陳 源，胡清娟，蔣明東，耿必君

(1.中國(guó)電建集團(tuán)中南勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖南長(zhǎng)沙410014；2.國(guó)網(wǎng)新源控股有限公司，北京100761；3.湖南平江抽水蓄能有限公司，湖南平江414500)

1 工程概述

水淹廠(chǎng)房作為電站安全穩(wěn)定運(yùn)行的重大安全風(fēng)險(xiǎn)事故[1]一直以來(lái)是行業(yè)內(nèi)討論研究的重點(diǎn)問(wèn)題，從電站安全及提高防水淹廠(chǎng)房能力方面來(lái)看，對(duì)水淹廠(chǎng)房進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析并采取一定截流和排水防護(hù)措施是十分必要的。目前電站主要通過(guò)設(shè)置自流排水洞，改進(jìn)水泵水輪機(jī)頂蓋結(jié)構(gòu)等方面來(lái)提升防水淹廠(chǎng)房的能力[2，3]。

由于抽水蓄能電站的水頭較高，引水系統(tǒng)壓力鋼管較長(zhǎng)，一旦發(fā)生廠(chǎng)內(nèi)爆管事故，機(jī)組導(dǎo)葉及進(jìn)水閥不能及時(shí)關(guān)閉，將引起水淹廠(chǎng)房事故。2009年SY水電廠(chǎng)發(fā)生水淹廠(chǎng)房重大事故[3]，2號(hào)機(jī)組頂蓋螺栓疲勞斷裂，在水力作用下旋轉(zhuǎn)部件及頂蓋脫離飛出，水淹整個(gè)廠(chǎng)房，直接經(jīng)濟(jì)損失超過(guò)40 億美元。2016年HL抽水蓄能電站頂蓋螺栓斷裂，造成水淹廠(chǎng)房事故，廠(chǎng)房最高水線(xiàn)達(dá)發(fā)電機(jī)層1.6 m左右，經(jīng)自流排水洞排水，水位下降至蝸殼層1 m高左右。因此發(fā)生水淹廠(chǎng)房事故時(shí)，引水壓力鋼管是否設(shè)置了快速截?cái)嗨鞯脑O(shè)施成為關(guān)鍵。國(guó)外一些大中型抽水蓄能電站和長(zhǎng)輸水系統(tǒng)的常規(guī)電站在輸水系統(tǒng)中設(shè)置蝶閥或閘門(mén)，迄今為止，國(guó)內(nèi)尚未對(duì)此問(wèn)題進(jìn)行系統(tǒng)研究。從可靠性和安全性角度，研究在引水系統(tǒng)設(shè)置快速截?cái)嗨鞯脑O(shè)施作為防水淹廠(chǎng)房的保護(hù)措施，是非常必要的。本文以PJ抽水蓄能電站為依托，對(duì)抽水蓄能電站引水系統(tǒng)上平段設(shè)置蝶閥方案進(jìn)行防水淹廠(chǎng)房事故演算和風(fēng)險(xiǎn)分析。

PJ抽水蓄能電站裝有4臺(tái)單機(jī)容量350 MW機(jī)組，上水庫(kù)正常蓄水位1 062 m，死水位1 041.00 m。額定水頭648 m。輸水系統(tǒng)由引水系統(tǒng)和尾水系統(tǒng)兩部分組成，均采用一洞兩機(jī)布置方式。電站廠(chǎng)房主要由主廠(chǎng)房、副廠(chǎng)房及安裝間等組成。其中主廠(chǎng)房尾水管層高程280.5 m、錐管層地面高程287.5 m、水輪機(jī)層地面高程295.60 m、母線(xiàn)層地面高程301.60 m、發(fā)電機(jī)層地面高程307.60 m。

本文主要針對(duì)輸水系統(tǒng)上平段設(shè)置蝶閥與不設(shè)置蝶閥的淹沒(méi)情況、自流排水及水泵排水的淹沒(méi)情況進(jìn)行對(duì)比分析研究，包括淹沒(méi)速率及淹沒(méi)高程等。對(duì)不同工程條件下水淹廠(chǎng)房的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析。

2 廠(chǎng)房水淹源分析計(jì)算

2.1 計(jì)算工況

考慮到抽水蓄能電站地下廠(chǎng)房的特點(diǎn)及可能發(fā)生水淹廠(chǎng)房的局部爆管工況，選取了以下3種具有代表性的事故工況，3種情況爆管高程約為水輪機(jī)安裝高程292.0 m。

