白莲河抽水蓄能电站排水系统研究.pdf

第 3 6卷第 7期 2 0 1 0 年 7月 水 力 发 电 白莲河抽 水蓄 能电站排 水 系统研 究 伍 志 军 吴 滨 ( 中国水 电顾 问集 团中南勘测设计研究院 ，湖南 长 沙 4 1 0 0 1 4 ) 摘 要 ：排水 系统设计 是大埋深 地下 厂房安全 可靠 运行的重要环节之一。 白莲 河抽水 蓄能电站地下厂房渗漏 与检修 排水分开设置 ，水经地 下洞 室 自流入排水 廊道后排 至白莲 河水 库下游 。此 方案 可节省投 资，减少运行维护 费用 ，同 时能确保排水系统运行 安全方便 。该研究可为大埋深地下 厂房排水系统设计提供参考和借鉴。 关键 词：地下厂房 ；排水系统 ；渗漏排水 ；检修排水 ；白莲河抽水蓄能电站 St ud y o n t he Dr a i na ge Sys t e m of Ba i l i an he Pumpe d-s t o r ag e Powe r St at i on Wu Z h i j u n ， Wu B i n ( H y d r o C h i n a Z h o n g n a n E n g i n e e r i n g C o r p o r a t i o n ， C h a n g s h a Hu n a n 4 1 0 0 1 4 ) Ab s t r a c t ：I n t h e d es i g n o f d r a i n a g e s y s t e m o f Ba i l i a nh e Pu mp e d s t o r a g e P owe r S t a t i o n，t he s e e p a g e a nd s e r v i c e dr a i n a g e s y s t e ms o f u n d e r g r o u n d p o w e r h o u s e wa s s e p a r a t e T h e d r a i n a g e f r o m u n d e r g r o u n d c a v e r n s d r a i n s i n t o t h e d r a i n a g e g a l l e r y b y g r a v i t y a n d t h e n d i s c h a r g e s i n t o t h e d o wn s t r e a m o f Ba i l i a n h e Re s e r v o i r T h i s p r o g r a m e a n s a v e i n v e s t me n t ， r e d u e e o p e r a t i o n a nd ma i n t e n an c e c o s t s a nd e ns ur e t he s a f e a n d c o n v e ni e nt o pe r a t i o n o f dr a i na g e s y s t e mThe s t u dy c a n pr o v i d e r e f e r e n c e f o r t h e dr a i n a g e s ys t e m d e s i g n o f de e p un de r g r o un d p o wer ho u s e Ke y W or ds ：u nd e r g r o un d po we r ho us e；dr a i na g e s y s t e m；s ee pa g e d r a i na g e ；s e r v i c e dr a i n a g e ；Ba i l i a n he Pu mpe ds t o r a g e P o we r St a t i o n 中图 分 类 号 ： T V7 4 3 ( 2 6 3 ) 文 献标 识 码 ： A 文 章 编 号 ： 0 5 5 9 9 3 4 2 ( 2 01 0) 0 7 0 0 5 3 0 2 1 工程概况 白莲 河 抽 水 蓄 能 电 站 位 于 湖 北 省 黄 冈 市 罗 田 县 白莲 河 乡境 内 ， 已建 的 白 莲 河 水 库 为 该 T 程 的 下 库 。 