響水澗抽水蓄能電站技術供水水溫過高的原因分析及解決方案

吳衛東，姚 堯，周淼汛，唐文利，王考考

（1.安徽響水澗抽水蓄能有限公司，安徽省蕪湖市 241000；2.中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，浙江省杭州市 311122）

0 引言

抽水蓄能電站機組的技術供水系統是抽水蓄能電站重要的輔助設備系統之一，起到冷卻機組空冷器、各導軸承、主變壓器等設備的作用，保證機組的正常運行。因此，技術供水系統的正常運行是電站機組長期穩定運行所需要的必要條件之一。

1 工程概況

響水澗抽水蓄能電站（以下簡稱響水澗電站）位于安徽省蕪湖市三山區峨橋鎮，裝機容量1000MW。電站臨近華東電網負荷中心，直線距離距蕪湖市區30km，合肥130km，南京120km，上海300km，杭州200km。電站為日調節純抽水蓄能電站，主廠房內安裝有4臺單機容量為250MW的可逆式發電電動機組，水輪機額定水頭為190m。日發電電量為510.4萬kWh，日抽水電量為658.3萬kWh，年發電電量為17.62億kWh，年抽水電量為22.74億kWh。電站以500kV一級電壓、2回出線接入500kV繁昌變電站，承擔華東電網削峰填谷、事故備用、調頻等任務。

2 響水澗電站基本參數

（1） 電站水位和庫容。上下水庫特征水位和庫容見表1。

（2）機電設備參數。電站安裝4臺容量為250MW的水泵水輪機，電站最大毛水頭/揚程為220.05m，最小毛水頭/揚程為175.4m，額定水頭為190m，輸水系統和尾水系統均采用單管單機方式。

表1 上下水庫特征水位和庫容Table 1 Characteristic level and storage of upper and lower reservoirs

3 響水澗電站技術供水系統運行現狀[1]

響水澗電站機組技術供水系統經過幾年運行實踐，總體運行情況良好，設備運行可靠。系統采用單元供水方式，每臺機組的總用水量約為985m3/h，技術供水管徑為DN400；水源取自每臺機組的尾水支管（尾水事故閘門與廠房之間），經水泵加壓后供至用戶，然后排回至尾水支管，取、排水口間距約87m。此外，每個單元系統接一根支管至全廠供水總管，作為備用取水源。由于機組技術供水的水源為下水庫，夏季高溫期間，下水庫水體在日曬的條件下，溫度上升到最高33℃左右，使得機組技術供水的水溫也同時升高，從而降低了冷卻的效果，引起部分機組用戶溫度急劇升高，接近了設計報警跳機值，對機組安全運行產生一定影響。機組各部位夏季最高運行溫升或溫度見表2。

表2 響水澗電站各用戶運行最高溫升或溫度對比表Table 2 Comparison of maximum temperature rise or temperature of users in Xiangshuijian Hydropower Station

由表2可見，響水澗電站的定子繞組和推力軸承軸瓦溫度最高值均已超過了電站設計要求。其中定子繞組溫升最高值雖然超過主機合同要求，但與國家規范《水輪發電機基本技術條件》（GB/T 7894—2009）相比，溫升仍在規范要求的范圍內，且有較大余量。而推力軸承軸瓦溫度運行最高溫度已同時超過了合同要求值和國家規范《水輪發電機基本技術條件》（GB/T 7894—2009）中的要求值，并觸發停機報警值。由此可見，電站技術供水水溫過高已經影響到了機組的安全運行。

4 響水澗電站技術供水系統水溫較高原因分析[2]～[6]

表3是響水澗電站與同類型其他抽水蓄能電站技術供水系統最高運行水溫對比表，可以看出響水澗電站冷卻水最高溫度比其他電站高出很多。

響水澗電站下水庫位于響水澗山麓東側的洼地。長江支流漳河的一小支流泊口河從洼地中央流過，洼地高程一般為5.5～7.0m，采用均質土堤圍建成下水庫。下水庫正常蓄水位14.6m，死水位1.95m，正常蓄水位下總庫容1435m3，其中有效庫容1282m3，死庫容153m。響水澗電站下水庫主要參數與國內同類型其他抽水蓄能電站對比見表4。

表3 抽水蓄能電站技術供水系統冷卻水水溫對比表Table 3 Comparison of cooling water system temperature of Hydropower station

表4 響水澗電站下水庫主要參數與國內同類型 其他抽水蓄能電站對比表Table 4 Comparison of lower reservoir main parameter of Xiangshuijian hydropower station with other Hydropower stations

水庫的水溫上升所需的熱量主要是日曬而來，如需精確計算出水庫一天中在日曬情況下吸取熱量，則需要考慮的條件因數較多，例如庫容、庫面積、水庫海拔、氣候、水質、水庫天然入流等。若不考慮水庫本身水質（包括水污染度和水生物）、入流等條件影響，水庫本身吸收熱量的能力主要取決于水庫表面積，面積越大，吸收熱量越多；該部分熱量傳遞給水庫庫容，吸收相同的熱量條件下，庫容越小，水溫上升越快。因此水庫水溫的升高與水庫表面積成正比，與水庫庫容成反比。

考慮抽水蓄能電站的運行特性，其下水庫水位會在正常蓄水位和死水位之間變化，因此下水庫庫面面積在一天中是一個變化的值，此處做簡化考慮，取下水庫平均庫面面積為下水庫有效庫容除以下水庫正常蓄水位與下水庫死水位之間的高差值，即：