(1)球閥前壓力鋼管排水管局部爆裂。

(2)蝸殼進(jìn)人門(mén)及尾水管進(jìn)人門(mén)螺栓撕裂；由于引水系統(tǒng)水壓較高，尾水系統(tǒng)水壓較低，蝸殼進(jìn)人門(mén)和尾水管進(jìn)人門(mén)直徑相差不大，蝸殼進(jìn)人門(mén)螺栓撕裂工況更不利。故以下主要針對(duì)蝸殼進(jìn)人門(mén)進(jìn)行事故工況模擬計(jì)算。

(3)頂蓋螺栓撕裂。

2.2 計(jì)算模型

上庫(kù)進(jìn)水口檢修閘門(mén)關(guān)閉時(shí)間為t1=15 min，在此閘門(mén)關(guān)閉過(guò)程中，引水流道均充滿(mǎn)水，上庫(kù)正常蓄水位1 062 m，爆管處高程約為292.000 m。

根據(jù)工程流體力學(xué)孔口恒定出流[4]的計(jì)算公式

(1)

式中，H為初始水頭，對(duì)于爆管極端情況下，可取為在上庫(kù)正常蓄水位時(shí)，球閥前壓力鋼管的承壓；A為出流面積；μ為流量系數(shù)，一般取0.60～0.65?？紤]底孔出流不收縮，流量系數(shù)取0.65。

2.3 變水頭出流計(jì)算

當(dāng)上庫(kù)事故閘門(mén)關(guān)閉后，閘門(mén)至爆管處間的引水鋼管中的水柱逐漸減少，爆管后15 min內(nèi)，可按恒定流處理，流量與水頭的關(guān)系見(jiàn)式(3)。根據(jù)從孔口流出的水體積應(yīng)等于管道水位下降減少的水體積，

(2)

由公式(1)和公式(2)可推導(dǎo)得出當(dāng)引水鋼管中水頭由H1降至H2時(shí)，所需時(shí)間為

(3)

式中，A0為上庫(kù)閘門(mén)至球閥前引水壓力鋼管較長(zhǎng)，且管徑較大，直徑在2.7～6.5 m間變化；i為引水壓力鋼管斜率。根據(jù)該階段水道布置，引水鋼管管徑及長(zhǎng)度計(jì)算PJ抽水蓄能電站引水系統(tǒng)管內(nèi)水量約為35 460.75 m3。

2.4 水淹廠(chǎng)房事故淹沒(méi)時(shí)間和高程計(jì)算

發(fā)生水淹廠(chǎng)房事故時(shí)，進(jìn)水球閥關(guān)閉故障的情況下，上庫(kù)事故閘門(mén)落下前，爆管出流按恒定出流情況計(jì)算，時(shí)間約為15 min；閘門(mén)落下后，平段按定水頭出流情況計(jì)算，斜井段按照變水頭出流情況計(jì)算?？紤]廠(chǎng)房?jī)?nèi)水位淹沒(méi)至水泵水輪機(jī)層約2 m處，即配電箱完全被淹沒(méi)，水泵失去工作能力，不再排水。

在其爆裂時(shí)的最不利工況時(shí)，按照上庫(kù)正常蓄水位，球閥前壓力鋼管最大過(guò)流面積DN200直徑考慮，計(jì)算恒定出流時(shí)流量為2.51 m3/s；蝸殼進(jìn)人門(mén)按DN600直徑進(jìn)行考慮，計(jì)算恒定出流時(shí)流量為22.59 m3/s；；頂蓋螺栓斷裂時(shí)，考慮最不利情況，電站頂蓋掀起時(shí)，過(guò)流斷面流量由蝸殼最小斷面流量決定，其斷面圓直徑為2.1 m，計(jì)算恒定出流時(shí)流量為276.71 m3/s。計(jì)算結(jié)果如圖1、2、3所示。

