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向家壩地下電站機(jī)組引水隧洞排水方式探討

文檔作者：陳剛李春艷陳宙謝明文檔來源： 1．向家壩水力發(fā)電廠 2．三峽水力發(fā)電廠		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2025年06月03日
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上一篇：向家壩右岸電站快速門快閉控制回路分析

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第35卷第5期
106 2012年10月
水電站機(jī)電技術(shù) Vo1．35 No．5
—
Mec
—
hanical&amp;amp; Electrical Technique ofHydmpowerStation 0ct
．2012
向家壩地下電站機(jī)組引水隧洞排水方式探討
陳剛 ，李春艷 ，陳宙 ，謝明
(1．向家壩水力發(fā)電廠，四川宜賓644612；2．三峽水力發(fā)電廠，湖北宜昌443133)
摘要：對(duì)于大管徑長(zhǎng)引水隧洞的水輪機(jī)組，有必要對(duì)引水隧洞排出積水的方式進(jìn)行探討，通過分析比較各種排水
方式的優(yōu)劣，尋求一種與實(shí)際情況相符合的高效安全的排水方式。特別是對(duì)于調(diào)節(jié)庫(kù)容小，檢修工期要求緊的電站，
這種探討尤為必要。
關(guān)鍵詞：水輪機(jī)組；引水隧洞；排水方式
中圖分類號(hào)：TV732 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：1 672—5387(201 2)05—01 06—03
1概述
向家壩水電站右岸地下電站水輪機(jī)進(jìn)水口快速
門設(shè)在引水隧洞進(jìn)水塔內(nèi)，孔口尺寸11 m×15-5 m，
底坎高程325 m，設(shè)計(jì)水頭55 m。在快速門后設(shè)有兩
個(gè)通氣孔，通氣孔面積為2 x 3．97 mz。
2 引水隧洞及蝸殼
右岸地下電站引水系統(tǒng)采用單機(jī)單管的布置形
式，包括進(jìn)水口和引水隧洞兩個(gè)主要建筑物。每臺(tái)機(jī)
組設(shè)1條引水隧洞，相鄰隧洞之間的中心間距36 m，
洞型為圓形，分別由上平段、上彎段、斜井段、下彎段
和下平段組成。隧洞人口中心高程332．2 m，出口中
心高程255 in。引水隧洞在下彎段以前采用鋼筋混
凝土襯砌，襯砌厚度為1 m。為了防止引水管道內(nèi)的
高壓水滲入廠房，影響地下廠房的圍巖穩(wěn)定，引水隧
洞在下彎段之后采用鋼襯，5號(hào)、6號(hào)機(jī)引水隧洞的
鋼襯厚度為38 mm；7號(hào)、8號(hào)機(jī)引水隧洞的鋼襯厚
度為40 mm。5號(hào)、6號(hào)機(jī)引水隧洞在廠房前15 m，
洞徑由13．4 ITI漸變?yōu)榕c蝸殼進(jìn)口相同的尺寸1 1．47 m，
洞內(nèi)最大流速為6．39 m／s；7號(hào)、8號(hào)機(jī)引水隧洞在
廠房前25 m，洞徑由14．4 ITI漸變?yōu)榕c蝸殼進(jìn)口相同
的尺寸11．47 ITI，洞內(nèi)最大流速為5．53 rrds。根據(jù)5～
8號(hào)機(jī)機(jī)組引水隧洞長(zhǎng)度和直徑可以大致估算出隧
洞洞內(nèi)積水容量，見表1。
蝸殼進(jìn)口直徑11．47m，進(jìn)口距機(jī)組中心11．65m，
在蝸殼最低高程處設(shè)有1個(gè)直徑4,800 mm的下拆
式蝸殼盤形閥，盤形閥內(nèi)表面與蝸殼內(nèi)表面齊平，積
水從蝸殼盤形閥引至尾水錐管244 m高程。在蝸殼
進(jìn)口段自蝸殼腰線向下45。處設(shè)置技術(shù)供水取水
表1 引水隧洞長(zhǎng)度、直徑以及隧洞洞內(nèi)積水量
口，取水口直徑4}600 mm，引水管4,500 mm。
3 引水隧洞排水方式分析
向家壩右岸地下電站引水隧洞積水容量巨大，
引水隧洞最長(zhǎng)的8號(hào)機(jī)，積水容量達(dá)到46 134 m3。
機(jī)組檢修時(shí)，要安全高效的排出引水隧洞的積水，需
