大盈江水電站(四級)技術(shù)供水系統(tǒng)改造分析

宋恒文

(本溪多益資源開發(fā)有限公司，遼寧本溪117200)

0 引言

大盈江水電站(四級)屬徑流引水式電站，裝機(jī)容量4×175 MW，年發(fā)電量34.18億kW·h。電站位于大盈江下游河段。由于流域水土流失嚴(yán)重，水流含沙量大。

根據(jù)上游拉賀練水文站1980年—2001年共22 a泥沙資料，按面積比推求壩址沙量，壩址多年平均懸移質(zhì)沙量333萬t，多年平均含沙量0.427 kg/m3。汛期6—10月沙量占全年的89.3%，拉賀練水文站實(shí)測最大含沙量達(dá)9.25 kg/m3。如此大的泥沙含量對電站技術(shù)供水系統(tǒng)的正常運(yùn)行影響很大。

1 原技術(shù)供水方式

供水對象有發(fā)電機(jī)上導(dǎo)軸承、發(fā)電機(jī)推力軸承/下導(dǎo)、發(fā)電機(jī)空氣冷卻器、水輪機(jī)導(dǎo)軸承。原技術(shù)供水系統(tǒng)采用以下方式:

1.1 水泵供水方式(主供水方式)

技術(shù)供水主供水采用單元供水方式，每臺機(jī)從尾水管設(shè)2個(gè)取水口，一主一備，取水口位于機(jī)組尾水管擴(kuò)散段頂部。取水經(jīng)水泵加壓，濾水器過濾后通過四通閥供給機(jī)組用水設(shè)備;技術(shù)供水排水經(jīng)四通閥至尾水;排水管路出口位于尾水管擴(kuò)散段頂部、尾水閘門之間。水泵及濾水器各2套，互為主備用。通過切換電動(dòng)四通閥能夠?qū)崿F(xiàn)反沖供水方式運(yùn)行。離心水泵、濾水器、電動(dòng)四通閥及三通閥均布置于主廠房內(nèi)蝸殼層。

1.2 水輪機(jī)頂蓋取水方式(備用供水方式)

技術(shù)供水采用機(jī)組頂蓋排水作為備用水源，頂蓋排水直接接至機(jī)組技術(shù)供水管三通閥之前。由于頂蓋供水水量受機(jī)組負(fù)荷影響，同時(shí)與轉(zhuǎn)輪迷宮密封環(huán)間隙也有很大關(guān)系，所以該供水方式只能做為備用供水方式[1]。

2 原技術(shù)供水系統(tǒng)存在的問題及改造的必要性

主要包括4個(gè)方面的內(nèi)容:

2.1 水泵取水管路進(jìn)氣問題

機(jī)組運(yùn)行時(shí)由大軸補(bǔ)氣管進(jìn)入尾水流道中的空氣經(jīng)由位于尾水?dāng)U散段頂部的水泵取水口進(jìn)入到技術(shù)供水管路中。

如備泵停泵時(shí)間超過5 h，由于管路中淤積大量空氣，致使取水管路中水位降低，水位位于泵體以下，此時(shí)啟動(dòng)備泵，泵雖啟動(dòng)，卻無法供水。

為解決此問題，電站在供水泵后的供水管路上裝設(shè)了自動(dòng)排氣閥，但排氣效果均達(dá)不到預(yù)期。供水管路進(jìn)氣問題給運(yùn)行人員操作帶了很大麻煩，具體有:

1)不能長時(shí)間停泵，造成供水泵頻繁啟動(dòng)。

2)運(yùn)行人員要經(jīng)常手動(dòng)對供水管路進(jìn)行排氣。

3)每次開機(jī)運(yùn)行人員均要進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)控，保證水泵正常工作。如監(jiān)控不到位有可能因冷卻水中斷造成事故停機(jī)，使電站達(dá)不到自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)[2]。

2.2 水質(zhì)問題嚴(yán)重影響本系統(tǒng)運(yùn)行

大盈江水電站(四級)所處河段水流泥沙量大，多處平均含沙量為0.427 kg/m3;汛期最大泥沙量達(dá)9.25 kg/m3。

同時(shí)，水流中有一些可以由供水泵取水口進(jìn)入的漂浮物，如幾厘米長的樹枝，小塊樹皮等。如此水質(zhì)造成濾水器及其后側(cè)用水設(shè)備經(jīng)常堵塞。

水流中含有很多的泥土成分，其特點(diǎn)為，顆粒小，有較強(qiáng)的黏性。顆粒小的特性使得大量的泥土成分不能被濾除，經(jīng)過濾水器進(jìn)入設(shè)備;較強(qiáng)的黏性使其有較強(qiáng)的附著力，當(dāng)其經(jīng)過設(shè)備管路時(shí)便大量的附著在管路壁上，造成過流斷面減小，流量減小，時(shí)間一久個(gè)別較細(xì)的管路會完全堵塞(如:推力外循環(huán)冷卻器的部分熱換管)，致使冷卻水流量降低，使設(shè)備達(dá)不到應(yīng)有冷卻效果。

