淺談多泥沙河流電站技術(shù)供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊 森，胡 靜，張新萍

（陜西省水利電力勘測設(shè)計(jì)研究院，陜西 西安 710001）

0 引言

水電站技術(shù)供水系統(tǒng)由水源、管網(wǎng)和量測控制元件組成。其任務(wù)是經(jīng)濟(jì)合理和安全可靠地保證用水設(shè)備對水量、水壓、水溫和水質(zhì)的要求，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、水輪機(jī)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[1]。部分水電站所在河流中泥沙含量大，對金屬的腐蝕性強(qiáng)，技術(shù)供水系統(tǒng)的方案選擇與設(shè)計(jì)至關(guān)重要。東莊電站地處多泥沙且腐蝕性強(qiáng)的河流中，針對這一特點(diǎn)，本文對其技術(shù)供水系統(tǒng)進(jìn)行方案設(shè)計(jì)探討。

1 東莊電站概況

1.1 基本概況

擬建的東莊水利樞紐位于陜西省禮泉縣與淳化縣交界的涇河下游峽谷段，距峽谷出口約29 km。工程的開發(fā)任務(wù)是以防洪減淤為主，兼顧供水、發(fā)電和改善生態(tài)等綜合利用，為Ⅰ等大（1）型工程。發(fā)電引水洞為1洞4機(jī)方式，主廠房為地下式，4臺(tái)機(jī)“一”字型布置，裝設(shè)兩臺(tái)35 MW（大機(jī)）及兩臺(tái)20 MW（小機(jī)）立軸混流式水輪發(fā)電機(jī)組，電站裝機(jī)容量共計(jì)110 MW。

東莊水庫利用文涇電站和涇惠渠對東莊水電站的發(fā)電流量進(jìn)行日反調(diào)節(jié)，使東莊水庫承擔(dān)電力系統(tǒng)的調(diào)峰任務(wù)進(jìn)行調(diào)峰運(yùn)用。按日調(diào)峰4 h～6 h考慮，其余時(shí)間（20 h～18 h）按生態(tài)基流、工業(yè)供水流量、灌溉流量以及棄水流量進(jìn)行發(fā)電。根據(jù)實(shí)測資料，電站凈水頭（攔沙期/正常運(yùn)用期）參數(shù)見表1。

表1 電站凈水頭（攔沙期/正常運(yùn)用期）參數(shù)表

動(dòng)能參數(shù)（攔沙期/正常運(yùn)用期）見表2。

表2 電站凈水頭（攔沙期/正常運(yùn)用期）參數(shù)表

1.2 河流泥沙條件及水質(zhì)

根據(jù)資料，水庫上游實(shí)測多年平均徑流量為16.92億m3，多年平均輸沙量為2.37億t，多年平均含沙量為140 kg/m3。其中，7月和8月平均含沙量最高，分別為310.0 kg/m3和297.7 kg/m3。經(jīng)過水庫運(yùn)用，推算的機(jī)組過機(jī)含沙量見表3；過機(jī)泥沙級配見表4；懸移質(zhì)泥沙礦物成分見表5。

表3 不同運(yùn)用時(shí)期平均過機(jī)含沙量 單位：kg/m3

表4 水庫過機(jī)泥沙級配表

表5 懸移質(zhì)泥沙礦物成分表

由表3～表5可知，懸移質(zhì)泥沙硬度高的石英、斜長石、鉀長石、角閃石、輝石等的成分共計(jì)36.3%+17%+6%+0.6%+0.4%=60.3%。

經(jīng)實(shí)地測量及查閱相關(guān)資料，河水的pH值為6.1～6.3，(Cl-+SO42-)為629.7 mg/L～673.2 mg/L。硫酸根離子含量較高，對金屬材料具有中度腐蝕作用。

2 電站技術(shù)供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電站技術(shù)供水系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性將直接影響機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。技術(shù)供水系統(tǒng)應(yīng)根據(jù)電站基本參數(shù)和各用水對象（包括發(fā)電機(jī)空氣冷卻器、推力/上導(dǎo)軸承、下導(dǎo)軸承、水導(dǎo)軸承冷卻、水輪機(jī)主軸密封以及主變壓器冷卻）的水量、水壓、水溫等參數(shù)進(jìn)行詳細(xì)的方案設(shè)計(jì)。

2.1 機(jī)組及主變壓器技術(shù)供水量

本電站機(jī)組采用無接觸間隙式密封和泵板排水、排沙形式，主軸密封不須水冷卻或潤滑，水、泥沙均借助泵板離心力通過頂蓋排水孔排出。電站2臺(tái)大機(jī)組采用擴(kuò)大單元接線，2臺(tái)小機(jī)組亦采用擴(kuò)大單元接線，四臺(tái)機(jī)組總冷卻水量約為1154 m3/h，水壓0.2 MPa～0.4 MPa；2臺(tái)主變壓器冷卻水量共計(jì)90 m3/h，冷卻水壓0.3 MPa。經(jīng)初步計(jì)算，大機(jī)、小機(jī)各部分及主變壓器所需冷卻水量見表6。

表6 大機(jī)/小機(jī)各部分及主變壓器技術(shù)供水冷卻水量

2.2 方案選擇

本電站水頭范圍152.04 m～200.92 m，根據(jù)《水利水電工程機(jī)電設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)范》（SL 511-2011）2.8條，東莊電站天然河道汛期泥沙含量較高，泥沙對機(jī)組各部冷卻器會(huì)產(chǎn)生磨損和堵塞，且水質(zhì)中硫酸根離子含量較高，對金屬材料具有一定的腐蝕作用，故電站的運(yùn)行方式為：前5年（攔沙初期）含沙量為0，水質(zhì)優(yōu)良，技術(shù)供水采用壓力鋼管減壓供水，第6年及以后，清水期技術(shù)供水采用壓力鋼管減壓供水，汛期采用密閉循環(huán)冷卻供水。供水系統(tǒng)設(shè)備包括：減壓閥、清水循環(huán)水池、離心泵、濾水器、四通閥、尾水冷卻器和管路系統(tǒng)等。

