荒溝抽水蓄能電站技術(shù)供水系統(tǒng)的設(shè)計

任哲明，李永恒

（中水東北勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司，吉林 長春 130021）

1 概述

荒溝抽水蓄能電站位于黑龍江省海林市境內(nèi)。電站距牡丹江市130 km，距蓮花壩址43 km。電站由上水庫、輸水系統(tǒng)、地下廠房、下水庫、地面開關(guān)站及副廠房系統(tǒng)組成。上、下水庫水平距離約2 500 m。輸水系統(tǒng)：引水系統(tǒng)長約1 700 m，采用2 洞4 機的布置方式，共在上平段設(shè)有2 個上游調(diào)壓井；尾水系統(tǒng)長約1 300 m，也采用2 洞4 機的布置方式，共設(shè)有2個尾水調(diào)壓井。電站裝有4 臺單機容量為300 MW 的水泵水輪發(fā)電機組，電站總裝機容量為1 200 MW。機組水輪機工況水頭范圍為：444.75～404.38 m，水泵工況水頭范圍為：455.55～419.44 m，年發(fā)電1 530 h，年抽水2 008 h，建成后承擔(dān)黑龍江省及東北電網(wǎng)的調(diào)峰、填谷、調(diào)頻和事故備用任務(wù)。

2 技術(shù)供水方式選擇

荒溝抽水蓄能電站的下庫為蓮花水庫，常年水質(zhì)較好，含沙量低，因此不考慮熱交換器密閉循環(huán)二次冷卻的方式。根據(jù)水頭及本工程實際情況，可以采用的供水方式有：尾水自流減壓取水，尾水取水閉式循環(huán)水泵供水。

方案一：從機組尾水管取水，自流減壓供水方案。即：利用尾水水壓自流減壓供水，技術(shù)供水排水至集水井，然后用水泵將集水井內(nèi)的水排至尾水事故閘門后（下水庫側(cè)）的尾水洞內(nèi)。

方案二：從機組尾水管取水，水泵增壓供水方案。即：從尾水管取水，經(jīng)水泵增壓后，向用戶供水。冷卻水的排水經(jīng)排水總管排至尾水事故閘門前（機組側(cè)）的尾水洞內(nèi)。

方案一須在廠內(nèi)設(shè)置足夠容量的集水井，加大廠房結(jié)構(gòu)開挖，且機組運行時，若集水井內(nèi)排水泵出現(xiàn)故障，可能引起水淹廠房事故，同時增加了廠用電耗電量，其經(jīng)濟性及安全性均較差，故不采用。而方案二為閉式供水系統(tǒng)，具有安全可靠的優(yōu)點。

綜上所述，確定機組技術(shù)供水方式采用方案二。即機組技術(shù)供水系統(tǒng)機組技術(shù)供水采用水泵單元供水方式。為防止調(diào)相壓水空氣進入技術(shù)供水管路，在每臺機組尾水閘門前（主廠房側(cè)）設(shè)一取水口取水，由水泵加壓，經(jīng)濾水器過濾后供至各供水用戶，最終排水至相應(yīng)機組尾水管肘管段。每條輸水隧洞內(nèi)的兩臺機組之間預(yù)留性能試驗排水管，取水口和排水口的間距76 m 左右，以防止形成熱短路。由1 號、4 號機組尾水事故閘門后（下游水庫側(cè)）的尾水洞內(nèi)取水聯(lián)絡(luò)成全廠公用供水總管，每臺機組的技術(shù)供水備用水源和全廠公用供水用戶均取自該總管。全廠每臺機組設(shè)2 臺技術(shù)供水泵，1 臺工作，1 臺備用。每臺機組配2 臺自動濾水器，1 臺工作，1 臺備用。主軸工作密封供水主水源取自機組單元技術(shù)供水總管，經(jīng)水泵加壓并經(jīng)過濾器過濾后供至主軸工作密封；備用水源取自進水閥上游壓力鋼管，采用減壓供水；設(shè)置4 臺水泵、8 臺自動濾水器（4 臺工作，4 臺備用）、4 臺主軸密封濾水器、4 只減壓閥。全廠公用供水系統(tǒng)由全廠公用供水總管取水，經(jīng)濾水器過濾后供至各用戶，設(shè)置2 臺自動濾水器，1 臺工作，1 臺備用。主變空載供水采用水泵單元供水方式，每臺主變設(shè)置2 臺空載供水泵，1 臺工作，1 臺備用；全廠的4 臺主變的空載技術(shù)供水排水管設(shè)1聯(lián)絡(luò)總管貫穿全廠，當(dāng)1 臺機組檢修時排水至其他機組的尾水管內(nèi)。技術(shù)供水濾水器安裝在水泵出水側(cè)，排污至尾水管內(nèi)，全廠公用濾水器排污至滲漏井內(nèi)，主軸密封用濾水器排污至滲漏井內(nèi)。空壓機的冷卻用水取自全廠公用供水總管，自流排水至滲漏井內(nèi)。

