地下式水电站排水系统风险评估及技术改进

张 涛，丁文婷

（1.中国长江电力股份有限公司三峡水力发电厂，湖北 宜昌 443133；2.国家电网湖北省电力公司特高压直流运检中心，湖北 宜昌 443000）

地下式水电站排水系统风险评估及技术改进

张 涛1，丁文婷2

（1.中国长江电力股份有限公司三峡水力发电厂，湖北 宜昌 443133；2.国家电网湖北省电力公司特高压直流运检中心，湖北 宜昌 443000）

地下式水电站发电厂房布置于地下洞室内，由于地质结构及相关技术要求，厂房深埋地下几十至数百米不等，这使得地下式厂房排水系统管线布置受洞室结构限制较一般水电站排水系统复杂。针对地下式水电站排水系统具体情况，本文进行了排水系统水锤发生的风险分析，并介绍了相关的技术改进措施。

地下电站；排水系统；水锤；改造

1 引言

水电厂排水系统是比较容易发生故障的部位，若排水系统不可靠，就会引起水淹厂房的重大事故，严重威胁水电厂的安全和运行。地下式电站排水系统的安全运行更显得尤为重要。厂房采用地下式布置，厂房渗漏水源主要是地下水、引水隧洞内外渗水，漏水量较大；同时还包括检修排水、厂区生产生活排水。其中检修排水的排水量大、位置较低，只能采用水泵排水，必须安全可靠，以防止因排水系统的故障引起尾水倒灌，造成水淹厂房的事故。

地下式水电站发电厂房布置于地下洞室内，由于地质结构及相关技术要求，厂房深埋地下几十至数百米不等，这使得地下式厂房排水系统管线布置受洞室结构限制，较一般水电站排水系统复杂。

2 某地下电站排水系统水锤概况

某地下电站厂内排水系统深井泵包括机组检修△排水深井泵8台，厂房渗漏排水深井泵4台，布置在67.0 m高程的水泵房内。两个排水系统均采用两台泵合并为一个出水管路，共用一个出水口的方式。而出水管路设计为从67 m高程竖直升至75.3 m高程后沿进程交通洞左侧预埋，至82 m高程尾水平台之后再降至67 m出水口的布置形式。出水管从闸阀之后大约长340 m并且有15 m高度差。地下电站厂内排水系统进行带负荷试验，水泵停机时发生水锤问题，并出现出水口伸缩节被水锤冲击破坏导致扭曲变形的现象。地下电站厂房排水系统投入运行调试过程中，发生了6次共计8台次的深井泵电机烧毁事故。烧毁电机全部为机组检修排水系统深井泵电机，1号～8号检修排水深井泵电机在运行过程中均被烧毁。

3 排水系统水锤压力波动计算

以并联的2台检修排水泵为例建立模型（设备参数见表1），经过适当简化得到如图1所示管道走势图。J-1节点前为DN350的管道，之后为DN500的管道，AIR-1为复合式排气阀，J-5之后的管道内水流为半管流，R-2处为自由出流末端。

表1 设备参数

图1 管道走势图

两台泵同时在正常工况运行时，管道内水流为的恒定流，是水力过渡过程的初始状态。泵的额定出口压力为80 m水头，单台泵额定流量为1 000 m3/h，DN500管道内流量为2 000 m3/h。水泵实际运行过程中单台水泵流量大于1 200 m3/h，则DN500管道内实际流量大于2 400 m3/h，取2 400 m3/h。

按恒定流分析，管段沿程水头损失计算可以按HAZEN-WILLIAMS公式计算：

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

式中：f为单位长度的摩擦损失mm；

Q为公制流量单位m3/s；

D为管道内径m；

C为管道的光滑系数，在本系统当中按常规取125。

在本系统当中，局部水头损失除水泵之外并无依据可取，在适当调整管道光滑系数C值之后，做为管线的总阻力。因此为简化计算，得到如图2所示的两台泵同时运行时管道恒定流状态压力分布，两线的差值为对应位置管道的实际压力水头。

