李少春 左程 陳諭忻 李彥昭 徐越峰 徐望真

（1.湖南平江抽水蓄能有限公司，湖南 岳陽 414599；2.國網(wǎng)新源控股有限公司，北京 100052）

0 引言

隨著抽水蓄能電站布局范圍和建設規(guī)模的擴大，地下廠房水患威脅日益嚴重，僅依靠滲漏排水系統(tǒng)難以保證電站安全穩(wěn)定運行。電站運行過程中一旦遭遇地下洞室群異常來水或管道破裂、閥門損壞等突發(fā)事件，將造成地下廠房來水量突增，遠超地下廠房排水系統(tǒng)的排水能力，從而引發(fā)水淹廠房事故。

目前關(guān)于抽水蓄能電站排水系統(tǒng)的研究主要圍繞地下洞室群圍巖滲漏水，針對地下廠房異常涌水的應急排水型式研究較少。國內(nèi)外關(guān)于應急排水系統(tǒng)的研究主要集中在地下礦山、地鐵隧道、城市內(nèi)澇應急排水等方面［1-4］，多以高性能水泵為基礎(chǔ)，通過多泵串并聯(lián)的方式提高排水能力［5-7］。而抽水蓄能電站地下廠房空間結(jié)構(gòu)復雜，且受進廠交通洞條件限制，無法同時并聯(lián)多臺套排水裝備，難以在短時間內(nèi)滿足抽水蓄能電站大流量、高揚程的應急排水需求。本文在現(xiàn)有排水技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合抽水蓄能電站實際特點，提出了一種適用于地下廠房應急搶險救援的應急排水方案，有利于提高抽水蓄能電站水淹廠房事件的應急處置水平。

1 工程背景

1.1 抽水蓄能電站地下廠房布局

抽水蓄能電站主要由上水庫、下水庫、引水系統(tǒng)、地下廠房洞室群、地面開關(guān)站等構(gòu)成。地下廠房洞室群布置在上、下水庫之間的山體中，處于引水系統(tǒng)下方和整個電站系統(tǒng)的較低位置，部分區(qū)域甚至低于下水庫正常蓄水位。抽水蓄能電站地下廠房外圍結(jié)構(gòu)如圖1 所示。地下主副廠房內(nèi)安裝水輪發(fā)電機組和各種輔助設備，是水電站廠房的主要組成部分，由下至上可劃分為尾水管層、蝸殼層，水輪機層，母線層、發(fā)電機層。

圖1 抽水蓄能電站地下廠房外圍結(jié)構(gòu)示意

1.2 電站現(xiàn)有排水系統(tǒng)

抽水蓄能電站地下廠房現(xiàn)有排水系統(tǒng)主要針對來自山體地下水、輸水隧洞的滲漏水以及設備檢修滲漏水，通過排水溝、地漏、排水帷幕、排水廊道等方式，形成外圍排水及內(nèi)部排水2 套滲漏排水體系［8］，2 套排水系統(tǒng)最終均匯入集水井，再通過自流排水或機械抽排進行排放、回用。

檢修滲漏排水系統(tǒng)總排水能力一般在1 000~2 000 m3/h。發(fā)生水淹廠房時，排水能力仍十分有限，且面臨失效風險，無法滿足大量異常涌水、水淹廠房事故發(fā)生情況下的排水需要。

2 排水需求分析

1）排水流量。電站最大積水量和救援時間確定的條件下，可以根據(jù)式（1）計算應急排水應滿足的平均排水流量：

式中，Q 為應急排水過程中的平均排水流量，m3/h；V為電站最大積水量，m3；T 為排水時間，h。

該電站總積水量35.0 萬m3，其中，發(fā)電機層是主要積水區(qū)域，約占水淹廠房總積水量的60%。本文將應急排水時間限制在72 h，由式（1）計算平均排水流量需求為4 861 m3/h，取5 000 m3/h。

2）排水高差。該電站地下廠房總高差102.5 m。發(fā)電機層以下高差為底層排水廊道底板至發(fā)電機層地板間的垂直距離，約30.0 m。發(fā)電機層高差為發(fā)電機層地板至主廠房拱頂?shù)拇怪本嚯x，約25.5 m。發(fā)電機層以上高差為發(fā)電機層拱頂至地面的垂直距離，約47.0 m。

3）排水距離。進廠交通洞是連接地面和地下廠房用于運輸廠房設備和人員進出的隧洞。因此以進廠交通洞長度表示排水距離。該電站進廠交通洞長度約1 143 m，取排水距離1 200 m，屬長距離排水。