电 站 装 机 规 模 为 4 x 3 0 0 MW ， 主 要 承 担 湖 北 省 电 网 的调 峰 、填 谷 、调 频 、 凋 相 任 务 。 白 莲 河 抽 水 蓄 能 电 站 水 泵 水 轮 机 的 吸 高 度 H = 一 5 0 0 rn， 机 组 安 装 高 程 为 4 1 0 0 m，下 水 库 水 位 在 9 1 0 0 13 1( 极 限 死 水 位 ) 至 1 0 8 0 6 H I( 设 计 洪 水 位 ) 之 间 变 化 ， 厂 房 埋 深 较 大 。 为 确 保 电 站 安 全 ， 防 止 发 生 水 淹 厂 房 等 重 大 事 故 ，排 水 系 统 的 合 理 设 置 尤 为 重 要 。 2 排水系统介绍 为 确 保 厂 房 安 全 ， 该 电 站 渗 漏 排 水 系 统 与 检 修 排 水 系统 分 开 设 置 。 2 1渗漏 排水 系统 渗 漏 排 水 系 统 用 于 排 除 地 下 厂 房 和 洞 室 群 水 工 建 筑 物 围 岩 的 渗 漏 水 、 生 活 用 水 排 水 、水 泵 水 轮 机 部 分 和 辅 助 设 备 排 水 、检 修 期 间 冲 洗 排 水 、S F C 系 统 排 水 、 主 变 空 载 冷 却 排 水 以 及 消 防 排 水 ， 同 时 也 用 作 电 站 事 故 排 水 。 电 站 厂 房 上 游 侧 设 有 1个 直 径 为 6 0 0 tur n贯 通 全 厂 的 纵 向 排 水 钢 管 直 通 渗 漏 集 水 井 渗 漏 排 水 通 过 排 水 沟 或 预 埋 管 路 经 排 水 钢 管 汇 集 至 集 水 井 ， 由 深 井 泵 排 出 厂 外 。渗 漏 排 水 系 统 共 设 有 4 台深 井 泵 ， 由安 装 在 集 水 井 的 液 位 信 号 器 自动 控 制 启 停 。 2 _ 2检 修 排水 系统 检修 排 水 可采 用 间接 排 水 或直 接 排水 。采 用 间 接 排 水 方 式 时 ，排 水 开 始 时 尾 水 管 内 水 位 迅 速 下 降 ， 尾 水 闸 门 内外 形 成 的 水 压 差 将 闸 门 紧 在 闸 门 槽 上 可 有 效 减 少 排 水 量 ，缩 短 排 水 时 间 ：但 对 于 抽 水 蓄 能 电 站 的 地 下 厂 房 工 程 ， 由 于 尾 水 位 较 高 ，排 水 系 统 的 密 封 性 难 以 保 证 ，通 气 孔 布 置 困 难 ，尾 水 反 压 对 集 水 井 和 排 水 廊 道 的 影 响 不 好 解 决 ，集 水 井 和 排 水廊 道 容 易 淤积 。采用 直 接 排水 方 式 时 ，可 以避 开 收 稿 日期 ：2 0 1 0 0 5 1 9 作者简介 ：伍志军 ( 1 9 7 8 一 ) ，男 ，湖南邵 阳人 ，T程师 ，从事 水 力机 械 没计 间接 排 水 的 诸 多 难 题 ，提 高 排 水 系 统 的 可 靠 性 ，但 泵 的 位 置 较 低 ，防 潮 难 度 较 大 ，运 行 不 方 便 ，排 水 量 也 较 大 。 白 莲 河 抽 水 蓄 能 电 站 检 修 排 水 系 统 采 用 间 接 排 水 方 式 。 在 尾 水 管 下 部 设 有 1个 2 0 mx 2 5 m ( 宽 X 高 )贯 通全 厂 的纵 向排水 廊 道直通 检 修集 水井 。每 台机 均 设 有 1个 DN 5 0 0的 液 压 盘 形 阀 检 修 时 将 尾 水 管 中 的 积 水 经 检 修 排 水 廊 道 排 入 集 水 井 ，再 通 过 深 井 泵 排 至 厂 外 。 由 于 检 修 集 水 井 在 下 游 水 库 水 位 以 下 约 6 0 m，集 水 井 进 入 孑 L 需 设 密 封 盖 板 ，同 时 为 便 于 流 道 排 水 时 集 水 井 内 空 气 的排 出 ，检 修 集 水 井 需 设 置 合 理 的 排 气 设 施 。 检 修 排 水 系 统 设 有 4 台 大 流 量 深 井 泵 和 1台 小 流 量 深 井 泵 ，其 中 小 流 量 深 井 泵 用 于 排 除 进 水 球 阀及 尾 水 闸 门 的 漏 水 。 