多泥沙條件下向家壩電站技術供水系統分析

鐘 然，陳 宙，胡學龍

（向家壩水力發電廠，四川 宜賓 644612）

0 引言

向家壩水電站位于金沙江下游，是金沙江梯級開發的最后一級電站。共安裝8臺單機容量800 MW的水輪發電機組，總裝機容量6 400 MW，年發電量307億kW·h，首臺機組計劃于2012年10月投產發電。電站水頭變幅為86.1m～114.2m，額定水頭100m。汛期金沙江泥沙含量高、漂浮物多，機組技術供水冷卻管路容易發生堵塞，從而影響機組的正常運行，對技術供水系統的設備選擇和運行方式提出了較高的要求和挑戰。

1 金沙江泥沙情況

金沙江為多泥沙河流，向家壩壩址多年平均懸移質輸沙量2.47億t，多年平均含沙量1.72 kg/m3，汛期6～9月平均含沙量2.42 kg/m3，最大含沙量24.02 kg/m3。輸沙量年內分配極不均勻，沙峰與洪峰對應，汛期輸沙量占全年的96%。向家壩電站蓄水發電初期，水庫運行前10年平均出庫含沙量為0.45 kg/m3，出庫粒徑為0.021 mm。上游溪洛渡水庫建成攔沙后，水庫運行前10年平均過機含沙量減至0.24 kg/m3，汛期過機含沙量為0.29 kg/m3。

2 機組技術供水系統概況

向家壩機組技術供水系統采用單機單元自流減壓供水方式，蝸殼取水作為主用水源，分兩路過濾減壓后引至本機組供水干管，兩路供水管路互為備用。每兩臺機組設置一套壩前取水作為備用水源，經過濾減壓后接入機組技術供水聯絡總管，通過聯絡閥與蝸殼取水主用水源相互備用。

機組技術供水系統簡圖如圖1所示：

圖1 機組技術供水系統簡圖

3 機組技術供水設備特點

3.1 蝸殼取水口

機組進水口攔污柵柵距200 mm，大部分長度或直徑小于200 mm的雜物隨水流進入壓力鋼管。蝸殼取水口直徑800 mm，設在蝸殼延伸段進口管節外側斜向下45°，這樣設置既保證了過柵流速，又防止停機后泥沙和雜物沉積并堵塞取水口。取水口過柵流速為蝸殼主水流的1/6～1/8，當取水口掛有樹枝、水草等雜物時，由于主水流速度遠大于側向取水口過柵流速，懸掛的雜物將被高速主水流沖走，確保了取水口的通暢。

取水口攔污柵的11根柵條由扁鋼焊接而成，柵距40 mm。柵條采用順水平條式布置，正面迎水面積小、強度大，最大限度地降低了雜物在柵條上懸掛和堵塞的可能。

3.2 濾水器

盡管蝸殼取水口攔污柵能夠攔截部分粗大的雜物，但仍有大量雜質進入供水系統，除了有效地清除雜質，在保證不影響供水能力的前提下，還應采取防止泥沙和雜物淤塞的有效措施，以保證濾水器安全可靠運行。

濾水器采用自貢真空濾水器公司的DLSI-500復合刮板式全自動濾水器，額定流量2 100 m3/h，額定壓力1.6 MPa。為防止堵塞減壓閥，濾水器設置在其之前，采用上進水、下排水方式，立式安裝多個濾筒，其表面密布φ4 mm的過濾小孔。濾筒將濾水器內腔分為清水腔和濁水腔，與濾筒的內表面相通的為濁水腔，與濾筒外表面相通的為清水腔。蝸殼取水后的濁水，經上入口進入濁水腔，大于過濾小孔直徑的雜質被截留，穿過濾孔的清水在清水腔匯合，從下出水口流出。

濾水器結構如圖2所示：

圖2 濾水器結構

濾水器共安裝18個濾筒，有效過濾面積為入口面積的7倍以上，反沖洗頻率低，并且顯著縮小了過濾器的體積。具備自動清洗時繼續供水的功能，利用自身過濾出的清水，自動逐次反沖洗濾網，同時其它過濾單元仍在繼續工作，連續供水的能力保證了機組的持續不間斷運行。

3.3 減壓閥

機組技術供水兩級減壓主管路采用以色列多若特減壓閥，型號30I-20-ISOPN16-PR。減壓閥隨管道壓力啟動，由導閥自動控制主閥開度，保持出口壓力和流量穩定。導閥的控制回路對水質要求較高，配備有自清式過濾器。在水質較差的情況下，雜質會逐漸附著在過濾器濾網表面，最終堵塞過濾器使控制回路失去作用。基于這種情況，用清水強制定時自動沖洗成了有效的方法。

正常工作狀態時：水由左進右出。上游壓力水由過濾器過濾后進入導閥和減壓閥控制腔，此時電磁閥b均處于失電關閉狀態；

反沖狀態時：上方管路水右進左出。需要反沖的過濾器的控制電磁閥b勵磁，控制三通閥打開排空閥a，上游壓力水經下方過濾器過濾后，一部分沖洗上方的過濾器，雜質通過三通閥a排出；另一部分凈水仍進入主閥和減壓閥控制腔。

