糯扎渡水電站大型機組頂蓋供水設計研究及實踐

姚建國，王秀花

（1.中國電建集團昆明勘測設計研究院有限公司，云南 昆明650051；2.昆明理工大學理學院，云南 昆明650500）

1 電站概況

糯扎渡水電站位于云南省普洱市思茅區(qū)和瀾滄縣交界處的瀾滄江下游干流上，系瀾滄江中下游河段規(guī)劃八個梯級中的第五級，是一個以發(fā)電為主，并兼有防洪、改善下游航運、漁業(yè)、旅游和環(huán)保作用以及對下游電站起補償作用的特大型水電工程。電站主廠房為地下式，廠內裝設9臺單機容量650 MW混流式水輪發(fā)電機組。電站以500 kV一級電壓接入南方電網運行，在系統(tǒng)中擔任調峰、調頻和事故備用任務，是電力系統(tǒng)的主力電站。電站按無人值班（少人值守）設計。

電站主要特征參數為：正常蓄水位812 m，調節(jié)庫容113.35×108m3，最大水頭215 m，加權平均水頭198.95 m，額定水頭187 m，最小水頭152 m，裝機容量9×650 MW，保證出力2406 MW，年利用小時數4088 h，多年平均發(fā)電量239.12×108kW·h。

2 機組主要參數

水輪機主要技術參數見表1。

表1 水輪機主要技術參數

水輪發(fā)電機主要技術參數見表2。

表2 水輪發(fā)電機主要技術參數

機組冷卻用水量及水壓見下頁表3。

3 頂蓋取水在其他電站的應用情況

混流式水輪機在正常運轉時，轉動部分（轉輪）和固定部分（頂蓋）之間的間隙將產生漏水。如果不排除這部分漏水，會使水輪機的軸向水推力大大增加，增加推力軸承的負荷，一般在轉輪上冠設排水孔或在頂蓋上設排水管將漏水排至尾水管內，以降低水推力。把通過止漏環(huán)間隙已廢棄的漏水加以利用，引出作為機組冷卻用水，就稱為頂蓋取水。

表3 機組冷卻用水量及水壓

從70年代末開始，我院就開展了水輪機頂蓋取水的研究和試驗工作，并在西洱河、魯布革、漫灣、天生橋一級等多個電站應用成功，受到了運行單位的歡迎。表4為這些電站的運行資料和實測數據。

表4 使用頂蓋供水電站的運行及測試情況表

除云南省外，其他省部分電站也有采用頂蓋取水并獲得成功的經驗。通過國內數十個電站大、中型混流式水輪發(fā)電機組頂蓋取水的應用實踐，盡管各自經驗不盡相同，但一般都有以下共同特點：（1）水質好：混流式水輪機上止漏環(huán)間隙一般為1～3 mm，且水流通道曲折，水流通過迷宮的微小間隙，過濾效果較濾水器好，水質清潔，是一種相當理想的機組冷卻水源；（2）節(jié)能環(huán)保：頂蓋取水純屬廢（漏）水利用，不額外消耗水能和電能，設備少，投資省，經濟效益好；（3）運維方便：采用頂蓋供水后供水泵等設備運行時間大幅縮短，減少了事故環(huán)節(jié)和檢修維護工作量；（4）可靠性高：頂蓋取水與機組運行同步，供水可靠，自動化水平高。

頂蓋取水供機組冷卻用水純屬廢（漏）水利用，不消耗水能和電能，水質好，設備布置簡單，是機組冷卻供水很好很可靠的水源。所以我們在糯扎渡水電站設計中提出將頂蓋取水作為機組冷卻供水的一個獨立水源，與水泵供水互為備用，這一方案有利于簡化整個機組供水系統(tǒng)，減少維護檢修工作量，減少運行費用，提高機組運行可靠性。

4 頂蓋取水結構及可行性分析

4.1 頂蓋取水結構要求

水輪機轉輪旋轉時，由于離心力等的作用，頂蓋下腔外側止漏環(huán)出口處壓力要比頂蓋下腔內側主軸附近的壓力高，為保證頂蓋取水壓力，頂蓋取水口應設置在止漏環(huán)出口處。結合本電站頂蓋取水要求，為避免取水過多，影響效率和頂蓋取水壓力，轉輪上冠采用不開泄水孔的結構形式，將上迷宮環(huán)漏水全部由頂蓋排水管引出，頂蓋取水口設置在上止漏環(huán)后離旋轉中心較遠處，并設有密封取水腔。

止漏環(huán)間隙的大小不僅影響漏水量、效率、軸向水推力，而且對機組運行穩(wěn)定性有較大影響。因此在結構設計上應綜合考慮間隙值的大小對頂蓋取水、效率、軸向水推力、機組穩(wěn)定性的影響，合理的選擇間隙值。經綜合分析并結合制造廠家結構設計要求，1～6號水輪機止漏環(huán)間隙取3 mm，7～9號水輪機止漏環(huán)間隙取2.5 mm。

