抽水蓄能电站上水库进/出水口快速闸门防水淹厂房设计探讨

钟全胜，童 慧，蒋立新，任 鑫，钟聚光

(1.中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司，湖南长沙410014；2.湖南平江抽水蓄能电站有限公司，湖南平江414500)

抽水蓄能电站通常采用地下厂房，厂房内洞群繁多，包含主厂房、主变洞、尾闸洞及母线洞等，电站主要机电设备均位于地下厂房。抽水蓄能电站水头多为500～700 m，机组吸出高度一般为负几十米或上百米，且输水管路很长，一旦发生机组爆裂、球阀破坏、重要引水管路爆管等事故或事故叠加，将有可能出现大量的水从电站上、下库及输水管路涌入厂房，导致水淹厂房，给电站带来重大经济损失，甚至造成人身伤亡。

2012年安徽某抽水蓄能电站在试验时，水泵水轮机水环排水管直接联通尾水管的阀门破裂，使得下游水库水经此涌入厂房，造成水淹厂房事故[1]；2016年河南某抽水蓄能电站机组甩负荷过程中，水轮机顶盖连接螺栓断裂，顶盖在水压力作用下被抬起，发生水淹厂房事件。

因此，防水淹厂房设计应是抽水蓄能电站设计的重点之一，应对此进行专项研究和评价。在电站机组或其辅助系统出现事故时，如水轮机顶盖螺栓撕裂、技术供水管路破裂，机组进水阀和尾闸室事故闸门承担着防止事故扩大的责任，但以上事故工况下，进水阀可能因电源丢失或油路失压等原因拒动，而上水库进/出水口事故闸门是切断上水库水源，防止事故扩大的重要保障，因此优化该闸门的设计和布置，是电站防水淹厂房设计的重要内容。

目前，国内外针对抽水蓄能电站防止水淹厂房的设计尚无统一标准，对闸门防水淹厂房的专项研究较少。对此，为提高电站防水淹厂房能力，减少水淹厂房损失，对上水库进/出水口事故闸门进行防水淹厂房设计探讨，提出事故闸门改为快速闸门的方案，研究其可行性。

1 上水库进/出水口事故闸门典型布置

目前上水库进/出水口事故闸门典型布置方案为：在进/出水口拦污栅下游设置事故闸门，闸门通过门槽顶部排架上的QPQ型固定卷扬式启闭机操作，如图1所示[2]。闸门平时与启闭机连接，悬挂或锁定在门槽顶部，为提高闸门启闭速度，启闭机采用变频调速。

图1 抽水蓄能电站上水库进/出水口典型事故闸门及启闭机布置示意(单位：m)

由于闸门底缘距离门槽底槛较远，闸门闭门时间较长，如平江抽水蓄能电站上水库进/出水口事故闸门，闭门行程约51 m，闭门时间约15 min。QPQ型固定卷扬式启闭机工作时需要动力电源，对供电的可靠性要求高，如河南某抽水蓄能电站发生水淹厂房后，电厂立刻启动水淹厂房动作保护，但由于厂用电丢失，且备用动力电源跳闸，导致上水库事故闸门在发生事故后35 min、备用电源恢复后才开始动作。

因此，为提高事故闸门防事故扩大的能力，减少水淹厂房损失，缩短事故工况闸门闭门时间，提高闸门闭门可靠性，有必要研究将卷扬式启闭机操作的事故闸门改为由液压启闭机操作的快速闸门。

2 快速闸门方案防事故扩大能力

以平江抽水蓄能电站为例，对比上水库进/出水口事故闸门和快速闸门两种方案在不同事故工况下，球阀拒动时的厂房淹没情况，分析快速闸门方案防事故扩大的能力。平江抽水蓄能电站装有4台单机容量350 MW机组，额定水头648 m。输水系统总长约2 877.776 m，引水系统总长1 420.487 m。平江抽水蓄能电站厂房横剖面如图2所示。