S=V1/（H1-H2）

式中：S——下水庫平均庫面面積；

V1——下水庫有效庫容；

H1——下水庫正常蓄水位；

H2——下水庫死水位。

同樣，下水庫庫容也是一個變化的值，此處也作簡化考慮，取下水庫平均庫容為下水庫有效庫容的一半加下水庫死庫容，即：

V=V1/2+V2

式中：V——下水庫平均庫容；

V1——下水庫有效庫容；

V2——下水庫死庫容。

為了表征水庫水溫升高的能力，定義水庫水溫升高系數K，即用水庫平均庫面面積除以水庫平均庫容來反映。

K=S/V

響水澗電站與國內同類型其他抽水蓄能電站下水庫水溫升高系數對比見表5。

表5 響水澗電站與國內同類型其他 抽水蓄能電站下水庫水溫升高系數對比表Table 5 Comparison of water temperature rise coefficient between Xiangshuijian hydropower station and other Hydropower stations

由表5可見，與同類抽水蓄能電站對比，響水澗電站下水庫水溫升高系數偏大，說明其吸熱能力強，這也是電站下水庫溫度容易升高的原因。

5 響水澗電站技術供水系統水溫較高的解決方案 [7，8]

針對響水澗電站，為了降低推力軸承冷卻水水溫，提出兩種方案，一是尋找合適的外部低溫水源，并將外部低溫水引入推力軸承冷卻水管路中，以“中和”推力軸承冷卻水水溫。二是采用機械制冷方案，通過外部機械制冷輔助方式，降低冷卻水的進水溫度。

5.1 外接低溫水方案

如采用外部接入低溫水方案，從整個響水澗電站水源考慮，唯一的低溫水源只有滲漏集水井中的滲漏水，其水溫最高約為20℃，溫度較低。滲漏井位于主廠房安裝場下，與水輪機層同高，滲漏集水井長9.3m，寬6.6m，高約15.5m左右，其有效容積約400m3。通過實測，響水澗電站的實際總滲漏量約為200m3/h。

考慮將1臺機組推力軸承冷卻水水溫從33℃降到28℃，冷卻水流量按200m3/h考慮，則根據熱力學公式，有：

式中：T——冷卻水最終溫度；

Q1——外加滲漏水水量；

T1——外加滲漏水水溫；

Q2——原冷卻水水量；

T2——原冷卻水水溫。

T設置為 28℃，T1為20℃，T2為33℃，Q1+Q2設為 200m3/h，則至少需要75m3/h的滲漏水混合125m3/h的原33℃冷取水，混合后的水量可以滿足單機流量200m3/h、水溫28℃的冷卻水要求。則4臺機組總共需要300m3/h的滲漏水，因此目前電站的滲漏水量無法滿足推力軸承冷卻水水溫降低需求。采用外部接入低溫水的方案，對于響水澗電站來說，難以實現。

5.2 機械制冷方案

采用機械制冷方案，即在推力軸承供水管路系統中增加冷水機組，當冷卻水水溫過高時，可將現有的推力軸承冷卻水作為冷水機組的冷卻水源，接入冷水機組的冷卻器后排出，而機組推力軸承冷卻器的供排水管直接與冷水機組蒸發器的進出水管連接，形成閉式循環系統，保證冷水機組蒸發器可以為推力軸承冷卻器供應低溫水。具體實施方案如圖1所示。

圖1中粗實線示意原推力軸承冷卻器供排水管，系統新增管路以細實線表示，其中閥門1和閥門6需增設在原推力軸承冷卻器供排水管路上。

當冷卻水水溫低于28 ℃時：系統內冷卻水走向與原設計保持一致，閥門1及閥門6打開，閥門2、3、4、5、7、8皆關閉，循環水泵P1及冷水機組M不運行。冷卻水走向為a-b-c-d-ef-g-h-i。

當冷卻水水溫高于28 C°時：關閉閥門1及閥門6，打開閥門2、3、4、5、7、8，然后啟動循環水泵P及冷水機組M，則冷水機組的一次水水流走向為a-b-M-h-i，相當于原推力軸承冷卻水變成冷水機組的一次水；而為推力軸承冷卻器提供冷卻水的冷水機組二次水水流走向為g-M-P-e-f-g，該部分管路形成閉式循環冷卻水管路。

圖1 推力軸承冷卻水改造后系統圖Figure 1 Diagram of thrust bearing cooling water system after reform

根據機組技術供水推力軸承外冷卻器的參數要求，每臺機組選用一組模塊式冷水機組和1臺循環水泵，以及配套的供電、控制設備。

具體冷水機組參數為：MSCW445×3（一組3個單元）；冷凍水量：220 m3/h，冷卻水量：274 m3/h；循環水泵參數為：流量200m3/h，揚程25m。

6 結束語

國內大部分抽水蓄能電站都具有上、下水庫均為新建水庫的特點，電站設計前期上下水庫均尚未形成，無法像常規水電站一樣可以通過準確的水文信息來獲得水庫水溫等參數。在機組的招標文件中，庫水溫一般采用周邊環境水溫，難免會出現夏季庫水溫估算值與實際值差別較大的情況，從而引起機組技術供水水溫過高。

本文通過對國內部分抽水蓄能電站水庫水溫的分析研究，結合各電站實際機組運行情況，對抽水蓄能電站的水庫容積、水庫面積及水溫這三者之間的關系進行了分析，得出了一些結論，并客觀上解釋了響水澗電站機組技術供水水溫整體過高的原因，為后續類似電站的設計提供了一些參考。

同時針對類似響水澗電站等已經完工的電站，在電站改造局限性較大，部分改造方案實施難度較大的情況下，本文提供了另外一種新的改造思路，即通過外加機械制冷設備冷水機組來降低機組技術供水水溫，這為后期類似電站的改造，也提供了一些參考。