大型抽水蓄能电站防水淹厂房事故演算与风险分析

陈 源，胡清娟，蒋明东，耿必君

(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.国网新源控股有限公司，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

水淹厂房作为电站安全稳定运行的重大安全风险事故[1]一直以来是行业内讨论研究的重点问题，从电站安全及提高防水淹厂房能力方面来看，对水淹厂房进行风险分析并采取一定截流和排水防护措施是十分必要的。目前电站主要通过设置自流排水洞，改进水泵水轮机顶盖结构等方面来提升防水淹厂房的能力[2，3]。

由于抽水蓄能电站的水头较高，引水系统压力钢管较长，一旦发生厂内爆管事故，机组导叶及进水阀不能及时关闭，将引起水淹厂房事故。2009年SY水电厂发生水淹厂房重大事故[3]，2号机组顶盖螺栓疲劳断裂，在水力作用下旋转部件及顶盖脱离飞出，水淹整个厂房，直接经济损失超过40 亿美元。2016年HL抽水蓄能电站顶盖螺栓断裂，造成水淹厂房事故，厂房最高水线达发电机层1.6 m左右，经自流排水洞排水，水位下降至蜗壳层1 m高左右。因此发生水淹厂房事故时，引水压力钢管是否设置了快速截断水流的设施成为关键。国外一些大中型抽水蓄能电站和长输水系统的常规电站在输水系统中设置蝶阀或闸门，迄今为止，国内尚未对此问题进行系统研究。从可靠性和安全性角度，研究在引水系统设置快速截断水流的设施作为防水淹厂房的保护措施，是非常必要的。本文以PJ抽水蓄能电站为依托，对抽水蓄能电站引水系统上平段设置蝶阀方案进行防水淹厂房事故演算和风险分析。

PJ抽水蓄能电站装有4台单机容量350 MW机组，上水库正常蓄水位1 062 m，死水位1 041.00 m。额定水头648 m。输水系统由引水系统和尾水系统两部分组成，均采用一洞两机布置方式。电站厂房主要由主厂房、副厂房及安装间等组成。其中主厂房尾水管层高程280.5 m、锥管层地面高程287.5 m、水轮机层地面高程295.60 m、母线层地面高程301.60 m、发电机层地面高程307.60 m。

本文主要针对输水系统上平段设置蝶阀与不设置蝶阀的淹没情况、自流排水及水泵排水的淹没情况进行对比分析研究，包括淹没速率及淹没高程等。对不同工程条件下水淹厂房的风险进行分析。

2 厂房水淹源分析计算

2.1 计算工况

考虑到抽水蓄能电站地下厂房的特点及可能发生水淹厂房的局部爆管工况，选取了以下3种具有代表性的事故工况，3种情况爆管高程约为水轮机安装高程292.0 m。

(1)球阀前压力钢管排水管局部爆裂。

(2)蜗壳进人门及尾水管进人门螺栓撕裂；由于引水系统水压较高，尾水系统水压较低，蜗壳进人门和尾水管进人门直径相差不大，蜗壳进人门螺栓撕裂工况更不利。故以下主要针对蜗壳进人门进行事故工况模拟计算。

(3)顶盖螺栓撕裂。

2.2 计算模型

上库进水口检修闸门关闭时间为t1=15 min，在此闸门关闭过程中，引水流道均充满水，上库正常蓄水位1 062 m，爆管处高程约为292.000 m。

根据工程流体力学孔口恒定出流[4]的计算公式

(1)

式中，H为初始水头，对于爆管极端情况下，可取为在上库正常蓄水位时，球阀前压力钢管的承压；A为出流面积；μ为流量系数，一般取0.60～0.65。考虑底孔出流不收缩，流量系数取0.65。

2.3 变水头出流计算

当上库事故闸门关闭后，闸门至爆管处间的引水钢管中的水柱逐渐减少，爆管后15 min内，可按恒定流处理，流量与水头的关系见式(3)。根据从孔口流出的水体积应等于管道水位下降减少的水体积，

(2)

由公式(1)和公式(2)可推导得出当引水钢管中水头由H1降至H2时，所需时间为

(3)

式中，A0为上库闸门至球阀前引水压力钢管较长，且管径较大，直径在2.7～6.5 m间变化；i为引水压力钢管斜率。根据该阶段水道布置，引水钢管管径及长度计算PJ抽水蓄能电站引水系统管内水量约为35 460.75 m3。

2.4 水淹厂房事故淹没时间和高程计算

发生水淹厂房事故时，进水球阀关闭故障的情况下，上库事故闸门落下前，爆管出流按恒定出流情况计算，时间约为15 min；闸门落下后，平段按定水头出流情况计算，斜井段按照变水头出流情况计算。考虑厂房内水位淹没至水泵水轮机层约2 m处，即配电箱完全被淹没，水泵失去工作能力，不再排水。

在其爆裂时的最不利工况时，按照上库正常蓄水位，球阀前压力钢管最大过流面积DN200直径考虑，计算恒定出流时流量为2.51 m3/s；蜗壳进人门按DN600直径进行考虑，计算恒定出流时流量为22.59 m3/s；；顶盖螺栓断裂时，考虑最不利情况，电站顶盖掀起时，过流断面流量由蜗壳最小断面流量决定，其断面圆直径为2.1 m，计算恒定出流时流量为276.71 m3/s。计算结果如图1、2、3所示。