3 應急排水方案設計

3.1 應急排水階段劃分

針對該抽水蓄能電站地下廠房完全淹沒場景，結(jié)合各分層排水的實際特點，將應急排水過程整體劃分為前期電站自排、中期多車串聯(lián)排水、后期“取水+儲水+排水”3 個排水階段，針對每個階段制定合理有效的應急排水方案和措施。排水階段劃分如圖2 所示。

3.2 前期電站自排方案

該階段主要是在應急救援基干分隊到達現(xiàn)場之前，由電站依靠自行儲備的應急排水裝備進行前期排水。因此，考慮到市面大流量排水泵的揚程，將前期排水高度限制在10 m 以內(nèi)，即該階段需要排出初始水位至初始水位以下10 m 范圍內(nèi)積水。

1）水泵。前期排水階段重點排出發(fā)電機層以上進廠交通洞、通風兼安全洞及部分未封堵施工支洞內(nèi)頂部區(qū)域10 m 范圍內(nèi)積水，電站自行儲備潛水泵數(shù)量由式（2）計算：

式中，n為初期潛水泵數(shù)量，個；V1為初期積水量，m3；t1為應急救援基干分隊到達現(xiàn)場時間，h；Q1為潛水泵單泵流量，m3/h。

選擇配備流量500 m3/h、揚程10 m，功率22 kW的潛水泵進行排水。計算該電站排水初期積水量約17 000 m3，救援隊到達現(xiàn)場時間約10 h，由式（2）得電站需自行儲備4 臺該型號潛水泵。

2）排水管道。水泵配備水帶的直徑和流量有關(guān)，根據(jù)經(jīng)濟流速按式（3）估算［9］：

式中，D為排水管內(nèi)徑，mm；Q為單條管路排水流量，m3/h；Vd為排水管內(nèi)經(jīng)濟流速，m/s，取4m/s。計算得到排水管內(nèi)徑約為210 mm，選取DN250 mm 水帶，即流量為500 m3/h的水泵需要配1根DN250的水帶。

水帶長度與排水高差和進場交通洞坡度有關(guān)，根據(jù)式（4）計算：

式中，L 為水帶長度，m；H 為初期排水高度，m；i 為進廠交通洞平均縱坡。該電站初期排水高度為16 m，進廠交通洞平均縱坡為5%，計算排水距離320 m?？紤]到水帶布置過程中彎曲等情況，單臺潛水泵配備水帶長度取400 m。

3）動力源。配備與水泵功率相符的發(fā)電車作為電源保障。滿負荷狀態(tài)下4 臺水泵總功率為88 kW，考慮一定的富余系數(shù)，該電站需配備1 臺120 kW的應急電源車。

3.3 中期多車串聯(lián)排水方案

該階段重點排出發(fā)電機層及發(fā)電機層以上區(qū)域剩余未排出的積水。該層積水量為所有分層中最大，且排水高度較大，本文采用排水車串聯(lián)的方式將積水排出至地表。

該電站發(fā)電機層排水高度72.5 m，宜采用高揚程應急排水車進行排水。本文選用大流量高揚程排水搶險車，單車配備600 kW 發(fā)電機組和10 臺接力輕型潛水泵，單臺泵額定流量為500 m3/h，額定揚程20 m，額定功率約50 kW。采用多泵分散抽排，總排水流量5 000 m3/h。將4 臺泵車串聯(lián)運行即可滿足高揚程排水需求。此時由式（3）計算排水管內(nèi)徑約為210 mm，選取DN250 mm 水帶。

3.4 后期取水儲水排水方案

該階段重點需要排出母線層、水輪機層、蝸殼層及底層排水廊道內(nèi)積水。分層均處于發(fā)電機層以下，現(xiàn)場空間較為狹小，大型排水裝備無法進入，考慮采用浮艇泵進入各分層取水，將積水排出至發(fā)電機層。在發(fā)電機層設置蓄水池將浮艇泵取水暫存，再通過進廠交通洞內(nèi)布置的多泵串聯(lián)排水裝置排出至地表。此外，還可以考慮充分利用滲漏及檢修排水管道將蓄水池內(nèi)積水通過管道排出至地表。

1）取水方案。采用浮艇泵作為取水裝置，通過行人樓梯通道逐層將各分層積水排出至發(fā)電機層?？紤]到浮艇泵重量限制，設計單泵額定流量為250m3/h，額定揚程20 m，功率22 kW。此時單泵質(zhì)量35 kg，可以人為搬運放入積水。將10 臺浮艇泵集成于單后橋式取水車中，配備額定功率300 kW 發(fā)電機組，單車取水流量達2 500 m3/h。由式（3）計算排水管內(nèi)徑約為148 mm，選取DN150 mm 水帶；單臺浮艇泵配備水帶長度取50 m。