要采取一個(gè)可靠而有效的途徑。排出積水通常有以
下幾種途徑：(1)通過蝸殼盤形閥排水；(2)通過技術(shù)
供水系統(tǒng)排水；(3)在停機(jī)過程中落快速門排水；(4)
快速門做防動(dòng)措施后開導(dǎo)葉排水。
3．1通過蝸殼盤形閥排水
在蝸殼最低高程V249-3 m處設(shè)有1個(gè)西800 mm
的下拆式蝸殼盤形閥，盤形閥為油壓操作，盤形閥閥
口與閥盤采用錐形不銹鋼密封圈密封。向家壩電站
初期蓄水運(yùn)行水位為 354 rn，建成后死水位為
370 m，最高水位V380 m。盤形閥所承受的水壓力至
少有100 m水柱，在如此高的水壓下直接用蝸殼盤
形閥排水，水力對(duì)于閥盤和閥座產(chǎn)生的振動(dòng)和氣蝕
是非常嚴(yán)重的 還容易造成閥桿斷裂閥盤脫落的危
險(xiǎn)，這些破壞性的損傷嚴(yán)重威脅到了電站的安全穩(wěn)
定運(yùn)行。這種排水方式不適合向家壩這種高水頭、超
收稿日期：2012—07—04
作者簡(jiǎn)介：陳剛(1978一)，男，工程師，從事水電站運(yùn)行管理工作。
萬方數(shù)據(jù)
陳剛，等：向家壩地下電站機(jī)組引水隧洞排水方式探討 107
大管徑引水隧洞的水電站。
3．2 通過技術(shù)供水排水
蝸殼進(jìn)口段自蝸殼腰線向下45。處設(shè)置技術(shù)
供水取水口，取水口~b600 mm，引水管6500 mm。需
要檢修機(jī)組停機(jī)后，全關(guān)機(jī)組進(jìn)水口快速門并做好
防動(dòng)措施。打開機(jī)組技術(shù)供水總閥，將引水隧道內(nèi)積
水通過技術(shù)供水系統(tǒng)排至尾水。這也是目前三峽電
站較為常用的一種壓力鋼管排水方式。三峽左右岸
都是壩后式廠房，壓力鋼管相對(duì)較短，積水量約為
14 725 m3,按照三峽的經(jīng)驗(yàn)，通過技術(shù)供水一般3．6 h
就可以把壓力鋼管的積水排至與尾水平壓。向家壩
右岸地下電站技術(shù)供水減壓閥額定流量2 100 m3／h，
將兩路并聯(lián)減壓閥都投入，5～8號(hào)機(jī)的引水隧洞排
水時(shí)間大致為6．2、7．5、10．1、11．5 h。向家壩電站正常
蓄水位V380 m，死水位 370 rn，防洪汛限水位
370 m。當(dāng)上游溪洛渡電站建成后，汛期大發(fā)期間，如
果遇到比較緊急的情況下機(jī)組需要排水檢修，由于
防洪汛限水位限制，向家壩水庫(kù)將無法滿足溪洛渡
電站的下泄要求。這樣的排水速度將嚴(yán)重影響到機(jī)
組檢修的工期，必將導(dǎo)致無謂的棄水，這與電站的經(jīng)
濟(jì)高效運(yùn)行的理念相違背。但是這是一種很安全的
排水方式，在枯水期，檢修工期允許的情況應(yīng)該盡量
采取這種排水方式。
3．3在停機(jī)過程中落快速門排水
在遇到計(jì)劃性檢修或者需要馬上停機(jī)臨檢時(shí)，
可以在機(jī)組停機(jī)至空轉(zhuǎn)后直接快閉快速門進(jìn)行引水
隧洞的排水，這種情況實(shí)際上就是一個(gè)動(dòng)水落門的
過程。根據(jù)設(shè)計(jì)，向家壩電站快速門的快閉時(shí)間為
210 s，調(diào)速器事故停機(jī)電磁閥動(dòng)作以后導(dǎo)葉由全開
到全關(guān)的時(shí)間為20 s。監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)有快速門快閉動(dòng)
作并且快速門開度小于80％時(shí)，啟動(dòng)二類機(jī)械事故
停機(jī)的控制流程(MARK2．1)。這就需要我們?cè)诎l(fā)快
閉命令之前，先將快閉動(dòng)作啟動(dòng)二類機(jī)械事故停機(jī)
軟連片退出。如果不采取這樣的措施，就會(huì)出現(xiàn)導(dǎo)葉
全關(guān)后，引水隧洞的積水還沒來得及排完的情況。監(jiān)
控系統(tǒng)發(fā)令機(jī)組停機(jī)至空轉(zhuǎn)后，發(fā)快閉命令。在快速
門全關(guān)后，密切監(jiān)視機(jī)組轉(zhuǎn)速和導(dǎo)葉開度。當(dāng)機(jī)組不
能繼續(xù)維持額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)，按下緊停按鈕，機(jī)組停
