鐘全勝，童 慧，蔣立新，任 鑫，鐘聚光

(1.中國電建集團(tuán)中南勘測(cè)設(shè)計(jì)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?jī)?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(jī)電設(shè)備均位于地下廠房。抽水蓄能電站水頭多為500～700 m，機(jī)組吸出高度一般為負(fù)幾十米或上百米，且輸水管路很長，一旦發(fā)生機(jī)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(dǎo)致水淹廠房，給電站帶來重大經(jīng)濟(jì)損失，甚至造成人身傷亡。

2012年安徽某抽水蓄能電站在試驗(yàn)時(shí)，水泵水輪機(jī)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(jī)組甩負(fù)荷過程中，水輪機(jī)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(shè)計(jì)應(yīng)是抽水蓄能電站設(shè)計(jì)的重點(diǎn)之一，應(yīng)對(duì)此進(jìn)行專項(xiàng)研究和評(píng)價(jià)。在電站機(jī)組或其輔助系統(tǒng)出現(xiàn)事故時(shí)，如水輪機(jī)頂蓋螺栓撕裂、技術(shù)供水管路破裂，機(jī)組進(jìn)水閥和尾閘室事故閘門承擔(dān)著防止事故擴(kuò)大的責(zé)任，但以上事故工況下，進(jìn)水閥可能因電源丟失或油路失壓等原因拒動(dòng)，而上水庫進(jìn)/出水口事故閘門是切斷上水庫水源，防止事故擴(kuò)大的重要保障，因此優(yōu)化該閘門的設(shè)計(jì)和布置，是電站防水淹廠房設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容。

目前，國內(nèi)外針對(duì)抽水蓄能電站防止水淹廠房的設(shè)計(jì)尚無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)閘門防水淹廠房的專項(xiàng)研究較少。對(duì)此，為提高電站防水淹廠房能力，減少水淹廠房損失，對(duì)上水庫進(jìn)/出水口事故閘門進(jìn)行防水淹廠房設(shè)計(jì)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(jìn)/出水口事故閘門典型布置

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

圖1 抽水蓄能電站上水庫進(jìn)/出水口典型事故閘門及啟閉機(jī)布置示意(單位：m)

由于閘門底緣距離門槽底檻較遠(yuǎn)，閘門閉門時(shí)間較長，如平江抽水蓄能電站上水庫進(jìn)/出水口事故閘門，閉門行程約51 m，閉門時(shí)間約15 min。QPQ型固定卷揚(yáng)式啟閉機(jī)工作時(shí)需要?jiǎng)恿﹄娫?，?duì)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(dòng)水淹廠房動(dòng)作保護(hù)，但由于廠用電丟失，且備用動(dòng)力電源跳閘，導(dǎo)致上水庫事故閘門在發(fā)生事故后35 min、備用電源恢復(fù)后才開始動(dòng)作。

因此，為提高事故閘門防事故擴(kuò)大的能力，減少水淹廠房損失，縮短事故工況閘門閉門時(shí)間，提高閘門閉門可靠性，有必要研究將卷揚(yáng)式啟閉機(jī)操作的事故閘門改為由液壓?jiǎn)㈤]機(jī)操作的快速閘門。

2 快速閘門方案防事故擴(kuò)大能力

以平江抽水蓄能電站為例，對(duì)比上水庫進(jìn)/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(dòng)時(shí)的廠房淹沒情況，分析快速閘門方案防事故擴(kuò)大的能力。平江抽水蓄能電站裝有4臺(tái)單機(jī)容量350 MW機(jī)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(jì)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(jìn)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(shè)計(jì)方案如下：方案1，電站設(shè)置事故閘門，不設(shè)自流排水洞，采用水泵間接排水；方案2，電站設(shè)置事故閘門，設(shè)自流排水洞；方案3，電站設(shè)置快速閘門，不設(shè)自流排水洞，采用水泵間接排水；方案4，電站設(shè)置快速閘門，設(shè)自流排水洞。各方案中，事故閘門閉門時(shí)間15 min，快速閘門閉門時(shí)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(jì)算；閘門落下后，流道平段按定水頭出流計(jì)算，斜井段按照變水頭出流計(jì)算。計(jì)算結(jié)果如表1所示。

可以看出，對(duì)于電站不設(shè)置自流排水洞的方案，工況1下，設(shè)置快速閘門可將水輪機(jī)層淹沒深度減小到1 m以下，保證了該層運(yùn)行人員的安全；工況2下，設(shè)置快速閘門淹沒高層從發(fā)電機(jī)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(shè)備的安全，保證了母線層運(yùn)行人員的安全。對(duì)于電站設(shè)置自流排水洞的方案，快速閘門對(duì)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(shí)間，減小設(shè)備損失。工況3下，由于出流斷面過大，各方案均會(huì)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(shí)間，減小設(shè)備損失。

