淺談多泥沙河流電站技術供水系統設計

楊 森，胡 靜，張新萍

（陜西省水利電力勘測設計研究院，陜西 西安 710001）

0 引言

水電站技術供水系統由水源、管網和量測控制元件組成。其任務是經濟合理和安全可靠地保證用水設備對水量、水壓、水溫和水質的要求，其主要服務對象為發電機推力軸承、上導軸承、下導軸承、空氣冷卻器、水輪機水導軸承、水輪機主軸密封和主變冷卻器等，主要起冷卻和潤滑作用。技術供水系統運行狀態異常，將直接導致水輪機發電組、主變等關鍵設備無法正常運行，從而影響水電站發電效益[1]。部分水電站所在河流中泥沙含量大，對金屬的腐蝕性強，技術供水系統的方案選擇與設計至關重要。東莊電站地處多泥沙且腐蝕性強的河流中，針對這一特點，本文對其技術供水系統進行方案設計探討。

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。工程的開發任務是以防洪減淤為主，兼顧供水、發電和改善生態等綜合利用，為Ⅰ等大（1）型工程。發電引水洞為1洞4機方式，主廠房為地下式，4臺機“一”字型布置，裝設兩臺35 MW（大機）及兩臺20 MW（小機）立軸混流式水輪發電機組，電站裝機容量共計110 MW。

東莊水庫利用文涇電站和涇惠渠對東莊水電站的發電流量進行日反調節，使東莊水庫承擔電力系統的調峰任務進行調峰運用。按日調峰4 h～6 h考慮，其余時間（20 h～18 h）按生態基流、工業供水流量、灌溉流量以及棄水流量進行發電。根據實測資料，電站凈水頭（攔沙期/正常運用期）參數見表1。

表1 電站凈水頭（攔沙期/正常運用期）參數表

動能參數（攔沙期/正常運用期）見表2。

表2 電站凈水頭（攔沙期/正常運用期）參數表

1.2 河流泥沙條件及水質

根據資料，水庫上游實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。經過水庫運用，推算的機組過機含沙量見表3；過機泥沙級配見表4；懸移質泥沙礦物成分見表5。

表3 不同運用時期平均過機含沙量 單位：kg/m3

表4 水庫過機泥沙級配表

表5 懸移質泥沙礦物成分表

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

經實地測量及查閱相關資料，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 電站技術供水系統設計

電站技術供水系統的運行可靠性將直接影響機組的安全穩定運行。技術供水系統應根據電站基本參數和各用水對象（包括發電機空氣冷卻器、推力/上導軸承、下導軸承、水導軸承冷卻、水輪機主軸密封以及主變壓器冷卻）的水量、水壓、水溫等參數進行詳細的方案設計。

2.1 機組及主變壓器技術供水量

本電站機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臺大機組采用擴大單元接線，2臺小機組亦采用擴大單元接線，四臺機組總冷卻水量約為1154 m3/h，水壓0.2 MPa～0.4 MPa；2臺主變壓器冷卻水量共計90 m3/h，冷卻水壓0.3 MPa。經初步計算，大機、小機各部分及主變壓器所需冷卻水量見表6。

表6 大機/小機各部分及主變壓器技術供水冷卻水量

2.2 方案選擇

本電站水頭范圍152.04 m～200.92 m，根據《水利水電工程機電設計技術規范》（SL 511-2011）2.8條，東莊電站天然河道汛期泥沙含量較高，泥沙對機組各部冷卻器會產生磨損和堵塞，且水質中硫酸根離子含量較高，對金屬材料具有一定的腐蝕作用，故電站的運行方式為：前5年（攔沙初期）含沙量為0，水質優良，技術供水采用壓力鋼管減壓供水，第6年及以后，清水期技術供水采用壓力鋼管減壓供水，汛期采用密閉循環冷卻供水。供水系統設備包括：減壓閥、清水循環水池、離心泵、濾水器、四通閥、尾水冷卻器和管路系統等。

2.2.1 壓力鋼管自流減壓供水方案

在每臺機組球閥前壓力鋼管上設有取水口，經過濾水器后，一路經減壓供給機組，另一路則接至廠房供水干管，機組以單元供水方式運行，其他取水口作為備用。為確保減壓系統安全不超壓，在每臺機組減壓閥下游安裝DN150泄壓閥。當減壓閥故障引起供水管中的壓力超過安全設定壓力時，泄壓閥會自動開啟快速泄壓，保護管路及設備安全。

2.2.2 密閉循環冷卻供水方案

循環冷卻水循環方式：循環水池→循環水泵→機組各部及主變冷卻→機組尾水冷卻器→循環水池。發電設備在運行過程中，循環水通過循環水泵送到各機組及主變，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的低溫水通過循環冷卻器進行熱交換，使循環水水溫降低到滿足機組冷卻水水溫的要求，然后排回循環水池，以此往復[2]。循環水池的水源取自建設管理站，通過DN200鋼管自管理站沿道路敷設，穿過水庫下游交通橋自流至電站出線平臺，再沿電梯電纜井進入廠房，經過減壓閥減壓至清水循環池。

根據機組用水量參數，考慮循環水的損失和蒸發量，大小機尾水冷卻器設計流量分別為500 m3/h/240 m3/h;機組各尾水冷卻器進水溫度按30℃設計，出水溫度按25℃設計；尾水冷卻器設計壓力1.0 MPa，試驗壓力1.5 MPa，機組冷卻水進口壓力0.2 MPa～0.5 MPa；大小機尾水冷卻器進出口管徑DN125/DN100，所有管道及閥門均采用不銹鋼材質。冷卻器結構為防泥沙淤堵型，冷卻管為螺旋管，有利于泥沙、雜草隨水流流動，可有效的防止淤堵。冷卻器出口總管上設有測溫電阻，運行人員可實時監測換熱冷卻效果。

為增加循環供水的可靠性，采用單元供水方式，每臺機對應2臺循環水泵(一用一備，相互切換)，共計8臺，水泵采用雙吸式離心泵。大小機的循環水泵參數為：Q=382 m3/h/266 m3/h，H=54 m/57 m，N=90 kW/75 kW，水泵的啟停接入機組自動控制系統，根據機組開停機進行自動控制，備用泵在工作泵故障時自動投入運行。

2.3 設備布置

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

3 結論

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