图2 平江抽蓄厂房横剖示意(单位：高程m，尺寸mm)

计算事故工况如下：工况1，球阀前压力钢管排水管局部爆裂，过流断面按DN200直径考虑；工况2，蜗壳进人门螺栓撕裂，过流断面按DN600直径考虑；工况3，顶盖螺栓撕裂，因顶盖过流出口圆环面积大于引水蜗壳最小断面面积，过流断面按蜗壳最小断面DN2100直径考虑。设计方案如下：方案1，电站设置事故闸门，不设自流排水洞，采用水泵间接排水；方案2，电站设置事故闸门，设自流排水洞；方案3，电站设置快速闸门，不设自流排水洞，采用水泵间接排水；方案4，电站设置快速闸门，设自流排水洞。各方案中，事故闸门闭门时间15 min，快速闸门闭门时间3 min；上水库事故(快速)闸门落下前，爆管出流按恒定出流计算；闸门落下后，流道平段按定水头出流计算，斜井段按照变水头出流计算。计算结果如表1所示。

可以看出，对于电站不设置自流排水洞的方案，工况1下，设置快速闸门可将水轮机层淹没深度减小到1 m以下，保证了该层运行人员的安全；工况2下，设置快速闸门淹没高层从发电机层降低至母线层以上0.2 m，保证了母线层及以上位置绝大部分电气设备的安全，保证了母线层运行人员的安全。对于电站设置自流排水洞的方案，快速闸门对各工况下的淹没高程改善有限，主要作用为减少水淹厂房时间，减小设备损失。工况3下，由于出流断面过大，各方案均会出现很大淹没，快速闸门方案主要作用为减少水淹厂房时间，减小设备损失。

表1 各方案水淹情况对比

考虑到多数规划或筹建抽水蓄能电站装机规模和输水发电系统布置与平江抽水蓄能电站类似，由以上计算结果可以看出，抽水蓄能电站，尤其是不设置自流排水洞的电站，上水库进/出水口设置快速闸门对防止水淹厂房事故扩大，减少水淹厂房损失具有较大的积极作用。

3 设置常规水电站进水口快速闸门方案

常规水电站机组前多未设置进水阀，进水口设有快速闸门，其功能与抽水蓄能电站进水球阀类似。快速闸门在常规水电站进水口有着丰富的应用经验[3]，参考常规水电站进水口快速闸门布置，研究在抽水蓄能电站上水库进/出水口设置快速闸门的可行性。

3.1 设备布置和选型

在进/出水口拦污栅下游设置快速闸门，闸门采用液压启闭机操作，布置如图3所示。

图3 抽水蓄能电站上水库进/出水口设常规水电站进水口快速闸门方案布置示意(单位：m)

闸门门叶面板及底止水均设置在上水库侧，顶、侧止水设置在厂房侧，利用水柱闭门。闸门通过多节拉杆与启闭机连接，平时停放在孔口上部的门楣附近处于待命状态，闸门底缘距离孔口顶部高程0.5～1.0 m。液压启闭机采用浮动式支承结构，液压系统闭门回路采用差动回路。

为避免液压系统漏油时，液压启闭机自动复位失灵导致闸门下落，启闭机顶部设置活塞杆机械锁定装置。为检修快速闸门门槽方便，在快速闸门上游侧布置一道检修闸门，检修闸门启闭、液压启闭机和快速闸门检修采用双向门机操作。

3.2 方案分析

《抽水蓄能电站设计导则》条文说明指出：“当采用快速闸门或者要求闸门悬挂位置较低，且位于闸门井水体中时，应通过模型试验来论证涌波对闸门的影响。只有论证闸门确实处于安全状态，才能采用这种布置，否则应尽量避免这种布置。另外，快速闸门一般都停放在孔口上部的门楣附近。机组频繁工况转换带来的双向脉动水流造成闸门晃动，容易使吊耳及吊轴等承重构件发生疲劳破坏，闸门的正、反向支承受到反复冲击。这些不利于闸门安全的因素，在设计时均应克服”[4]。

