中廣核玉田水電站技術供水系統項目技改探索

2017-07-31 21:07:40孫萬慶黃慶

水電站機電技術 2017年2期

孫萬慶，黃慶

（中廣核玉田能源發展有限公司，四川甘洛616850）

孫萬慶，黃慶

（中廣核玉田能源發展有限公司，四川甘洛616850）

水電站機組的技術供水系統對電站機組的安全、穩定運行，起著至關重要的作用，一旦機組的冷卻水系統出現故障，機組必然停機，給電站造成發電損失。玉田水電站采用尾水取水，水泵供水+濾水器過濾至機組的單元供水方式，其水源為尼日河河水，而尼日河汛期河水水質差（含大量懸移質泥沙、漂浮物），不能滿足機組冷卻水對水質的要求，也不能保證機組安全運行。所以，從機組的安全、穩定運行以及經濟性出發，有必要對機組技術供水系統進行改造升級。

玉田電站；技術供水；冷卻系統；技改探索

1 引言

玉田水電站位于四川省涼山彝族自治州甘洛縣和越西縣境內，為尼日河流域梯級規劃的第四級電站，是四川省政府“4433工程”的重大項目。該電站為引水式開發的高水頭電站，由首部樞紐、引水系統、廠區樞紐組成。上游水庫總庫容為49.8萬m3，正常蓄水位1 279.0 m，設計水頭177 m，設計引用流量59.7 m3/s。玉田水電站單機容量為31 MW，總裝機93MW，年利用小時數5113h，年發電量4.75億kW·h。電站前期設計單位為樂山設計院，后期設計單位為福建省永川水利水電勘測設計院，主機廠為南平電機廠，發電機型號為SF35-18/5 000，玉田水電站于2013年1月18日投入發電，出線電壓等級為220 kV，通過單回8.26km220kV“田爾線”送至220kV爾足變電站并入四川電網運行。

2 技術供水系統改造前狀況

2.1 原有技術供水系統設計

玉田電站額定水頭為177 m，技術供水系統采用尾水取水、水泵供水+濾水器過濾的方式。機組技術供水的對象主要有發電機空冷卻器、機組上導、推力、下導、水導軸承油冷卻器等。

電站機組尾水右側閘墩下游墻上分別設置有3個水泵取水口（取水口高程為EL 1 080.00 m），經機組技術供水泵吸水管DN250引至蝶閥層2臺技術供水泵（臥式離心泵，1主1備）；水泵抽水，匯合至DN250技術供水總管，經1臺濾水器過濾，分別進入機組6臺空冷器和軸承油冷器（上導、推力、下導、水導）；出機組后，6個空冷器的排水管匯至DN219的總管排至尾水，所有軸承冷卻器（上導、推力、下導、水導）匯至DN159的總管排至尾水。

水輪機頂蓋排水作機組技術供水系統備用供水。

2.2 原有技術供水系統存在的問題

2.2.1 技術供水取水口堵塞

原有技術供水系統，水泵直接從尾水渠取水，取水水管DN250且取水口只有1個。汛期漂浮物多時，取水口極易造成堵塞，致使水泵不能正常取水或取水量減少，直接影響機組技術供水系統的冷卻效果或導致事故停機。取水口堵塞后，必須停機由潛水工下水檢修，電量損失及作業安全隱患較大。

2.2.2 水泵吸水管堵塞

原有技術供水系統，尾水正常水位EL1084.50m，水泵吸水管高程為EL 1 080.00 m，為埋管。汛期漂浮物多時，纏繞性漂浮物和樹枝進入管道之后，有堵塞埋管的可能性。一旦埋管被堵塞，必須廢棄，采用明管重新布管，耗資大，工期長，電量損失大。

2.2.3 水泵堵塞、磨損

濾水器布置在水泵之后，漂浮物進入水泵之后，可能會纏繞在葉片上，導致水泵堵塞；泥沙會磨損水泵葉輪，增加水泵自身水頭損失，降低水泵的效率。2.2.4濾水器堵塞嚴重

玉田水電站濾水器布置在水泵之后，水泵直接由電站尾水抽水，受河流水質、懸移質泥沙、漂浮物等影響，經常造成水泵堵塞，不得不進行停泵檢修、疏通。增加人力、物力、財力的損失，而且大大影響了機組技術供水的流量壓力穩定，嚴重影響機組的安全穩定運行，且在汛期停機清理雜物電量損失較大，據統計，2013年因濾水器堵塞（圖1、2）造成165萬電量損失，按照四川省調均價0.288元/kW·h，直接經濟損失47.52萬元。