為使發(fā)電機層以下排水流量達到5 000 m3，同時滿足檢修滲漏管道排水通道的排水能力，考慮配備3臺取水車，共計流量7 500 m3/h。底層排水廊道積水量相對較少，可將取水車減少至1 臺。

2）儲水方案。儲水方案使用充氣式圓形蓄水池將浮艇泵排出的積水暫存。參考《室外排水設計標準》（GB 50014—2021）6.3 節(jié)泵站相關(guān)規(guī)定，集水池容積不應小于水泵60 s 出水量?；诖?，由式（5）計算水池尺寸。

式中，n 為蓄水池個數(shù)；Q2為取水泵總流量，m3/h；H2為水池有效高度，取0.7 m。經(jīng)計算，該電站可設置5個半徑3.7 m 的集水池。

將集水池布置于發(fā)電機層行人樓梯一側(cè)，如圖3所示，浮艇泵平均放入5 臺充氣式蓄水池中。蓄水池數(shù)量靈活調(diào)整，蓄水池間應通過管道互相連通，形成整體互補的集水裝置，同時注意連接處做防漏水處理。

圖3 集水池布置點位

3）排水方案。該方案主要將蓄水池內(nèi)暫存的積水排出至地表。一方面，利用發(fā)電機層排水時在進廠交通洞布置的多車串聯(lián)機組排水，具體參考3.3節(jié)；另一方面，采用高揚程排水泵，將蓄水池內(nèi)積水通過檢修滲漏排水管道排出至地表。根據(jù)檢修滲漏通道排水流量2 500 m3/h、揚程100 m 的總體需求，結(jié)合市面上現(xiàn)有排水裝置型式，選取5 臺單泵額定流量500 m3/h、揚程100 m 的拖車式自吸泵進行排水。拖車式自吸泵車自帶300 L油箱，并以柴油機為動力直接驅(qū)動自吸泵。

3.5 總排水時間分析

結(jié)合各階段排水方案與排水時間，計算總排水時間如表1 所示，滿足應急排水時間要求。

表1 排水時間分析

4 多泵串聯(lián)工況分析

涉及多泵串聯(lián)運行時最主要的是高效運行工況點的確定，本文采用圖解法確定串聯(lián)水泵組聯(lián)合運行時工況點。本方案中，單泵額定排水流量500 m3/h，揚程20 m，單泵的最高效率點為75%。排水系統(tǒng)本身凈揚程72.50 m，方案采用4 臺泵串聯(lián)運行，根據(jù)裝置與管阻特性繪制性能曲線。如圖4，串聯(lián)泵聯(lián)合運行曲線與管路特性曲線的交點即為裝置工況點。串聯(lián)運行工況點對應的流量約400 m3/h，此時單泵效率約69%，仍在最高效率點附近，能夠保證水泵高效運行。

圖4 小流量低揚程排水車串聯(lián)排水工況點

5 結(jié)論

1）明確了該抽水蓄能電站應急排水總體需求：排水流量5 000 m3/h、排水高差102.5 m、排水距離1 200 m。

2）提出了前期電站自排、中期多車串聯(lián)排水、后期取水儲水排水的綜合應急排水方案，并根據(jù)排水需求確定出應急排水裝備關(guān)鍵參數(shù)。①前期排水階段，抽水蓄能電站利用自行儲備的4 臺流量500 m3/h、揚程10 m 的潛水泵將交通洞及通風洞頂部10 m 范圍內(nèi)積水排出，同時等待應急救援基干分隊到達現(xiàn)場；②中期排水階段，通過在進廠交通洞內(nèi)串聯(lián)4 臺流量5 000 m3/h、揚程20 m 的應急排水車，將發(fā)電機層及以上未排區(qū)域內(nèi)積水排出；③后期排水階段，采用3 臺流量2 500 m3/h、揚程20 m的取水泵車將發(fā)電機層以下積水取出，并在發(fā)電機層平臺布置5 個容積30 m3的充氣式蓄水池進行儲水，再利用進廠交通洞內(nèi)多車串聯(lián)排水系統(tǒng)及檢修滲漏管道連接5 臺流量500 m3/h、揚程100 m 的拖車式自吸泵進行排水。

3）采用圖解法分析了本文中串聯(lián)泵組聯(lián)合運行時工況點，效率約69%，仍在最高效率點附近，方案可行。