根据以上条文说明，上水库进/出水口设置快速闸门的主要问题是闸门井内涌波和双向脉动水流将给快速闸门及其连接构件造成不利影响。

对于抽水蓄能电站，上水库进/出水口主要可分为侧式进/出水口和竖井式进/出水口，侧式进/出水口根据布置型式可分为闸门竖井式、岸塔式和岸坡式，竖井式进/出水口根据布置型式可分为闸门布置在山体内与闸门布置在水库内两种布置方式。除闸门布置在水库内的竖井式进/出水口(如溧阳抽水蓄能电站)外，其余的进/出水口布置方式中，事故闸门井与输水管道入口距离均较远，典型工程统计结果如表2所示。

从表2可以发现，与常规水电站相比，抽水蓄能电站事故闸门井与输水水道入口距离均较远，电站出现过渡过程工况，事故闸门井内涌波情况如调压井一样，同时由于上水库进/出水口至水轮机导叶之间的输水管道很长，再加之抽水蓄能电站机组工况转换频繁，这样事故闸门井内涌波较常规水电站频繁且剧烈许多，而抽水、发电工况带来的双向脉动水流也是常规水电站不具有的。再者，若闸门设计水头较高，需要设置多节拉杆，闸门与启闭机之间的连接环节增多。因此，与常规水电站相比，抽水蓄能电站闸门井内涌波和双向脉动水流造成快速闸门及其连接构件破坏的可能性加大。

表2 典型工程上水库进/出水口事故闸门井与输水水道入口距离统计

抽水蓄能电站在抽水工况时，如果快速闸门突然掉落，闸门快速封闭孔口，该闸门至下库进/出水口的管道内水体体积巨大，快速闸门下游侧将形成巨大的水锤压力，该压力可能远大于快速闸门及输水管道的设计水压力，极端情况下，将出现闸门垮塌、流道破坏的重大事故。考虑到快速闸门掉落的危害较大，不允许在抽水工况下，出现上水库进/出水口闸门意外坠落的事故。

因此，不推荐抽水蓄能电站上水库进/水口采用设置常规水电站进水口快速闸门的方案。

4 设置闸阀式快速闸门方案

分析常规水电站进水口快速闸门方案发现，如何消除或减少闸门井内涌波和双向脉动水流的不利影响，是研究快速闸门方案可行性的一个重要方向。参考抽水蓄能电站尾闸室设置事故闸门实践，在抽水蓄能电站进/出水口设置闸阀式快速闸门。

4.1 设备布置和选型

在进/出水口拦污栅下游设置快速闸门，闸门采用液压启闭机操作，布置如图4所示。

图4 抽水蓄能电站上水库进/出水口设闸阀式快速闸门方案布置示意(单位：m)

闸门门叶面板及底止水均设置在上水库侧，顶、侧止水设置在厂房侧，利用水柱闭门。闸门门槽顶部设置密封盖板，盖板兼做液压启闭机机架。闸门直接与启闭机连接，平时停放在孔口上部的门楣附近处于待命状态，闸门底缘距离孔口顶部高程0.5～1.0 m。液压启闭机采用固定式支承结构，油缸缸体的下端坐落在门槽顶盖板，液压系统闭门回路采用差动回路，启闭机除配置交流电外，还配有蓄电池。

为避免液压系统漏油时，液压启闭机自动复位失灵导致闸门下落，同时为防止闸门与启闭机连接构件破坏导致闸门下落，在密封盖板上设置锁定装置和监测装置，锁定装置成对布置，如图5所示。闸门在全开位时，闸门顶部的锁定吊耳与锁定吊轴脱空，处于待命保护状态；当闸门下降到设计行程，锁定吊耳与锁定吊轴接触，阻止闸门继续下落，同时监测装置发送信号报警。极端工况下，锁定装置失效，闸门继续下落，监测装置通过行程开关将此事故信号引至电站计算机监控系统报警并执行事故停机组、关球阀等操作。

