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地下式水電站排水系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評估及技術(shù)改進(jìn)

文檔作者：張濤1 丁文婷2 文檔來源： 1．中國長江電力股份有限公司三峽水力發(fā)電廠 2．國家電網(wǎng)湖北省電力公司特高壓直流運(yùn)檢中心		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2025年05月30日
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第40卷第1期
2017年1月
水電站機(jī)電技術(shù)
Mechanical＆Electrical Technique of Hydropower Station
V01．40 NO．1
Jan．2017 49
地下式水電站排水系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評估及技術(shù)改進(jìn)
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(fā)電廠，湖北宜昌443133；
2．國家電網(wǎng)湖北省電力公司特高壓直流運(yùn)檢中心，湖北宜昌443000)
摘要：地下式水電站發(fā)電廠房布置于地下洞室內(nèi)，由于地質(zhì)結(jié)構(gòu)及相關(guān)技術(shù)要求，廠房深埋地下幾十至數(shù)百米不
等，這使得地下式廠房排水系統(tǒng)管線布置受洞室結(jié)構(gòu)限制較一般水電站排水系統(tǒng)復(fù)雜。針對地下式水電站排水系統(tǒng)
具體情況，本文進(jìn)行了排水系統(tǒng)水錘發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)分析，并介紹了相關(guān)的技術(shù)改進(jìn)措施。
關(guān)鍵詞：地下電站；排水系統(tǒng)；水錘；改造
中圖分類號：TV738 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B 文章編號：1672—5387(2017)01—0049—03
DOI：10．13599／j．cnki．1 1-5130．2017．01．015
1引言
水電廠排水系統(tǒng)是比較容易發(fā)生故障的部位，
若排水系統(tǒng)不可靠，就會引起水淹廠房的重大事故，
嚴(yán)重威脅水電廠的安全和運(yùn)行。地下式電站排水系
統(tǒng)的安全運(yùn)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(nèi)外滲
水，漏水量較大；同時(shí)還包括檢修排水、廠區(qū)生產(chǎn)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(tǒng)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(fā)電廠房布置于地下洞室內(nèi)，由
于地質(zhì)結(jié)構(gòu)及相關(guān)技術(shù)要求，廠房深埋地下幾十至
數(shù)百米不等，這使得地下式廠房排水系統(tǒng)管線布置
受洞室結(jié)構(gòu)限制，較一般水電站排水系統(tǒng)復(fù)雜。
2某地下電站排水系統(tǒng)水錘概況
某地下電站廠內(nèi)排水系統(tǒng)深井泵包括機(jī)組檢修
排水深井泵8臺，廠房滲漏排水深井泵4臺，布置在
V67．0 m高程的水泵房內(nèi)。兩個(gè)排水系統(tǒng)均采用兩
臺泵合并為一個(gè)出水管路，共用一個(gè)出水口的方式。
而出水管路設(shè)計(jì)為從67 In高程豎直升至75．3 m高
程后沿進(jìn)程交通洞左側(cè)預(yù)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(nèi)排水系統(tǒng)進(jìn)行帶負(fù)荷試驗(yàn)，水泵停機(jī)時(shí)發(fā)生水錘
問題，并出現(xiàn)出水口伸縮節(jié)被水錘沖擊破壞導(dǎo)致扭
曲變形的現(xiàn)象。地下電站廠房排水系統(tǒng)投人運(yùn)行調(diào)
試過程中，發(fā)生了6次共計(jì)8臺次的深井泵電機(jī)燒
毀事故。燒毀電機(jī)全部為機(jī)組檢修排水系統(tǒng)深井泵
電機(jī)，1號．8號檢修排水深井泵電機(jī)在運(yùn)行過程中
均被燒毀。
3排水系統(tǒng)水錘壓力波動計(jì)算
以并聯(lián)的2臺檢修排水泵為例建立模型(設(shè)備
參數(shù)見表1)，經(jīng)過適當(dāng)簡化得到如圖1所示管道走
勢圖。J一1節(jié)點(diǎn)前為DN350的管道，之后為DN500
的管道，AIR一1為復(fù)合式排氣閥，J一5之后的管道內(nèi)
水流為半管流，R一2處為自由出流末端。
