地下式水電站排水系統風險評估及技術改進

張 濤，丁文婷

（1.中國長江電力股份有限公司三峽水力發電廠，湖北 宜昌 443133；2.國家電網湖北省電力公司特高壓直流運檢中心，湖北 宜昌 443000）

地下式水電站排水系統風險評估及技術改進

張 濤1，丁文婷2

（1.中國長江電力股份有限公司三峽水力發電廠，湖北 宜昌 443133；2.國家電網湖北省電力公司特高壓直流運檢中心，湖北 宜昌 443000）

地下式水電站發電廠房布置于地下洞室內，由于地質結構及相關技術要求，廠房深埋地下幾十至數百米不等，這使得地下式廠房排水系統管線布置受洞室結構限制較一般水電站排水系統復雜。針對地下式水電站排水系統具體情況，本文進行了排水系統水錘發生的風險分析，并介紹了相關的技術改進措施。

地下電站；排水系統；水錘；改造

1 引言

水電廠排水系統是比較容易發生故障的部位，若排水系統不可靠，就會引起水淹廠房的重大事故，嚴重威脅水電廠的安全和運行。地下式電站排水系統的安全運行更顯得尤為重要。廠房采用地下式布置，廠房滲漏水源主要是地下水、引水隧洞內外滲水，漏水量較大；同時還包括檢修排水、廠區生產生活排水。其中檢修排水的排水量大、位置較低，只能采用水泵排水，必須安全可靠，以防止因排水系統的故障引起尾水倒灌，造成水淹廠房的事故。

地下式水電站發電廠房布置于地下洞室內，由于地質結構及相關技術要求，廠房深埋地下幾十至數百米不等，這使得地下式廠房排水系統管線布置受洞室結構限制，較一般水電站排水系統復雜。

2 某地下電站排水系統水錘概況

某地下電站廠內排水系統深井泵包括機組檢修△排水深井泵8臺，廠房滲漏排水深井泵4臺，布置在67.0 m高程的水泵房內。兩個排水系統均采用兩臺泵合并為一個出水管路，共用一個出水口的方式。而出水管路設計為從67 m高程豎直升至75.3 m高程后沿進程交通洞左側預埋，至82 m高程尾水平臺之后再降至67 m出水口的布置形式。出水管從閘閥之后大約長340 m并且有15 m高度差。地下電站廠內排水系統進行帶負荷試驗，水泵停機時發生水錘問題，并出現出水口伸縮節被水錘沖擊破壞導致扭曲變形的現象。地下電站廠房排水系統投入運行調試過程中，發生了6次共計8臺次的深井泵電機燒毀事故。燒毀電機全部為機組檢修排水系統深井泵電機，1號～8號檢修排水深井泵電機在運行過程中均被燒毀。

3 排水系統水錘壓力波動計算

以并聯的2臺檢修排水泵為例建立模型（設備參數見表1），經過適當簡化得到如圖1所示管道走勢圖。J-1節點前為DN350的管道，之后為DN500的管道，AIR-1為復合式排氣閥，J-5之后的管道內水流為半管流，R-2處為自由出流末端。

表1 設備參數

圖1 管道走勢圖

兩臺泵同時在正常工況運行時，管道內水流為的恒定流，是水力過渡過程的初始狀態。泵的額定出口壓力為80 m水頭，單臺泵額定流量為1 000 m3/h，DN500管道內流量為2 000 m3/h。水泵實際運行過程中單臺水泵流量大于1 200 m3/h，則DN500管道內實際流量大于2 400 m3/h，取2 400 m3/h。

按恒定流分析，管段沿程水頭損失計算可以按HAZEN-WILLIAMS公式計算：

f=0.010666LC-1.85D-4.865Q1.852

式中：f為單位長度的摩擦損失mm；

Q為公制流量單位m3/s；

D為管道內徑m；

C為管道的光滑系數，在本系統當中按常規取125。

在本系統當中，局部水頭損失除水泵之外并無依據可取，在適當調整管道光滑系數C值之后，做為管線的總阻力。因此為簡化計算，得到如圖2所示的兩臺泵同時運行時管道恒定流狀態壓力分布，兩線的差值為對應位置管道的實際壓力水頭。

針對管線進行恒定流的水力分析，其中中間的線2為管線覆設線，線1為管線正常供水時的水壓線，末端為半管流。X軸為管線距離，Y軸為絕對高程（后同）。

圖2 兩臺泵同時運行時管道內恒定流壓力分布圖

（1）停泵水錘分析。

在本兩臺泵組成的排水系統中，可能產生“停泵水錘”的工況為：

1）單泵正常關停，本系統正常停泵方式為軟停泵，有一定的停泵時間；

2）人為事故或系統故障（斷電等）引起單泵或兩泵同時突然關停，停泵時間極短。

發生水錘時，水錘壓力波會以極快的速度在管道內傳播。壓力波速a可按下式計算：

其中:K為水的體積模量，取2.0646×109 Pa；

E為普通鋼材的彈性模量，取1.96×1011；

δ為鋼管壁厚。

計算得DN350管道的波速為1 235 m/s，DN500管道波速為1 155 m/s。由于水泵的突然關停，水泵之后的管道內，會出現壓力下降。壓力波會快速向水流相同的方向傳遞。到達終點后（或終點閥門，或者水池，或者管網）水錘波會返回，返回的壓力波會使水泵后管道的壓力升高。壓力波遇到止回閥的阻擋后，會繼續返回，在管道中進行阻尼震蕩，慢慢平穩在靜水壓線上。