表1 各方案水淹情況對(duì)比

考慮到多數(shù)規(guī)劃或籌建抽水蓄能電站裝機(jī)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(jì)算結(jié)果可以看出，抽水蓄能電站，尤其是不設(shè)置自流排水洞的電站，上水庫進(jìn)/出水口設(shè)置快速閘門對(duì)防止水淹廠房事故擴(kuò)大，減少水淹廠房損失具有較大的積極作用。

3 設(shè)置常規(guī)水電站進(jìn)水口快速閘門方案

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

3.1 設(shè)備布置和選型

在進(jìn)/出水口攔污柵下游設(shè)置快速閘門，閘門采用液壓?jiǎn)㈤]機(jī)操作，布置如圖3所示。

圖3 抽水蓄能電站上水庫進(jìn)/出水口設(shè)常規(guī)水電站進(jìn)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(shè)置在上水庫側(cè)，頂、側(cè)止水設(shè)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(jī)連接，平時(shí)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?jiǎn)㈤]機(jī)采用浮動(dòng)式支承結(jié)構(gòu)，液壓系統(tǒng)閉門回路采用差動(dòng)回路。

為避免液壓系統(tǒng)漏油時(shí)，液壓?jiǎn)㈤]機(jī)自動(dòng)復(fù)位失靈導(dǎo)致閘門下落，啟閉機(jī)頂部設(shè)置活塞桿機(jī)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?jiǎn)㈤]機(jī)和快速閘門檢修采用雙向門機(jī)操作。

3.2 方案分析

《抽水蓄能電站設(shè)計(jì)導(dǎo)則》條文說明指出：“當(dāng)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(shí)，應(yīng)通過模型試驗(yàn)來論證涌波對(duì)閘門的影響。只有論證閘門確實(shí)處于安全狀態(tài)，才能采用這種布置，否則應(yīng)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(jī)組頻繁工況轉(zhuǎn)換帶來的雙向脈動(dòng)水流造成閘門晃動(dòng)，容易使吊耳及吊軸等承重構(gòu)件發(fā)生疲勞破壞，閘門的正、反向支承受到反復(fù)沖擊。這些不利于閘門安全的因素，在設(shè)計(jì)時(shí)均應(yīng)克服”[4]。

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

對(duì)于抽水蓄能電站，上水庫進(jìn)/出水口主要可分為側(cè)式進(jìn)/出水口和豎井式進(jìn)/出水口，側(cè)式進(jìn)/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(jìn)/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(jìn)/出水口(如溧陽抽水蓄能電站)外，其余的進(jìn)/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(yuǎn)，典型工程統(tǒng)計(jì)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(yuǎn)，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(shí)由于上水庫進(jìn)/出水口至水輪機(jī)導(dǎo)葉之間的輸水管道很長，再加之抽水蓄能電站機(jī)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(dòng)水流也是常規(guī)水電站不具有的。再者，若閘門設(shè)計(jì)水頭較高，需要設(shè)置多節(jié)拉桿，閘門與啟閉機(jī)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(dòng)水流造成快速閘門及其連接構(gòu)件破壞的可能性加大。

表2 典型工程上水庫進(jìn)/出水口事故閘門井與輸水水道入口距離統(tǒng)計(jì)

抽水蓄能電站在抽水工況時(shí)，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(jìn)/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(yuǎn)大于快速閘門及輸水管道的設(shè)計(jì)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(jìn)/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(jìn)/水口采用設(shè)置常規(guī)水電站進(jìn)水口快速閘門的方案。

4 設(shè)置閘閥式快速閘門方案

分析常規(guī)水電站進(jìn)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(dòng)水流的不利影響，是研究快速閘門方案可行性的一個(gè)重要方向。參考抽水蓄能電站尾閘室設(shè)置事故閘門實(shí)踐，在抽水蓄能電站進(jìn)/出水口設(shè)置閘閥式快速閘門。