室!塑魚童墼
機(jī)組檢修排水泵(500JC／S1000—80)水泵參數(shù)
流量：
揚(yáng)程：
出水管徑：
1 Ooonl7h
80m(3級×85m一80m一30m)
DN350mm
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圖l管道走勢圖
兩臺泵同時(shí)在正常工況運(yùn)行時(shí)，管道內(nèi)水流為
的恒定流，是水力過渡過程的初始狀態(tài)。泵的額定出
口壓力為80 m水頭，單臺泵額定流量為l 000 m3／h，
收稿日期：2016-06-12
作者簡介：張濤(1983一)男，工程師，從事水電站機(jī)械設(shè)備技術(shù)管
理工作。
萬方數(shù)據(jù)
50 水電站機(jī)電技術(shù)第40卷
DN500管道內(nèi)流量為2 000 m3／h。水泵實(shí)際運(yùn)行過
程中單臺水泵流量大于1 200 ma／h，則DN500管道
內(nèi)實(shí)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(jì)算可以按
HAZEN—WILLIAMS公式計(jì)算：
f=o．01066缸C_1‘UD4865p1-852
式中：廠為單位長度的摩擦損失mm；
p為公制流量單位m3／s；
D為管道內(nèi)徑m；
C為管道的光滑系數(shù)，在本系統(tǒng)當(dāng)中按常
規(guī)取125。
相應(yīng)的局部水頭損失計(jì)算公式：厶一尸1，?／
’‘一b‘)／29
在本系統(tǒng)當(dāng)中，局部水頭損失除水泵之外并無
依據(jù)可取，在適當(dāng)調(diào)整管道光滑系數(shù)c值之后，做
為管線的總阻力。因此為簡化計(jì)算，得到如圖2所示
的兩臺泵同時(shí)運(yùn)行時(shí)管道恒定流狀態(tài)壓力分布，兩
線的差值為對應(yīng)位置管道的實(shí)際壓力水頭。
針對管線進(jìn)行恒定流的水力分析，其中中間的
線2為管線覆設(shè)線，線1為管線正常供水時(shí)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)。
、
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／
產(chǎn)-’
}
{
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圖2兩臺泵同時(shí)運(yùn)行時(shí)管道內(nèi)恒定流壓力分布岡
(1)停泵水錘分析。
在本兩臺泵組成的排水系統(tǒng)中，可能產(chǎn)生“停泵
水錘”的工況為：
1)單泵正常關(guān)停，本系統(tǒng)正常停泵方式為軟停
泵，有一定的停泵時(shí)間；
2)人為事故或系統(tǒng)故障(斷電等)71起單泵或兩
泵同時(shí)突然關(guān)停，停泵時(shí)間極短。
發(fā)生水錘時(shí)，水錘壓力波會以極快的速度在管
道內(nèi)傳播。壓力波速a可按下式計(jì)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；
6為鋼管壁厚。
計(jì)算得DN350管道的波速為1 235 m／s，DN500
管道波速為1 155 rrds。由于水泵的突然關(guān)停，水泵
之后的管道內(nèi)，會出現(xiàn)壓力下降。壓力波會陜速向水
流相同的方向傳遞。到達(dá)終點(diǎn)后(或終點(diǎn)閥門，或者
水池，或者管網(wǎng))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(xù)返回，在管道中進(jìn)行阻尼震蕩，慢慢平穩(wěn)
在靜水壓線上。
發(fā)生事故停泵時(shí)，在假設(shè)系統(tǒng)未加保護(hù)的情況
下，對泵及整條管線壓力變化進(jìn)行分析。
對于單泵突然關(guān)停的情況，由圖3所示單泵突
然關(guān)閉時(shí)管線壓力包絡(luò)線可見，水錘壓力波產(chǎn)生的
最大壓力出現(xiàn)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(guān)
閉時(shí)泵出口處的壓力波動隨時(shí)間變化的情況可以看
出，最大壓力出現(xiàn)在停泵后極短的時(shí)間內(nèi)，壓力波隨
后經(jīng)過了約80 s的阻尼震蕩，最后慢慢平穩(wěn)在靜水
壓線上。對于兩臺泵同時(shí)突然關(guān)停的情況，圖5顯示
泵出口處的最大壓力達(dá)到了700 m水頭，而圖6顯
示管道呈現(xiàn)出持續(xù)較高的壓力波動。
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圖3單泵突然關(guān)閉時(shí)管線壓力包絡(luò)線
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圖4單泵突然關(guān)閉時(shí)出口處的壓力波動隨時(shí)間變化的情況
