黑麋峰抽蓄电站输水流道排充水浅析

宋太平，杨 晖，杨 恒，曹春永，李既明，赵聚平

（国网新源湖南黑麋峰抽水蓄能有限公司，湖南 长沙410213）

1 概述

黑麋峰抽水蓄能电站位于湖南省长沙市望城区，距长沙市中心公路里程为25 km，属于日调节的纯抽水蓄能电站，安装4台单机容量300 MW的可逆式水泵水轮电动发电机组，总装机容量1200 MW，主要承担湖南及华中电网调峰、填谷、调频、调相及事故备用等任务。

黑麋峰抽水蓄能电站主要由上下水库、输水系统、地下厂房和地面开关站等建筑物组成，采用引水隧洞（1洞2机）垂直进厂房、尾水隧洞（1洞1机）斜出厂房的布置方式。上水库正常蓄水位为400 m，死水位为376.5 m；下水库正常蓄水位为103.7 m，死水位为65 m。输水系统由2条引水系统和4条尾水系统组成。2号引水输水系统由2号引水主洞、2号高压岔管以及2条引水支管组成，全长973 m（上库检修门至球阀），由引水下平段（高程 EL13.6～22.1）、引水斜井段（高程 EL22.1～338.4）、引水上平段（高程 EL338.4～362.6）组成，洞内储水量约 53830.3 m3。每条尾水系统长约320 m（机组中心线至下库检修门），由尾水下平段（高程EL2.7～8.7）、尾水斜井段（高程 EL8.7～51.5）、尾水上平段（闸门后渐变段，高程EL51.5～58.5）组成，洞内储水量约 9035.2 m3。

2 输水系统排水

排水是直接影响现场检修工作开工的一项关键工作，因此需要尽量缩短排水时间。但在排水过程中，围岩水压会对输水流道衬砌形成外压，若排水速率太快，则流道衬砌承受外压太大，将造成输水系统衬砌破坏。根据中南勘察设计院《输水系统充排实施细则》，黑麋峰输水流道排水速率应不大于4 m/h。因此排水过程应严格控制速率。在保证输水系统衬砌安全的前提下， 尽量缩短排水时间，避免影响检修工期。

2.1 排水前准备工作

（1）制定2号输水流道排水方案，经分管生产领导审批。

（2）发布2号输水流道排水风险预警通知单，并呈送电站相关外协单位，排水期间严格落实风险预警通知单等风险预控措施。

（3）准备好《各级领导和管理人员到岗到位记录登记表》，充水期间严格落实到岗到位制度。

（4）华中网调已批准2号流道机组检修工作票。

2.2 排水前现场设备状态

（1）上库2号进出水口闸门全关，控制及操作电源已拉开。

（2）3、4 号尾水闸门全开。

（3）3、4 号球阀全关，3、4 号球阀下游密封投入、上游密封退出。

（4）2号输水流道自动化及水工监测设施运行正常。

（5）3号、4号机组监控系统不停电，通过上位机监视3、4号球阀上游钢管压力变送器CP101压力值判断排水速率。

（6）3号、4号机风闸在投入状态。

2.3 排水技术要求

（1）根据中南勘察设计院《输水系统充排实施细则》，黑麋峰抽蓄电站输水流道排水过程水位下降速率不大于4 m/h。因此流道水位在斜井段与平段的交接点应及时调整排水阀开度，避免排水速率过快或者过慢。

（2）排水过程中随着流道水压下降，球阀下游密封将不能保持可靠投入，因此需提前准备加压泵加压使球阀下游密封投入（本次2号输水流道排空期间将进行球阀密封备用操作水源增设，完成增设后能保证密封可靠投入）。

（3）流道排水过程中内外水压差应满足：EL180 m以上不大于100 m，EL180 m以下（含岔管）不大于150 m；引水钢支（岔管后/球阀前）不大于50 m；尾水钢衬段不大于50 m，尾水混凝土衬段不大于100 m；整个排水过程中，由水工检测组通过水工建筑物自动化监测系统对2号输水流道进行实时监测，内外压差超标及时汇报排水指挥部。

（4）通过球阀前压力钢管压力变送器CP101数值及转轮与泄流环间压力变送器CP205数值可计算出流道内水位及排水速率。（水位=压力值×100/0.98+11，注：因测量该2个压力值的压力变送器高程均为11 m）

