大盈江水電站(四級)技術供水系統改造分析

宋恒文

(本溪多益資源開發有限公司，遼寧本溪117200)

0 引言

大盈江水電站(四級)屬徑流引水式電站，裝機容量4×175 MW，年發電量34.18億kW·h。電站位于大盈江下游河段。由于流域水土流失嚴重，水流含沙量大。

根據上游拉賀練水文站1980年—2001年共22 a泥沙資料，按面積比推求壩址沙量，壩址多年平均懸移質沙量333萬t，多年平均含沙量0.427 kg/m3。汛期6—10月沙量占全年的89.3%，拉賀練水文站實測最大含沙量達9.25 kg/m3。如此大的泥沙含量對電站技術供水系統的正常運行影響很大。

1 原技術供水方式

供水對象有發電機上導軸承、發電機推力軸承/下導、發電機空氣冷卻器、水輪機導軸承。原技術供水系統采用以下方式:

1.1 水泵供水方式(主供水方式)

技術供水主供水采用單元供水方式，每臺機從尾水管設2個取水口，一主一備，取水口位于機組尾水管擴散段頂部。取水經水泵加壓，濾水器過濾后通過四通閥供給機組用水設備;技術供水排水經四通閥至尾水;排水管路出口位于尾水管擴散段頂部、尾水閘門之間。水泵及濾水器各2套，互為主備用。通過切換電動四通閥能夠實現反沖供水方式運行。離心水泵、濾水器、電動四通閥及三通閥均布置于主廠房內蝸殼層。

1.2 水輪機頂蓋取水方式(備用供水方式)

技術供水采用機組頂蓋排水作為備用水源，頂蓋排水直接接至機組技術供水管三通閥之前。由于頂蓋供水水量受機組負荷影響，同時與轉輪迷宮密封環間隙也有很大關系，所以該供水方式只能做為備用供水方式[1]。

2 原技術供水系統存在的問題及改造的必要性

主要包括4個方面的內容:

2.1 水泵取水管路進氣問題

機組運行時由大軸補氣管進入尾水流道中的空氣經由位于尾水擴散段頂部的水泵取水口進入到技術供水管路中。

如備泵停泵時間超過5 h，由于管路中淤積大量空氣，致使取水管路中水位降低，水位位于泵體以下，此時啟動備泵，泵雖啟動，卻無法供水。

為解決此問題，電站在供水泵后的供水管路上裝設了自動排氣閥，但排氣效果均達不到預期。供水管路進氣問題給運行人員操作帶了很大麻煩，具體有:

1)不能長時間停泵，造成供水泵頻繁啟動。

2)運行人員要經常手動對供水管路進行排氣。

3)每次開機運行人員均要進行現場監控，保證水泵正常工作。如監控不到位有可能因冷卻水中斷造成事故停機，使電站達不到自動運行狀態[2]。

2.2 水質問題嚴重影響本系統運行

大盈江水電站(四級)所處河段水流泥沙量大，多處平均含沙量為0.427 kg/m3;汛期最大泥沙量達9.25 kg/m3。

同時，水流中有一些可以由供水泵取水口進入的漂浮物，如幾厘米長的樹枝，小塊樹皮等。如此水質造成濾水器及其后側用水設備經常堵塞。

水流中含有很多的泥土成分，其特點為，顆粒小，有較強的黏性。顆粒小的特性使得大量的泥土成分不能被濾除，經過濾水器進入設備;較強的黏性使其有較強的附著力，當其經過設備管路時便大量的附著在管路壁上，造成過流斷面減小，流量減小，時間一久個別較細的管路會完全堵塞(如:推力外循環冷卻器的部分熱換管)，致使冷卻水流量降低，使設備達不到應有冷卻效果。

電站4#機投運后，每周都要對兩臺濾水器進行清理。開始時效果明顯，可過段時間發現推力油槽油溫有上升的趨勢，分析認為是推力外循環冷卻器的熱換管發生堵塞造成了冷卻水供水量不足，致使推力外循環冷卻器的冷卻效果降低，油溫升高。

對此，運行采用了反沖運行方式，取得了很好的效果。機組投運初期每6 h切換運行方式便可保證用水設備的冷卻效果;后來，每小時都要進行一次切換。這給機組運行帶來很大隱患。

電站被迫申請停機對推力外循環冷卻器進行清理，發現冷卻器內一部分熱換管已完全堵塞，部分熱換管由于堵塞嚴重，已無法輸通。

2.3 冷卻水泥沙含量大、硬度大

冷卻水泥沙含量大、水的硬度大將造成技術供水系統設備及用水設備磨損加劇，降低設備的使用壽命;四通閥違反規程的頻繁切換，加速了閥體密封的損傷，大大降低了四通閥的使用壽命;供水泵長時間在水質很差的條件下運行易發生故障。

2.4 濾水器排污不暢

由于濾水器排污不暢或設備及管路堵塞等原因，需進行頻繁的檢修，造成了人力、物力及財力的損失。

綜上所述，由于泥沙及供水管路進氣問題使設備運行存在嚴重隱患。如果監控不到位，處理不及時(管路、設備及濾水器等)或發生突發性故障(如:水泵由于水質發生突發故障;管路、濾水器、用水設備管路發生突然堵塞等)將造成機組的被迫停機或事故停機。