3 系統(tǒng)設(shè)計

荒溝技術(shù)供水系統(tǒng)分為機組技術(shù)供水系統(tǒng)和全廠公用供水系統(tǒng)。機組技術(shù)供水用戶包括：發(fā)電電動機空氣冷卻器、上導(dǎo)軸承、下導(dǎo)軸承、水導(dǎo)軸承、主軸密封、上下止漏環(huán)和主變滿載。全廠公用供水用戶包括：機組的備用取水、主變空載、中壓空壓機冷卻水、引水隧洞充水、機電設(shè)備消防、建筑消防、建筑空調(diào)冷卻供水、生活供水等。根據(jù)廠家的要求，球閥、調(diào)速器的回油箱和SFC 沒有供應(yīng)冷卻水。各用戶的用水量見表1。

表1 技術(shù)供水用戶參數(shù)表

荒溝的技術(shù)供水間接取自下水庫，下水庫的水溫在不同的季節(jié)平均水溫會有差異，在水溫低的時候較低的流量即可滿足冷卻要求，在水溫高的時候需要較高的流量滿足冷卻要求，同時機組的運行對泵的流量要求能在一定范圍內(nèi)變化，在不同季節(jié)需要調(diào)節(jié)手動流量調(diào)節(jié)閥，盡量保證管路處在滿流狀態(tài)，以保證管路上自動化元件的正常測量，技術(shù)供水流量總的來說較大。雙吸泵相當(dāng)于兩個相同直徑的單吸葉輪同時工作，在同樣的葉輪外徑下流量可增大一倍，恰好滿足上述要求。

水泵揚程選擇方面，供、排水均連接尾水，只需克服閉式技術(shù)供水管路水力循環(huán)所需克服的水力損失，理論上發(fā)電機空冷支路距離供排水管的進出水口最遠端的兩臺空氣冷卻器為整個系統(tǒng)所需揚程最大的用戶，即水泵揚程的控制點，因此選擇水泵主要看水泵的揚程以及流量對應(yīng)的曲線是否符合要求。綜上所述所需泵的揚程相對不高，揚程根據(jù)流量的變化而變化，因此技術(shù)供水泵應(yīng)選擇性能曲線較平滑的泵型，可以適應(yīng)不同流量、揚程的工況。各水泵的具體參數(shù)見表2。

表2 技術(shù)供水泵參數(shù)表

水泵選擇臥式水平中開布置，具有利于泵和進出水管的布置與安裝、噪音低等優(yōu)點，缺點是需要較大布置空間，但本工程水泵布置在蝸殼層上游側(cè)，上游側(cè)還布置進水主閥，主閥的體積較大，所以水泵的尺寸不會成為廠房的控制尺寸。為了防止技術(shù)供水水泵停機時反轉(zhuǎn)，在水泵出水管上裝設(shè)止回閥。

考慮到主變在機組處于停機、檢修狀態(tài)等長時間連續(xù)處于空載狀態(tài)，需要長時間連續(xù)供應(yīng)冷卻水，設(shè)計單獨配置立式離心泵為其供水。立式離心泵占地面積小，剛好滿足主變冷卻水流量不大，水泵布置在機組蝸殼層的左側(cè)或者右側(cè)廊道內(nèi)空間相對有限的要求。

技術(shù)供水必須保持一定的壓力，壓力過低時不能維持要求的流量，壓力過高時可能使用水設(shè)備損壞，甚至擊穿用水設(shè)備，導(dǎo)致水淹廠房。荒溝抽水蓄能電站淹沒深度較大，機組的吸出高度為-65 m，供水設(shè)備所承受的尾水的靜水壓力比較大。機組技術(shù)供水系統(tǒng)工作壓力為1.0～1.2 MPa；全廠公用供水系統(tǒng)工作壓力為0.65～1.4 MPa。根據(jù)工程調(diào)保計算結(jié)果，尾水進口處最大壓力在1.6 MPa 左右。故要求管路、閥門耐壓等級有一定安全裕量，因此技術(shù)供水系統(tǒng)（包括與之連接的檢修氣系統(tǒng)）除特殊位置外，大部分采用2.5 MPa 等級的冷卻器、管路、閥門、管件及自動化元件。