(橫坐標(biāo)為時(shí)間，單位：s；縱坐標(biāo)為壓力，單位：m水柱)
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圖5兩臺泵同時(shí)突然關(guān)閉時(shí)管線壓力包絡(luò)線
萬方數(shù)據(jù)
第1期張濤，等：地下式水電站排水系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評估及技術(shù)改進(jìn)51
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圖6兩臺泵l司時(shí)突然關(guān)閉時(shí)泵出口處的
壓力波動隨時(shí)間變化的情況
4電機(jī)燒毀原因分析
地下電站檢修排水深井泵電機(jī)頻繁燒毀，檢修
泵在停泵時(shí)電流快速上升，最大電流值達(dá)到2 000 A
左右，并且持續(xù)時(shí)間在3～5 s。深井泵停泵時(shí)的電流
過大導(dǎo)致電機(jī)繞組絕緣受到?jīng)_擊，是深井泵電機(jī)屢
次燒毀的重要原因。
5技術(shù)改進(jìn)及探討
為了使深井泵工作完成后能實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)停泵，地
下電站采用軟停泵的方式進(jìn)行停泵。即通過控制電
機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的方式，使電機(jī)轉(zhuǎn)速降低直至電機(jī)停機(jī)。
軟停泵時(shí)間最初設(shè)定為10 s，后來由于在排水管理
中發(fā)生比較嚴(yán)重的水錘現(xiàn)象，便將軟停泵時(shí)間增加
了5 s，改為15 s。
實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。
表2不同方式及時(shí)間軟停泵時(shí)的最大電流值
減小電流未做960A 890A 770A 未做
通過現(xiàn)場調(diào)試最終排水系統(tǒng)采用減小電流的軟
停泵方式，軟停泵時(shí)間設(shè)為3 s。
軟停泵時(shí)間增加是為了減緩管道中的水錘沖
擊，此次試驗(yàn)減少了軟停泵時(shí)間，雖然監(jiān)測了電機(jī)的
停機(jī)最大電流，但未能對管道中的水錘情況進(jìn)行監(jiān)
測，有可能導(dǎo)致管道中的水錘現(xiàn)象加劇。
地下電站檢修排水系統(tǒng)8臺泵現(xiàn)階段開啟方式
為不同出水管路的兩臺深井泵同時(shí)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(shù)進(jìn)行啟動，啟動次數(shù)少的優(yōu)先啟動。停泵
時(shí)按啟動順序進(jìn)行時(shí)間間隔停泵，即先啟動的一組
先停泵，時(shí)間間隔為40 s。
在此運(yùn)行方式下，地下電站檢修排水系統(tǒng)最大
的風(fēng)險(xiǎn)為：當(dāng)排水量較大導(dǎo)致檢修排水深井泵有6
臺或者8臺啟動排水時(shí)，出現(xiàn)人為事故或者系統(tǒng)故
障導(dǎo)致正在運(yùn)行的深井泵在極短的時(shí)間內(nèi)同時(shí)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(shí)關(guān)閉導(dǎo)致水泵
出口處出現(xiàn)劇烈的壓力波動產(chǎn)生水錘現(xiàn)象，對系統(tǒng)
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(jī)軟停十分必要?，F(xiàn)場勘測進(jìn)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(jìn)行
監(jiān)控(圖7)，數(shù)據(jù)表明，改造對改善排水系統(tǒng)出口管
路壓力波動和水錘影響，效果明顯。
圖7出Lj管路改造后動態(tài)監(jiān)測記錄的數(shù)據(jù)
6結(jié)語
通過以上對地下式水電站排水系統(tǒng)水錘的分析
和系統(tǒng)改造，可得出以下結(jié)論：
(1)地下式水電站由于洞室結(jié)構(gòu)限制，輸水管線
布置復(fù)雜，停泵過程中水錘對系統(tǒng)安全影響較大。
(2)排水系統(tǒng)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(jī)的燒毀，但
無法保證動力電源掉電下設(shè)備安全。
(3)系統(tǒng)通過增加泵控閥，并配合調(diào)整水泵電機(jī)
合適軟停泵時(shí)間雙重保護(hù)能有效的改善地下式水電
站排水系統(tǒng)的安全風(fēng)險(xiǎn)，提高設(shè)備的可靠性，且具備
通用性。
參考文獻(xiàn)：
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