多泥沙水電站技術(shù)供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

王宏兵，吳春剛，余 濤

（華能瀾滄江水電股份有限公司，云南 昆明 650214）

1 引言

水電站技術(shù)供水系統(tǒng)是水電站最關(guān)鍵的輔助系統(tǒng)之一，其主要服務(wù)對象為發(fā)電機(jī)推力軸承、上導(dǎo)軸承、下導(dǎo)軸承、空氣冷卻器、水輪機(jī)水導(dǎo)軸承、主軸密封和主變冷卻器等，主要起冷卻和潤滑作用。技術(shù)供水系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)異常，將直接導(dǎo)致水輪機(jī)發(fā)電組、主變等關(guān)鍵設(shè)備無法正常運(yùn)行，從而影響水電站發(fā)電效益。部分水電站所在河流中泥沙含量大，樹枝、塑料袋等雜物多，技術(shù)供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與選擇至關(guān)重要，下面以大盈江水電站（四級(jí)）為例，介紹對多泥沙水電站技術(shù)供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一點(diǎn)認(rèn)識(shí)。

2 工程概況

大盈江水電站(四級(jí))位于大盈江下游河段，為徑流引水式電站，地面式廠房，混流式水輪發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量為5×175 MW，分為兩期開發(fā)。電站為日調(diào)節(jié)水庫，運(yùn)行水頭范圍為285～331 m，壩址多年平均含沙量為0.427 kg/m3，實(shí)測最大含沙量為9.25 kg/m3，懸移質(zhì)泥沙硬礦物含量67.37%。

電站一期裝機(jī)容量為4×175 MW，引水方式為1管4機(jī)，引水隧洞長約14 km，設(shè)有1個(gè)調(diào)壓井，每臺(tái)機(jī)組前設(shè)1臺(tái)進(jìn)水球閥。電站二期裝機(jī)容量為1×175 MW，在原電站進(jìn)水口后增設(shè)沉沙池，在原調(diào)壓井前新增一條引水隧洞用于新增機(jī)組，并單獨(dú)設(shè)置調(diào)壓井，機(jī)組前設(shè)進(jìn)水球閥。

3 一期技術(shù)供水系統(tǒng)方案及存在問題

3.1 一期技術(shù)供水方案

技術(shù)供水方式根據(jù)水電站水頭范圍不同，常用的供水方式有水泵供水、自流供水和混合供水3種。大盈江水電站（四級(jí)）運(yùn)行水頭范圍為285～331 m，自流供水水壓過高，自流減壓供水一級(jí)減壓較難實(shí)現(xiàn)、二級(jí)減壓系統(tǒng)過于復(fù)雜，混合供水方式系統(tǒng)復(fù)雜、占地面積大，最終選取水泵供水為主供水方式，同時(shí)設(shè)頂蓋取水為試驗(yàn)供水方式。

大盈江水電站（四級(jí)）技術(shù)供水為單元供水方式，水源來自尾水，每臺(tái)機(jī)組設(shè)兩個(gè)取水口，均配置水泵和過濾設(shè)備，互為備用，通過電動(dòng)四通閥的切換，可實(shí)現(xiàn)技術(shù)供水系統(tǒng)的反沖洗功能；頂蓋取水為試驗(yàn)供水方式，機(jī)組正常投運(yùn)后擇機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，若頂蓋取水能滿足機(jī)組技術(shù)供水要求，則以頂蓋取水為主供水方式，水泵供水作為備用，若頂蓋取水不能滿足要求，則通過閥門切換，將頂蓋水直接排至尾水（如圖1所示）。

3.2 一期技術(shù)供水方案存在的問題

大盈江水電站（四級(jí)）一期機(jī)組投運(yùn)后，技術(shù)供水系統(tǒng)暴露出了一些問題，影響著水輪發(fā)電機(jī)組的正常穩(wěn)定運(yùn)行和電站的運(yùn)行管理工作。存在問題主要有：

