淺析呼河青年渠首水電站油氣水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)優(yōu)化

賈 玻，朱建利，劉世勇

(新疆昌吉方匯水電設(shè)計(jì)有限公司，新疆 昌吉 831100)

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淺析呼河青年渠首水電站油氣水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)優(yōu)化

賈 玻，朱建利，劉世勇

(新疆昌吉方匯水電設(shè)計(jì)有限公司，新疆 昌吉 831100)

闡述了呼圖壁河青年渠首水電站技術(shù)供水系統(tǒng)、技術(shù)排水系統(tǒng)、油氣系統(tǒng)的，根據(jù)機(jī)組的特點(diǎn)，對引水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行了優(yōu)化，對工程造價(jià)的降低、提高電站綜合效益有很大的意義。電站投產(chǎn)以來，機(jī)組運(yùn)行正常，說明設(shè)計(jì)優(yōu)化是合理的，因此本文可為日后類似小型水電站的設(shè)計(jì)提供參考。

水電站；油氣水系統(tǒng)；設(shè)計(jì)優(yōu)化

呼圖壁河青年渠首水電站位于呼圖壁縣境內(nèi)的呼圖壁河青年渠首下游 750 m處。電站設(shè)計(jì)水頭18.5 m，裝機(jī)容量4 500 kW，最大設(shè)計(jì)引水發(fā)電流量為30 m3/s，由引水系統(tǒng)和廠區(qū)建筑物組成，屬低水頭引水式電站。電站廠房布置在呼圖壁河右岸一級(jí)階地上，上下兩層，由下至上依次為水輪機(jī)層和發(fā)電機(jī)層。該電站裝設(shè)三臺(tái)立式水輪發(fā)電站機(jī)組，水輪機(jī)型號(hào)為 ZDJP502-LH-120，配套發(fā)電機(jī)型號(hào)為SF1500-12/2150，單機(jī)容量1 500 kw，水輪機(jī)調(diào)速器型號(hào)為 YWT-1000。

1 油氣水系統(tǒng)概述

1.1 技術(shù)供水系統(tǒng)

本電站機(jī)組技術(shù)供水的主要對象是為發(fā)電機(jī)徑向軸承冷卻器和機(jī)組徑向推力軸承冷卻器提供冷卻水。技術(shù)供水的方式主要有兩種，一種是修建儲(chǔ)水池建立水循環(huán)系統(tǒng)，另一種是由壓力管道直接取水[1]。本電站水頭為 18.5 m，且技術(shù)供水用水量較小，故采用從壓力管道 取水的供水方式。本站的技術(shù)供水首部位于水輪機(jī)層，采用單元取水方式，即分別從各自的 蝸殼進(jìn)水管頂部取水，經(jīng)第一級(jí)濾水器處理后匯入技術(shù)供水總管，通過閥門使得各系統(tǒng)間相 互聯(lián)通，互為備用。從技術(shù)供水總管引出后，在靠近各自機(jī)墩位置處設(shè)置二級(jí)濾水器和管道 加壓泵，使得進(jìn)入冷卻器的水壓力達(dá)到 0.2 MPa，冷卻后的水最終由排水管直接排至尾水池。

1.2 技術(shù)排水系統(tǒng)

本站排水系統(tǒng)主要由滲漏排水管和檢修排水管組成，排水系統(tǒng)采用的是小型水電站中最為常見的集水井方式。集水井位于水輪機(jī)層(安裝間下方)，容積120 m3，配備兩臺(tái)臥 式離心排污泵(一備一用)座于集水井之上，水泵的充水管直接與技術(shù)供水管路連接，可隨時(shí)啟動(dòng)。水泵的啟停由液位控制儀控制，自動(dòng)化程度較高。集水井所在位置處場地開闊，便于水泵機(jī)組的安裝和檢修。

(1)滲漏排水。本站機(jī)組的滲漏排水主要有水輪機(jī)頂蓋漏水和廠房滲漏水。由于頂蓋滲漏水量較小，直接布設(shè)滲漏排水管網(wǎng)將滲漏水直接排往集水井。在沿水輪機(jī)層墻體位置處周 圈設(shè)置寬 0.2 m，深 0.2 m的集水槽，槽底向集水井方向找坡，可使廠房滲漏水沿著集水槽 排至集水井。