機(jī)，導(dǎo)葉全關(guān)。引水隧洞的積水就在停機(jī)過程中排完。
這種停機(jī)方式有三個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)需要控制：(1)停機(jī)之前
要做好相關(guān)的措施，屏蔽監(jiān)控系統(tǒng)與快閉相關(guān)的事
故停機(jī)流程，保證機(jī)組導(dǎo)葉不至于因停機(jī)流程啟動(dòng)
而過早關(guān)閉；(2)一般采用機(jī)組解列至空轉(zhuǎn)后再快閉
快速門的方式，防止逆功率保護(hù)動(dòng)作；(3)機(jī)組轉(zhuǎn)速
不能繼續(xù)維持額定轉(zhuǎn)速時(shí)，及時(shí)按下緊停按鈕。這種
排水方式好處是利用機(jī)組停機(jī)過程就將積水排出，效
率非常高。但是存在一定的風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)于時(shí)機(jī)的把握要
及時(shí)準(zhǔn)確，需要在有經(jīng)驗(yàn)的值班員指導(dǎo)下進(jìn)行操作。
在這種方式操作過程中，要特別注意引水隧洞
因水面下降而產(chǎn)生的“吸氣”現(xiàn)象。在快速門動(dòng)水落
門形成明流的初始階段，門后水流脫空區(qū)逐漸增大，
由通氣孔進(jìn)入的空氣大部分是摻雜在水中的，有一
部分通過水輪機(jī)被水流帶至下游，因過機(jī)流速較小，
被挾帶而下的氣量有限，這時(shí)的通氣量比較小。隨著
閘門不斷下降，門后水躍區(qū)繼續(xù)擴(kuò)大，最終水流脫頂
進(jìn)人斜管段，此時(shí)出水中帶有少量空氣外，隧道內(nèi)水
面不斷下降，形成“吸氣”現(xiàn)象，使通氣孔大量進(jìn)氣，
瞬時(shí)風(fēng)速達(dá)到最大值?？焖匍T在接近全關(guān)的時(shí)候，上
止水才起到密封的作用。當(dāng)快速門處于動(dòng)水關(guān)閉過
程中明滿流轉(zhuǎn)變的臨界相對(duì)開度(約0-3～0．5)時(shí)，
上止水與壩體還存在10 600 mm X 150 rnm的空隙，
該空隙將形成進(jìn)氣的通道，導(dǎo)致快速門泵房產(chǎn)生負(fù)
壓。某電站6號(hào)機(jī)在動(dòng)水落門過程中壓力鋼管產(chǎn)生
“吸氣”現(xiàn)象，導(dǎo)致快速門機(jī)房?jī)?nèi)形成很大的負(fù)壓，將
泵房?jī)?nèi)通風(fēng)的軸流風(fēng)機(jī)和泵房門吸掉損壞。后來專
門針對(duì)該情況進(jìn)行了技術(shù)改造，將泵房門由平板門
改為柵格門，并在墻體上鑿開若干個(gè)足夠大的通氣
孔。向家壩右岸地下電站快速門泵房是用水泥蓋板蓋
住的，而泵房未設(shè)置任何通氣孔。在動(dòng)水落門過程中
是否會(huì)出現(xiàn)較大負(fù)壓而產(chǎn)生破壞性影響的情況，還
需要進(jìn)一步的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)證實(shí)。因此，采用停機(jī)過程中
落門排水是否可行需要進(jìn)行動(dòng)水落門試驗(yàn)來檢驗(yàn)。
3．4快速門做防動(dòng)措施后開導(dǎo)葉排水
3．4．1在保證機(jī)組不轉(zhuǎn)動(dòng)的前提下小開度開啟導(dǎo)葉
排水
機(jī)組全停后，將快速門全關(guān)并做好防動(dòng)措施，現(xiàn)
地手動(dòng)小開度開啟導(dǎo)葉排水(約3％開度)。需要采
取的措施：(1)風(fēng)閘頂起；(2)投入高壓油減載裝置；
(3)投入水導(dǎo)外循環(huán)裝置。需要將風(fēng)閘頂起是為了防
止機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)，投入高壓油減載裝置和水導(dǎo)外循環(huán)裝
置是為了防止導(dǎo)葉開度開得過大，機(jī)組拖動(dòng)風(fēng)閘緩
慢轉(zhuǎn)動(dòng)后，推力瓦和水導(dǎo)瓦長(zhǎng)時(shí)間干摩擦而將瓦燒
壞。因此導(dǎo)葉開度的控制是關(guān)鍵，不能開得過大。根