4.2 頂蓋取水計算

頂蓋內的水來自轉輪前，因此轉輪進口的水壓力是頂蓋取水的基礎。以我國哈爾濱大電機研究所編寫的《水輪機設計手冊》一書中“止漏環(huán)裝置設計”的基本公式為準，以哈電和上海福伊特提供的模型資料和機組參數為依據，分別對最大水頭、額定水頭和最小水頭時水輪機頂蓋取水的水量和水壓進行計算。

經計算，1～6號水輪機頂蓋取水流量變化范圍為2738～3042 m3/h，水壓變化范圍為 35.4～67.93 m；7～9號水輪機頂蓋取水流量變化范圍為2268～2546 m3/h，水壓變化范圍為35.42～67.92 m。計算結果表明，采用頂蓋取水可以滿足機組冷卻用水的水量和水壓要求。

4.3 頂蓋取水與機組效率

水輪機的功率損失包括容積損失、機械損失、水力損失。根據水輪機廠家提供的資料，經計算，1～6號水輪機最大水頭、額定水頭和最小水頭時上止漏環(huán)容積損失分別為0.47%、0.42%、0.52%，7～9號水輪機最大水頭、額定水頭和最小水頭時上止漏環(huán)容積損失分別為0.38%、0.35%、0.44%。傳統(tǒng)設計的機組這部分漏水只能作為廢水處理，頂蓋取水正好利用了這部分間隙漏水，不僅不影響機組效率，而是間接地提高了水輪機的容積效率。

4.4 頂蓋取水與軸向水推力

混流式水輪機的軸向水推力由上冠水壓力引起的軸向水推力和由葉片、下環(huán)、轉輪出口等的水壓力引起的軸向水推力兩部分組成，前者和頂蓋是否?。ㄅ牛┧?、?。ㄅ牛┧绞郊叭。ㄅ牛┧坑嘘P。對于某一水輪機在一定工況下，上冠的軸向水推力隨頂蓋排水量的增加而減少已被模型試驗和真機運行所證實。前蘇聯布拉茨克水電站研究報告中指出，上冠排水孔（或頂蓋取水管）面積F1和上冠止漏環(huán)間隙面積F2之比m=F1/F2從4.296降到2.148時，上冠水壓力引起的軸向水推力增加1.7568倍。東方廠在寶珠寺水電站頂蓋取水模型試驗中也發(fā)現m=1.766比m=0（頂蓋不排水）時頂蓋內壓力降低25%～30%。

為使頂蓋壓力適當，排水量又不太多，合理選擇頂蓋取水口尺寸和數量尤為重要。經計算并結合布置要求，1～6號水輪機設置4根DN350頂蓋排水管，7～9號水輪機設置6根DN300頂蓋排水管，其總過流面積分別為止漏環(huán)間隙面積的6.6倍、7.5倍，滿足水輪機結構設計要求。

5 頂蓋取水及技術供水系統(tǒng)設計

5.1 頂蓋供水方式

頂蓋供水方式有間接供水和直接供水2種。間接供水是將機組頂蓋取水的供水管路引到高位蓄水池，蓄水池再通過管路向機組各冷卻器分別供水，這種供水方式的優(yōu)點是取水與用水隔離分開，便于調節(jié)，提高了用水的穩(wěn)定性；缺點是增加了管路長度和水力損失，對于糯扎渡這樣的地下廠房，管路布置有一定難度，并且需增加一個大水池，地下廠房內難以找到合適的位置布置，投資比直接供水方式高。直接供水是將機組頂蓋取水的供水管路直接與用水設備總供水管相連，其管路短，水力損失小，布置方便，且取水量與機組負荷的變化趨勢一致，隨其增加而增加，隨其減小而減小，具有自動調節(jié)功能；缺點是取水壓力不穩(wěn)定，穩(wěn)壓較困難。經綜合分析比較，糯扎渡水電站的頂蓋供水采用直接供水方式。

5.2 穩(wěn)壓措施

頂蓋取水壓力除了隨機組負荷的變化而變化外，還與下游尾水位的變化密切相關。糯扎渡水電站頂蓋取水采用直接供水方式，如何保證用水設備有較為穩(wěn)定的供水壓力，也是頂蓋取水必須要解決的問題。

頂蓋取水穩(wěn)壓措施有2種方案可考慮：（1）設置穩(wěn)壓管，即在頂蓋取水總供水管上接出一根穩(wěn)壓管，壓力的變化靠穩(wěn)壓管自行調節(jié)；（2）設置自動閥，即在頂蓋取水管上裝設一個安全泄壓閥，當頂蓋取水壓力過高時安全泄壓閥自動打開排水，當壓力降低到規(guī)定值時，閥門自動關閉，保證設備和管路的安全運行。