(2)機(jī)組檢修排水。由于本站采用的是鋼襯混凝土蝸殼，尺寸較大，故在蝸殼前沒有設(shè)置進(jìn)水閥。機(jī)組檢修時(shí)，先將前池進(jìn)水室控制閘門關(guān)閉，待蝸殼中水流靜止時(shí)，同時(shí)關(guān)閉水輪機(jī)導(dǎo)葉和尾水檢修閘門，使得蝸殼、尾水管與尾水池相對獨(dú)立。此時(shí)，蝸殼內(nèi)的水可通過檢修排水管網(wǎng)排至集水井，而尾水管內(nèi)的水可通過潛水泵(安放在預(yù)留好的泵坑內(nèi))，將水直接排至尾水渠。這樣設(shè)計(jì)的好處一是可以減小集水井的容積，減小土建投資，另一個(gè)好處就是可以減小離心排污泵的工作時(shí)間，從而降低運(yùn)行管理的費(fèi)用[2]。同時(shí)，利用潛水泵可將尾水管底部積水抽排干凈，便于尾水管的檢修。

隨著水電事業(yè)的蓬勃發(fā)展，越來越多的新技術(shù)、新產(chǎn)品被運(yùn)用到水電工程中來，射流泵就是一種新型的排污泵。由于射流泵沒有運(yùn)動(dòng)部件，具有結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、節(jié)約能源、費(fèi)用低廉以及運(yùn)行管理方便等諸多優(yōu)點(diǎn)，在電站的排水系統(tǒng)中應(yīng)優(yōu)先選用[3]。目前本站投產(chǎn)時(shí)間不長，先采用離心泵，待本站進(jìn)行技術(shù)改造時(shí)再改用射流泵系列產(chǎn)品。

1.3 水電站的油氣系統(tǒng)

透平油主要用于機(jī)組軸承潤滑和調(diào)速器操作，絕緣油用于變壓器。本站裝機(jī)容量較小且只有3臺(tái)機(jī)組，透平油與絕緣油用量較小，故采用1.0立方米的儲(chǔ)油桶來代替通常采用的固定式儲(chǔ)油罐。本電站規(guī)模較小，絕緣油過濾機(jī)會(huì)較少，絕緣油與透平油凈油經(jīng)清洗后，可合用一套過濾設(shè)備，故選用一臺(tái)型號(hào) LY-50 壓力濾油機(jī)。為便于在接收新油、設(shè)備充填、更換油時(shí)輸油，選用一臺(tái)φ25 mm手搖式油泵代替常規(guī)的固定式油泵。

小型水電站低壓空氣系統(tǒng)主要為機(jī)組制動(dòng)、廠內(nèi)清掃、維護(hù)檢修提供用氣。本電站裝設(shè)立式水輪發(fā)電機(jī)組，停機(jī)時(shí)采用油壓制動(dòng)。根據(jù)本電站實(shí)際情況，取消了低壓空氣系統(tǒng)。廠內(nèi)清掃、維護(hù)檢修等用氣由一臺(tái)型號(hào)為 Z—0.036/7 移動(dòng)式空氣壓縮機(jī)提供。小型水電站高壓空氣系統(tǒng)僅為向油壓裝置的壓力油罐充氣。本電站選用 YWT-1000 型調(diào)速器。該型調(diào)速器油壓裝置配備有自動(dòng)補(bǔ)氣閥，運(yùn)行時(shí)可自動(dòng)向壓力油罐充氣，因此無需設(shè)置高壓空氣系統(tǒng)[4]。

2 引水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)優(yōu)化

2.1 首部樞紐的優(yōu)化設(shè)計(jì)