3 排水路径拟定 渗 漏 排 水 系 统 与 检 修 排 水 系 统 的 排 水 可 用 水 泵 排 至 下 游 调 压 井 、不 检 修 机 组 的 尾 水 管 、地 下 洞 室 的排 水廊 道或 下游 水库 ；有条 件 时 ，还可 考虑 自流 排 水 方 式 。 白 莲 河 抽 水 蓄 能 电 站 的 引 水 系 统 及 尾 水 系 统 均 采 用 一 洞 二 机 布 置 ，调 压 井 布 置 在 引 水 系 统 。下 游 水 库 为 已 建 的 白 莲 河 水 库 在 主 厂 房 周 围 7 2 0 0 m 高 程 设 有 一 条 2 5 rex 3 2 m( 宽 x 高 ) 的 排 水 廊 道 ，将 围 岩 的渗 漏 水 自流 排 至 白莲 河水 库 下 游 。排 水 廊 道坡 降 为 1 1 4 不 满 流 情 况 下 最 大 排 水 流 量 大 于 1 0 0 m3 s 。 渗 漏 排 水 系 统 与 检 修 排 水 系 统 最 大 流 量 约 为 0 9 m s 其 排 水 也 可 通 过 自流 排 水 廊 道 排 至 白莲 河 水 库 下 游 。 因此 ， 电 站 的 渗 漏 与 检 修 排 水 系 统 的 排 水 路 径 有 以 下 2个 方 案 可 供 选 择 。 ( 1 ) 方 案 1 ：直 排 至 白 莲 河 水 库 。检 修 与 渗 漏 排 水 的 排 水 管 路 沿 1号 机 尾 水 流 道 壁 布 置 ， 直 排 入 白 莲河水 库 。排水管单管 总长约 4 0 0 1T I 。检修 排水泵扬 程 约 1 0 5 m，渗 漏 排 水 泵 扬 程 约 l 1 5 m。 由 于 下 游 水 库 水 位 高 于 厂 房 最 高 点 高 程 ，检 修 集 水 井 通 气 孑 L 设 置 难 度 较 大 ；为 便 于 流 道 放 空 时 检 修 集 水 井 内 空 气 的排 出 ，在 检 修 集 水 井 泵 房 内设 置 2个 排 气 阀 。 ( 2) 方 案 2：排 至 7 2 0 0 m 高 程 排 水 廊 道 。 检 修 与 渗 漏 排 水 的 排 水 管 路 沿 上 游 墙 经 通 风 空 调 室 至 排 水 廊 道 ，单 管 总 长 约 2 8 0 m。 检 修 与 渗 漏 排 水 泵 扬 程 均 只 需 7 0 m。 检 修 集 水 井 的 通 气 孔 可 沿 排 水 管 路 布 置 至 排 水 廊 道 。 扬 程较 高 ，扬 程变 幅 也较 大 。同 时 ，流道 检修 时集 水 井 只 能 采 用 排 气 阀 排 气 ，这 一 排 气 方 式 在 生 活 及 消 防供 水管 网上应用 较 多 ，但 在大埋 深 水 电站检 修 集 水 井 排 气 中并 无 成 功 运 用 的 经 验 ，如 排 气 阀 拒 动 或 误动作 可能 会影 响集 水 井 的安全 运 行 ，甚 至 给 全 厂 的 安 全 留 下 隐 患 。 方 案 2充 分 利 用 电 站 布 置 特 点 可 有 效 减 少 排 水 管 路 长 度 ，降 低 排 水 泵 扬 程 3 5 4 0 ，而 且 排 水 泵 的 扬 程 不 受 下 游 水 库 水 位 影 响 ，变 幅 较 小 ，水 泵 大 多 在 额 定 工 况 附 近 运 行 ，可 获 得 较 高 的 效 率 及 运 行 稳 定 性 。 这 意 味 着 在 电 站 运 行 过 程 中 ，检 修 与 渗 漏 排水 系 统运 行 费用 可 降 低 3 5 4 0 ， 检 修 费用 也会 相对 较低 。最 重 要 的是 ，该方 案 有效 解决 了检 修集水 井 通气 孔 的布 置难 题 ，消 除 了检修 集水 井 的 安 全 隐 患 。 该 方 案 的 不 足 之 处 在 于 ： 因 排 水 至 白莲 河 水 库 下 游 ， 影 响 了 电 站 的 水 量 平 衡 。但 白莲 河 水 库 有 天 然 来 水 补 充 ，且 渗 漏 排 水 系 统 水 量 主 要 为 围 岩 排 水 ，对 电 站 水 量 平 衡 的影 响 并 不 大 。 土 建工 程 量方 面 ，方 案 1为布 置排 水 管路 需在 1号 机 尾 水 流 道 底 部 开 扩 挖 一 条 2 2 mx 1 0 m ( 宽 深 ) 的 管 沟 扩 挖 量 约 8 8 0 n l ，开 挖 量 较 大 但 施 工 较 方 便 方 案 2需 新 开 挖 约 2 0 r n的 支 洞 布 置 主 厂 房 至 排 水 廊 道 的 排 水 管 路 ，开 挖 量 约 1 5 0 m ，土 建 工 程 量 较 少 但 施 工 难 度 较 大 ； 同 时 因 7 2 0 0 m 高 程 排 水 廊 道 排 水 量 加 大 ，需 加 强 廊 道 支 护 与 衬 砌 。 