電站4#機(jī)投運(yùn)后，每周都要對兩臺濾水器進(jìn)行清理。開始時(shí)效果明顯，可過段時(shí)間發(fā)現(xiàn)推力油槽油溫有上升的趨勢，分析認(rèn)為是推力外循環(huán)冷卻器的熱換管發(fā)生堵塞造成了冷卻水供水量不足，致使推力外循環(huán)冷卻器的冷卻效果降低，油溫升高。

對此，運(yùn)行采用了反沖運(yùn)行方式，取得了很好的效果。機(jī)組投運(yùn)初期每6 h切換運(yùn)行方式便可保證用水設(shè)備的冷卻效果;后來，每小時(shí)都要進(jìn)行一次切換。這給機(jī)組運(yùn)行帶來很大隱患。

電站被迫申請停機(jī)對推力外循環(huán)冷卻器進(jìn)行清理，發(fā)現(xiàn)冷卻器內(nèi)一部分熱換管已完全堵塞，部分熱換管由于堵塞嚴(yán)重，已無法輸通。

2.3 冷卻水泥沙含量大、硬度大

冷卻水泥沙含量大、水的硬度大將造成技術(shù)供水系統(tǒng)設(shè)備及用水設(shè)備磨損加劇，降低設(shè)備的使用壽命;四通閥違反規(guī)程的頻繁切換，加速了閥體密封的損傷，大大降低了四通閥的使用壽命;供水泵長時(shí)間在水質(zhì)很差的條件下運(yùn)行易發(fā)生故障。

2.4 濾水器排污不暢

由于濾水器排污不暢或設(shè)備及管路堵塞等原因，需進(jìn)行頻繁的檢修，造成了人力、物力及財(cái)力的損失。

綜上所述，由于泥沙及供水管路進(jìn)氣問題使設(shè)備運(yùn)行存在嚴(yán)重隱患。如果監(jiān)控不到位，處理不及時(shí)(管路、設(shè)備及濾水器等)或發(fā)生突發(fā)性故障(如:水泵由于水質(zhì)發(fā)生突發(fā)故障;管路、濾水器、用水設(shè)備管路發(fā)生突然堵塞等)將造成機(jī)組的被迫停機(jī)或事故停機(jī)。

再者，本電站為云南東部電網(wǎng)的最大電站，影響著電網(wǎng)的潮流分布，電站的運(yùn)行對電網(wǎng)的穩(wěn)定起著重要作用。因此，電站必須對原有的技術(shù)供水系統(tǒng)進(jìn)行改造，以保證機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

3 技術(shù)供水系統(tǒng)改造方案

采用循環(huán)供水系統(tǒng)徹底解決機(jī)組冷卻水水質(zhì)問題。機(jī)組循環(huán)冷卻水系統(tǒng)采用清潔水;冷卻水通過布置在電站尾水中的尾水冷卻器與天然河水進(jìn)行熱交換，冷卻水不與天然河水發(fā)生直接接觸，從而不受河流泥沙、雜質(zhì)、硬度、酸堿度及漂浮物等影響，能始終保持清潔(可定期進(jìn)行水質(zhì)檢測并處理);因循環(huán)水采用清潔水，將大大延長技術(shù)供水系統(tǒng)所有設(shè)備的使用壽命。

改造后的循環(huán)供水方式作為主供水方式，原尾水水泵供水方式作為備用供水方式。這樣，也就同時(shí)解決了取水管路進(jìn)氣給運(yùn)行操作帶來的麻煩。

3.1 改造需增設(shè)的設(shè)備及設(shè)備布置情況

循環(huán)冷卻水系統(tǒng)增設(shè)的設(shè)備主要包括:尾水冷卻器、供水泵、水泵控制柜、循環(huán)水池、機(jī)組內(nèi)部各部分冷卻器以及管道、閥門、自動(dòng)化元件及測量表計(jì)等。

主要設(shè)備的布置情況:

3.1.1 循環(huán)水池

受電站廠區(qū)地理?xiàng)l件的限制，循環(huán)水池?zé)o法進(jìn)行室外布置，只能布置于電站蝸殼層(注:原供水泵，增設(shè)供水泵、四通閥、三通閥及控制柜均布置于蝸殼層)。

受蝸殼層場地限制，最終確定:1#機(jī)及2#機(jī)每臺機(jī)各設(shè)一個(gè)循環(huán)水池，3#機(jī)和4#機(jī)共用一個(gè)循環(huán)水池。

水池為鋼結(jié)構(gòu)，尺寸均為:長6 m;寬3 m;高4 m。每個(gè)水池的有效容積為:63 m3。3個(gè)循環(huán)水池間用Φ200鋼管連通。