圖1 壓力鋼管排水管爆管淹沒(méi)速率

2.4.1上平段設(shè)置蝶閥

當(dāng)上平段不設(shè)蝶閥，爆管后發(fā)生水淹廠(chǎng)房事故時(shí)，滲漏排水泵自動(dòng)啟動(dòng)，廠(chǎng)房?jī)?nèi)水量最大時(shí)將淹至水泵水輪機(jī)層以上，淹沒(méi)高程為水泵水輪機(jī)層以上1.94 m高度。當(dāng)關(guān)閉時(shí)間為120 s時(shí)，廠(chǎng)房?jī)?nèi)水量最大將淹至水泵水輪機(jī)層以上，淹沒(méi)高度為0.63 m。各層淹沒(méi)時(shí)間如表1所示。

表1 壓力鋼管排水管爆管淹沒(méi)時(shí)間 min

在上平段設(shè)置蝶閥，對(duì)DN200球閥前壓力鋼管排水管爆裂的工況，水泵水輪機(jī)層淹沒(méi)高度將減少約1.28 m，且設(shè)置蝶閥后水泵水輪機(jī)層的淹沒(méi)高程不超過(guò)1 m，保證了人員安全。

圖2 蝸殼進(jìn)人門(mén)螺栓斷裂淹沒(méi)速率

當(dāng)上平段不設(shè)蝶閥，蝸殼進(jìn)人門(mén)螺栓斷裂后發(fā)生水淹廠(chǎng)房事故時(shí)，滲漏排水泵啟動(dòng)，廠(chǎng)房?jī)?nèi)水量最大時(shí)將淹至發(fā)電動(dòng)電機(jī)層，至最高水位淹沒(méi)時(shí)間為0.78 h，淹沒(méi)高度為0.62 m。當(dāng)上平段設(shè)置蝶閥，蝶閥關(guān)閉時(shí)間為60 s時(shí)，爆管后若水淹廠(chǎng)房，廠(chǎng)房?jī)?nèi)水量最大時(shí)將淹至水泵水輪機(jī)層以上層，淹沒(méi)高度為3.12 m。蝶閥關(guān)閉時(shí)間為120 s時(shí)，爆管后若水淹廠(chǎng)房，廠(chǎng)房?jī)?nèi)水量最大時(shí)將淹至水泵水輪機(jī)層以上，淹沒(méi)高度為5.71 m。各層淹沒(méi)時(shí)間如表2所示。

表2 蝸殼進(jìn)人門(mén)螺栓斷裂淹沒(méi)時(shí)間 min

在上平段設(shè)置蝶閥，對(duì)DN600蝸殼進(jìn)人門(mén)螺栓撕裂工況，淹沒(méi)高層從發(fā)電電動(dòng)機(jī)層降低至水泵水輪機(jī)層，對(duì)水淹廠(chǎng)房事故改善較大。保證了母線(xiàn)層及以上的電氣設(shè)備安全，為人員和重要設(shè)備的轉(zhuǎn)移創(chuàng)造了條件。

2.4.2設(shè)置自流排水洞

當(dāng)采取自留排水洞排水措施時(shí)，自流排水洞高程為277.30 m，錐管層高程為287.5 m，自流排水洞斷面如圖3所示。

圖3 自流排水洞斷面(單位：mm)

錐管層淹沒(méi)水時(shí)：此時(shí)自流排水洞的排水流量由路廊道層格柵過(guò)流通道決定。計(jì)算通流面積大約為1.5×5=7.5 m2。在管路廊道層水位達(dá)到一定高度時(shí)，自流排水洞將達(dá)到滿(mǎn)流狀態(tài)。此時(shí)當(dāng)自流排水洞排水流量與爆管流量相同時(shí)，地下廠(chǎng)房?jī)?nèi)的水位達(dá)到最高，假設(shè)此時(shí)淹沒(méi)高度為H管，經(jīng)計(jì)算當(dāng)發(fā)生DN200爆管和蝸殼進(jìn)人門(mén)螺栓斷裂時(shí)，地下廠(chǎng)房?jī)?nèi)的水位最高分別為0.13 m和1.09 m，淹沒(méi)高程較低，且地下廠(chǎng)房?jī)?nèi)人員有足夠的時(shí)間處理事故。對(duì)于頂蓋螺栓斷裂工況，由于廠(chǎng)房淹沒(méi)進(jìn)水流量較大，故必須切斷進(jìn)水來(lái)源并加強(qiáng)排水措施防止事故擴(kuò)大。