2.4 排水实施过程

排水主要分为3大阶段，具体排水数据见表1。

表1 2号输水流道排水数据

（1）第1阶段：上游流道排至与下库平齐

该阶段通过打开3、4号机上游流道排水阀排水（排至尾水管）。为确保流道安全，该阶段流道水位排至 EL270、EL220、EL170、EL120、及下库平齐后均需稳压24 h。稳压结束后将3、4号尾水闸门落至全关。

（2）第2阶段：通过3、4号机检修排水管道自流排至EL60 m（顶层排水廊道高程）

该阶段需打开3、4号机盘型阀、检修排水阀，通过检修排水管道从顶层排水廊道自流排水。排水过程中需检查3、4号尾闸漏水量[1]，如果漏水量较大则需要将尾闸提起重落一次，若仍不能解决问题，则需要将该尾水检修闸门落至全关。

（3）第3阶段：启动检修排水泵排水

当流道水位排至与顶层排水廊道平齐后，水无法继续自流排出，此时需启动检修排水泵加压排水。此阶段排水速率可通过启泵数量（一共有4台）及检修排水泵出口阀开度控制。

2.5 排水要点

（1）当流道水位与下库水位接近时，仅通过机组上游流道排水阀进行排水速率过慢，需退出1台机组球阀的下游密封，开启此台机组的盘形阀、检修排水阀、检修泵进出口阀、检修泵总出口阀，进行自流排水，此方法能有效保证排水速率。

（2）排水初期因水头高、压力大，排水阀和管路振动比较大，要加强检查，找到安全可靠的排水阀开度（机组上游流道排水阀有2个：1个针阀和1个球阀，1前1后，均能控制排水速率）[2]。

（3）整个输水流道排水过程中，均应密切监视机组顶盖水位，防止水淹厂房。

3 输水系统充水

输水系统充水是电站恢复正常运行过程中的一个重要环节。充水过程中，随着输水系统充水水位的上升，水道衬砌、周围围岩承受内压力也趋于上升[3]，岩石结构应力也随之变化，充水太快，则破坏岩石应力结构，易造成裂纹甚至裂缝；充水太慢则加长复役操作时间，加长检修工期，影响电站、机组的恢复备用时间。故充水过程中亟需加强监测设备监视，全面把控充水速率，确保设备、电站安全。

3.1 充水前准备工作

（1）制定2号输水流道充水方案，经分管生产领导审批。同时发布2号输水流道充水风险预警通知单，并呈送电站相关外协单位，充水期间严格落实风险预警通知单等风险预控措施。

（2） 2号输水流道内部检查已完成，确认流道内无遗留人员及物品。

（3）准备好《各级领导和管理人员到岗到位记录登记表》[4]，严格落实到岗到位制度。

（4） 2号输水流道有关检修、试验工作（包括球阀、调速器）已结束，工作票已终结。

3.2 充水前现场设备状态

（1） 3、4号机上游流道检修排水阀、球阀阀芯排水阀全关。

（2） 3、4号机锥管人孔门、蜗壳人孔门、盘型阀、检修排水阀已关闭。

（3）上库2号进出水口闸门全关，且具备充水条件。

（4）下库3、4号尾闸全关，且具备充水条件。

（5） 3、4 号机球阀上、下游密封退出，4 号球阀全开[5]，4号机调速器导叶开度10%，3号球阀全关。

（6） 3号、4号机风闸在投入状态。

3.3 充水技术要求

（1）根据中南勘察设计院《输水系统充排实施细则》，黑麋峰抽蓄电站输水流道充水过程水位上升速率不大于10 m/h，高水头即EL338.4 m时水位上升速率不大于5 m/h。因此在流道斜井段与平段的连接点应及时调整充水阀开度，避免充水速率过快或者过慢。

（2）整个充水过程中，由水工检测组通过水工建筑物自动化监测系统对2号输水流道进行实时监测，内外压差超标及时汇报充水指挥部。

（3）通过球阀前压力钢管压力变送器CP101数值及转轮与泄流环间压力变送器CP205数值可计算出流道内水位及充水速率。（水位=压力值×100/0.98+11。注：因测量该2个压力值的压力变送器高程均为11 m）

3.4 充水实施过程

充水主要分为两大阶段，具体充水数据见表2。

表2 2号输水流道充水数据

（1）第一阶段：上游流道、尾水管充至与下库平齐

该阶段通过提起3号、4号尾闸充水阀（约8 cm）向流道内充水。充水过程中应注意尾水管平段充水速率较慢，且无法通过压力数值监测水位，所以需现场加强巡视，通过打开锥管人孔门附近压力测量阀有无水流来判断水位。为确保流道安全，该阶段完成后需稳压12 h。稳压结束后将3、4号尾水闸门提至全开。