圖1 濾水器堵塞

圖2 濾水器清淤

2.2.5 機組冷卻器堵塞、磨損

尼日河汛期，河水渾濁，懸移質泥沙含量大、漂浮物較多。漂浮物、泥沙進入機組冷卻器后，會造成機組冷卻器的堵塞，過水量減少，水壓降低，導致事故停機或燒瓦事故機率增大。機組軸承冷卻器纏繞物不能自動清除，停機解體機組冷卻器進行清理，增加勞動量的同時，也給電站帶來了很大的經濟損失。

泥沙進入機組冷卻器后，會給機組冷卻器帶來磨損，降低冷卻器的使用壽命；嚴重時，機組冷卻器穿孔，導致機組軸承油混水，造成燒瓦事故，影響設備的安全運行。

2.2.6 機組技術供水管與冷卻器結垢嚴重

每年檢修，均發現機組技術供水管道和冷卻器內結垢（主要表現為泥垢）嚴重。污垢附著在管道內壁和機組各冷卻器銅管內壁，增加了傳熱熱阻，同時導致過流面積減小，水量減小，從而影響機組的正常運行。由于采用的是河水水源，采用除垢劑并不能從根本上解決問題。

3 技術供水系統改造方案比較

水電站機組技術供水中的冷卻水對電站機組的安全運行有著至關重要的作用，冷卻水運行不正常，會造成機組溫度升高，報警、甚至停機。而冷卻水的水質（漂浮物、泥沙、結垢、水生物、腐蝕等）如不能滿足要求，對電站運行會造成影響。玉田水電站技術供水取自尾水，從現狀來看，汛期河道水質過差，不能滿足機組安全運行的要求，故對技術供水系統的改造方案選擇尤為重要。

3.1 技術供水優化改進方案

經認真研究分析，玉田水電站技術供水系統優化改進方案主要有兩種。

方案1：頂蓋取水；

方案2：開放式循環供水。

3.2 技術供水優化改進方案比較分析

3.2.1 頂蓋供水方案

（1）頂蓋供水方案

玉田電站混流式水輪機轉輪上迷宮環漏水供機組冷卻水即頂蓋取水的方式，從水輪機轉輪上的迷宮環漏到頂蓋中的水經轉輪泄水錐的泄水孔排到尾水管，這部分水不經過轉輪葉片流道，故不做功。

頂蓋取水取自轉輪上止漏環間隙漏水，經8只頂蓋取水管DN100引至技術供水總管DN250。

（2）采用頂蓋取水存在的問題

從20世紀80年代初我國水輪機頂蓋取水作為技術供水水源應用以來，已有電站采用此項技術，但在高、中水頭的混流式水輪機中使用比例仍很小，還存在一些問題，如頂蓋取水會影響水輪機效率，頂蓋漏水的水壓時大時小變化較大、頂蓋漏水量不能滿足要求等，而且多數水輪機制造廠家在頂蓋取水供機組冷卻水方面還缺乏經驗。

該改造方案實施簡單，周期短，但是因為頂蓋漏水量及壓力的不確定性，而不能解決汛期水質差等問題，故改造暫不推薦。

3.2.2 開放式循環技術供水方案

開放式循環供水有1個開敞式循環水池，水池有一定的容積，便于沉淀和排出系統內部原有的少量泥沙、污物，還便于系統充水時排氣、換水和補水操作及水質監視，水量及壓力可控，巡視檢查方便。

鑒于上述分析，玉田電站技術供水優化改造以開放式循環供水為準。

4 機組循環冷卻技術供水系統改造

經公司批準，2014年底對3臺機組技術供水系統進行了全面改造。

4.1 循環冷卻技術供水系統

玉田電站技術供水系統采用開放式循環冷卻供水方式，機組冷卻采用符合要求的生活清潔水源，以解決機組冷卻水對水質的較高要求與河水水質較差的矛盾。其工作原理為清潔冷卻水帶走機組運行產生的熱量，經排水管道排入循環水池；水泵從循環水池內抽水至機組冷卻器（發電機空冷器、軸承油冷卻器），再經布置于尾水中的尾水冷卻器，與河水進行熱交換作用后降低溫度，然后回到循環水池。機組冷卻水在一個往復循環的系統中，通過流動的、溫度較低的天然河水帶走機組運行產生的熱量。

