黃河大峽水電站機組公用技術供水系統技術改造

劉生財

(國投甘肅小三峽發電有限公司，甘肅 蘭州 730050)

大峽水電站位于甘肅省白銀市和榆中縣交界處的水川鄉境內黃河干流上，距白銀市35 km，距蘭州市中心河道距離65 km，包蘭線沿電站北西方向通過，交通便利。電站共安裝5臺軸流轉槳式水輪發電機組，其中4臺單機容量為75 MW，1臺單機容量為24.5 MW。總裝機容量324.5 MW。

大峽水電站原采用的機組冷卻供水方式為：渾水期過機含沙量大于2 kg/m3時，以壩前取水經全廠公用濾水器過濾、供水泵加壓、蜂窩斜管沉淀池除沙后自流進入DN800機組冷卻總管，供至各機組為主，蝸殼取水經濾水器過濾供至本機組冷卻用水為備用；清水期以各自蝸殼取水為主，壩前取水作為備用；當蝸殼取水水壓偏低，不能滿足機組冷卻用水要求時，采用水泵加壓供水；當某臺機蝸殼取水包括取水口濾水器需要臨時檢修處理時，采用壩前取水經一組(3臺)全廠公用濾水器和DN800機組冷卻供水總管供該機組冷卻用水；每臺機組冷卻供水排水均設正反向運行電動蝶閥，可短時間反向運行防止冷卻器被堵塞。

技術供水系統的主要供水對象為發電機空氣冷卻器、機組上導、推力、水導軸承油冷卻器、以及主軸密封潤滑用水。機組技術供水進水溫度要求≤23℃。

大峽水電站工程1991-10-15日正式開工，1996-12-08日第一臺機組正式并網發電，1998年12月工程全部竣工。該供水方式經過近10年的運行，存在如下主要問題：

表1 原始設計技術供水主要供水對象及水量、水壓

1)蜂窩斜管沉淀池產水量不足。原設計蜂窩斜管沉淀池產水量為2×1 500 m3/h，但經過實際運行發現沉淀池供水時，冷卻水壓偏低，冷卻器水量不足，冷卻器管路中吸入大量空氣，冷卻效果差，機組各部溫度上升明顯。為了保證機組運行，渾水期經常將1～2臺機組采用蝸殼自流供水，導致機組冷卻器磨損嚴重；在機組運行中曾多次發生冷卻器銅管破損、推力軸承進水，機組降負荷以及被迫停機事件，嚴重影響機組的安全穩定運行。

2)經過沉淀池處理的水泥沙含量仍然較大，對機組冷卻器的磨損嚴重。

3)系統管路、閥門存在較多問題：部分管路出現銹蝕、壁厚減薄等情況；部分閥門，特別是正、反沖用電動蝶閥活門、閥體磨損嚴重，大部分存在內漏，造成水量損失，汛期時多次發生過冷卻水管進氣，造成機組各部溫度升高，影響機組的正常運行。

1 公用技術供水系統技術改造

鑒于上述存在的問題，經過充分調研論證后，于2007年至2008年對電站公用技術供水系統進行了改造。

1)改造的主要內容。在尾水副廠房1 443.70 m層新建3個循環水池，3個循環水池用原壩前取水DN800管聯通。將1 443.70 m層原來公用供水設備全部拆除，重新布置供水設備，包括供水加壓泵、閥門、管路、控制盤柜等。每個循環水池出口布置2臺加壓水泵。2套尾水冷卻器集中布置在4號機尾水出口右導墻上，冷卻器托架基礎板落坐在尾水底板上，冷卻器本體固定和支撐在托架上。

2)新系統與原設備連接方式。冷卻器進水總管與原沉淀池進水總管用三通連接，冷卻器出水管與全廠機組冷卻供水總管連接。

3)改造后機組冷卻供水方式。清水期以各自蝸殼取水自流為主供水，閉式循環加壓供水為備用水源。蝸殼取水自流供水直接取自河水，經濾水器過濾后供機組冷卻用水，從機組排出的冷卻水排至尾水；渾水期過機流量含沙量大于2 kg/m3時，以閉式循環加壓向機組供冷卻水為主水源，蝸殼取水自流作為備用水源。閉式循環加壓供水是從循環水池取水，經加壓泵加壓后進入尾水冷卻器，利用尾水冷卻降溫后進入機組，從機組排出的冷卻水流回循環水池，機組的熱量通過尾水帶走。