由于主軸密封供水所需壓力、水質(zhì)要求均高于機組技術(shù)供水，機組技術(shù)供水不能滿足其需求，故主軸密封供水單獨設(shè)置。主軸密封供水主水源采用增設(shè)加壓泵供水，加壓泵取水取自機組技術(shù)供水干管，經(jīng)過機組技術(shù)供水濾水器過濾后再經(jīng)過精密濾水器過濾，來滿足壓力、水質(zhì)、流量等要求。備用水源采用壓力鋼管自流減壓供水作為備用水源的方式，取自進水閥前壓力鋼管段，經(jīng)過兩臺精度不同的濾水器后供機組主軸密封使用，主軸密封供水泄壓部分取自減壓閥后，連接到尾水管肘管段。

止漏環(huán)供水支路直接取自技術(shù)供水，本支路技術(shù)供水直接供給到轉(zhuǎn)輪的上下止漏環(huán)和頂蓋底環(huán)上的固定止漏環(huán)間，與轉(zhuǎn)輪上冠下環(huán)相連接，此處的壓力較高，因此支路的末端至止回閥（包含止回閥）前，采用4 MPa 等級的壓力管路。荒溝的水質(zhì)相對較好主機廠并未提出加裝濾水器。本支路需要參與機組的自動化控制中，因此加裝了電動閥門，電動閥門應(yīng)選擇力矩較大的閥門，這樣可以保證閥門的快速啟閉，快速響應(yīng)機組的啟動和停機。

在管路的管徑選擇方面，管徑的選擇與流速、流量相關(guān)，由式(1)可知在流量要求一定的情況下管徑只與流速有關(guān)。由式（2）、式（3）、式（4）可知，管路的沿程水損和局部水損均與流速的平方成正比關(guān)系。每提高約40%的流速，揚程需要提高1 倍，水泵等設(shè)備的投資和廠用電的消耗均成倍增加。因此盡量把流速控制在1 m/s 左右。管路采用外徑系列1 的通用管徑，對應(yīng)配套系列1 的管件。

全廠技術(shù)供水總管上布置有溫度變送器、溫度計、壓力表和壓力變送器，排水總管上布置有電磁流量計，各個軸承支路供水側(cè)均布置有壓力表，排水側(cè)均布置有電磁流量計，壓力表和溫度計。水導(dǎo)軸承、主軸密封、止漏環(huán)供水支路單獨布置有示流信號器。各個濾水器前后均布置有差壓變送器。每個供水支路均設(shè)有節(jié)流孔板或流量調(diào)節(jié)閥來保證每個支路的流量都能滿足設(shè)計要求。各支路既可以在現(xiàn)地監(jiān)測，也可以在線監(jiān)測溫度、壓力、流量等參數(shù)，及時監(jiān)測設(shè)備的異常狀態(tài)并采取一定措施。每臺水泵的進、出水口均布置了壓力表，在出水側(cè)還布置了壓力信號器，用來檢測管路的壓力，出現(xiàn)異常情況下及時停泵。濾水器的排污管路、中壓空壓機冷卻水供水支路、主軸密封備用供水支路、上下止漏環(huán)供水支路、主變的（空載、滿載）支路均設(shè)有電動閥門，隨機組、用水設(shè)備的工況轉(zhuǎn)換而自動控制相應(yīng)支路的開閉。

4 結(jié)語

本文主要從荒溝抽水蓄能電站技術(shù)供水系統(tǒng)的設(shè)計、設(shè)備選擇、設(shè)備布置等3 個方面淺析荒溝抽水蓄能電站的技術(shù)供水系統(tǒng)的設(shè)計方案。荒溝抽水蓄能電站技術(shù)供水系統(tǒng)按照無人值班少人值守的原則配置，保證機組正常啟動、停機和工況轉(zhuǎn)換（包括抽水、發(fā)電和調(diào)相等）下機組的技術(shù)供水，使技術(shù)供水除自動操作外，也可手動操作；并保證技術(shù)供水在系統(tǒng)中處于備用狀態(tài)時，可隨時啟動投入，保障機組安全穩(wěn)定的運行。