無量河水電站冬季運(yùn)行方式的探索和實(shí)踐

劉 均 明, 李 永 強(qiáng)

(四川能投電力開發(fā)有限公司，四川 成都 611130)

1 概 述

無量河水電站位于四川省甘孜藏族自治州理塘縣濯桑鄉(xiāng)，廠房海拔高度3 650 m，年平均氣溫3.0 ℃，極端最高氣溫25.6 ℃，最低氣溫-30.6 ℃，從11月至次年4月初日平均氣溫均處在0 ℃以下，屬典型的高海拔、氧氣稀薄、長冬季嚴(yán)寒地區(qū)電站。主要建筑由首部取水樞紐、引水明渠(長3 404.26 m)、壓力前池、壓力管道和廠區(qū)構(gòu)成，設(shè)計(jì)引用流量31.5 m3/s，設(shè)計(jì)水頭21 m，裝機(jī)2×2 500 kW，設(shè)計(jì)年發(fā)電量3 435.65萬kWh，設(shè)計(jì)年利用小時(shí)數(shù)6 871 h。引水明渠為漿砌塊石渠道，壓力前池機(jī)組進(jìn)水口處設(shè)有攔污柵和閘門，壓力前池離機(jī)組進(jìn)水口60 m處設(shè)有溢流道。廠房由水輪機(jī)層、發(fā)電機(jī)層和中控室三層構(gòu)成。發(fā)電機(jī)定子采用風(fēng)冷，定子機(jī)坑與風(fēng)道連接，熱風(fēng)通過風(fēng)道直接排到廠房外；上導(dǎo)軸承、推力軸承、下導(dǎo)軸承設(shè)有冷卻供水系統(tǒng)，水導(dǎo)軸承空氣自然冷卻；滲漏積水井設(shè)有兩臺(tái)深井排水泵，滲漏水直接排到廠房外的尾水處，深井泵前設(shè)有止回閥，防止夏天河床水位抬高時(shí)水倒流進(jìn)廠房。電站2010年8月正式投產(chǎn)發(fā)電，作為四川省甘孜州理塘縣的骨干電源，對該縣少數(shù)民族的生產(chǎn)、生活用電起主要作用，對維護(hù)藏區(qū)的穩(wěn)定具有重要意義。

電站投產(chǎn)發(fā)電以來前幾年的冬季(11月到次年的4月初)，攔污柵處不斷結(jié)冰,導(dǎo)致水流不能流入水輪機(jī),冰層不斷向渠道延伸、不斷增厚，從結(jié)成冰蓋到整個(gè)渠道凍結(jié)，冰若繼續(xù)不斷膨漲會(huì)將渠道薄弱處漲垮,且要待4月晝夜氣溫均在5 ℃以上才能修復(fù)；供水冷卻系統(tǒng)、上導(dǎo)軸承、下導(dǎo)軸承油冷卻器的管路、閥門出現(xiàn)結(jié)冰爆裂而無法正常運(yùn)行；廠房內(nèi)集水井止回閥后管路因結(jié)冰而堵塞，使集水井內(nèi)的水無法正常抽排。除冰恢復(fù)后，運(yùn)行很短時(shí)間又出現(xiàn)同樣的問題。將廠房門窗關(guān)嚴(yán)、在發(fā)電機(jī)層和水輪機(jī)層均布置加熱器、用電加熱器烘烤管路和閥門，廠房內(nèi)的溫度仍然在0 ℃以下,使管路和閥門仍然結(jié)冰而凍裂。電站長期處于停產(chǎn)或半停產(chǎn)狀態(tài)，嚴(yán)重影響當(dāng)?shù)氐纳a(chǎn)生活用電。

2 改變冬季運(yùn)行方式

由于高海拔、高嚴(yán)寒地區(qū)進(jìn)入冬季后環(huán)境溫度很低，氣溫均在0 ℃以下，尤其是每年1月下旬到2月中旬這段時(shí)間，氣溫均在-20 ℃以下，極端氣溫低于-30 ℃。這種氣溫環(huán)境下，除冰慢于結(jié)冰，收不到除冰的效果。由于氣溫太低，需要大量電加熱器才能把廠房內(nèi)溫度升到0 ℃以上，由于廠用變壓器容量的限制，電加熱器的數(shù)量有限，靠電加熱器達(dá)不到廠房內(nèi)溫度的要求。運(yùn)行人員通過多年的探索，在借鑒陳容[1]、梁慧芬[2]的《中小型水電站安全運(yùn)行管理經(jīng)驗(yàn)》和羅永全[3]的《中小型水電站運(yùn)行管理提高經(jīng)濟(jì)效益經(jīng)驗(yàn)》的基礎(chǔ)上，總結(jié)出無量河電站冬季運(yùn)行方式，改變了冬季設(shè)備設(shè)施無法正常運(yùn)行的狀況，使取水口、引水渠道、機(jī)組設(shè)備等在嚴(yán)寒的冬季依然能夠安全可靠運(yùn)行，使理塘縣少數(shù)民族在嚴(yán)寒的冬季也能用上可靠的電能。