4)閉式循環加壓供水方式的優點。具有冷卻水的水質滿足無泥沙、無漂浮物不堵塞不結垢、內部不生長水生物、電站冷卻水管及空冷器不結露等優點，延長了機組各冷卻器的使用壽命，降低了電站檢修維護費用。

表2 改造后循環水泵基本參數

表3 改造后尾水冷卻器基本參數

表4 循環水池參數

2 技術改造后閉式循環加壓供水系統存在的主要問題

2.1 閉式循環加壓供水系統設備及設計運行方式

循環冷卻供水設備安裝在電站副廠房1 443.70 m層，主要由6臺循環加壓水泵、3個循環水池、2組循環冷卻器及供水管道組成。循環冷卻供水時采用循環水池→循環加壓水泵→尾水冷卻器→機組各部冷卻器及其進出水管路→循環水池的閉式循環冷卻供水方式運行，自動控制。1臺水泵供1臺機組用，4臺機組同時運行時啟動4臺水泵并聯運行，開第5臺機組時不再另外啟泵，剩余2臺水泵作為備用。0號機組和1號機組共用1臺水泵，0號機組單獨運行時開1臺水泵。0號機組和其他機組同時運行時，停0號機組時不停水泵。運行過程中若出現1臺水泵故障或機組供水管路水壓低于0.2 MPa時啟動1臺備用水泵；若出現2臺水泵故障或機組供水管路水壓低于0.15 MPa時再啟動另1臺備用水泵；機組供水管路水壓正常(大于0.25 MPa)時停備用水泵。

2.2 技術改造后閉式循環加壓供水系統存在的主要問題

1)在渾水期閉式循環加壓供水系統投入后，不能滿足電站5臺機組同時運行時冷卻供水的需要，投運后主要出現的問題表現在技術供水總管水壓低、上導瓦溫、定子鐵心溫度上升，廠房內溫度上升明顯。就此問題進行了系統的測量、對比試驗，檢測情況如表5～表9。

表5 實測2、3號機組采用蝸殼取水自流供水時壓力及流量

表6 實測循環加壓供水2臺循環泵帶2臺機壓力及流量

表7 實測循環加壓供水3臺循環水泵帶1、2、3號機組時的壓力及流量

表8 實測循環加壓供水3臺循環水泵帶1、2、3號機組時的壓力及流量

表9 實測循環加壓供水4臺循環水泵帶1、2、3、4號機組時的壓力及流量

從實測數據可以看出，電站75 MW機組技術供水實測供水量最小值936 m3/h，與設計供水量為690 m3/h之間相差246 m3/h，其中主要差別在空氣冷卻器的供水量，設計供水量為480 m3/h，實測供水量最小值為799 m3/h，相差319 m3/h。2臺循環水泵帶2臺機組冷卻供水時，流量及壓力能夠滿足機組運行的需要；當3臺循環水泵帶3臺機組冷卻供水時壓力與流量均有所下降，但基本能夠滿足機組的運行需要；當4臺循環水泵帶4臺機組冷卻供水時壓力與流量均無法滿足機組運行需要。

綜上記錄分析，現有循環加壓供水系統只能同時滿足3臺機組正常的冷卻供水。主要原因為循環加壓供水系統設計時機組冷卻用水量參照690 m3/h為依據，較實測最小值936 m3/h有較大差距，導致循環加壓供水系統設備和管路的容量設計偏小；從表8和表9測量數據對比可知，當系統中開啟4臺循環水泵后，DN800總管流量不能成正比上升，初步判斷系統內水泵的設計和選型能滿足機組供水要求，而尾水冷卻器的設計容量偏小，無法滿足機組供水要求。