4.1 設(shè)備布置和選型

在進(jìn)/出水口攔污柵下游設(shè)置快速閘門，閘門采用液壓?jiǎn)㈤]機(jī)操作，布置如圖4所示。

圖4 抽水蓄能電站上水庫進(jìn)/出水口設(shè)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(shè)置在上水庫側(cè)，頂、側(cè)止水設(shè)置在廠房側(cè)，利用水柱閉門。閘門門槽頂部設(shè)置密封蓋板，蓋板兼做液壓?jiǎn)㈤]機(jī)機(jī)架。閘門直接與啟閉機(jī)連接，平時(shí)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?jiǎn)㈤]機(jī)采用固定式支承結(jié)構(gòu)，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(dòng)回路，啟閉機(jī)除配置交流電外，還配有蓄電池。

為避免液壓系統(tǒng)漏油時(shí)，液壓?jiǎn)㈤]機(jī)自動(dòng)復(fù)位失靈導(dǎo)致閘門下落，同時(shí)為防止閘門與啟閉機(jī)連接構(gòu)件破壞導(dǎo)致閘門下落，在密封蓋板上設(shè)置鎖定裝置和監(jiān)測(cè)裝置，鎖定裝置成對(duì)布置，如圖5所示。閘門在全開位時(shí)，閘門頂部的鎖定吊耳與鎖定吊軸脫空，處于待命保護(hù)狀態(tài)；當(dāng)閘門下降到設(shè)計(jì)行程，鎖定吊耳與鎖定吊軸接觸，阻止閘門繼續(xù)下落，同時(shí)監(jiān)測(cè)裝置發(fā)送信號(hào)報(bào)警。極端工況下，鎖定裝置失效，閘門繼續(xù)下落，監(jiān)測(cè)裝置通過行程開關(guān)將此事故信號(hào)引至電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)報(bào)警并執(zhí)行事故停機(jī)組、關(guān)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(duì)閘門及其連接構(gòu)件的沖擊較小，較大地減小了閘門井內(nèi)涌波的不利影響?？焖匍l門反向及側(cè)向支承采用輪子加彈性結(jié)構(gòu)(或板彈簧)的形式，閘門會(huì)被水封、反向支承及側(cè)向支承這些彈性構(gòu)件預(yù)壓頂緊，當(dāng)閘門處于全開狀態(tài)時(shí)，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(dòng)水流造成的閘門晃動(dòng)，減小雙向脈動(dòng)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?jiǎn)㈤]機(jī)連接，連接環(huán)節(jié)少，連接構(gòu)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(jī)的連接即便破壞，閘門也不會(huì)掉落，極大地降低了閘門意外墜落的風(fēng)險(xiǎn)。該鎖定裝置運(yùn)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(shè)有監(jiān)控裝置保護(hù)，若出現(xiàn)多重事故疊加的極端工況導(dǎo)致閘門掉落，監(jiān)測(cè)裝置能立刻向電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)報(bào)警并執(zhí)行事故停機(jī)組、關(guān)球閥等保護(hù)動(dòng)作。

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

4.2.2方案評(píng)價(jià)

(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(dòng)水關(guān)閉，切斷水流。平江抽水蓄能電站上水庫進(jìn)/出水口采用閘閥式快速閘門方案，閘門閉門時(shí)間可由15 min縮短至3～4 min，當(dāng)出現(xiàn)水淹廠房事故時(shí)，快速閉門有利于減小電站財(cái)產(chǎn)損失，有利于運(yùn)行人員安全撤離，提高了閘門的防事故擴(kuò)大能力。

(2)液壓系統(tǒng)閉門回路采用差動(dòng)回路，通過操作差動(dòng)回路上的電磁閥，即可將液壓?jiǎn)㈤]機(jī)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(jī)供電，保證鎖定裝置打開，閘門及時(shí)下落，提高了事故工況下閘門閉門的可靠性。

(3)造價(jià)方面，對(duì)平江抽水蓄能電站上水庫進(jìn)/出水口設(shè)置事故閘門和快速閘門兩個(gè)方案主要工程量進(jìn)行了造價(jià)對(duì)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(jìn)/出水口閘門方案造價(jià)對(duì)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(duì)抽水蓄能電站上水庫進(jìn)/出水口設(shè)置快速閘門的方案進(jìn)行探討。采用常規(guī)水電站進(jìn)水口快速閘門的方案，閘門井內(nèi)涌波和雙向脈動(dòng)水流將給抽水蓄能電站中的快速閘門及其連接構(gòu)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(dòng)水流的不利影響，通過設(shè)置鎖定、監(jiān)測(cè)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(shí)間由15 min降低至3～4 min，能提高閘門防事故擴(kuò)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(shè)計(jì)提供了新的思路。為確保上水庫進(jìn)/出水口閘閥式快速閘門方案的安全可靠，下一步可對(duì)此開展專題研究工作。