图1 压力钢管排水管爆管淹没速率

2.4.1上平段设置蝶阀

当上平段不设蝶阀，爆管后发生水淹厂房事故时，渗漏排水泵自动启动，厂房内水量最大时将淹至水泵水轮机层以上，淹没高程为水泵水轮机层以上1.94 m高度。当关闭时间为120 s时，厂房内水量最大将淹至水泵水轮机层以上，淹没高度为0.63 m。各层淹没时间如表1所示。

表1 压力钢管排水管爆管淹没时间 min

在上平段设置蝶阀，对DN200球阀前压力钢管排水管爆裂的工况，水泵水轮机层淹没高度将减少约1.28 m，且设置蝶阀后水泵水轮机层的淹没高程不超过1 m，保证了人员安全。

图2 蜗壳进人门螺栓断裂淹没速率

当上平段不设蝶阀，蜗壳进人门螺栓断裂后发生水淹厂房事故时，渗漏排水泵启动，厂房内水量最大时将淹至发电动电机层，至最高水位淹没时间为0.78 h，淹没高度为0.62 m。当上平段设置蝶阀，蝶阀关闭时间为60 s时，爆管后若水淹厂房，厂房内水量最大时将淹至水泵水轮机层以上层，淹没高度为3.12 m。蝶阀关闭时间为120 s时，爆管后若水淹厂房，厂房内水量最大时将淹至水泵水轮机层以上，淹没高度为5.71 m。各层淹没时间如表2所示。

表2 蜗壳进人门螺栓断裂淹没时间 min

在上平段设置蝶阀，对DN600蜗壳进人门螺栓撕裂工况，淹没高层从发电电动机层降低至水泵水轮机层，对水淹厂房事故改善较大。保证了母线层及以上的电气设备安全，为人员和重要设备的转移创造了条件。

2.4.2设置自流排水洞

当采取自留排水洞排水措施时，自流排水洞高程为277.30 m，锥管层高程为287.5 m，自流排水洞断面如图3所示。

图3 自流排水洞断面(单位：mm)

锥管层淹没水时：此时自流排水洞的排水流量由路廊道层格栅过流通道决定。计算通流面积大约为1.5×5=7.5 m2。在管路廊道层水位达到一定高度时，自流排水洞将达到满流状态。此时当自流排水洞排水流量与爆管流量相同时，地下厂房内的水位达到最高，假设此时淹没高度为H管，经计算当发生DN200爆管和蜗壳进人门螺栓断裂时，地下厂房内的水位最高分别为0.13 m和1.09 m，淹没高程较低，且地下厂房内人员有足够的时间处理事故。对于顶盖螺栓断裂工况，由于厂房淹没进水流量较大，故必须切断进水来源并加强排水措施防止事故扩大。

图4 顶盖螺栓断裂淹没速率

如图4和表3所示，当顶盖栓断裂引起顶盖掀开水淹厂房时，若设置自流排水洞不设蝶阀时，厂房内水量最大时将淹至电动电机层，且厂房容量不足以容纳上库进水量。当不设置自流排水洞，在上平段设置蝶阀时，蝶阀关闭时间为60 s时，顶盖螺栓断裂后水淹厂房，厂房内水量最大时将淹至发母线层以上，淹没高度为5.07 m。蝶阀关闭时间为120 s时，厂房内水量最大时将淹至电动发电机层以上，淹没高度为4.16 m。当设置自留排水洞同时在上平段设置蝶阀时，蝶阀关闭时间为60 s时，顶盖螺栓断裂后水淹厂房，厂房内水量最大时将淹至水泵水轮机层以上，淹没高度为3.97 m。蝶阀关闭时间为120 s时，厂房内水量最大时将淹至电动发电机层以上，淹没高度为0.57 m。

表3 顶盖螺栓断裂淹没时间 min

3 结论及建议

(1)通过对抽水蓄能电站防水淹厂房事故演算与风险分析发现，地下厂房设置自流排水洞对于厂房内局部爆管防水淹厂房事故情况具有显著的改善效果；对于不具备设自流排水洞条件、采用水泵间接排水的抽水蓄能电站，上平段设置蝶阀或其它具有快速截断能力的装置对防止水淹厂房事故进一步扩大作用显著。

(2)当出现蜗壳进人门螺栓撕裂等类似工况发生时，通过上平段蝶阀或其它具有快速截断能力的装置紧急关闭，可以将淹没高程从电动发电机层降低到水泵水轮机层及以下，不仅可以保证母线层以上的电气设备安全运行，并可为重大事故发生时延缓事故进一步扩大、人员撤离、重要设备转移等创造有利条件。

(3)对于顶盖螺栓断裂工况发生水淹厂房时，单独设置蝶阀或其它装置快速截断水流，或单独设置自流排水洞对防水淹厂房程度难以实现有效的控制措施，当两者相结合时，蝶阀采用60 s关闭时，可以有效控制厂房淹没高度在母线层地面高程以下。

(4)由于当顶盖螺栓断裂工况造成水淹厂房事故时，淹没流量和速度均较快，因此需要加强对机组主要受力部件(如连接螺栓等)的定位监控[5]，对螺栓的疲劳情况、松动情况、无损探伤等作为重点进行切实有效的监控和维护[6，7]，避免事故的发生。