再者，本電站為云南東部電網的最大電站，影響著電網的潮流分布，電站的運行對電網的穩定起著重要作用。因此，電站必須對原有的技術供水系統進行改造，以保證機組的安全穩定運行。

3 技術供水系統改造方案

采用循環供水系統徹底解決機組冷卻水水質問題。機組循環冷卻水系統采用清潔水;冷卻水通過布置在電站尾水中的尾水冷卻器與天然河水進行熱交換，冷卻水不與天然河水發生直接接觸，從而不受河流泥沙、雜質、硬度、酸堿度及漂浮物等影響，能始終保持清潔(可定期進行水質檢測并處理);因循環水采用清潔水，將大大延長技術供水系統所有設備的使用壽命。

改造后的循環供水方式作為主供水方式，原尾水水泵供水方式作為備用供水方式。這樣，也就同時解決了取水管路進氣給運行操作帶來的麻煩。

3.1 改造需增設的設備及設備布置情況

循環冷卻水系統增設的設備主要包括:尾水冷卻器、供水泵、水泵控制柜、循環水池、機組內部各部分冷卻器以及管道、閥門、自動化元件及測量表計等。

主要設備的布置情況:

3.1.1 循環水池

受電站廠區地理條件的限制，循環水池無法進行室外布置，只能布置于電站蝸殼層(注:原供水泵，增設供水泵、四通閥、三通閥及控制柜均布置于蝸殼層)。

受蝸殼層場地限制，最終確定:1#機及2#機每臺機各設一個循環水池，3#機和4#機共用一個循環水池。

水池為鋼結構，尺寸均為:長6 m;寬3 m;高4 m。每個水池的有效容積為:63 m3。3個循環水池間用Φ200鋼管連通。

循環水池至2臺循環泵的取水管路為Φ300鋼管，取水口位于同一高程，管中心距地面為50 cm。為方便起見，本文以1#機(或2#機)為例對改造方案進行闡述。

3.1.2 尾水冷卻器

為防止銹蝕、防止泥沙及漂浮物影響、達到更好的冷卻效果，尾水冷卻器需布置在電站最低尾水位以下。

管路、自動化元件及閥門具體設置情況見改造后的原理圖(圖1)。

3.2 改造的原則

本工程為改造工程，考慮最大程度減小對正常生產秩序的影響，新增管道及土建工程考慮施工方便，不影響電站正常發電的改造工程可先期進行，盡量減少對原有管路的改動，循環水系統運行應實現自動化控制并滿足電站自動化要求。

3.3 采用循環水池的優缺點

3.3.1 優點

優點有以下4點:

1)采用開式循環系統，水池本身可釋放一部分熱量，更利于系統散熱。

2)循環水池本身有一定容積，發生緊急情況時(如循環供水系統投入時誤操作將原冷卻水排水閥打開，冷卻水排水直接排至尾水)，可保證短時間冷卻水不中斷(單臺機技術供水額定流量約600 m3/h，循環水池單個容積為63 m3，如單臺機發電，可保證約6 min冷卻水不中斷。

3)將3個循環水池連通，可保證約18 min的時間)，為事故緊急處理贏得寶貴時間。

4)水泵由循環水池抽水，其進口壓力恒定，利于水泵平穩運行。

3.3.2 缺點

缺點因循環水水溫一般維持在20～30℃左右，利于微生物生長。對此，需定期對循環水水質進行監測，可加入藥劑進行處理。

3.4 性能保證

采用循環供水系統的主要目的是解決技術供水的水技問題，可卻隨之引出了另一不容忽視的問題，就是改造后的供水系統的冷卻效果能否滿足機組運行的要求。

尾水冷卻器為本系統的核心設備，而熱換管則是尾水冷卻器的核心部件。改造能否達到預期的效果，就需對熱換管的冷卻性能進行精密嚴謹的計算。

3.4.1 確定管材

經過對熱換性能及水力損失的綜合比較，確定熱換管采用優質輸送流體用碳素無縫鋼管(20#)制造，管徑為Φ42;考慮到工作壓力、防銹厚度及安全系數等因素，經計算，確定選用鋼管的管壁厚度為3.5 mm。

3.4.2 換熱面積校核計算

1)根據相關參數計算得每臺尾水冷卻器要求的傳熱量為3 750 kW。

2)根據熱換管材質及要求的傳熱量，考濾一定安全系數，計算得出所需換熱面積為407 m2。

3)按尾水冷卻器實際結構，進行冷卻器實際換熱面積計算，結果如下:換熱管管徑:Φ42×3.5 mm;尾水冷卻器換熱管總長度:3 270 m;尾水冷卻器換熱管實際換熱面積為431 m2。

根據以上計算，可見，尾水冷卻器換熱管實際換熱面積大于換熱計算所需換熱面積407 m2，滿足機組對技術供水的要求。

圖1 同原系統圖

4 改造后效果

2010年電站對4號機技術供水進行了改造，此次改造徹底解決了技術供水水質問題，其冷卻效果也達到了預期。目前，該系統已正式投入運行，設備運行正常。

大盈江水電站(四級)技術供水系統改造的成功，為類似的泥沙含量大的大型水電站解決技術供水的泥沙問題提供了非常寶貴的經驗。

[1]周雄.水電站技術供水方案綜述[J].四川水利發電，2006(04):78－80.

[2]翁國平，方家祥，王正山.某小型水電站技術供水系統改造[J].小水電，2011(06):127－129.