针对管线进行恒定流的水力分析，其中中间的线2为管线覆设线，线1为管线正常供水时的水压线，末端为半管流。X轴为管线距离，Y轴为绝对高程（后同）。

图2 两台泵同时运行时管道内恒定流压力分布图

（1）停泵水锤分析。

在本两台泵组成的排水系统中，可能产生“停泵水锤”的工况为：

1）单泵正常关停，本系统正常停泵方式为软停泵，有一定的停泵时间；

2）人为事故或系统故障（断电等）引起单泵或两泵同时突然关停，停泵时间极短。

发生水锤时，水锤压力波会以极快的速度在管道内传播。压力波速a可按下式计算：

其中:K为水的体积模量，取2.0646×109 Pa；

E为普通钢材的弹性模量，取1.96×1011；

δ为钢管壁厚。

计算得DN350管道的波速为1 235 m/s，DN500管道波速为1 155 m/s。由于水泵的突然关停，水泵之后的管道内，会出现压力下降。压力波会快速向水流相同的方向传递。到达终点后（或终点阀门，或者水池，或者管网）水锤波会返回，返回的压力波会使水泵后管道的压力升高。压力波遇到止回阀的阻挡后，会继续返回，在管道中进行阻尼震荡，慢慢平稳在静水压线上。

发生事故停泵时，在假设系统未加保护的情况下，对泵及整条管线压力变化进行分析。

对于单泵突然关停的情况，由图3所示单泵突然关闭时管线压力包络线可见，水锤压力波产生的最大压力出现在泵的出口处，约为400 m水头，沿管线最大压力逐渐降低。而由图4所示的单泵突然关闭时泵出口处的压力波动随时间变化的情况可以看出，最大压力出现在停泵后极短的时间内，压力波随后经过了约80 s的阻尼震荡，最后慢慢平稳在静水压线上。对于两台泵同时突然关停的情况，图5显示泵出口处的最大压力达到了700 m水头，而图6显示管道呈现出持续较高的压力波动。

图3 单泵突然关闭时管线压力包络线

图4 单泵突然关闭时出口处的压力波动随时间变化的情况

图5 两台泵同时突然关闭时管线压力包络线

图6 两台泵同时突然关闭时泵出口处的压力波动随时间变化的情况

4 电机烧毁原因分析

地下电站检修排水深井泵电机频繁烧毁，检修泵在停泵时电流快速上升，最大电流值达到2 000 A左右，并且持续时间在3～5 s。深井泵停泵时的电流过大导致电机绕组绝缘受到冲击，是深井泵电机屡次烧毁的重要原因。

5 技术改进及探讨

为了使深井泵工作完成后能实现平稳停泵，地下电站采用软停泵的方式进行停泵。即通过控制电机电磁转矩的方式，使电机转速降低直至电机停机。软停泵时间最初设定为10 s，后来由于在排水管理中发生比较严重的水锤现象，便将软停泵时间增加了5 s，改为15 s。

实验数据如表2所示。通过

表2 不同方式及时间软停泵时的最大电流值

现场调试最终排水系统采用减小电流的软停泵方式，软停泵时间设为3 s。

软停泵时间增加是为了减缓管道中的水锤冲击，此次试验减少了软停泵时间，虽然监测了电机的停机最大电流，但未能对管道中的水锤情况进行监测，有可能导致管道中的水锤现象加剧。

地下电站检修排水系统8台泵现阶段开启方式为不同出水管路的两台深井泵同时启动，即1号与3号、2号与4号、5号与7号、6号与8号分为4组，按启动次数进行启动，启动次数少的优先启动。停泵时按启动顺序进行时间间隔停泵，即先启动的一组先停泵，时间间隔为40 s。

在此运行方式下，地下电站检修排水系统最大的风险为：当排水量较大导致检修排水深井泵有6台或者8台启动排水时，出现人为事故或者系统故障导致正在运行的深井泵在极短的时间内同时停泵，即共用同一出水管道的两台泵（1号和2号、3号和4号、5号和6号、7号和8号）同时关闭导致水泵出口处出现剧烈的压力波动产生水锤现象，对系统中的阀门和管道造成破坏。

因此在原有排水管路中加装泵控阀配合水泵电机软停十分必要。现场勘测进行管路改造加装电控式水泵控制阀后，通过压力变送器对停泵工况进行监控（图7），数据表明，改造对改善排水系统出口管路压力波动和水锤影响，效果明显。

图7 出口管路改造后动态监测记录的数据

6 结语

通过以上对地下式水电站排水系统水锤的分析和系统改造，可得出以下结论：

（1）地下式水电站由于洞室结构限制，输水管线布置复杂，停泵过程中水锤对系统安全影响较大。

（2）排水系统通过减小电流的软停泵方式能有效降低水锤影响，一定程度上避免水泵电机的烧毁，但无法保证动力电源掉电下设备安全。

（3）系统通过增加泵控阀，并配合调整水泵电机合适软停泵时间双重保护能有效的改善地下式水电站排水系统的安全风险，提高设备的可靠性，且具备通用性。

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TV738

B

1672-5387（2017）01-0049-03

10.13599/j.cnki.11-5130.2017.01.015

2016-06-12

张 涛（1983-）男，工程师，从事水电站机械设备技术管理工作。