尾水循環(huán)冷卻器防凍設計在青羊溝水電站的應用

袁鎖年

（甘肅鑫洋水電工程建筑有限公司，甘肅 蘭州 730000）

尾水循環(huán)冷卻器防凍設計在青羊溝水電站的應用

袁鎖年

（甘肅鑫洋水電工程建筑有限公司，甘肅 蘭州 730000）

水電站技術供水系統(tǒng)是電站正常運行中必不可少的系統(tǒng)之一，完善可靠的技術供水系統(tǒng)對機組的安全穩(wěn)定運行起著至關重要的作用。技術供水系統(tǒng)一旦出現(xiàn)問題將會導致機組停運，進而給電站帶來較大的經(jīng)濟損失。青羊溝水電站地處海拔2 300 m的高寒山區(qū)，多年平均最低氣溫為零下10.9℃、極端最低氣溫達到零下35.0℃。如果冬季機組檢修全停運時，尾水位很低，導致尾水循環(huán)冷卻器上部結構外露出水面時將會被凍裂。本文對青羊溝水電站尾水循環(huán)冷卻器防凍問題進行認真分析后提出了優(yōu)化設計方案，有效解決了尾水循環(huán)冷卻器防凍裂問題，從而確保該電站日后的長期安全穩(wěn)定運行。

青羊溝水電站；尾水循環(huán)冷卻器；防凍設計應用

1 電站概況

青羊溝水電站是甘肅河西走廊最西端內(nèi)陸河——疏勒河昌馬水庫上游流域規(guī)劃開發(fā)的第二座水電站，是一座以發(fā)電為主的中型水電站。電站由樞紐、引水系統(tǒng)、發(fā)電廠房和輸變電工程等組成。電站安裝2臺23 MW和1臺10 MW（“2大1小”）立軸混流式水輪發(fā)電機組，總裝機容量56 MW，多年平均年發(fā)電量2.116億kW·h，裝機年利用小時數(shù)3 805 h。

2 電站技術供水系統(tǒng)設計

青羊溝水電站主要技術供水對象包括發(fā)電機空氣冷卻器、推力軸承油槽冷卻器、導軸承油槽冷卻器、水導軸承油槽冷卻器、水輪機主軸密封等用水。

該電站水頭范圍為114.74～133.42 m，宜采用自流減壓供水和清水循環(huán)冷卻供水等供水方式。

該電站每臺大機機組需冷卻水量為340 m3/h，小機為170 m3/h，3臺機組總冷卻水量為0.236 m3/s，在電站額定水頭116 m時，冷卻水用于發(fā)電可獲得239 kW的電能?？紤]到疏勒河為多泥沙河流，在每年的汛期6～9月水質(zhì)含沙量大，不能滿足技術供水水質(zhì)要求。

經(jīng)技術經(jīng)濟比較，最終選定了清水循環(huán)冷卻供水（耗電225 kW）作為主供水方式，自流減壓供水（少發(fā)電239 kW）作為備用供水方式。當循環(huán)供水系統(tǒng)發(fā)生故障時采用自流減壓供水方式。

清水循環(huán)供水系統(tǒng)的工作原理：

通過循環(huán)供水泵將循環(huán)水池的水送至廠內(nèi)供水總管，經(jīng)設在下游的尾水冷卻器降溫后，進入機組用水對象進行冷卻，冷卻后已升溫的水又回到循環(huán)水池，如此循環(huán)運行。這種供水方式的優(yōu)點是可靠性高，水質(zhì)有保障，提高了冷卻效果，特別是在汛期可顯著減輕泥沙對機組冷卻器的磨損，延長其使用壽命。

2.1 清水循環(huán)冷卻供水系統(tǒng)（主供水方式——技術供水）

清水循環(huán)冷卻供水系統(tǒng)由一個總容積約233 m3清水池（循環(huán)水池）、3臺WSLQ-200型尾水冷卻器、4臺KQL200/370—75/4型立式單級管道泵及連接管路組成。其中1臺水泵作為備用，其它3臺水泵與3臺機組對應，起停由機組自動操作程序控制。當任一臺水泵故障時備用泵均能自動投入。

清水池（循環(huán)水池）的2路補水水源分別來自生活水池（主水源）和DN300廠內(nèi)自流減壓技術供水總管（備用水源），由液位信號器和電磁閥自動操作進行補水。