發生事故停泵時，在假設系統未加保護的情況下，對泵及整條管線壓力變化進行分析。

對于單泵突然關停的情況，由圖3所示單泵突然關閉時管線壓力包絡線可見，水錘壓力波產生的最大壓力出現在泵的出口處，約為400 m水頭，沿管線最大壓力逐漸降低。而由圖4所示的單泵突然關閉時泵出口處的壓力波動隨時間變化的情況可以看出，最大壓力出現在停泵后極短的時間內，壓力波隨后經過了約80 s的阻尼震蕩，最后慢慢平穩在靜水壓線上。對于兩臺泵同時突然關停的情況，圖5顯示泵出口處的最大壓力達到了700 m水頭，而圖6顯示管道呈現出持續較高的壓力波動。

圖3 單泵突然關閉時管線壓力包絡線

圖4 單泵突然關閉時出口處的壓力波動隨時間變化的情況

圖5 兩臺泵同時突然關閉時管線壓力包絡線

圖6 兩臺泵同時突然關閉時泵出口處的壓力波動隨時間變化的情況

4 電機燒毀原因分析

地下電站檢修排水深井泵電機頻繁燒毀，檢修泵在停泵時電流快速上升，最大電流值達到2 000 A左右，并且持續時間在3～5 s。深井泵停泵時的電流過大導致電機繞組絕緣受到沖擊，是深井泵電機屢次燒毀的重要原因。

5 技術改進及探討

為了使深井泵工作完成后能實現平穩停泵，地下電站采用軟停泵的方式進行停泵。即通過控制電機電磁轉矩的方式，使電機轉速降低直至電機停機。軟停泵時間最初設定為10 s，后來由于在排水管理中發生比較嚴重的水錘現象，便將軟停泵時間增加了5 s，改為15 s。

實驗數據如表2所示。通過

表2 不同方式及時間軟停泵時的最大電流值

現場調試最終排水系統采用減小電流的軟停泵方式，軟停泵時間設為3 s。

軟停泵時間增加是為了減緩管道中的水錘沖擊，此次試驗減少了軟停泵時間，雖然監測了電機的停機最大電流，但未能對管道中的水錘情況進行監測，有可能導致管道中的水錘現象加劇。

地下電站檢修排水系統8臺泵現階段開啟方式為不同出水管路的兩臺深井泵同時啟動，即1號與3號、2號與4號、5號與7號、6號與8號分為4組，按啟動次數進行啟動，啟動次數少的優先啟動。停泵時按啟動順序進行時間間隔停泵，即先啟動的一組先停泵，時間間隔為40 s。

在此運行方式下，地下電站檢修排水系統最大的風險為：當排水量較大導致檢修排水深井泵有6臺或者8臺啟動排水時，出現人為事故或者系統故障導致正在運行的深井泵在極短的時間內同時停泵，即共用同一出水管道的兩臺泵（1號和2號、3號和4號、5號和6號、7號和8號）同時關閉導致水泵出口處出現劇烈的壓力波動產生水錘現象，對系統中的閥門和管道造成破壞。

因此在原有排水管路中加裝泵控閥配合水泵電機軟停十分必要。現場勘測進行管路改造加裝電控式水泵控制閥后，通過壓力變送器對停泵工況進行監控（圖7），數據表明，改造對改善排水系統出口管路壓力波動和水錘影響，效果明顯。

圖7 出口管路改造后動態監測記錄的數據

6 結語

通過以上對地下式水電站排水系統水錘的分析和系統改造，可得出以下結論：

（1）地下式水電站由于洞室結構限制，輸水管線布置復雜，停泵過程中水錘對系統安全影響較大。

（2）排水系統通過減小電流的軟停泵方式能有效降低水錘影響，一定程度上避免水泵電機的燒毀，但無法保證動力電源掉電下設備安全。

（3）系統通過增加泵控閥，并配合調整水泵電機合適軟停泵時間雙重保護能有效的改善地下式水電站排水系統的安全風險，提高設備的可靠性，且具備通用性。

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TV738

B

1672-5387（2017）01-0049-03

10.13599/j.cnki.11-5130.2017.01.015

2016-06-12

張 濤（1983-）男，工程師，從事水電站機械設備技術管理工作。