2.2.1 壓力鋼管自流減壓供水方案

在每臺(tái)機(jī)組球閥前壓力鋼管上設(shè)有取水口，經(jīng)過濾水器后，一路經(jīng)減壓供給機(jī)組，另一路則接至廠房供水干管，機(jī)組以單元供水方式運(yùn)行，其他取水口作為備用。為確保減壓系統(tǒng)安全不超壓，在每臺(tái)機(jī)組減壓閥下游安裝DN150泄壓閥。當(dāng)減壓閥故障引起供水管中的壓力超過安全設(shè)定壓力時(shí)，泄壓閥會(huì)自動(dòng)開啟快速泄壓，保護(hù)管路及設(shè)備安全。

2.2.2 密閉循環(huán)冷卻供水方案

循環(huán)冷卻水循環(huán)方式：循環(huán)水池→循環(huán)水泵→機(jī)組各部及主變冷卻→機(jī)組尾水冷卻器→循環(huán)水池。發(fā)電設(shè)備在運(yùn)行過程中，循環(huán)水通過循環(huán)水泵送到各機(jī)組及主變，冷卻完后的熱水匯總流入尾水冷卻器，利用冷卻器外部流動(dòng)的低溫水通過循環(huán)冷卻器進(jìn)行熱交換，使循環(huán)水水溫降低到滿足機(jī)組冷卻水水溫的要求，然后排回循環(huán)水池，以此往復(fù)[2]。循環(huán)水池的水源取自建設(shè)管理站，通過DN200鋼管自管理站沿道路敷設(shè)，穿過水庫下游交通橋自流至電站出線平臺(tái)，再沿電梯電纜井進(jìn)入廠房，經(jīng)過減壓閥減壓至清水循環(huán)池。

根據(jù)機(jī)組用水量參數(shù)，考慮循環(huán)水的損失和蒸發(fā)量，大小機(jī)尾水冷卻器設(shè)計(jì)流量分別為500 m3/h/240 m3/h;機(jī)組各尾水冷卻器進(jìn)水溫度按30℃設(shè)計(jì)，出水溫度按25℃設(shè)計(jì)；尾水冷卻器設(shè)計(jì)壓力1.0 MPa，試驗(yàn)壓力1.5 MPa，機(jī)組冷卻水進(jìn)口壓力0.2 MPa～0.5 MPa；大小機(jī)尾水冷卻器進(jìn)出口管徑DN125/DN100，所有管道及閥門均采用不銹鋼材質(zhì)。冷卻器結(jié)構(gòu)為防泥沙淤堵型，冷卻管為螺旋管，有利于泥沙、雜草隨水流流動(dòng)，可有效的防止淤堵。冷卻器出口總管上設(shè)有測溫電阻，運(yùn)行人員可實(shí)時(shí)監(jiān)測換熱冷卻效果。

為增加循環(huán)供水的可靠性，采用單元供水方式，每臺(tái)機(jī)對應(yīng)2臺(tái)循環(huán)水泵(一用一備，相互切換)，共計(jì)8臺(tái)，水泵采用雙吸式離心泵。大小機(jī)的循環(huán)水泵參數(shù)為：Q=382 m3/h/266 m3/h，H=54 m/57 m，N=90 kW/75 kW，水泵的啟停接入機(jī)組自動(dòng)控制系統(tǒng)，根據(jù)機(jī)組開停機(jī)進(jìn)行自動(dòng)控制，備用泵在工作泵故障時(shí)自動(dòng)投入運(yùn)行。

2.3 設(shè)備布置

經(jīng)計(jì)算，機(jī)組安裝高程確定為579.64 m，根據(jù)廠房水工的布置情況，循環(huán)水泵布置在安裝間水輪機(jī)層的技術(shù)供水設(shè)備室，高程為582.04 m；循環(huán)冷卻器布置在尾水洞內(nèi)；清水循環(huán)池布置在安裝間檢修排水泵房層，高程為575.77 m，位于技術(shù)供水設(shè)備室正下方。各水泵取水管路經(jīng)清水循環(huán)池垂直向上引出，通過水泵后匯總為一根供水總管，出技術(shù)供水設(shè)備室后沿主廠房邊壁引至上游側(cè)，然后分別接至每臺(tái)機(jī)組機(jī)墩附近。由于河水含沙量高，為避免泥沙在供水管路和冷卻器內(nèi)淤積，設(shè)計(jì)時(shí)減小了技術(shù)供水管路的管徑，以增大流速；同時(shí)，為解決水質(zhì)中硫酸根離子對金屬材料的腐蝕問題，所有供水管路材質(zhì)均采用不銹鋼，以延長管路使用壽命。

3 結(jié)論

通過對東莊電站技術(shù)供水系統(tǒng)的分析研究，東莊水電站技術(shù)供水采用自流減壓供水為主，循環(huán)供水作為備用的供水方案，對于多泥沙河流水電站，循環(huán)供水方式從源頭可解決水質(zhì)問題；供水管路采用不銹鋼鋼管，且減小管徑以提高管內(nèi)流速，延長了管路使用壽命，同時(shí)解決了供水管路及冷卻器的泥沙淤積問題，在運(yùn)行過程方面提高了技術(shù)供水保證率，從而保證水輪發(fā)電機(jī)組的長期安全穩(wěn)定運(yùn)行。