圖3 減壓閥控制回路過濾原理

3.4 空冷器

發電機空冷器長期運行在多泥沙冷卻水環境下，一方面可能造成冷卻水管的堵塞，另一方面會對水管內壁造成磨損和腐蝕，使管壁變薄甚至發生泄漏，危及發電機的安全運行。普通冷卻水管材質多是紫銅或黃銅。紫銅即銅單質，強度和硬度較差，泥沙的高速沖刷將不斷磨損管壁并將其變薄，磨損和腐蝕速度隨水流速度和含沙量的增加而迅速升高。黃銅為銅鋅合金，在運行中存在脫鋅的腐蝕現象，管壁產生許多針孔大的小孔，容易產生泄漏事故。

向家壩發電機定子機座圓周布置20個水冷式空氣冷卻器，采用德國基伊埃（GEA）熱交換器系統，散熱部件為凸制鋁片。冷卻水額定流速1.5 m/s，利用高速水流來防止懸浮物的沉淀。冷卻管采用90/10銅鎳合金，導熱性能好，抗泥沙沖刷和防化學腐蝕能力遠強于前兩者，適合于向家壩冷卻水流速快和泥沙含量高的運行環境。

4 技術供水系統排污沖淤方式

4.1 蝸殼取水口沖洗

蝸殼取水口攔污柵柵距較小，水中的樹枝、水草或塑料袋等可能卡阻在攔污柵處，影響機組冷卻效果，需要采取措施清除雜物。

當運行機組進水口壓降較大，取水口堵塞嚴重時，開啟機組聯絡供水總管與機組技術供水干管與之間的聯絡閥DF10，由來自壩前取水口的備用水源供水；關閉蝸殼進水口閥門201或濾水器前電動閥，隨著反水錘的反向沖擊和蝸殼內的主水流的高速沖刷，攔污柵雜物將被清除，可基本恢復取水口壓力和流量，解決了在機組不停機檢修的情況下快速清除蝸殼取水口雜物的問題。

4.2 濾水器排污

濾水器設定自動和手動兩種運行模式。在自動運行模式下，根據設定的沖洗時間間隔（定時）或進出水口壓力差（差壓）進行自動在線排污。采用漂浮物和沉積物分別排污，雙排污相互連鎖，有效地將進入濾水器的大量泥沙、雜草、污物等通過漂浮物排污閥和沉積物閥分別排放，避免泥沙和污物的堵塞。技術供水自動過濾在線運行，是技術供水系統的必要裝置，尤其適用于“無人值班，少人值守”的場合。

4.3 供排水管路正反向倒換

當軸承冷卻器或空冷器發生單向堵塞時，通過正反向倒換來改變水流方向，對堵塞在冷卻器管路內的雜物實施有效的反沖刷。在供排水總管上設置兩個三通電動球閥，由電動驅動裝置帶動三通球閥轉動90度，即可改變水流方向，完成了傳統的利用4個閥門配合操作來改變水流方向的工作，減小了運行人員的工作量和操作風險。

5 存在的問題

（1）濾水器的反沖洗水流進入下腔時斷面突然擴大，流速減緩，泥沙和雜質容易沉積在濾水器罐體底部，由于底部沒有設置排淤口，長期運行后可能會淤積、板結和銹蝕，影響過濾和排污效果，增加了檢修工作量。

（2）濾水器濾筒的濾網小孔φ4 mm，水中除顆粒直徑遠小于1 mm的泥沙外還含有多種雜物，當長條軟帶、塑料袋、樹枝等卡阻在網孔中，因濾筒內部沒有可自動旋轉的刮刀來強制剪切、刮削嵌入網孔的雜物，只依靠反沖洗水流是否能達到預定效果，需要進一步觀察和檢驗。

（3）減壓閥導閥的控制回路對水質要求高，前置有兩個導閥過濾器，定時自動反沖洗清污，避免雜質進入到控制回路，從而影響導閥的精確控制功能。減壓閥前濾水器的濾孔φ4 mm，而導閥過濾器過濾精度較之更高，大量雜質將附著在導閥過濾器濾網表面。汛期江水泥沙和雜質含量大，若濾網表面迅速堵塞，而過濾器由于定時器設定的時間未到無法反沖洗清污，導閥過濾器將完全堵塞，減壓閥失效。因此過濾器定時反沖洗清污的時間設定需要隨水質周期性的變化而改變。

6 結語

機組技術供水系統對機組各部提供冷卻水，是水電廠重要的輔助設備。針對金沙江泥沙含量高、漂浮物多的特點，技術供水系統各設備采取了多項措施來抗沙防堵，并在運行方式上進行了優化，提高了技術供水的質量水平，其可靠安全性有待機組投產發電后設備實際運行情況的檢驗。

[1]王東輝，陳振虹.金沙江向家壩水電站泥沙初步研究[J].中南水力發電，1998,(2).

[2]張 彬.多泥沙河流電站技術供水系統的設計[J].水利水電工程設計，1996,(4).

[3]馬玉濤，姜德班，吳 晶,等.三峽左岸電站技術供水正反向倒換方式探討[J].水電站機電技術,2004,(4).

[4]劉繼祿，陳 華.發電機空冷器銅合金管腐蝕行為分析及其防護[J].熱力發電，2003,(10).

[5]DLT 5066-2010.水電站水力機械輔助設備系統設計技術規定[S].