此小型水電站利用上級(jí)水電站尾水池的有壓引水箱涵取左岸取水口引出尾水，引水箱涵的制作形式主要采取地下室暗涵的做法，在設(shè)計(jì)過程中要求長32 m，寬7 m，高3 m，主要采用鋼筋混凝土制作而成，中間分別設(shè)置有二個(gè)孔洞，每一個(gè)孔洞的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為寬2 m，高2 m。在沉沙池下游主要設(shè)置有鋼筋混凝土引水箱，為了保證其具有一定的密實(shí)度，在建設(shè)過程中可以利用砂卵石進(jìn)行分層碾壓，為了保證其穩(wěn)定運(yùn)行可以在底部開設(shè)盲溝用于排水，在需要水經(jīng)過的區(qū)域利用混凝土進(jìn)行澆筑，提高其整體性能[5]。由弼石溝流過來的水要在沉淀泥沙后到達(dá)左岸取水口，從而與上級(jí)水志站尾水匯合一處再進(jìn)入小型水電站的引水隧洞。

2.2 引水隧洞的優(yōu)化設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)此小型水電站引水系統(tǒng)時(shí)還需進(jìn)一步考慮引水隧道的結(jié)構(gòu)，可以改變原來引水隧洞的結(jié)構(gòu)形式，調(diào)整為城門洞形的無壓隧洞，再調(diào)整城門洞形無壓隧洞的設(shè)計(jì)大小，要求低寬3 m，直墻高3 m，純凈高度達(dá)到4米，同時(shí)要求整個(gè)隧洞的進(jìn)口底板高程不能大于2 300 m，要求采取鋼筋混凝土襯砌隧洞，為了保證其堅(jiān)固耐用，可以再利用圍巖對其進(jìn)行加固，為了保證隧洞在運(yùn)行中安全堅(jiān)固，也可以采取錨桿與固結(jié)灌漿的做法進(jìn)一步加強(qiáng)引水隧洞的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。筆者認(rèn)為，在設(shè)計(jì)過程中還需兼顧有壓與無壓隧洞的妥善連接，防止此小型水電站在運(yùn)行過程中由于上級(jí)水電站的負(fù)荷不斷加大導(dǎo)致此水電站出現(xiàn)無壓隧洞封頂?shù)默F(xiàn)象，可以在有壓隧洞與無壓隧洞的結(jié)合部位建設(shè)側(cè)堰溢流建筑和溢洪道，同時(shí)改變施工支洞的性質(zhì)，使其成為泄洪洞，從而保證其安全運(yùn)行。

2.3 泄水隧洞的優(yōu)化設(shè)計(jì)

為了保證此小型水電站的安全運(yùn)行，需要改變施工支洞的性質(zhì)，使其成為泄水隧洞，在設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮水流方向，因此可以設(shè)計(jì)為垂直引水隧道，這種形式有利于溢流下泄的多余水進(jìn)入沖溝當(dāng)中，再接著進(jìn)入主河中從而可以有效保障小型水電站的穩(wěn)定運(yùn)行。在設(shè)計(jì)溢流側(cè)堰與泄水隧洞時(shí)要參考機(jī)組全甩負(fù)荷工況的泄流量，為了可以及時(shí)調(diào)整洞室的橫向?qū)挾?，有利于洞室在?shí)際施工中的穩(wěn)妥進(jìn)行，要兼顧側(cè)堰的作用只是應(yīng)用小型水電站甩負(fù)荷需要泄流時(shí)才發(fā)揮一定的作用，因此在設(shè)計(jì)過程中可以將其設(shè)計(jì)為薄壁堰的形式，保證堰頂高程與正常水位相比不得小于0.1 m，這種設(shè)計(jì)有利于保證小型水電站在全負(fù)荷運(yùn)行時(shí)的安全。再有，還需認(rèn)真考慮設(shè)計(jì)溢流堰泄水陡槽部位的泄水隧道，筆者認(rèn)為為了保證小型水電站的平穩(wěn)運(yùn)行，可以改變隧洞的形式設(shè)計(jì)為城門洞形，要求達(dá)到底寬2 m，縱坡8%，那么在泄流量突破16.88 m3/s時(shí)可以將泄洪隧洞中的水的深度降低在1米，則整個(gè)小型水電站引水系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行不受影響。

