老撾南湃水電站技術(shù)供水系統(tǒng)技術(shù)改造

王志強(qiáng)，王國(guó)鵬

（1. 北方國(guó)際合作股份有限公司，北京100040；2. 成都鴻策工程咨詢(xún)有限公司，四川 成都610072）

1 工程概述

南湃（Nam Phay）水電站位于老撾萬(wàn)象省北部Phoun區(qū)，壩址位于南俄河（Nam Ngum）支流南湃河（Nam Phay）上游峽谷，南俄河（Nam Ngum）是湄公河的1級(jí)支流。電站廠房位于南樂(lè)克河右岸。2009年7月中國(guó)北方國(guó)際合作股份有限公司與老撾政府簽訂項(xiàng)目開(kāi)發(fā)諒解備忘錄，以BOT型式開(kāi)發(fā)該項(xiàng)目。該項(xiàng)目是北方國(guó)際在海外投資的第一個(gè)BOT水電站，項(xiàng)目總投資2.18億美元。中央電視臺(tái)將其作為“一帶一路”標(biāo)志性項(xiàng)目，進(jìn)行專(zhuān)題報(bào)道。該電站于2017年5月投產(chǎn)發(fā)電。

水庫(kù)正常蓄水位1 140 m，設(shè)計(jì)洪水位1 141.7 m，校核洪水位1 143.49 m，水庫(kù)總庫(kù)容2.059億m3，調(diào)節(jié)庫(kù)容1.326億m3，電站安裝2臺(tái)沖擊式水輪發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量86 MW，多年平均發(fā)電量約4.19億kW·h，年利用小時(shí)數(shù)4 878 h。本電站特點(diǎn)為“大庫(kù)容、小流量、長(zhǎng)引水、高水頭”，主要任務(wù)為發(fā)電。

2 問(wèn)題診斷

電站技術(shù)供水系統(tǒng)單機(jī)冷卻水量為400 m3/h，冷卻水進(jìn)口溫度≤30oC。之前，電站冷卻水采用尾水取水單元供水方式，每臺(tái)機(jī)采用2臺(tái)長(zhǎng)軸深井泵取水，一主一備，輪換使用，水泵設(shè)計(jì)流量Q=450 m3/h，揚(yáng)程h=50 m，電機(jī)功率P=90 kW。2臺(tái)機(jī)在初始運(yùn)行階段（前期10多天）各部溫度都在制造廠和規(guī)范的要求范圍內(nèi)，經(jīng)觀察運(yùn)行記錄發(fā)現(xiàn)機(jī)組各部溫度在機(jī)組運(yùn)行10多天后，每天都在緩慢上漲，直到機(jī)組不能安全運(yùn)行?，F(xiàn)場(chǎng)檢修人員拆開(kāi)機(jī)組各部冷卻器后，發(fā)現(xiàn)冷卻器內(nèi)部不但有泥沙敷著在冷卻管內(nèi)壁，還有化學(xué)結(jié)晶物敷著在管路和冷卻管內(nèi)壁。檢修人員在清潔冷卻器的同時(shí)，也重新清理了2臺(tái)機(jī)水泵取水坑的的泥沙，檢修后的前幾天各部溫度也正常，但隨著運(yùn)行時(shí)間的加長(zhǎng)，各部溫度又出現(xiàn)了緩慢爬升的情況。

另外，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)得機(jī)組進(jìn)水主管壓力為0.25 MPa，機(jī)組排水總管壓力為0.05 MPa，其冷卻器水力損失達(dá)0.2 MPa。

檢修時(shí)期冷卻器被泥沙淤堵情況見(jiàn)圖1。

圖1

因此，基本確定水質(zhì)差是造成以上問(wèn)題的主要因素。本電站所在流域河水的硬度高，水中Ca、Mg等離子大量存在，易在機(jī)組各冷卻器銅管內(nèi)壁形成水垢，影響冷卻器冷卻效果，導(dǎo)致機(jī)組不能安全運(yùn)行。

電站原技術(shù)供水流向示意圖如圖2：

圖2

3 改造方案

3.1 系統(tǒng)方案比較

要解決本電站技術(shù)供水系統(tǒng)存在的問(wèn)題，主要是解決技術(shù)供水系統(tǒng)水質(zhì)問(wèn)題，解決水質(zhì)問(wèn)題有以下方案：