技術供水采用清潔水循環使用，可有效防止機組冷卻裝置的堵塞、結垢、腐蝕、水生物等，還可防止出現技術供水系統管路因溫差大出現的結露滴水現象，從根本上解決了電站汛期技術供水水質差等問題。

循環冷卻技術供水的原理為熱交換原理。冷卻水的走向為：循環水池→循環水泵→機組冷卻器→尾水冷卻器→循環水池。

4.2 循環水池設計

玉田單臺機組技術供水量為400 m3/h，若采用3臺機組分別布置循環水池的單元供水方案，需設置3座循環水池，受現場條件限制，施工難度大，耗資大。故采用3臺機組共用1個循環水池的方案。

循環水池為鋼筋砼結構，其外形尺寸為：長12m，寬5 m，高3 m，有效容積約120 m3，分析：對循環水池容積的選取，目前沒有規范及標準的明確規定，根據已建成電站的經驗，循環水池的有效容積原則上可按機組總冷卻水量的1/10選取，玉田水電站單臺機組的冷卻水量為400 m3/h，3臺機組共1 200 m3/h；設計按本電站技術供水系統3臺機組共用1座循環水池，循環水池的有效容積不小于120 m3。

4.3 循環冷卻器換熱管選型及換熱計算

4.3.1 尾水冷卻器換熱管選型

（1）換熱管選型

循環冷卻器采用鋼管構成的框架結構，循環冷卻器管排置入框架內，中部加上防震扁鋼固定，能起到抗沖擊、抗震動效果。為便于安裝起吊，循環冷卻器管排上部應設有吊耳。

尾水冷卻器材質主要有優質碳鋼無縫鋼管、不銹鋼無縫鋼管。碳鋼與不銹鋼相比，后者傳熱性能高，采用熱噴鋅高效防腐工藝，水生物不易滋生在其表面上，使用壽命長等優點；在相同溫度、流量條件下，Φ25不銹鋼管傳熱系數最高，換熱性能最好，內部冷卻水流速較快，水力損失較小；故選取Φ25不銹鋼管作為冷卻器主材。

技術標準：GB/T8162—99，GB/T8163—1999。

）主換熱管，Φ25 mm，壁厚2 mm，長度：通常。

屈服點：σs=380/395（MPa）

抗拉強度：σp=520/515（MPa）

延伸率：σst=30.0/34.0（%）

化學成份（GB/T8162—99）見表1。

表1 主管化學成分表（單位：%）

2）支換熱管，外徑159 mm，壁厚5 mm，長度：通常。

屈服點：σs=340/345（MPa）

抗拉強度：σρ=500/500（MPa）

延伸率：σst=32.0/31.0（%）

化學成份（GB/T8162—99）見表2。

表2 支管化學成分表（單位：%）

（2）壁厚選擇

技術標準：GB/T8162—99，GB/T8163—1999。

管壁厚度是根據材料的抗拉強度σρ及安全系數決定材料的允許應力σ，按工作壓力P，管子內徑d及防銹厚度c，用下式進行計算：

設計壓力按1.5 MPa×1.5安全系數計算，防銹厚度按不低于50年考慮。

經計算φ25管按強度要求的計算厚度為0.5mm，防銹厚度不小于2.0 mm，考慮到焊接以及冷卻器整體剛度等要求決定，考慮足夠余量并加大安全系數后取φ25×3 mm無縫鋼管。

