，以使機組不轉動為原則，若機組轉動則停機重新按此方法執(zhí)行，繼續(xù)進行排水；由于冷竹關水電站尾水水位過高，比蝸殼進口壓力傳感器安裝高程約高9m，所以當蝸殼壓力降至約0.1MPa后壓力不再變化，推測引水隧洞內(nèi)余水基本排空，壓力管道內(nèi)余水與尾水水位齊平，將按照《冷竹關球閥大修引水隧洞滲漏排水方案》進行壓力管道排余水工作。

落下三臺機組尾水閘門，通過退出機組球閥工作密封、檢修密封方式，將壓力管道內(nèi)余水排至機組尾水管，啟動兩臺檢修排水泵進行排水；引水系統(tǒng)完全排空后，在三臺機組球閥進水側布置擋水圍堰，安裝臨時潛水泵，將引水系統(tǒng)山體滲漏水引至廠房滲漏集水井，再通過安裝好的兩臺臨時排污泵抽至尾水渠，確保廠房安全和檢修工作有序開展；整個壓力鋼管段排水耗時4小時52分鐘，由于1F機組在停機后出現(xiàn)導葉錯位故障，且導葉漏水過大導致機組轉動不利于排余水，中途倒換至2F機組進行排水，消耗了2小時45分鐘。所以理論上整個引水系統(tǒng)放空操作總耗約38小時，符合設計規(guī)范要求。

3 經(jīng)驗總結

引水隧洞地質結構復雜、多變，放空過程中容易引起隧洞垮塌事故，應嚴格按照設計要求合理控制排水流量及速度，以不超過設計排水壓力為準，兼顧經(jīng)濟性和安全性，做好監(jiān)視和數(shù)據(jù)分析，把握水位、壓力關鍵點，當水頭降低無法滿足機組額定轉速運行時，應手動控制機組導葉以維持額定轉速運行，避免機組長期于低轉速運行，燒壞軸瓦；電站應結合自身實際情況判斷庫區(qū)淤積情況，在庫區(qū)放空操作過程中建議將電站全部機組停機備用，待庫區(qū)形成自然河道后再開機排引水隧洞余水。防止庫區(qū)水位過低大量泥沙通過空轉運行排水機組流入引水隧洞，影響機組運行安全。

末端大坡度集中落差設計的引水系統(tǒng)，在排水前期由于水頭下降不明顯，可充分利用機組調速器的自動化行為令調速器在自動模式下控制機組空轉排水，其一可使控制機組空轉更加可靠精確、減小人為手動控制誤操作的可能性，其二可減少現(xiàn)場值守人員配置、節(jié)省精力，只需要做好機組工況和數(shù)據(jù)監(jiān)視；提前分析壓力數(shù)據(jù)關鍵點，便于各專業(yè)人員做好迅速響應準備，在放空進入壓力鋼管排水高程時（冷竹關水電站體現(xiàn)在蝸殼進口壓力為3.33MPa，實際壓力到3.35MPa時現(xiàn)場值班人員就進入了密切監(jiān)視狀態(tài)）,蝸殼壓力將出現(xiàn)快速下降的情況，必須提前預計好停機的時機（本次停機選擇蝸殼進口壓力下降至2.8MPa時），不得使空轉過機流量大于壓力鋼管排水流量1.5m3/s，不得為節(jié)約排水時間讓機組繼續(xù)空轉，造成安全事故。

本次引水系統(tǒng)排空操作95%以上時間都在利用調速器自動控制機組空轉排水，故對機組調速系統(tǒng)有很高的要求，務必在操作開始前安排機械、電氣、自動化專業(yè)人員對其進行全面的檢查，確保在機組空轉排水過程中不發(fā)生影響排水操作的故障；本次排水操作的壓力鋼管段排水耗時較長，主要原因在于排水機組（1F機組）停機后發(fā)生導葉錯位故障，處理完畢后，開啟球閥嘗試手動控制導葉進行排水，但導葉開度還為0的情況下導葉漏水就使機組發(fā)生了轉動，不得不將排水機組由1F倒至2F機組，因此耽誤了較多的時間。吸取本次經(jīng)驗，建議在選擇排水機組時安排各專業(yè)人員進行充分評估，避免類似情況再次發(fā)生。

引水系統(tǒng)放空前期山體滲漏水量較大，且隧洞檢查及清淤時水質變差，可能大量泥沙會通過山體滲漏水流入廠房造成泥沙淤積。在條件允許的電站建議采取通過引水隧洞檢修支洞布置人工圍堰墻的分流措施，逐級將山體滲漏水量引走，盡可能減小流入廠房的滲漏水。電站應結合自身的實際情況提前編制好排水方案，充分考慮引水、排水、排沙的臨時措施，不得使用不具備排沙功能的水泵進行排沙，避免水泵運行故障導致集水井淤積，影響廠內(nèi)安全和檢修工作開展。

由于冷竹關水電站機組水輪機吸出高程為負值，若尾水門漏水則會影響檢修工作開展，在引水系統(tǒng)放空過程中，就可提前落下備用機組尾水閘門進行抽水試驗，核實尾水門是否漏水、便于提前處理，此方法可節(jié)省較多時間；引水系統(tǒng)放空后，在球閥進水側布置人工圍堰措施時，現(xiàn)場人員會頻繁通過球閥進出壓力鋼管，必須做好防止球閥誤動關閉的安全措施，且指定專人負責登記、批準進出人員情況，任何人員不得私自進入；充分利用上位機監(jiān)控系統(tǒng)功能，總結放空、充水操作經(jīng)驗，截取放空壓力、排水曲線圖保存，為下一次操作提供寶貴經(jīng)驗。

綜上，在當前日益嚴峻的電力形勢下，無調節(jié)能力的電站全停檢修工作基本安排在枯水期進行，盡可能的減少電量損失，珍惜每次全停機會，完成各項檢修、消缺工作，盡可能保質保量的完成。長壓力引水隧洞全停檢修排水越慢理論上就越安全，但卻又是不經(jīng)濟的，需平衡兩者間的關系?；仡櫪渲耜P水電站引水系統(tǒng)全停檢修過程，因前期準備充分，工作組織有力，安全措施得當，在全體工作人員共同努力下，沒有因管理和技術原因導致排水時間延誤，提前12天完成全部工作，恢復設備運行發(fā)電，冷竹關水電站引水系統(tǒng)放空操作做到了安全性和經(jīng)濟性的最佳結合。