據(jù)三峽電站水輪機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)驗(yàn)，在額定水頭下，投
入高壓油減載裝置后，機(jī)組在導(dǎo)葉漏水的作用下，就
開始蠕動(dòng)。若開度開得過大，機(jī)組就有可能轉(zhuǎn)動(dòng)而將
風(fēng)閘磨壞。某電站就出現(xiàn)過在開導(dǎo)葉排水的過程中
將風(fēng)閘磨損的情況。2003年10月4 13 6號(hào)機(jī)組動(dòng)
萬方數(shù)據(jù)
108 水電站機(jī)電技術(shù) 第35卷
應(yīng)力試驗(yàn)結(jié)束后，進(jìn)水口閘門全關(guān)，需將壓力鋼管排
水后對(duì)機(jī)組進(jìn)行檢查。運(yùn)行人員接到排水令后，準(zhǔn)備
現(xiàn)地手動(dòng)開導(dǎo)葉排水，在未將調(diào)速器N1500切至
“檢修”模式的情況下，給調(diào)速器開機(jī)令，調(diào)速器執(zhí)行
了正常的開機(jī)流程，機(jī)組轉(zhuǎn)速最高上升至30．6％Ne，
期間風(fēng)閘一直在投入，導(dǎo)致風(fēng)閘閘板磨損3～4 mm。
采用這種小開度開啟導(dǎo)葉(不讓機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng))的排水方
式，需要嚴(yán)格控制好導(dǎo)葉開度，導(dǎo)葉開度需要在試驗(yàn)
中確定，并且開度的大小跟水頭以及機(jī)組本身的特
性有關(guān)系。正因?yàn)檫@種不確定性，如果操作不當(dāng)就會(huì)
產(chǎn)生有很大的風(fēng)險(xiǎn)。
3．4．2開機(jī)至空轉(zhuǎn)過程中排水
開機(jī)至空轉(zhuǎn)排水的過程也存在引水隧洞水面下
降產(chǎn)生的“吸氣”現(xiàn)象，與動(dòng)水落門不同的是，快速門
在開機(jī)之前已經(jīng)全關(guān)并做防動(dòng)措施，快速門水封已
經(jīng)將引水隧洞完全密封，引水隧洞補(bǔ)氣全部由補(bǔ)氣
孔來承擔(dān)，泵房不會(huì)產(chǎn)生負(fù)壓的情況。開機(jī)前需要做
好相關(guān)措施：(1)快速門全關(guān)并做好防動(dòng)措施；(2)斷
開機(jī)組啟勵(lì)電源；(3)機(jī)組出口開關(guān)斷開，刀閘拉開，
并斷開相應(yīng)動(dòng)力電源及操作電源。這些措施的存在
會(huì)導(dǎo)致監(jiān)控系統(tǒng)正常的開機(jī)條件不滿足，因此不能
以監(jiān)控系統(tǒng)自動(dòng)開機(jī)至空轉(zhuǎn)流程來執(zhí)行相關(guān)操作。
考慮到向家壩電站監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)有手動(dòng)單步開機(jī)流
程，主要用于機(jī)組的無水聯(lián)調(diào)試驗(yàn)以及啟動(dòng)試驗(yàn)等，
其特點(diǎn)是：(1)不受開機(jī)條件限制，只要發(fā)令，LCU
就執(zhí)行當(dāng)前步操作；(2)手動(dòng)單步開機(jī)流程單步執(zhí)行
沒有時(shí)間限制，超時(shí)流程不復(fù)歸；(3)當(dāng)前流程就緒
以后才能執(zhí)行下一步；(4)可隨時(shí)將流程復(fù)歸。根據(jù)
這些特點(diǎn)，可以采用監(jiān)控單步開機(jī)流程來逐一啟動(dòng)
相關(guān)輔助設(shè)備，各輔助設(shè)備均按順控流程啟動(dòng)，避免
了繁雜的手動(dòng)操作，減小了出錯(cuò)的幾率。執(zhí)行到調(diào)速
器開機(jī)這一步時(shí)，將流程復(fù)歸并切至自動(dòng)。在調(diào)速器
現(xiàn)地電調(diào)柜手動(dòng)開導(dǎo)葉，至機(jī)組轉(zhuǎn)速上升至額定。在
這一過程中，要盡快將機(jī)組轉(zhuǎn)速調(diào)至額定，減少機(jī)組
在低轉(zhuǎn)速運(yùn)行的時(shí)間，以減小對(duì)推力瓦的損傷。隨著