（1）采用密閉循環(huán)供水方式

系統(tǒng)組成：系統(tǒng)由循環(huán)水池及補(bǔ)充水源、供水泵、水泵控制柜、尾水冷卻器、管路、閥門(mén)、機(jī)組各冷卻器（包括空氣冷卻器、各軸承油冷卻器等）及各種表計(jì)、自動(dòng)化元件等。

工作原理：水泵從循環(huán)水池內(nèi)抽水，送至布置在電站尾水渠內(nèi)、最低尾水位以下的尾水冷卻器，通過(guò)尾水冷卻器與溫度較低的電站尾水進(jìn)行冷熱交換作用后溫度降低，然后送至機(jī)組，吸收機(jī)組運(yùn)行產(chǎn)生的熱量后，又排回循環(huán)水池。冷卻水采用清潔水，在一個(gè)往復(fù)循環(huán)的系統(tǒng)中，通過(guò)流動(dòng)的溫度較低的天然河水帶走機(jī)組運(yùn)行產(chǎn)生的熱量。

特點(diǎn)：冷卻水采用滿(mǎn)足要求的清潔水循環(huán)使用，可防止機(jī)組冷卻系統(tǒng)內(nèi)部的堵塞、結(jié)垢、腐蝕、水生物等，從根本上解決電站技術(shù)供水系統(tǒng)水質(zhì)問(wèn)題。

（2）建高位沉淀水池自流供水方式

系統(tǒng)組成：系統(tǒng)由高位沉淀水池、排污道、供水泵及水泵控制柜、濾水器、管路、閥門(mén)、機(jī)組各冷卻器（包括空氣冷卻器、各軸承油冷卻器等）及各種表計(jì)、自動(dòng)化元件等。

工作原理：在高位（高于發(fā)電機(jī)層，高程約50 m）建沉淀水池，水泵自尾水抽水，經(jīng)濾水器過(guò)濾，然后壓至高位水池沉淀后，再向機(jī)組自流供水的方式。

特點(diǎn)：冷卻水取自電站尾水，經(jīng)濾水器過(guò)濾、沉淀池沉淀后，能去除水中大部分雜物、泥沙，但是對(duì)水中的懸移質(zhì)、礦物質(zhì)作用有限，無(wú)法解決結(jié)垢問(wèn)題，遇到水質(zhì)條件差時(shí)，濾水器還易發(fā)生堵塞；自流供水高位水池所需容積較大，水池水位監(jiān)測(cè)必須保證可靠，需人員定期巡視；需建排污道，定期進(jìn)行排污；故該方案不僅工程施工難度較大、工程投資較大，且增加了運(yùn)行維護(hù)工作量。

因此，南湃水電站采用密閉循環(huán)供水方式較為適合。

3.2 實(shí)施方案比較

密閉循環(huán)供水系統(tǒng)一般有2種方式實(shí)現(xiàn)：

（1）無(wú)循環(huán)水池的全密閉循環(huán)

該循環(huán)供水系統(tǒng)無(wú)循環(huán)水池，主要由水泵，膨脹水箱，外冷卻器和機(jī)組冷卻系統(tǒng)組成。機(jī)組冷卻排水直接進(jìn)入水泵吸水管，經(jīng)泵加壓后，送至尾水冷卻器冷卻降溫，又送入機(jī)組。

該系統(tǒng)特點(diǎn)是管路及設(shè)備布置更簡(jiǎn)單、減小了系統(tǒng)水力損失、膨脹水箱容積較?。ㄒ话銥?～3 m3，設(shè)置在高位，主要起排氣、恒壓、補(bǔ)水等功能），減少了建循環(huán)水池的工程量，缺點(diǎn)是因?yàn)橄到y(tǒng)采用全密閉形式，循環(huán)水體容易缺氧變質(zhì)，如果系統(tǒng)有滲漏，易發(fā)生補(bǔ)水不及。故全密閉循環(huán)方式一般適用于廠內(nèi)或廠區(qū)無(wú)法布置循環(huán)水池的電站。

（2）帶循環(huán)水池的半密閉循環(huán)

該循環(huán)供水系統(tǒng)原理同前述，特點(diǎn)是設(shè)置有循環(huán)水池中間過(guò)渡，水體和大氣直接接觸，水體一般不會(huì)缺氧，而且便于冷卻水更換和處理。