5 排水路径选择 考 虑 工 程 为 大 埋 深 地 下 厂 房 工 程 ， 主 厂 房 在 下 游 水 库 水 面 以 下 约 6 0 m， 在 选 择 检 修 与 渗 漏 排 水 系 统 排 水 方 案 时 ，安 全 性 应 放 在 首 位 。 方 案 2充 分 利 用 工 程 布 置 的 特 点 ，有 效 解 决 了 大 埋 深 地 下 厂 房 检 修 集 水 井 通 气 孔 的 布 置 难 题 ， 消 除 了其 安 全 隐 患 ， 安 全 性 明 显 强 于 方 案 1 。 两 方 案 相 比较 ，经 济 性 方 面 ， 方 案 2的 排 水 管 路 长度 仅 为方 案 1的 7 0 ，排水 泵 扬程 只 为方 案 1 的 6 0 6 5 ，方 案 2机 电 设 备 投 资 与 运 行 费 用 均 较 少 ：土 建 工 程 量 方 面 ， 方 案 2的 施 工 难 度 较 大 ，但 其 工程 量远 小 于 方案 1 。 因此 ，认 为 方 案 2的经 济 性 较 优 。 由 于 方 案 2在 技 术( 安 全 ) 方 面 与 经 济 方 面 均 优 于 方 案 1 ，最 终 选 择 方 案 2，即 两 系统 排 水 经 7 2 0 m 高 程 排 水 廊 道 排 至 白莲 河 水 库 下 游 。 4 技术经济分析比较 6 引水洞与尾水洞检修排水 方 案 l为 常 规 设 计 ，两 系 统 排 水 直 排 入 下 水 库 ， 检 修 排 水 系 统 同 时 用 于 引 水 洞 与 尾 水 洞 检 修 时 可 以保 证 电 站 水 量 平 衡 。 但 管 路 布 置 过 长 ，深 井 泵 排 除 流 道 内 的 积 水 。 电 站 下 游 水 库( 下 转 第 6 2页 ) 圃W a t e r P o w e r V o 1 3 6 N o 7 证 线 棒 沿 铁 心 长 度 的 温 度 分 布 均 匀 。 又 由 于 起 停 频 繁 内 部 温 度 变 化 剧 烈 ，要 考 虑 定 子 线 棒 产 生 的 温 度 应 力 和 热 变 形 。 发 电 电 动 机 转 子 的 阻 尼 绕 组 的 设 计 与 机 组 的 起 动 方式 有关 。当采 用 异 步起 动 时需加 强 转子 磁极 和 阻尼绕 组结 构 ，选 用 高 电阻 的 阻尼绕 组或 实 心磁 极 以产生 足够 大 的起 动 力矩 并 吸收起 动 过程 中产 生 的 大 量 热 量 。 3 3推 力轴 承及 其冷却方式 为适 应 双 向旋转 ，推 力 瓦 只能对 称 支撑 ，一 般 油膜较 薄 ，润滑 性 能较 常规 机组 差 。 因此 ，抽水 蓄 能机组 一般设 有 高压 油顶 起 装置 ，以利 于起 动过 程 中形 成油膜 减 少 电动 工况 时的摩擦力 。 推 力轴承油 的冷却 通过油一 水冷却 器实 现 ，按循 环 冷 却 方 式 分 为 内 循 环 和 外 循 环 。 外 循 环 有 外 加 泵 和 自身 泵 两 种 形 式 ， 自身 泵 又 分 为 镜 板 泵 和 导 瓦 泵 两种 。外循 环 方 式有 利 于 推力 轴 承 和 冷 却器 检 修 ， 因 此 只 要 空 间 允 许 应 优 先 采 用 外 循 环 方 式 。 白 莲 河和黑 麋峰 机组 推力 轴 承和 下导轴 承 合 一布 置 ，推 力轴 承采用 导瓦 自身泵 外循环 方式 。 3 4通风 冷却方 式 目前 抽 水 蓄 能 机 组 一 般 采 用 无 外 加 风 机 的 转 子 磁 轭 径 向 通 风 方 式 或 带 外 加 风 机 的 强 迫 循 环 通 风 方 式 一 般 优 先 采 用 无 外 加 风 机 的 径 向 通 风 方 式 。 白莲 河 和 黑 麋 峰 机 组 均 采 用 了无 外 加 风 机 的 转 子 磁 轭 径 向通 风 方 式 。 发 电电动 机 的冷却 方式 有全 空 冷 、半水 冷( 定 子 水 冷 )和 蒸 发 冷 却 三 种 。