圖1 一期技術(shù)供水系統(tǒng)原理圖（單機(jī)）

⑴濾水器排污周期短，需頻繁清理，汛期尤為嚴(yán)重，每臺(tái)濾水器人工徹底清理的周期僅為2 d，清理出來有泥沙、樹枝、木棍等自然雜物，也有塑料袋、紙杯、碎布等生活垃圾，消耗大量人力物力。

⑵技術(shù)供水系統(tǒng)反沖運(yùn)行方式需頻繁切換，并呈現(xiàn)出不斷加劇的跡象，否則機(jī)組各用水部位溫度逐步上升，其中推力軸承油槽油溫上升最為明顯，后經(jīng)對推力外循環(huán)冷卻器進(jìn)行檢修，發(fā)現(xiàn)冷卻器內(nèi)部分換熱管堵塞嚴(yán)重，有些已完全堵塞，導(dǎo)致冷卻器無法使用。

⑶技術(shù)供水系統(tǒng)內(nèi)主要供、用水設(shè)備使用壽命短，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于設(shè)備設(shè)計(jì)使用壽命，設(shè)備檢修過程中，發(fā)現(xiàn)水泵葉輪、閥門密封等磨損嚴(yán)重。

⑷技術(shù)供水系統(tǒng)主備用回路切換過程中，因取水管路中充氣，常出現(xiàn)水泵正常啟動(dòng)，但是無法正常供水的情況，系統(tǒng)主備用自動(dòng)切換功能形同虛設(shè)，經(jīng)對一段時(shí)間的運(yùn)行記錄研究發(fā)現(xiàn)，若停泵時(shí)間超過5 h，則會(huì)出現(xiàn)此種故障。

技術(shù)供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段，由于對大盈江水電站（四級(jí)）河段泥沙和漂浮物影響估計(jì)嚴(yán)重不足，直接導(dǎo)致了問題⑴～⑶的出現(xiàn)。電站運(yùn)行期對其水質(zhì)監(jiān)測的結(jié)果顯示，水中除含有大量硬質(zhì)礦物外，還有很多粘性強(qiáng)、顆粒小的泥土成分，以及一些樹枝、樹皮、塑料袋、紙杯等漂浮垃圾物。大量漂浮物和泥沙是導(dǎo)致濾水器濾芯堵塞和管路淤堵的主要原因，其中粘性泥土附著力強(qiáng)，是管路淤堵的關(guān)鍵因素，濾水器濾芯堵塞和管路淤堵使系統(tǒng)內(nèi)水流速下降也加快了泥土淤積的速度；而泥沙中大量的硬礦物成分則是主要供用水設(shè)備磨損嚴(yán)重的元兇。電站技術(shù)供水系統(tǒng)取水口布置在水輪機(jī)尾水管混凝土擴(kuò)散段的頂部，這種設(shè)計(jì)使水中的漂浮物比較容易被吸入技術(shù)供水系統(tǒng)，導(dǎo)致濾水器濾芯堵塞，同時(shí)也是導(dǎo)致問題⑷出現(xiàn)的主要原因，機(jī)組運(yùn)行時(shí)，為了改善個(gè)別工況下尾水管內(nèi)水的流態(tài)，減小機(jī)組振動(dòng)，需進(jìn)行大量的補(bǔ)氣，在尾水流道中，由于空氣較輕，其沿著尾水管擴(kuò)散段頂部流動(dòng)，通過取水口進(jìn)入取水管中，并在其中聚集，少量空氣不會(huì)影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行，但是當(dāng)其中聚集的空氣達(dá)到一定的量，就會(huì)使水泵不能正常吸水。

3.3 一期技術(shù)供水系統(tǒng)改造

由于一期技術(shù)供水系統(tǒng)存在的諸多問題，電站運(yùn)行單位對其進(jìn)行了技術(shù)改造，采用開放式循環(huán)供水系統(tǒng)作為機(jī)組技術(shù)供水主供水方式，同時(shí)保留原水泵供水方式和頂蓋取水方式作為備用（如圖2所示），改造完成后其冷卻效果達(dá)到預(yù)期，效果良好。