有幸的是本電站在建設(shè)期間已經(jīng)修建了密閉水池，預(yù)埋了循環(huán)技術(shù)供水系統(tǒng)管路至尾水渠內(nèi)尾水冷卻器進(jìn)出口，并在水泵房?jī)?nèi)預(yù)留了3臺(tái)循環(huán)供水泵安裝位置及水池傳感器安裝孔洞。

帶循環(huán)水池的循環(huán)供水系統(tǒng)是解決水電站技術(shù)供水系統(tǒng)水質(zhì)差比較成熟的技術(shù)，國(guó)內(nèi)外存在著大量成熟的工程實(shí)踐。在老撾當(dāng)?shù)?，大多?shù)電站均采用這種供水方式。比如南俄5電站、南坎2電站、南夢(mèng)3電站等運(yùn)行情況均良好。尤其是南夢(mèng)3電站也是沖擊式電站，安全運(yùn)行十幾年了，表現(xiàn)情況良好。當(dāng)然國(guó)內(nèi)用該種技術(shù)供水的電站就舉不勝數(shù)了。

因此，本次改造選擇帶循環(huán)水池的循環(huán)供水系統(tǒng)。

4 改造方案

4.1 標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范

本電站技術(shù)供水系統(tǒng)改造設(shè)計(jì)是根據(jù)《水力發(fā)電廠水力機(jī)械輔助設(shè)備系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》NB/T35035-2014相關(guān)規(guī)范條款進(jìn)行。

4.2 總體布置方案

（1）技改后技術(shù)供水示意圖如圖3：

圖3

（2）技術(shù)供水系統(tǒng)改造工程以循環(huán)供水為主供水系統(tǒng)，原取尾水渠尾水為備用供水系統(tǒng)（在檢修冷卻器及循環(huán)水池時(shí)投入）。

（3）主供水系統(tǒng)主要由供水水泵、尾水冷卻器、循環(huán)水池、機(jī)組冷卻器、電子水處理儀、閥門(mén)、管路以及自動(dòng)化元件和表計(jì)等組成。

（4）2臺(tái)機(jī)組共用一座循環(huán)水池,水池設(shè)在水輪機(jī)層以下，有效容積為120 m3；

（5）水輪機(jī)層水池上方設(shè)置3臺(tái)長(zhǎng)軸深井泵（Q=450 m3/h，H=55～65 m，P=110 kW），2用 1備；

（6）每臺(tái)機(jī)組1套尾水冷卻器，分別布置在2臺(tái)機(jī)組的尾水渠內(nèi)。

4.3 主要優(yōu)點(diǎn)

（1）由于循環(huán)水采用滿(mǎn)足要求的清潔水，可有效防止機(jī)組冷卻裝置的堵塞、結(jié)垢、腐蝕、水生物等，并防止技術(shù)供水系統(tǒng)中設(shè)備、管路的結(jié)露，從而解決電站汛期水質(zhì)難以滿(mǎn)足技術(shù)供水要求的問(wèn)題。

（2）減少電能損失，增加發(fā)電量。由于循環(huán)冷卻水中不含漂浮物、泥沙和水生物等，運(yùn)行中不存在設(shè)備堵塞問(wèn)題，因此，機(jī)組在汛期可正常發(fā)電，不會(huì)因冷卻水導(dǎo)致停機(jī)，而造成經(jīng)濟(jì)損失。

（3）延長(zhǎng)機(jī)組各冷卻器的使用壽命。由于冷卻水采用清潔水不含泥沙，防止了泥沙對(duì)冷卻器的磨損，冷卻水循環(huán)使用其內(nèi)部鈣、鎂離子有限，各冷卻器不會(huì)因大量結(jié)垢而降低傳熱效果，因此，不僅減輕大修檢修工作量，并且延長(zhǎng)設(shè)備壽命，減少電站的檢修費(fèi)用。

（4）有利于電站自動(dòng)化。采用循環(huán)冷卻水可減少冷卻系統(tǒng)運(yùn)行中的人工干預(yù)。

（5）提高技術(shù)供水系統(tǒng)運(yùn)行的安全可靠性，消除冷卻水系統(tǒng)造成的機(jī)組運(yùn)行安全隱患，機(jī)組運(yùn)行更安全。