圖4 頂蓋螺栓斷裂淹沒(méi)速率

如圖4和表3所示，當(dāng)頂蓋栓斷裂引起頂蓋掀開(kāi)水淹廠(chǎng)房時(shí)，若設(shè)置自流排水洞不設(shè)蝶閥時(shí)，廠(chǎng)房?jī)?nèi)水量最大時(shí)將淹至電動(dòng)電機(jī)層，且廠(chǎng)房容量不足以容納上庫(kù)進(jìn)水量。當(dāng)不設(shè)置自流排水洞，在上平段設(shè)置蝶閥時(shí)，蝶閥關(guān)閉時(shí)間為60 s時(shí)，頂蓋螺栓斷裂后水淹廠(chǎng)房，廠(chǎng)房?jī)?nèi)水量最大時(shí)將淹至發(fā)母線(xiàn)層以上，淹沒(méi)高度為5.07 m。蝶閥關(guān)閉時(shí)間為120 s時(shí)，廠(chǎng)房?jī)?nèi)水量最大時(shí)將淹至電動(dòng)發(fā)電機(jī)層以上，淹沒(méi)高度為4.16 m。當(dāng)設(shè)置自留排水洞同時(shí)在上平段設(shè)置蝶閥時(shí)，蝶閥關(guān)閉時(shí)間為60 s時(shí)，頂蓋螺栓斷裂后水淹廠(chǎng)房，廠(chǎng)房?jī)?nèi)水量最大時(shí)將淹至水泵水輪機(jī)層以上，淹沒(méi)高度為3.97 m。蝶閥關(guān)閉時(shí)間為120 s時(shí)，廠(chǎng)房?jī)?nèi)水量最大時(shí)將淹至電動(dòng)發(fā)電機(jī)層以上，淹沒(méi)高度為0.57 m。

表3 頂蓋螺栓斷裂淹沒(méi)時(shí)間 min

3 結(jié)論及建議

(1)通過(guò)對(duì)抽水蓄能電站防水淹廠(chǎng)房事故演算與風(fēng)險(xiǎn)分析發(fā)現(xiàn)，地下廠(chǎng)房設(shè)置自流排水洞對(duì)于廠(chǎng)房?jī)?nèi)局部爆管防水淹廠(chǎng)房事故情況具有顯著的改善效果；對(duì)于不具備設(shè)自流排水洞條件、采用水泵間接排水的抽水蓄能電站，上平段設(shè)置蝶閥或其它具有快速截?cái)嗄芰Φ难b置對(duì)防止水淹廠(chǎng)房事故進(jìn)一步擴(kuò)大作用顯著。

(2)當(dāng)出現(xiàn)蝸殼進(jìn)人門(mén)螺栓撕裂等類(lèi)似工況發(fā)生時(shí)，通過(guò)上平段蝶閥或其它具有快速截?cái)嗄芰Φ难b置緊急關(guān)閉，可以將淹沒(méi)高程從電動(dòng)發(fā)電機(jī)層降低到水泵水輪機(jī)層及以下，不僅可以保證母線(xiàn)層以上的電氣設(shè)備安全運(yùn)行，并可為重大事故發(fā)生時(shí)延緩事故進(jìn)一步擴(kuò)大、人員撤離、重要設(shè)備轉(zhuǎn)移等創(chuàng)造有利條件。

(3)對(duì)于頂蓋螺栓斷裂工況發(fā)生水淹廠(chǎng)房時(shí)，單獨(dú)設(shè)置蝶閥或其它裝置快速截?cái)嗨?，或單?dú)設(shè)置自流排水洞對(duì)防水淹廠(chǎng)房程度難以實(shí)現(xiàn)有效的控制措施，當(dāng)兩者相結(jié)合時(shí)，蝶閥采用60 s關(guān)閉時(shí)，可以有效控制廠(chǎng)房淹沒(méi)高度在母線(xiàn)層地面高程以下。

(4)由于當(dāng)頂蓋螺栓斷裂工況造成水淹廠(chǎng)房事故時(shí)，淹沒(méi)流量和速度均較快，因此需要加強(qiáng)對(duì)機(jī)組主要受力部件(如連接螺栓等)的定位監(jiān)控[5]，對(duì)螺栓的疲勞情況、松動(dòng)情況、無(wú)損探傷等作為重點(diǎn)進(jìn)行切實(shí)有效的監(jiān)控和維護(hù)[6，7]，避免事故的發(fā)生。