3 設(shè)計(jì)優(yōu)化后的成效

在設(shè)計(jì)過程中，小型水電站的有壓隧洞的底坡應(yīng)該屬于無壓過渡部位，使上級(jí)水電站與此級(jí)水電站在此部位實(shí)現(xiàn)無壓引水與有壓引水的穩(wěn)妥過渡，要求設(shè)計(jì)為長100 m，底坡12%，前81 m，在它后面還需設(shè)計(jì)一段地勢較平的部位，約為20 m，要求斷面大小必須保持相同于有壓隧洞的斷面大小。在充分考慮成熟后，設(shè)計(jì)小型水電站的引水系統(tǒng)，底部柵欄壩的底寬擴(kuò)大為6 m，沉沙池的寬度也擴(kuò)大為8 m，實(shí)際可以承受水深達(dá)到了5 m。利用全面優(yōu)化設(shè)計(jì)型水電站的引水系統(tǒng)，有利于施工單位的順利施工，節(jié)省了施工時(shí)間，提高了工作效率，技術(shù)人員在經(jīng)過全面計(jì)算后認(rèn)為在小型水電站使用無壓隧洞，一旦上級(jí)水電站丟棄負(fù)荷那么有壓隧洞可以保證在12 min內(nèi)維持現(xiàn)狀，利用這一時(shí)間，小型水電站完全有能力應(yīng)對上級(jí)水電站出現(xiàn)的各種故障，這一設(shè)計(jì)方案相比于原來的設(shè)計(jì)方案，不但可以縮短施工時(shí)間，減少施工工作量，而且也可以提高工程質(zhì)量，可以保證此小型水電站管理與機(jī)組的安全運(yùn)行。

油系統(tǒng)采用簡易的貯油設(shè)備，絕緣油與透平油合用一套濾油設(shè)備，采用手搖油泵，節(jié)省了油系統(tǒng)設(shè)備投資，簡化了管路系統(tǒng)，并滿足電站正常工作的需要。另外由于取消了高、低壓氣系統(tǒng)，且簡化了管路，大大節(jié)省了設(shè)備投資，減少了設(shè)備檢修維護(hù)工作量。機(jī)組停機(jī)時(shí)，采用液壓制動(dòng)(壓力油源取自調(diào)速器壓力油箱)，設(shè)備簡單、工作可靠、檢修方便。移動(dòng)式空氣壓縮機(jī)操作靈活，可滿足日常清掃等要求。技術(shù)供水采用單元取水，各單元通過供水干管聯(lián)接，互為備用，使得技術(shù)供水保證率得到提高。同時(shí)采用二次過濾加壓的方式，既提高了技術(shù)用水的水質(zhì)又保證了供水壓力。排水系統(tǒng)采用離心泵+潛水泵的組合形式，操作簡單、檢修維護(hù)較為方便，目前各輔助設(shè)備工作正常，機(jī)組運(yùn)行正常，說明設(shè)計(jì)優(yōu)化是合理的。

4 結(jié)語

綜上所述，在小型水電站設(shè)計(jì)中，結(jié)合機(jī)組的特點(diǎn)，對油氣水系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化。降低建設(shè)和運(yùn)行成本，設(shè)計(jì)優(yōu)化后的總投資(土建+設(shè)備)可較設(shè)計(jì)優(yōu)化前減少6%左右，后期運(yùn)行管理費(fèi)用較設(shè)計(jì)優(yōu)化前可減少8%左右，得到優(yōu)化設(shè)計(jì)的電站發(fā)電以來運(yùn)行良好，提高了電站的綜合效益。

[1]沈?qū)捰?引水式水電站設(shè)計(jì)研究[J].河南水利與南水北調(diào).2014(04).

[2]王超，陳立秋，郝利勛.雙溝水電站廠房布置設(shè)計(jì)[J]. 東北水利水電. 2015(10).

[3]杜雙全. 試論優(yōu)化設(shè)計(jì)工作的重要性[J]. 水利水電施工. 2010(05).

[4]付欣，鄭軍，張小濤，等.雙溝水電站引水系統(tǒng)設(shè)計(jì)探析[J].東北水利水電. 2014(09).

[5]宋寅，漆文邦，游紅平. 知木林水電站首部樞紐設(shè)計(jì)方案優(yōu)化探討[J]. 西北水電. 2012(01).

2017-01-17

賈玻(1984-)，男，新疆米泉人，工程師，主要從事水電站設(shè)計(jì)方面工作。

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