5 尾水冷卻器布置方案

循環(huán)技術(shù)供水系統(tǒng)核心設(shè)備為進(jìn)行熱交換的尾水冷卻器，該設(shè)備采用四川華水工程技術(shù)開(kāi)發(fā)有限公司專(zhuān)利產(chǎn)品。

（1）本電站尾水冷卻器每臺(tái)機(jī)組1臺(tái)套，共2臺(tái)套，其結(jié)構(gòu)型式及安裝布置方式均相同。每套尾水冷卻器由7件串聯(lián)組成，布置在尾水洞底板高程396.70 m上，靠?jī)蓚?cè)邊墻位置，尾水冷卻器之間通過(guò)法蘭連接。尾水冷卻器采用立式布置，其底部留有足夠的空間防止泥沙淤積；其頂部低于2臺(tái)機(jī)組尾水匯合段底板397.70 m高程。

（2）每套尾水冷卻器DN250預(yù)埋進(jìn)出水管，分別位于尾水洞內(nèi)左右兩側(cè)404.35 m高程處。

（3）電站正常尾水位高程為401.00 m，2臺(tái)機(jī)組尾水匯合段高程為398.700 m。

為保證機(jī)組在任意工況、負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)下尾水冷卻器的散熱效果，尾水冷卻器布置在電站最低尾水位以下，尾水冷卻器設(shè)計(jì)最高散熱管高程低于2臺(tái)機(jī)組尾水匯合段底板高程397.70 m，這樣，可保證在電站最低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)（甚至機(jī)組全停時(shí)），尾水冷卻器也處于尾水位以下。

（4）為減小對(duì)尾水出流的影響，尾水冷卻器過(guò)水?dāng)嗝娉叽缫炎龅阶顑?yōu)尺寸。

（5）為防止泥沙沉積、便于檢修維護(hù)及表面清理，尾水冷卻器設(shè)計(jì)為立式結(jié)構(gòu)、靠尾水洞兩側(cè)邊墻布置，用不銹鋼膨脹螺栓固定在底板及邊墻上；

（6）為方便現(xiàn)場(chǎng)二次轉(zhuǎn)運(yùn)及安裝，尾水冷卻器單件重量滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)轉(zhuǎn)運(yùn)及安裝要求。

（7）為更好的防腐防銹、減少維護(hù)工作量，尾水冷卻器及進(jìn)出水管采用304 L不銹鋼材質(zhì)。

（8）安裝時(shí)根據(jù)情況，現(xiàn)場(chǎng)制作尾水冷卻器進(jìn)出水管、連通管支架。

6 綜合分析

通過(guò)冷卻水系統(tǒng)技改，2臺(tái)機(jī)組目前滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)行，機(jī)組各部位溫度運(yùn)行穩(wěn)定：其中，推力軸瓦為金屬塑料瓦，運(yùn)行溫度穩(wěn)定在40℃左右；水導(dǎo)、上導(dǎo)、下導(dǎo)為巴氏合金瓦，運(yùn)行溫度穩(wěn)定在55℃左右；空氣冷卻器冷風(fēng)和熱風(fēng)溫度分別在35℃和50℃左右。機(jī)組進(jìn)水溫度22～23℃，出水溫度高2～3℃。機(jī)組冷卻水流量約500 m3/h，冷卻水進(jìn)水總管壓力0.2 MPa，技術(shù)供水系統(tǒng)各項(xiàng)參數(shù)均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)及規(guī)范要求。

通過(guò)技改，電站已徹底解決了技術(shù)供水系統(tǒng)水質(zhì)問(wèn)題，消除了冷卻水故障對(duì)機(jī)組的隱患，為電站長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行奠定了基礎(chǔ)，為電站可靠的經(jīng)濟(jì)效益提供了保障，此次改造也可為同類(lèi)型高水頭、小流量電站的冷卻水供水方案提供借鑒。

7 結(jié)語(yǔ)

做好一個(gè)工程，樹(shù)立一座豐碑，創(chuàng)造一個(gè)良好的口碑，南湃水電站工程就是這樣的一個(gè)工程，它為國(guó)家“一帶一路”戰(zhàn)略添光加彩，為老撾經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供源源不斷的清潔能源，也為中老友誼之樹(shù)常青作出了奉獻(xiàn)！