图5 闸阀式快速闸门锁定装置三维示意

4.2 方案分析

4.2.1方案可行性

(1)闸阀式快速闸门一直位于封闭的门槽框架内，在过渡过程工况，闸门井内无剧烈水流涌波，水流对闸门及其连接构件的冲击较小，较大地减小了闸门井内涌波的不利影响。快速闸门反向及侧向支承采用轮子加弹性结构(或板弹簧)的形式，闸门会被水封、反向支承及侧向支承这些弹性构件预压顶紧，当闸门处于全开状态时，闸门上下游及左右侧均受到弹性约束，这样可较大地减轻抽水、发电工况双向脉动水流造成的闸门晃动，减小双向脉动水流带来的不利影响。

(2)闸阀式快速闸门方案中，闸门直接与液压启闭机连接，连接环节少，连接构件出现破坏的概率降低。

(3)闸门锁定装置直接锁定闸门，能确保闸门和启闭机的连接即便破坏，闸门也不会掉落，极大地降低了闸门意外坠落的风险。该锁定装置运用在广州抽水蓄能、惠州抽水蓄能、琼中抽水蓄能等电站尾闸室事故闸门中，未曾出现闸门掉落事故。

(4)设有监控装置保护，若出现多重事故叠加的极端工况导致闸门掉落，监测装置能立刻向电站计算机监控系统报警并执行事故停机组、关球阀等保护动作。

综上所述，再根据抽水蓄能电站尾闸室事故闸门运行经验，抽水蓄能电站上水库进/出水口设置闸阀式快速闸门的方案是可行的。

4.2.2方案评价

(1)由于快速闸门底缘距离门槽底槛较近，快速闸门能够快速动水关闭，切断水流。平江抽水蓄能电站上水库进/出水口采用闸阀式快速闸门方案，闸门闭门时间可由15 min缩短至3～4 min，当出现水淹厂房事故时，快速闭门有利于减小电站财产损失，有利于运行人员安全撤离，提高了闸门的防事故扩大能力。

(2)液压系统闭门回路采用差动回路，通过操作差动回路上的电磁阀，即可将液压启闭机有杆腔和无杆腔连通，闸门利用自重(水柱)快速闭门。这样即使交流电丢失，蓄电池也能为启闭机供电，保证锁定装置打开，闸门及时下落，提高了事故工况下闸门闭门的可靠性。

(3)造价方面，对平江抽水蓄能电站上水库进/出水口设置事故闸门和快速闸门两个方案主要工程量进行了造价对比(如表3所示)。闸阀式快速闸门方案新增投资4 724.45万元，约占工程总投资880 000万的0.6%。

表3 平江抽水蓄能电站上水库进/出水口闸门方案造价对比 万元

5 结 论

为提高电站防水淹厂房能力，减少水淹厂房损失，对抽水蓄能电站上水库进/出水口设置快速闸门的方案进行探讨。采用常规水电站进水口快速闸门的方案，闸门井内涌波和双向脉动水流将给抽水蓄能电站中的快速闸门及其连接构件造成不利影响，该方案不予推荐。采用闸阀式快速闸门方案，能较大地减小闸门井内涌波和双向脉动水流的不利影响，通过设置锁定、监测等装置能防止闸门意外坠落或误操作，因此该方案是基本可行的。闸阀式快速闸门方案可将闸门闭门时间由15 min降低至3～4 min，能提高闸门防事故扩大能力，减少水淹厂房损失，提高事故工况闸门闭门可靠性，且新增工程量不大，为抽水蓄能电站防水淹厂房设计提供了新的思路。为确保上水库进/出水口闸阀式快速闸门方案的安全可靠，下一步可对此开展专题研究工作。