（2）第二阶段：2号引水流道充至与上库平齐

该阶段充水前应关闭4号球阀，投入3、4号球阀下游密封（密封操作水源取自2号输水流道）及球阀接力器机械锁锭。通过提起1号进出水口闸门充水阀进行充水。为确保流道安全，根据中南勘察设计院要求，水位充至EL140 m后需稳压24 h，水位分别充至EL220 m、EL280 m、EL338.4 m后均需稳压48 h，然后继续充水。当水位到达EL338.4 m之前应及时减小充水阀开度，否则充水速率会非常快（EL338.4 m以上是竖井段，水量小、高程大）。

3.5 充水要点

整个输水流道充水过程中，均应密切监视机组顶盖的水位，防止水淹厂房。

充水过程中应加强现场设备巡视，现场开启过的锥管人孔门、蜗壳人孔门、相关管路阀门等极可能出现漏水情况[6]，如现场检查发现漏水情况，必须立即汇报充水总指挥，并暂停充水进行漏水处理。

流道水位接近引水流道斜井段水位22.1 m、上库通气孔362.6 m时，须密切监视水位及变化速率，提前减小充水阀开度，避免水位上升过快。

4 输水系统排充水风险管控

4.1 风险分析

2号输水流道排充水过程中存在水淹厂房、排充水过快导致流道内外水压差过大，造成流道破坏等危险因素或事故隐患，为保证安全、有序的开展排水工作，必须进行风险分析，并做好风险防控。

4.2 预警计划管控时段

排水：2018年02月25日至2018年03月11日。

充水：2018年03月18日至2018年03月31日。

4.3 预控措施

（1）建立安全质量管理体系和组织机构，实行日碰头会制度，进行排充水全过程管理，推行标准化作业。

（2）提前制定方案，完成审批流程，内容包含排充水目标、排充水流程、组织措施、技术措施、安全措施、现场管理办法等，要详细、全面。

（3）合理安排排充水时间和排充水操作人员和现场处理人员，确保排充水进度安排合理，工作人员精力充沛。

（4）工作过程中遵守安规，严格执行工作票、操作票制度，确保现场安全措施可靠，工作规范有序，凡事有章可循。

（5）开工前召开班前会，进行安全技术交底，每天生产早会专题汇报排水进度，定期监测流道水位，控制排充水速率。

（6）做好排充水速率的把控，实行班组、部门、厂级三个管理层次逐级监督制度。

（7）安排专人在排充水过程中24 h现场巡视和24 h各监测点数据监视，做好数据收集、分析与对比，发现异常立即汇报和处理。

4.4 风险解除

2号输水流道排充水完成后，及时发布风险预警解除通知单，并呈送相关外协单位。

5 输水系统排充水安全监测

5.1 监测要求

（1）排水阶段对引水系统相关的自动化观测项目监测频次为1次/h，人工渗流观测项目，每天监测2次，重点监测部位巡视检查每天2次。

（2）排空阶段对引水系统相关的自动化观测项目监测频次为1次/4 h，人工渗流观测项目，每天监测1次，重点监测部位巡视检查1次。

（3）充水阶段对引水系统相关的自动化观测项目监测频次为1次/h，人工渗流观测项目，每天监测2次，重点监测部位巡视检查每天2次。

5.2 监测仪器安装情况

（1）底层排水廊道渗压计3支，量水堰1个。（2）中层排水廊道渗压计6支，量水堰1个。（3）顶层排水廊道渗压计共12支。

（4） 4号施工支洞量水堰1个，温度计2支。

（5） 5号施工支洞渗压计3支。

（6） 1号引水洞锚杆应力计6支，位移计6支，渗压计15支。

（7） 2号引水洞锚杆应力计3支，位移计3支，渗压计8支。

（8）引水岔管锚杆应力计6支，钢筋计共4支，位移计3支，渗压计3支。

（9）引水支洞锚杆计应力计18支，渗压计22支，位移计9支。

（10）主厂房锚杆计共129支，位移计共88支，锚索测力计共28支。

（11）主变洞锚杆42支，位移计49支。

5.3 监测结果分析

（1）渗漏量分析

根据自动化监测数据及人工测量数据底层排水廊道最大渗漏量为8.53 L/s，发生在2018年2月25日，最小渗漏量为0.64 L/s，发生在3月24日；中层排水廊道最大渗漏量为1.63 L/s，发生在2018年3月6日，最小渗漏量为0.32 L/s，发生在3月14日。厂房中层排水廊道和底层排水廊道渗漏量变化随水位变化呈规律性变化，排水期间渗漏量总体变化减小，充水期间渗漏量总体变化变大，至充水结束，各监测部位渗流量与流道排水前流量略有减小，4号施工堵头渗漏量变化较小，变化范围在0.00～0.16 L/s。