引水隧洞的水量的減少，機(jī)組轉(zhuǎn)速開始下降，在下降
到20％Ne時(shí)投入風(fēng)閘，讓機(jī)組轉(zhuǎn)速迅速降到0。機(jī)
組全停后全關(guān)導(dǎo)葉投入鎖錠，停運(yùn)相關(guān)輔助設(shè)備。這
種排水方式操作相對(duì)復(fù)雜一些，沒有磨風(fēng)閘的風(fēng)險(xiǎn)。
開機(jī)前要確保高壓油減載裝置投運(yùn)，開機(jī)至額定轉(zhuǎn)
速時(shí)，要嚴(yán)格控制導(dǎo)葉開度，防止機(jī)組過速。空載導(dǎo)
葉開度需要在機(jī)組調(diào)試時(shí)確定，還要考慮到水頭變
化的影響。機(jī)組轉(zhuǎn)速降下來后要在適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)速及時(shí)
投人風(fēng)閘。這種排水方式操作相對(duì)復(fù)雜，對(duì)于風(fēng)閘和
推力瓦來講相對(duì)安全，但是需要啟停機(jī)組一次，會(huì)對(duì)
機(jī)械設(shè)備增加一次疲勞損傷。
4 總結(jié)
蝸殼盤形閥排出引水隧洞的積水具有極大的風(fēng)
險(xiǎn)，基本上都不采用，只有在蝸殼與尾水平壓以后，
才使用蝸殼盤形閥排出蝸殼內(nèi)積水。
向家壩水電站是一個(gè)季節(jié)性比較強(qiáng)的電站，枯
水期水量?jī)H夠1～2臺(tái)機(jī)組運(yùn)行，備用機(jī)組較多，方
式安排也比較靈活，機(jī)組檢修的工期安排也不會(huì)很
緊急，因此在備用機(jī)組較多的枯水期，通過技術(shù)供水
來排水是比較好的方式，也是最安全可靠的方式。
對(duì)于機(jī)組停機(jī)進(jìn)行計(jì)劃性的檢修或臨檢，可在
停機(jī)過程中動(dòng)水落門排水，簡(jiǎn)單直接。這種方式需要
機(jī)組調(diào)試時(shí)進(jìn)行動(dòng)水落門試驗(yàn)，需要對(duì)快速門、流
道、通氣孔以及泵房等各項(xiàng)設(shè)計(jì)進(jìn)行充分驗(yàn)證，確認(rèn)
其安全性以后才能運(yùn)用。特別是對(duì)于泵房密閉式的
結(jié)構(gòu)，動(dòng)水落門產(chǎn)生的負(fù)壓是否會(huì)產(chǎn)生破壞性的影
響，還需要通過試驗(yàn)來驗(yàn)證。
采用小開度開啟導(dǎo)葉排水方式，在操作之前要
先投入風(fēng)閘、高壓油減載裝置以及水導(dǎo)油外循環(huán)系
統(tǒng)，需要特別注意導(dǎo)葉開度不宜過大，避免機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)
將風(fēng)閘磨壞。特別是對(duì)于向家壩電站800 MW巨型
機(jī)組，必須要對(duì)機(jī)組在導(dǎo)葉開啟過大后較長(zhǎng)時(shí)間低速
轉(zhuǎn)動(dòng)采取預(yù)控措施，防止推力互導(dǎo)瓦燒毀。這種方式對(duì)
導(dǎo)葉開度的控制要求非常嚴(yán)格，存在燒瓦的風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)
值班員操作要求較高，應(yīng)盡可能少用這種方式排水。
考慮到向家壩右岸地下電站引水隧洞水量較
大，可采用開機(jī)至空轉(zhuǎn)排水方式。這種方式除了操作
之前要采取必要的措施外，機(jī)組各輔助設(shè)備均按監(jiān)
控系統(tǒng)順控流程自動(dòng)執(zhí)行，不會(huì)遺漏或誤操作，同時(shí)
也可避免機(jī)組在低轉(zhuǎn)速下長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行導(dǎo)致軸瓦燒毀
的危險(xiǎn)。整個(gè)過程類似機(jī)組啟動(dòng)試驗(yàn)手動(dòng)開機(jī)過程，
值班員對(duì)整個(gè)操作過程都比較熟悉，有較強(qiáng)的可操
作性。對(duì)于檢修工期比較短，機(jī)組由備用轉(zhuǎn)檢修時(shí)，
可采用該方式排水。
參考文獻(xiàn)：
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