循環(huán)水池至2臺循環(huán)泵的取水管路為Φ300鋼管，取水口位于同一高程，管中心距地面為50 cm。為方便起見，本文以1#機(jī)(或2#機(jī))為例對改造方案進(jìn)行闡述。

3.1.2 尾水冷卻器

為防止銹蝕、防止泥沙及漂浮物影響、達(dá)到更好的冷卻效果，尾水冷卻器需布置在電站最低尾水位以下。

管路、自動(dòng)化元件及閥門具體設(shè)置情況見改造后的原理圖(圖1)。

3.2 改造的原則

本工程為改造工程，考慮最大程度減小對正常生產(chǎn)秩序的影響，新增管道及土建工程考慮施工方便，不影響電站正常發(fā)電的改造工程可先期進(jìn)行，盡量減少對原有管路的改動(dòng)，循環(huán)水系統(tǒng)運(yùn)行應(yīng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制并滿足電站自動(dòng)化要求。

3.3 采用循環(huán)水池的優(yōu)缺點(diǎn)

3.3.1 優(yōu)點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)有以下4點(diǎn):

1)采用開式循環(huán)系統(tǒng)，水池本身可釋放一部分熱量，更利于系統(tǒng)散熱。

2)循環(huán)水池本身有一定容積，發(fā)生緊急情況時(shí)(如循環(huán)供水系統(tǒng)投入時(shí)誤操作將原冷卻水排水閥打開，冷卻水排水直接排至尾水)，可保證短時(shí)間冷卻水不中斷(單臺機(jī)技術(shù)供水額定流量約600 m3/h，循環(huán)水池單個(gè)容積為63 m3，如單臺機(jī)發(fā)電，可保證約6 min冷卻水不中斷。

3)將3個(gè)循環(huán)水池連通，可保證約18 min的時(shí)間)，為事故緊急處理贏得寶貴時(shí)間。

4)水泵由循環(huán)水池抽水，其進(jìn)口壓力恒定，利于水泵平穩(wěn)運(yùn)行。

3.3.2 缺點(diǎn)

缺點(diǎn)因循環(huán)水水溫一般維持在20～30℃左右，利于微生物生長。對此，需定期對循環(huán)水水質(zhì)進(jìn)行監(jiān)測，可加入藥劑進(jìn)行處理。

3.4 性能保證

采用循環(huán)供水系統(tǒng)的主要目的是解決技術(shù)供水的水技問題，可卻隨之引出了另一不容忽視的問題，就是改造后的供水系統(tǒng)的冷卻效果能否滿足機(jī)組運(yùn)行的要求。

尾水冷卻器為本系統(tǒng)的核心設(shè)備，而熱換管則是尾水冷卻器的核心部件。改造能否達(dá)到預(yù)期的效果，就需對熱換管的冷卻性能進(jìn)行精密嚴(yán)謹(jǐn)?shù)挠?jì)算。

3.4.1 確定管材

經(jīng)過對熱換性能及水力損失的綜合比較，確定熱換管采用優(yōu)質(zhì)輸送流體用碳素?zé)o縫鋼管(20#)制造，管徑為Φ42;考慮到工作壓力、防銹厚度及安全系數(shù)等因素，經(jīng)計(jì)算，確定選用鋼管的管壁厚度為3.5 mm。

3.4.2 換熱面積校核計(jì)算

1)根據(jù)相關(guān)參數(shù)計(jì)算得每臺尾水冷卻器要求的傳熱量為3 750 kW。

2)根據(jù)熱換管材質(zhì)及要求的傳熱量，考濾一定安全系數(shù)，計(jì)算得出所需換熱面積為407 m2。

3)按尾水冷卻器實(shí)際結(jié)構(gòu)，進(jìn)行冷卻器實(shí)際換熱面積計(jì)算，結(jié)果如下:換熱管管徑:Φ42×3.5 mm;尾水冷卻器換熱管總長度:3 270 m;尾水冷卻器換熱管實(shí)際換熱面積為431 m2。

根據(jù)以上計(jì)算，可見，尾水冷卻器換熱管實(shí)際換熱面積大于換熱計(jì)算所需換熱面積407 m2，滿足機(jī)組對技術(shù)供水的要求。

圖1 同原系統(tǒng)圖

4 改造后效果

2010年電站對4號機(jī)技術(shù)供水進(jìn)行了改造，此次改造徹底解決了技術(shù)供水水質(zhì)問題，其冷卻效果也達(dá)到了預(yù)期。目前，該系統(tǒng)已正式投入運(yùn)行，設(shè)備運(yùn)行正常。

大盈江水電站(四級)技術(shù)供水系統(tǒng)改造的成功，為類似的泥沙含量大的大型水電站解決技術(shù)供水的泥沙問題提供了非常寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

[1]周雄.水電站技術(shù)供水方案綜述[J].四川水利發(fā)電，2006(04):78－80.

[2]翁國平，方家祥，王正山.某小型水電站技術(shù)供水系統(tǒng)改造[J].小水電，2011(06):127－129.