2.1 機(jī)組進(jìn)水口攔污柵的運(yùn)行方式

為了減少進(jìn)水口攔污柵柵條對水的阻力，分別將柵條的間距從20 mm變成30 mm，從30 mm變成50 mm，從50 mm變成80 mm，從80 mm變成100 mm，試驗(yàn)效果均不理想，攔污柵、壓力前池和渠道仍然會(huì)全部結(jié)冰。最后將攔污柵拆出，使水從進(jìn)水口暢通地進(jìn)入水機(jī)，流動(dòng)的水因?yàn)闆]在攔污柵處結(jié)冰，水在壓力前池和渠道表面形成的冰蓋下面流動(dòng)，保持流動(dòng)的水不結(jié)冰的狀態(tài)。根據(jù)多年的觀測，進(jìn)入冬季，無量河最大流量約為10 m3/s，接近設(shè)計(jì)引用流量的三分之一，故將攔污柵上提2.5 m鎖定在壓力前池平臺(tái)上,保持水流的暢通。待次年氣溫穩(wěn)定在0 ℃以上后解除鎖定又將攔污柵放置到正常位置,進(jìn)行正常的攔污。無量河上游在冬季由于雜草、樹林干枯，各種施工基本停止，河水比較干凈，冬季取消機(jī)組進(jìn)水口處的攔污柵。經(jīng)過幾年的運(yùn)行實(shí)踐，證明機(jī)組進(jìn)水口處的攔污柵在夏秋季節(jié)安上冬春季拆除的運(yùn)行方式是可行的。

2.2 定子運(yùn)行方式的改變

無量河電站定子的冷卻方式是定子機(jī)坑內(nèi)的熱空氣通過風(fēng)道排出到廠房外,而冷空氣從水機(jī)室、下機(jī)架進(jìn)入定子機(jī)坑的空冷方式進(jìn)行冷卻，這種冷卻方式經(jīng)過多年的運(yùn)行證明是可行的，即在寒冷季節(jié)利用發(fā)電機(jī)運(yùn)行中產(chǎn)生的熱量，把水輪發(fā)電機(jī)組本身作為一個(gè)巨型加熱器，用來加熱廠房內(nèi)的冷空氣。具體操作是用絕熱材料制作擋風(fēng)板，用棉花等保溫材料 將兩臺(tái)發(fā)電機(jī)排風(fēng)口封閉嚴(yán)實(shí)而不向外散熱，確保發(fā)電機(jī)運(yùn)行自身產(chǎn)生的熱量加熱定子機(jī)坑、水機(jī)層及發(fā)電機(jī)層，提高廠房內(nèi)的溫度。定子通風(fēng)道封堵示意見圖1。

圖1 定子通風(fēng)道封堵示意圖

這種運(yùn)行方式可以使廠房水機(jī)層、發(fā)電機(jī)層內(nèi)的溫度保持在3 ℃～5 ℃，確保了廠房內(nèi)的管路、閥門等設(shè)備不致結(jié)冰而凍裂，機(jī)組可以安全可靠運(yùn)行。同時(shí)，取消了廠房水機(jī)層和發(fā)電機(jī)層內(nèi)的電加熱器，節(jié)約了廠用電量。待環(huán)境溫度持續(xù)保持在5 ℃以上后，將擋風(fēng)板和保溫材料撤出，恢復(fù)正常的空氣冷卻方式。

2.3 滲漏排水系統(tǒng)冬季運(yùn)行方式

電站所有滲漏水均流到滲漏集水井內(nèi)由深井泵排到廠房外。汛期為了防止尾水水位抬高使水倒灌到集水井，在深井泵前面的管道上裝上止回閥,止回閥內(nèi)裝有閥板,閥板順著排水的方向打開，逆著排水的方向關(guān)閉，滲漏積水井的水位升到設(shè)定的高度時(shí)，水泵自動(dòng)抽水，水位降到設(shè)定的高度時(shí)，自動(dòng)停止。在冬季氣溫十分低時(shí)，水泵停止工作，管內(nèi)的積水與閥板同時(shí)結(jié)冰，導(dǎo)致不能正常排水。由于冬季河床水位本身極低，不會(huì)出現(xiàn)水倒灌的情況，故將止回閥閥板取出。閥板取出后，水泵停止運(yùn)行，管道內(nèi)的積水立即自動(dòng)流回積水井內(nèi)，管內(nèi)無水，也就無冰可結(jié)，使水泵能夠順利進(jìn)行抽水工作。待氣溫持續(xù)到5 ℃以上后，將止回閥的閥板重新回裝到位。

2.4 停電時(shí)的運(yùn)行方式

前些年,由于地理位置、地理?xiàng)l件的限制，處于孤網(wǎng)運(yùn)行的供電網(wǎng)絡(luò)十分脆弱，在寒冷的冬季，因冰雪災(zāi)害經(jīng)常引發(fā)解網(wǎng)跳閘事故。在這種情況下,無量河電站又不能停機(jī)，必須保持發(fā)電機(jī)處于運(yùn)行狀態(tài)，才能使機(jī)組不間斷地為廠房加熱，保證引水道的水不斷地流動(dòng)，達(dá)到對設(shè)備設(shè)施加熱保溫的目的。