圖2 一期技術(shù)供水系統(tǒng)改造原理圖（單機(jī)）

循環(huán)供水系統(tǒng)水源為清潔水，機(jī)組冷卻水通過布置在尾水中熱交換器與天然河水進(jìn)行熱交換，帶走機(jī)組運(yùn)行產(chǎn)生的熱量，冷卻水不與天然河水發(fā)生直接接觸，不受河水水質(zhì)影響，可長期保持清潔，將使技術(shù)供水系統(tǒng)所有供、用水設(shè)備及管路的使用壽命大大延長。但是，由于循環(huán)水溫一般維持在20～30℃左右，非常利于微生物生長，因此要對循環(huán)水質(zhì)進(jìn)行監(jiān)測，并采取必要的措施抑制微生物生長，如定期投放藥劑等。采用循環(huán)供水系統(tǒng)作為主供水方式，原技術(shù)供水系統(tǒng)存在的問題，基本都可以徹底解決，但是當(dāng)機(jī)組切換至備用供水方式，即水泵供水方式時(shí)，其水泵取水管進(jìn)氣問題仍應(yīng)予以足夠的重視，避免出現(xiàn)生產(chǎn)事故。

一期技術(shù)供水系統(tǒng)改造項(xiàng)目受電站廠區(qū)及廠房布置條件的限制，63 m3循環(huán)水池不具備布置在室外的條件，只能布置于電站蝸殼層，原技術(shù)供水設(shè)備布置區(qū)域內(nèi)，再加上新增循環(huán)水泵及相關(guān)配套管路，蝸殼層內(nèi)設(shè)備布置緊湊，無法形成正常的巡視、檢修通道，不便于電站的日常運(yùn)行管理工作。

4 二期技術(shù)供水方案設(shè)計(jì)

在總結(jié)一期技術(shù)供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)的失敗教訓(xùn)以及系統(tǒng)改造的成功經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對二期技術(shù)供水系統(tǒng)有針對性地進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)，以保證二期技術(shù)供水系統(tǒng)的安全性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性、靈活性及便利性。

4.1 二期技術(shù)供水方案

二期技術(shù)供水系統(tǒng)仍采用單元供水方式，密閉式循環(huán)供水為主供水方式，設(shè)一高位膨脹水箱作為循環(huán)供水系統(tǒng)少量水量損失補(bǔ)充，兩套循環(huán)供水泵及配套管路互為備用；水泵供水為備用供水方式，水源取自尾水，設(shè)有一個(gè)取水口，循環(huán)供水與水泵供水共用水泵、濾水器及配套管路，同樣互為備用；與一期技術(shù)供水方案一致，設(shè)頂蓋取水作為試驗(yàn)供水方式。通過電動(dòng)四通閥切換操作，可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)反沖洗功能；通過電動(dòng)三通閥切換操作，可實(shí)現(xiàn)頂蓋取水和排水功能之間的相互切換（如圖3所示）。

圖3 二期技術(shù)供水系統(tǒng)原理圖（單機(jī)）

4.2 二期技術(shù)供水方案優(yōu)化

相對于一期技術(shù)供水方案，二期技術(shù)供水系統(tǒng)主要在以下幾個(gè)方面的進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)：

⑴二期技術(shù)供水系統(tǒng)采用密閉式循環(huán)供水系統(tǒng)，相對于一期原供水方案，避免了大盈江水電站（四級(jí)）河段惡劣的水質(zhì)對電站技術(shù)供水系統(tǒng)的嚴(yán)重危害；相對于一期改造供水方案，密閉式循環(huán)供水和開放式循環(huán)供水均能滿足機(jī)組技術(shù)供水要求，但密閉循環(huán)供水系統(tǒng)用1 m3的高位膨脹水箱替代63 m3的循環(huán)水池，節(jié)省了系統(tǒng)設(shè)備布置空間，蝸殼層設(shè)備及巡視檢修通道布置科學(xué)、合理。