2.2 自流減壓供水系統(tǒng)（備用供水方式——技術供水和消防供水）

自流減壓供水方式水源取自每臺機組進水閥前壓力鋼管，經(jīng)過FZLQ—A—200（PN2.5MPa）型全自動濾水器過濾后，再通過JWN203H—25CDN200型減壓穩(wěn)壓逆止閥減壓至0.65MPa（出口壓力），一路可接入 DN125消防供水總管，另一路再經(jīng)JWN203H—16CDN200型減壓穩(wěn)壓逆止閥減壓至0.45MPa（出口壓力）后匯入DN300廠內(nèi)自流減壓技術供水總管。

為確保系統(tǒng)安全不超壓，在每臺減壓穩(wěn)壓逆止閥下游依次安裝XA500H—25CDN125（一級減壓、排泄壓力為0.70MPa）和XA500H—16CDN125（二級減壓、排泄壓力為0.50MPa）型泄壓安全閥。當減壓閥故障引起供水管道中的壓力超過安全設定壓力時，泄壓安全閥會自動開啟快速泄壓，保護管路及設備的安全。

3 尾水循環(huán)冷卻器技術性能參數(shù)（見表1）

表1 尾水循環(huán)冷卻器技術性能參數(shù)

4 尾水循環(huán)冷卻器工作性能與詳細技術要求

（1）尾水循環(huán)冷卻器的本體安裝在尾水渠側墻上。所有浸沒在尾水中的金屬管路及其他所有部件，包括尾水循環(huán)冷卻器的固定裝置、可拆卸連接螺栓、螺母等均采用不銹鋼材料制造，法蘭密封墊采用長壽命材料。出廠前、安裝后必須按照規(guī)程規(guī)范要求進行耐壓試驗和滲漏試驗。

（2）尾水循環(huán)冷卻器的內(nèi)、外表面在長期運行中應防結垢、防長微生物（采取換熱管表面熱鍍鋅處理可有效解決微生物生長），不會因銹蝕而影響正常穩(wěn)定運行和縮短其使用壽命。

（3）循環(huán)冷卻器的冷卻支管的數(shù)量和總長度滿足水力損失和熱交換效果。

（4）冬季采用自流減壓技術供水或機組全停檢修時，因尾水位過低、導致冷卻器管路局部露出水面，此時應采取可靠措施避免尾水循環(huán)冷卻器內(nèi)的積水結冰及凍漲現(xiàn)象發(fā)生。

（5）循環(huán)冷卻系統(tǒng)冬季退出運行時，應操作靈活、簡便，并能隨時處理循環(huán)冷卻器內(nèi)長期運行積累的水垢（如采用小型循環(huán)水泵將鍋爐專用除垢劑溶液通過自流減壓防凍進、出水管路加壓注入冷卻器內(nèi)進行循環(huán)防垢處理）。

5 冬季自流減壓防凍設計在青羊溝水電站中的應用

5.1 循環(huán)冷卻器安裝布置概況及存在的主要問題

青羊溝水電站地處海拔2 300 m的高寒山區(qū)，多年平均最低氣溫為零下10.9℃（每年11月份至來年3月份、氣溫基本在零下19℃左右），極端最低氣溫達到零下35.0℃。

青羊溝水電站尾水循環(huán)冷卻器底座安裝基礎高程為▽2189.270m，DN200進水管高程為▽2192.250m，DN200出水管高程為▽2 192.750 m，其剖面安裝布置圖詳見下頁圖1。冬季枯水期1臺小機運行時的最低尾水位為▽2 192.345 m，盡管此時尾水循環(huán)冷卻器的出水管露出水面405 mm，但由于管內(nèi)存水一直處于循環(huán)流動狀態(tài)，故很難出現(xiàn)出水管路被凍裂。

當冬季3臺機組檢修全停運時，尾水位降至尾水渠反坡段末端的底板高程▽2 192.154 m處，此時循環(huán)冷卻器上部的進水管漏出水面96 mm、出水管漏出水面596 mm。在上述低溫環(huán)境下如不采取任何防護措施，將會導致進、出水管路里的存水長期結冰，進而出現(xiàn)循環(huán)冷卻器管路凍裂現(xiàn)象發(fā)生，這將會嚴重影響電站日后的正常運行。