2.5 壓力前池溢流口的運(yùn)行

在持續(xù)低溫環(huán)境下,引水明渠和壓力前池表面必然結(jié)冰并形成冰蓋,水在冰蓋下流動(dòng)。在脆弱的電網(wǎng)特別是孤網(wǎng)運(yùn)行的電站，機(jī)組跳閘甩負(fù)荷的事故時(shí)有發(fā)生。機(jī)組甩負(fù)荷后，壓力前池內(nèi)的水能否順利溢出至關(guān)重要，若不能順利溢出就可能漲垮渠道。無量河電站投產(chǎn)運(yùn)行的前幾年，渠道每年至少有一處被漲垮。原因是壓力前池的溢流口結(jié)出很厚的冰，機(jī)組甩負(fù)荷時(shí)水不能從溢流道正常排出，設(shè)計(jì)為無壓引水變成了有壓引水，渠道薄弱處被擠壓垮塌。在參考吳建良[4]《高嚴(yán)寒高海拔地區(qū)水電站引水渠道設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)》基礎(chǔ)上，采取了強(qiáng)有力措施將壓力前池溢流道口的冰除去，確保溢流道口水流暢通。同時(shí)，電站運(yùn)行值班人員通過監(jiān)控視頻觀察引水渠道的來水及結(jié)冰變化情況，通過調(diào)整機(jī)組負(fù)荷，將溢流道口扎下來的冰塊從溢流口沖走，確保溢流口溢水暢通。經(jīng)過幾年的實(shí)踐證明，這種方法行之有效。

2.6 機(jī)組檢修的安排

根據(jù)上游的來水情況，參考陳造奎[5]《水力機(jī)組檢修安排思路》，該電站冬季必須有一臺(tái)機(jī)組發(fā)電，以滿足理塘縣少數(shù)民族居民生活用電和自身防凍保溫的需求。由于每年十月下旬來水量只能一臺(tái)機(jī)滿發(fā)，另一臺(tái)機(jī)組就要作為冬季運(yùn)行機(jī)組進(jìn)行檢修，而且必須在十一月上旬完成檢修任務(wù)。若需大修的機(jī)組則安排在次年5月到6月間進(jìn)行。待擬作為冬季運(yùn)行機(jī)組完成檢修并啟動(dòng)運(yùn)行后，另一臺(tái)機(jī)組停機(jī)，關(guān)閉其對應(yīng)前池的進(jìn)水閘門，利用蝸殼排水閥將蝸殼和壓力管道的積水排空，同時(shí)，利用電站低壓空壓機(jī)的壓縮空氣，將停運(yùn)機(jī)組上導(dǎo)、下導(dǎo)冷卻器及管路和閥門的積水排空，防止結(jié)冰。不僅如此，還需將廠房內(nèi)和大壩的柴油發(fā)電機(jī)冷卻水放空，需要啟動(dòng)時(shí)再加冷卻水。

3 取得的效果

通過對無量河水電站冬季運(yùn)行維護(hù)的探索和實(shí)踐，形成高海拔、高嚴(yán)寒水電站機(jī)組冬季運(yùn)行的獨(dú)特方式，且方法簡單，效果良好。在長達(dá)5個(gè)月之久的高海拔冬季期間，無量河電站成功實(shí)現(xiàn)了每天24小時(shí)不間斷發(fā)電目標(biāo)，幾年未發(fā)生因冰凍災(zāi)害而導(dǎo)致停機(jī)的現(xiàn)象。投產(chǎn)發(fā)電10年來，每年從11月初到次年4月初，冬季電站發(fā)電時(shí)間及發(fā)電量見表1。

表1 冬季電站發(fā)電時(shí)間及發(fā)電量

4 結(jié) 語

無量河電站地處高海拔、高寒地區(qū)，冬季氣溫低且持續(xù)時(shí)間長，如何解決引水道凍結(jié)對發(fā)電的影響，對廠房內(nèi)的設(shè)備設(shè)施(特別是供水系統(tǒng)和排水系統(tǒng)的設(shè)備設(shè)施)防凍保溫，在電網(wǎng)跳閘機(jī)組甩負(fù)荷情況下，如何保持壓力前池的水能正常溢流成了重要的研究課題。經(jīng)過幾年的探索和實(shí)踐，改變了原有的運(yùn)行方式，成功地解決了這些問題。同時(shí)，不斷加強(qiáng)運(yùn)營管理和對職工的教育培訓(xùn)，設(shè)備設(shè)施的安全可靠性不斷提高。近幾年電站實(shí)現(xiàn)了按上游來水持續(xù)不間斷發(fā)電，極大限度提高了機(jī)組利用小時(shí)數(shù)，保障了當(dāng)?shù)鼐用穸旧a(chǎn)、生活用電，緩解了當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)供電的緊張局面，為促進(jìn)高原藏區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)穩(wěn)定發(fā)揮了重要的作用。