其余大管徑結構管均考慮不小于2 mm銹蝕余量。

4.3.2 尾水冷卻器換熱計算

循環冷卻器換熱計算按最不利工況進行校核，即夏季河水達到最高水溫時，進水溫度也達到最高，要求此時冷卻器出口水溫滿足技術要求。

（1）循環冷卻器設計溫度：進口水溫28℃，出口水溫應低于23℃；

（2）河水溫度：因為無水溫資料，根據本電站自然氣候條件及所處位置，分別取不同溫度進行計算。

（3）玉田電站最高河水溫度不超過18℃。

（4）循環冷卻器每臺對應1臺機組，額定流量為：單機20 m3/s；機組單機容量31 MW。

（5）電站尾水在冷卻器安裝位置流速按不低于0.2 m/s設計。

設計計算：

（1）設計依據

主要依據傳熱學理論：

（2）傳熱量計算

當每臺機組通過額定冷卻水量，需要通過循環冷卻器將冷卻水從30℃降低到25℃時，計算每臺冷卻器傳熱量：

從傳熱學資料上查得cp=4176 J/（kg·K），ρ=996.3 kg/m2，代入公式（4）進行計算，得傳熱量Φ。

（3）傳熱系數

循環冷卻器的傳熱計算較為復雜，其傳熱系數與鋼管表面傳熱系數、鋼管壁導熱系數、冷卻器外形結構、換熱管材料、直徑及壁厚、管內流體的流速等密切相關，同時，還必須考慮冷卻器運行時間較長后，管內外壁可能產生的污垢熱阻R（根據我公司多年設計及運行數據經驗進行修正）。

鋼管壁傳熱系數36.7 W/m·K，換熱管外徑do=29 mm，內徑為di＝25 mm。

從傳熱學相關資料上查得，在當前溫度條件下，水的物理特性參數。ρ＝996.3kg/m3，cp＝4176 J/（kg·K），λ＝0.618 W/m·K，Pr＝5.42，ν＝0.805×10-6m2/s。

分別代入以上公式，求得傳熱系數為1950～2230（W/m2·K）。

（4）對數平均溫差

按公式（3）分別取不同的河水水溫進行計算，循環冷卻器進口水溫28℃，出口溫度按不高于23℃，計算△t。

（5）換熱面積

根據公式（1），Q=KA△t，得A=Q/（K·△t）

按河水溫度最高18℃時，計算散熱面積A。（6）換熱管長度計算

根據A=πdL，得L=A/πd，計算得散熱管長度L。

經過兩年的運行檢測，循環水池進口溫度最高不大于27℃，出口溫度按不高于23℃，完成滿足設計與現場需求。

4.3.3 尾水冷卻器換熱管排管設計

循環冷卻器在以上換熱計算的基礎上進行外形結構設計，確定換熱管排管尺寸后，按實際布置情況進行換熱面積校核計算。

（1）為利于散熱及防止漂浮物、雜物、泥沙等淤積，換熱管之間間距不能太小；

（2）換熱管單管長度需滿足“長管換熱”的要求，即單管長度盡量≥40d；

（3）冷卻水流程按蛇形回路布置；（4）管路流程數需合理布置，避免水力損失太大；（5）排管布置時，散熱管長度需大于理論計算值，安全系數不小于1.2。

4.3.4 循環冷卻器水力計算

玉田電站循環冷卻器采用并聯布置方式，而且3臺循環冷卻器結構布置及額定流量完全相同，故水力損失計算只需要計算1臺循環冷卻器的水力損失。

水力損失包括沿程損失及局部損失，對于本設備局部損失應為主要損失。

（1）沿程水力損失計算按hl＝0.025×l/d×v2/2 g

hl——沿程阻力損失（mH2O）；

0.025 ——沿程摩阻系數;

l——管路長度（m）；

d——管路直徑（m）；

g——重力加速度，為9.81 m/s2。

（2）局部水力損失計算按hw=ξ×v2/2g

hw——局部阻力損失（mH2O）；

ξ——局部阻力系數，查表《水電站機電設計手冊》水力機械分冊。

因為循環水冷卻器采用多流道排管型式，其內部水流情況較為復雜，按常規水力計算公式進行計算的數據與實際數據有較大差異，根據玉田電站水力損失設計要求及出廠水阻試驗數據報告歸納總結，對循環水冷卻器水力計算結果進行修正，其修正系數根據循環水冷卻器結構型式確定。

經計算，玉田電站每臺循環水冷卻器水力損失約7.5 mH2O。

4.4 尾水冷卻器安裝

尾水冷卻器為非標產品，考慮玉田電站實際情況，將冷卻器安裝在尾水回水轉角處，底部與河渠自由接觸，兩端采取焊接與膨脹螺栓固定，這樣能很好避開尾水沖刷及波動，防止產生共振，保證尾水冷卻器安全可靠運行，保證尾水冷卻器需終年位于最低尾水位（高程為1 082.00 m）水下，保證冷卻效果、防凍、防銹、防漂浮物侵蝕。

4.5 技術供水改造成果（圖3～5）