5.2 尾水循環(huán)冷卻器自流減壓防凍設計

5.2.1 電站循環(huán)冷卻系統(tǒng)初始管路設計方案（常規(guī)設計方案）

夏季正常運行時，循環(huán)水泵將循環(huán)水池內(nèi)的凈化水打到DN350水泵循環(huán)技術供水總管內(nèi)，循環(huán)水先通過DN200檢修控制閥“1241”流進機組尾水循環(huán)冷卻器，經(jīng)冷卻器冷卻后再通過DN200檢修控制閥“1242”匯總至DN350尾水冷卻器出水匯總管內(nèi)。此后，冷卻水進入機組空氣冷卻器、各導軸承油槽冷卻器等供水對象進行冷卻后流經(jīng)DN350水泵循環(huán)技術回水總管后返回到循環(huán)水池內(nèi)。如此反復循環(huán)，達到循環(huán)供水的目的。

但該供水方式的3臺尾水冷卻器直接并聯(lián)在循環(huán)技術供水管路中，一旦冬季循環(huán)供水系統(tǒng)停用后，各尾水冷卻器內(nèi)的積水均變成無法流動的死水，在冬季長期低溫下極易凍裂管路，從而影響來年的機組正常運行。

圖1 尾水循環(huán)冷卻器剖面安裝布置圖

5.2.2 電站循環(huán)冷卻系統(tǒng)優(yōu)化管路設計方案

為解決上述問題，青羊溝水電站在上述初始管路設計方案（常規(guī)設計方案）的基礎上進行了如下的管路系統(tǒng)優(yōu)化設計（系統(tǒng)原理圖詳見圖2）。

在尾水冷卻器進水總閥“1241”出水側（閥后）增設一路DN50支管（Y-50型過濾器、DN50檢修控制閥“1243”）連接到DN100尾水冷卻器冬季自流減壓防凍進水總管上（接至DN300廠內(nèi)自流減壓技術供水總管上）；在尾水冷卻器出水總閥“1242”進水側（閥前）增設一路DN50支管（DN50止回閥、DN50常閉工作閥“1244”、DN50常開檢修閥“1 245”）連接到DN100尾水冷卻器冬季自流減壓防凍出水總管上（排至下游尾水渠內(nèi)）。

尾水冷卻器進水管側因與廠內(nèi)自流減壓技術供水總管相連，故在該支路裝設了1臺DN50檢修控制閥和1臺Y-50型過濾器（二次精過濾后可確保進入冷卻器的水質(zhì)最優(yōu)）。尾水冷卻器出水管側因與下游尾水渠相連，故在該支路裝設了1臺DN50止回閥（防止尾水倒灌入冷卻器后污染水質(zhì)）和2臺DN50檢修控制閥（檢修或更換“1244”閥門時，只需關閉“1245”閥門后直接進行檢修更換工作，而無需借助大功率潛水泵人為降低尾水渠水位后再進行檢修更換工作）。

5.2.3 尾水循環(huán)冷卻器自流減壓防凍設計操作程序

夏季正常運行時，開啟“1241”、“1242”閥門，關閉“1243”、“1244”閥門。

冬季循環(huán)水泵停用、自流減壓供水啟用時，當機組檢修全?；蚱渌?qū)е聶C組全停時，關閉“1241”、“1242”閥門，開啟“1243”、“1244”閥門（“1245”為常開閥門）。通過自流減壓技術供水管網(wǎng)的有壓水帶動尾水循環(huán)冷卻器內(nèi)的死水實現(xiàn)快速流動后最終排至下游尾水渠，從而避免尾水循環(huán)冷卻器管路被凍裂。

圖2 尾水冷卻器自流減壓防凍系統(tǒng)原理圖

6 結語

通過對常規(guī)循環(huán)冷卻供水系統(tǒng)管路的優(yōu)化改進設計，有效避免了冬季電站檢修全停時尾水循環(huán)冷卻器被凍裂的情況發(fā)生。電站自2013年投運以來，經(jīng)歷了三個冬季運行期，該防凍措施的實施在青羊溝水電站的運行中得到很好的應用，效果顯著。該方案對北方寒冷地區(qū)的水電站是非常實用的，值得相關運行單位和設計單位參考借鑒。

TK730.4

B

1672-5387（2017）06-0059-03

10.13599/j.cnki.11-5130.2017.06.021

2017-01-17

袁鎖年（1976-），男，工程師，從事水電站工程及運行技術管理工作。