⑵二期技術(shù)供水系統(tǒng)備用方式為水泵供水，循環(huán)供水方式與水泵供水方式主要設(shè)備及管路均為共用，設(shè)備投資相對較省，但一期供水系統(tǒng)改造畢竟有其局限性，相關(guān)設(shè)備分設(shè)也是無奈之舉。

⑶二期水泵供水取水口的位置調(diào)整至尾水管擴(kuò)散段側(cè)邊近底部、尾水盤型閥排水箱內(nèi)，有效避免了水泵取水管充氣問題，且水中漂浮物進(jìn)入供水系統(tǒng)的幾率大大降低，同時(shí)由于二期工程建設(shè)時(shí)在電站進(jìn)水口后增設(shè)沉沙池，其沉沙、排沙功能將對過機(jī)水質(zhì)有顯著改善作用。

⑷考慮到大盈江水電站（四級(jí)）為高水頭電站，為確保技術(shù)供水系統(tǒng)內(nèi)各設(shè)備的安全，二期技術(shù)供水系統(tǒng)在頂蓋取水供水回路上設(shè)置一臺(tái)DN250 mm安全泄壓閥，防止技術(shù)供水系統(tǒng)壓力異常升高，提高系統(tǒng)安全性。

綜上所述，二期技術(shù)供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)更加科學(xué)、合理，可對電站的安全、穩(wěn)定運(yùn)行提供強(qiáng)有力的保證。

4.3 二期技術(shù)供水系統(tǒng)建議運(yùn)行方式

二期技術(shù)供水系統(tǒng)以循環(huán)供水方式為主，兩條循環(huán)供水回路互為備用；水泵供水作為備用供水方式，在循環(huán)供水系統(tǒng)熱交換器檢修、維護(hù)時(shí)投入運(yùn)行，兩條供水回路互為備用，汛期應(yīng)盡量避免在水泵供水方式下運(yùn)行；頂蓋取水方式若經(jīng)試驗(yàn)?zāi)軡M足機(jī)組技術(shù)供水的要求，則枯期以頂蓋取水方式為主，循環(huán)供水為備用，汛期以循環(huán)供水為主，水泵供水為備用。頂蓋取水供水方式以轉(zhuǎn)輪上止漏環(huán)密封處的漏水作為機(jī)組技術(shù)供水，在水壓、水量滿足要求的前提下，水質(zhì)好、水壓穩(wěn)定，機(jī)組運(yùn)行即可得到可靠的水源，不需要外加泵及過濾裝置，不消耗任何能源，長期運(yùn)行節(jié)能效益明顯；但是頂蓋取水方式受到密封間隙、機(jī)組運(yùn)行工況等諸多因素的影響，較難從設(shè)計(jì)上保證頂蓋取水方式一直都滿足機(jī)組技術(shù)供水對水壓、水量的要求，因此不建議以頂蓋取水作為機(jī)組技術(shù)供水的唯一方式。

5 結(jié)論及建議

通過對大盈江水電站（四級(jí)）各階段技術(shù)供水系統(tǒng)的分析研究，可以看出：①對于多泥沙、小庫容水電站，技術(shù)供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)對電站壩址水質(zhì)，特別是泥沙級(jí)配成果引起足夠的重視，從而選擇合適的技術(shù)供水方式；②在水質(zhì)條件較差的情況下，循環(huán)供水方式是一個(gè)不錯(cuò)的選擇，只要熱交換器選型、選材、布置得當(dāng)，即可以保證水輪發(fā)電機(jī)組的長期安全穩(wěn)定運(yùn)行；③水泵供水方式，臥式離心泵取水口的位置避免設(shè)在水輪機(jī)尾水管的頂部，預(yù)防取水管進(jìn)氣及水中漂浮物堵塞技術(shù)供水系統(tǒng)內(nèi)的設(shè)備，同時(shí)也避免設(shè)在尾水管的底部位置，防止泥沙淤積堵塞取水管。以上為在大盈江水電站（四級(jí)）工程實(shí)踐中，對機(jī)組技術(shù)供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一點(diǎn)認(rèn)識(shí)與見解，有紕漏之處，敬請指正。

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