（2）渗压计观测结果分析

从地下洞室观测断面埋设的渗压计观测结果表明，流道充排水前，因机组抽水发电上、下库水位变化频繁，各渗压计测值波动明显，排水、充水期间前后渗压计测值变化较小，厂房围岩抵抗内水压力及渗水的性能良好，引水系统排水、充水对厂房扰动较小。

（3）位移计观测结果分析

地下洞室监测断面埋设的多点位移计测值日变幅不大，测值呈现规律性变化，且在监测范围内。排水期间和充水期间地下洞室在水压力作用下的多点位移计测值变化各有不同，M4 D-1-4厂的测值在充水期间随水位上升而略有增大，增大幅度小于0.5 mm。M4 C-4厂这套多点位移计4支仪器测值变化在充水期间变化幅度稍大，说明该套仪器对水位变化较为敏感。其他多点位移计测值整体上变化较小。说明排水、充水对地下洞室观测断面影响比较小。

（4）锚杆观测结果分析

排充水阶段，锚杆应力计AS3 A-1-1厂和AS3 A-1-3厂的测值呈现降低的变化状态，测值降低分别约2 MPa、5 MPa，其他地下洞室锚杆应力测值变化趋势无明显异常，变幅相对较小，基本呈稳定趋势。相比于排水前，变幅均小于30 MPa。

（5）钢锚索测力计观测结果分析

排水期间和充水期间厂房上游边墙、主变室在水压力作用下的应力测值变化不大，与排水前相比，变化最大为52.21 kN，对应测点编号为DPB-2-4厂，说明排水、充水对厂房上游边墙、主变室影响比较小。

5.4 监测总结

（1）输水系统及尾水隧洞排水、充水过程中严格按照要求的监测方式和监测频次进行，各监测工作有序开展。

（2）根据每日数据以及排水、充水工作完毕后数据整理分析得出，本次排水、充水工作中各测点测值变化基本能反映各监测部位运行状态，以及排水、充水期间水位变化对监测部位的实际影响。

（3）本次排充水试验期间，水位的上升和下降时，监测部位岩体内部的位移变形、应力应变、渗水渗流等监测物理量的变化量总体较小，个别仪器测值呈现微弱的增大或减小的变化趋势，表现出与水位变化相应的规律性。因此，本次排充水试验表明输水系统各部位运行状态受水位变化的影响较小，洞室岩体结构较为稳定。

6 输水系统排充水经验总结

黑麋峰抽水蓄能电站输水系统2009年首次充水。此次2号输水流道排充水为电站投运后首次，在积累了2017年1号流道排充水操作的经验基础上，本次2号流道排充水解决了球阀密封备用操作水源等问题，积累了更加宝贵的经验。

（1）鉴于1号流道充水时球阀密封因水压降低无法正常投退，故本次2号流道充水前为球阀密封增设了备用操作水源（1～4号机球阀密封水互为备用），保证了球阀密封正常投入。

（2）本次充水时上库2号闸门由于开度显示仪问题，在全关状态下显示为-32.9的开度，远远超出设定的下极限值，此时内部PLC闭锁导致闸门只能开启不能关闭。拔出下极限的继电器或断开开度显示仪的电源均无法解开闭锁，查看控制柜门上PLC对应的端子接线图，解开下极限的输入端子后闸门能正常关闭。但要关闭闸门时注意不要超过全关开度，以免钢丝绳发生松动。以后遇到类似问题需紧急处理时可参考上述方法。

（3）通过开启4号球阀和4号机调速器导叶，使充水过程中4号机尾水管与2号流道水位齐平，保证了2号流道的充水效率。

（4）在斜井段充水时，2号进水口闸门充水阀开度应控制在8～9 cm之间，闸门开度稍微变化对充水速率有较大影响，因此在调整充水阀开度的时候要结合充水声音进行判断。

7 结束语

黑麋峰蓄能电站输水系统的充排水是一个工期长、难度大、操作复杂、危险点源较多的工作，经过2009年、2014年、2017年、2018年4次输水系统排充水操作，每次排充水前筹划、排充水过程中监督、排充水后总结，积累起不少有益经验，此次2018年的2号输水系统排充水操作的总结，对我国抽水蓄能电站输水系统排充水操作有着较大的指导意义。