2)2011年發現2臺尾水冷卻器本體有不同程度的漏水情況，因不具備檢查處理條件，尾水冷卻器始終退出運行，機組技術供水方式正常采用蝸殼取水供水。

3 公用技術供水系統尾水冷卻器技改

鑒于大峽電站公用技術供水系統無法滿足設計需要及尾水冷卻器存在的問題，于2015年對尾水冷卻器進行技術改造。

3.1 冷卻器技改相關參數

1)材質選擇。尾水冷卻器的常用管材為20號優質無縫鋼管和304無縫管(0Cr18Ni9)。國內尾水冷卻器的材質一般采用20號優質無縫鋼管，因為其成本低廉，相同面積的設備具備更好的換熱性能。大峽水電站位于黃河上，現有尾水冷卻器出現點蝕穿孔現象，為尾水中含氯離子造成的。經過對水體取樣分析，黃河水體中含氯離子，是造成冷卻器穿孔腐蝕的直接原因。在氯離子存在的水體中，304不銹鋼對氯離子的耐受力較碳鋼差，更容易發生電化學腐蝕。304不銹鋼的成本是20號鋼的3～4倍，成本高，并不經濟。所以，尾水冷卻器材質采用20號鋼(見表10)。

表10 20號鋼鋼管標準

GB/T8163，GB3087材質都是20號碳鋼，平均含碳量均為0.2%，導熱系數相同，查傳熱學第四版，其導熱系數49.8 W/(m·k)。

由于循環冷卻器內外部介質為水，內部進出口水溫和外部的河水溫度都不超過30℃，為常溫狀態，同時工作壓力不到1.0 MPa，采用GB/T8163的管材完全符合要求。

2)表面防腐。20號無縫鋼管的表面防腐采用熱噴鋅。①噴鋅工藝預處理采用噴砂工藝除銹，表面處理達到Sa2.5標準，粗糙度為40～70 μm；②噴鋅。鋅絲：鋅絲純度為99.99%，且無油污；噴鋅設備：空壓機，火焰噴涂槍。流程：用氧氣和乙炔焰作熔融焰，用凈化過的壓縮空氣，推動鋅絲前進，并使熔融的部分形成一種霧狀噴射到設備表面上，形成均勻鋅層，對冷卻器表面進行保護。

3)配套機組容量為：324.50 MW(4×75 MW+1×24.5 MW)。

4)總冷卻水量：4 400 m3/h。

5)每小時散熱量q：10 036.08 kW。

6)河水設計溫度：19℃。

7)冷卻器進出水溫度：24.955℃/23℃。

8)安全系數取1.2。

3.2 冷卻器技改設計方案

大峽電站公用技術供水系統設計4套尾水冷卻器，每套冷卻器尺寸和容量和原冷卻器相同。在現有冷卻器托架上布置兩套冷卻器，另新增一套托架布置兩套冷卻器。單套冷卻器的設備重量約為27.5 t，安裝時吊車選用100 t和50 t的汽車吊配合吊運(見圖1～圖3)。

圖1 新增托架現場組焊

圖2 新增托架吊裝

圖3 冷卻器吊裝

3.3 冷卻器進出口總管

由于實際運行水量增大，將右岸尾水平臺上冷卻器進出口總管DN800改為DN1000的螺紋管，以減小流速，降低水頭損失(見圖4)。

圖4 冷卻器進出口管

3.4 冷卻器技改后效果

公用技術供水系統尾水冷卻器技改后自2016年汛期投入運行，機組各部運行監測數據正常，系統設計功能目標全部得以實現，滿足機組設備的安全穩定運行需要。

4 結 語

在技術改造時，對技術改造前原始資料(包括設備及機組設計參數和運行實測數據等)的收集、分析總結十分重要，這是做好技術改造工作的前提。

大峽水電站機組公用技術供水系統的改造，消除了機組安全隱患，避免了由于機組冷卻水問題可能引起的停機事件；使得技術供水系統的年維護量大大降低，降低了生產成本；有效地解決了泥沙、漂浮物、結垢等長期困擾電站技術供水系統運行的問題。系統改造中對原系統的破壞程度、對電站原廠房結構的影響等因素也做到了最小化，對同類電站技術改造具有很好的推廣應用價值。