方案（1）的優(yōu)點是簡單可靠，但對于糯扎渡水電站這種垂直埋深200 m以上的地下廠房，穩(wěn)壓管布置非常困難。如果把穩(wěn)壓管直接引至洞外，管路太長；如果穩(wěn)壓管出口設在洞內，頂蓋壓力按0.5 MPa估算，穩(wěn)壓管口高程約為640 m，高于廠房頂拱高程，還必須設一個水池，并把穩(wěn)壓管溢出的水排至洞外。另外，糯扎渡水電站尾水調壓室的最高與最低水位相差約23 m，水位變幅大，穩(wěn)壓管出口高程不易確定。

方案（2）的優(yōu)點是管路短、布置簡單，安全泄壓閥的壓力整定值可根據不同季節(jié)尾水位的高低進行調節(jié)，可保證用水設備較為穩(wěn)定的用水壓力。與方案（1）相比，設置安全泄壓閥要增加設備投資，并要求所選的閥門具備調節(jié)范圍大、性能好、控制精確及使用壽命長等特點。

經綜合比較分析，糯扎渡水電站頂蓋供水穩(wěn)壓措施采用安全泄壓閥方案。在頂蓋取水管上裝設一個安全泄壓閥，安全泄壓閥出口管路引至尾水管。當頂蓋取水壓力超過規(guī)定值（約為0.5 MPa）時，安全泄壓閥自動打開向尾水排水泄壓，保證設備和管路的安全運行；當壓力降低到規(guī)定值以下時，安全泄壓閥自動關閉。

5.3 技術供水系統(tǒng)設計

糯扎渡水電站機組冷卻供水對象包括空氣冷卻器、上導軸承、推力軸承、下導軸承和水導軸承，每臺機組總用水量為 1740.8 m3/h（1～6號機組）/1499 m3/h（7～9號機組）。

根據糯扎渡水電站的水頭范圍和現行水電站機電設計規(guī)范，確定機組冷卻供水采用單元供水方式，設有水泵供水和頂蓋取水2種方式。水泵供水設有兩路（互為主備用），水源均取自尾水管，兩路取水分別經供水泵、自動濾水器加壓過濾后向機組供水。水泵供水和頂蓋取水作為兩個獨立的水源接到機組供水總管上，2種供水方式互為主備用。頂蓋供、排水的轉換通過電動三通閥切換實現，使用頂蓋供水時，電動三通閥切換到供水位，將止漏環(huán)漏水引至技術供水總管作為冷卻用水；使用水泵供水時，電動三通閥切換到排水位，將止漏環(huán)漏水排至下游尾水。

糯扎渡水電站機組技術供水系統(tǒng)設計見圖1。

5.4 監(jiān)視和控制

自動化元件及監(jiān)視、發(fā)訊等儀表是實現電站自動化的基本元件。為提高糯扎渡水電站頂蓋供水系統(tǒng)的可靠性，采取監(jiān)視控制手段是必須的也是必要的。除設置上冠壓力監(jiān)測，頂蓋取水管壓力及流量監(jiān)測，空氣冷卻器、推力軸承、上下導軸承、水導軸承冷卻器供水壓力、溫度、流量監(jiān)測等監(jiān)測項目外，還設置了頂蓋取水管壓力過低、過高發(fā)信號，空氣冷卻器、推力軸承、上下導軸承、水導軸承溫度過高發(fā)信號等報警裝置。這些裝置的應用，將使頂蓋供水系統(tǒng)在實際運行中得到有效的監(jiān)視和控制。

6 頂蓋供水試驗及應用情況

2012年8月糯扎渡水電站第1臺機組投入商業(yè)運行，2014年6月最后1臺機組投入商業(yè)運行。自2015年開始，電廠組織進行了機組頂蓋取水試驗，試驗結果表明，頂蓋取水水量、水壓和機組運行各項技術指標均達到機組運行要求。目前，電站9臺機組的頂蓋取水均已投入使用。

表5為糯扎渡水電站2號機組頂蓋供水試驗數據，試驗水頭為165 m，機組最高負荷為550 MW。

表5 2號機組頂蓋供水試驗數據表

7 結束語

糯扎渡水電站每臺機組設2臺配套電機功率為355 kW的冷卻供水泵，按照電站年利用小時數4088 h計算，9臺機組1年要耗費電能約1340萬kW·h。采用頂蓋取水作為機組冷卻供水方式，每年可節(jié)約電能約1340萬kW·h，按上網電價0.21元/kW·h計算，每年可節(jié)約運行費用約270萬元。另外技術供水泵的日常維護與檢修工作量大為減少，節(jié)約人力資源和社會成本，具有明顯的經濟效益和社會效益。

頂蓋取水供機組冷卻用水純屬廢（漏）水利用，水質好，不消耗水能和電能，是一種節(jié)能環(huán)保的技術供水方式。糯扎渡水電站650 MW機組采用頂蓋取水并成功應用，填補了頂蓋取水在特大型機組應用的技術空白，對其他類似工程建設提供了有價值的借鑒作用。