蒸 发 冷 却 ， 目前 还 缺 少 用 于 发 电 电 动 机 的 工 程 经 验 。 全 空 冷 和 半 水 冷 则 技 术 较 成 熟 ，特 别 是 全 空 冷 方 式 应 用 最 广 泛 ，而 目前 发 电 电 动 机 的 容 量 、转 速 范 围均 能 满 足 全 空 冷 机 组 的要求 ，因此 没有 必要 采用 半水 冷 方式 或蒸 发冷 却 方 式 ( 上 接 第 5 4 页 )最 低 水 位 9 1 0 1T I ，尾 水 洞 出 口 顶 板 高程 7 9 0 m均 高于 7 2 0 r n高 程排水 廊道 。为 防止 深井泵 在异 常 低扬 程下 运行 而烧 毁 电机 ，排 水开 始 时 应密切 关 注检修 集 水井 内的水 位 ，利用 盘形 阀 控制进 入检 修排 水廊 道 的水 量 ，确保 检修 集 水井 内 的水位保持 在其顶板 以下 。 4 发电电动机的起动和制动方式 4 1起动 方式 起 动 方 式 常 用 的 主 要 有 异 步 起 动 、 同 步 起 动 和 静 止 变 频 起 动 几 种 起 动 方 式 。 异 步 起 动 和 同 步 起 动 受 电力 系统 和机 组本 身 制造 的制 约 ，而静 止 变频起 动则 不受 限制 ，因此 静止 变频 起 动得 到 了越来 越广 泛 的应用 目前 ，国内外 在建 的 大型抽 水 蓄能 电站 几 乎 都采 用 了静止 变频 起 动为 主 ，背靠 背起 动作 为 备 用 的 起 动 方 式 。 白莲 河 和 黑 麋 峰 机 组 均 为 全 厂 设 一 套 静 止 变 频 起 动 装 置 作 为 水 泵 工 况 的 主 要 起 动 方 式 ，背靠背 起动作 为备用起 动方式 。 4 2制动方式 制 动停 机 是起 停频 繁机 组 的关 键 问题 之一 。机 械 制 动 力 矩 与 转 速 成 正 比 ，在 过 高 转 速 时 投 制 动 会 造 成 制 动 块 剧 烈 磨 损 和 振 动 ，而 低 转 速 时 制 动 力 矩 低 ，一 般在 额定 转速 的 2 0 左 右投 机械 制 动 。从 停 机 过 程 看 ，机 械 制 动 停 机 时 间 长 ，对 要 求 能 快 速 从 一 种 工 况 转 换 到 另 一 种 工 况 的 抽 水 蓄 能 机 组 不 理 想 。 与 机 械 制 动 相 比 ， 电 气 制 动 制 动 力 矩 大 ，不 存 在 制 动块 磨 损 大 及 污染 问题 ，可 以在 任 何 转速 下 投 入 ， 而且 电气 制 动力矩 很 大 范围 内与 转速成 反 比 ，在低 转 速 区 制 动 力 矩 反 而 增 大 。 因 此 大 型 抽 水 蓄 能 机 组 都配备 有 电气 制动 ，电气 制动 和机 械制 动 相结合 以 加快停 机 。一般 在较 高转 速( 额 定转 速 的 5 0 )下 先 投 电 气 制 动 ， 再 在 较 低 转 速( 额 定 转 速 的 5 1 0 )下投 机 械 制动 。 白莲 河 和黑 麋 峰机 组均 采 用 了电气 和机 械联 合制 动 的停 机方 式 ，必要 时机 械制 动 可 单 独 使 用 。 参考文献 ： 1 梅祖颜 抽水 蓄能发电技术 M 北京 ： 清华大学 出版社 ， 1 9 8 8 ( 责任编 辑刘 书秋 ) 渗漏与检修排水分开设置 ，水经地下洞室的 自流 排水 廊 道 排至 白莲 河水 库 下游 ；检修排 水 采用 间接 排水 系 统 ，集 水 井 通 气 孔 经 自流 排 水 廊 道 与 大 气 自 由连 通 。既 满足技术要求 ，确保地下厂房 的安全 ，又能节 省 投 资 和运 行 维 护 费 用 。该 工 程 排 水 系统 的 设计 可 为 大埋深地下厂房排水系统设计提供参考和借鉴。 7 结语 参考文献： 排 水 是 地 下 厂 房 工 程 最 重 要 的环 节 之 一 ，抽 水 蓄 能 电 站 的 地 下 厂 房 工 程 埋 深 较 大 ，排 水 系 统 的 安 全性尤 为重 要 。 白莲 河 抽水 蓄 能 电站 地 下厂 房 系统 固W a t e r P o w e r V o 1 3 6 N o 7 1 陆佑楣，潘家铮 抽水蓄能电站E M 北京： 水利电力出版社，1 9 9 2 2 梅祖彦 抽水蓄能发电技术 M 北京： 机械工业出版社 ，2 0 0 0 ( 责任 编辑常 青 )