多泥沙条件下向家坝电站技术供水系统分析

2012-07-19胡学龙

水电站机电技术 2012年5期

钟然，陈宙，胡学龙

（向家坝水力发电厂，四川宜宾 644612）

0 引言

向家坝水电站位于金沙江下游，是金沙江梯级开发的最后一级电站。共安装8台单机容量800 MW的水轮发电机组，总装机容量6 400 MW，年发电量307亿kW·h，首台机组计划于2012年10月投产发电。电站水头变幅为86.1m～114.2m，额定水头100m。汛期金沙江泥沙含量高、漂浮物多，机组技术供水冷却管路容易发生堵塞，从而影响机组的正常运行，对技术供水系统的设备选择和运行方式提出了较高的要求和挑战。

1 金沙江泥沙情况

金沙江为多泥沙河流，向家坝坝址多年平均悬移质输沙量2.47亿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。输沙量年内分配极不均匀，沙峰与洪峰对应，汛期输沙量占全年的96%。向家坝电站蓄水发电初期，水库运行前10年平均出库含沙量为0.45 kg/m3，出库粒径为0.021 mm。上游溪洛渡水库建成拦沙后，水库运行前10年平均过机含沙量减至0.24 kg/m3，汛期过机含沙量为0.29 kg/m3。

2 机组技术供水系统概况

向家坝机组技术供水系统采用单机单元自流减压供水方式，蜗壳取水作为主用水源，分两路过滤减压后引至本机组供水干管，两路供水管路互为备用。每两台机组设置一套坝前取水作为备用水源，经过滤减压后接入机组技术供水联络总管，通过联络阀与蜗壳取水主用水源相互备用。

机组技术供水系统简图如图1所示：

图1 机组技术供水系统简图

3 机组技术供水设备特点

3.1 蜗壳取水口

机组进水口拦污栅栅距200 mm，大部分长度或直径小于200 mm的杂物随水流进入压力钢管。蜗壳取水口直径800 mm，设在蜗壳延伸段进口管节外侧斜向下45°，这样设置既保证了过栅流速，又防止停机后泥沙和杂物沉积并堵塞取水口。取水口过栅流速为蜗壳主水流的1/6～1/8，当取水口挂有树枝、水草等杂物时，由于主水流速度远大于侧向取水口过栅流速，悬挂的杂物将被高速主水流冲走，确保了取水口的通畅。

取水口拦污栅的11根栅条由扁钢焊接而成，栅距40 mm。栅条采用顺水平条式布置，正面迎水面积小、强度大，最大限度地降低了杂物在栅条上悬挂和堵塞的可能。

3.2 滤水器

尽管蜗壳取水口拦污栅能够拦截部分粗大的杂物，但仍有大量杂质进入供水系统，除了有效地清除杂质，在保证不影响供水能力的前提下，还应采取防止泥沙和杂物淤塞的有效措施，以保证滤水器安全可靠运行。

滤水器采用自贡真空滤水器公司的DLSI-500复合刮板式全自动滤水器，额定流量2 100 m3/h，额定压力1.6 MPa。为防止堵塞减压阀，滤水器设置在其之前，采用上进水、下排水方式，立式安装多个滤筒，其表面密布φ4 mm的过滤小孔。滤筒将滤水器内腔分为清水腔和浊水腔，与滤筒的内表面相通的为浊水腔，与滤筒外表面相通的为清水腔。蜗壳取水后的浊水，经上入口进入浊水腔，大于过滤小孔直径的杂质被截留，穿过滤孔的清水在清水腔汇合，从下出水口流出。

滤水器结构如图2所示：

图2 滤水器结构

滤水器共安装18个滤筒，有效过滤面积为入口面积的7倍以上，反冲洗频率低，并且显著缩小了过滤器的体积。具备自动清洗时继续供水的功能，利用自身过滤出的清水，自动逐次反冲洗滤网，同时其它过滤单元仍在继续工作，连续供水的能力保证了机组的持续不间断运行。

3.3 减压阀

机组技术供水两级减压主管路采用以色列多若特减压阀，型号30I-20-ISOPN16-PR。减压阀随管道压力启动，由导阀自动控制主阀开度，保持出口压力和流量稳定。导阀的控制回路对水质要求较高，配备有自清式过滤器。在水质较差的情况下，杂质会逐渐附着在过滤器滤网表面，最终堵塞过滤器使控制回路失去作用。基于这种情况，用清水强制定时自动冲洗成了有效的方法。

正常工作状态时：水由左进右出。上游压力水由过滤器过滤后进入导阀和减压阀控制腔，此时电磁阀b均处于失电关闭状态；

反冲状态时：上方管路水右进左出。需要反冲的过滤器的控制电磁阀b励磁，控制三通阀打开排空阀a，上游压力水经下方过滤器过滤后，一部分冲洗上方的过滤器，杂质通过三通阀a排出；另一部分净水仍进入主阀和减压阀控制腔。

图3 减压阀控制回路过滤原理

3.4 空冷器

发电机空冷器长期运行在多泥沙冷却水环境下，一方面可能造成冷却水管的堵塞，另一方面会对水管内壁造成磨损和腐蚀，使管壁变薄甚至发生泄漏，危及发电机的安全运行。普通冷却水管材质多是紫铜或黄铜。紫铜即铜单质，强度和硬度较差，泥沙的高速冲刷将不断磨损管壁并将其变薄，磨损和腐蚀速度随水流速度和含沙量的增加而迅速升高。黄铜为铜锌合金，在运行中存在脱锌的腐蚀现象，管壁产生许多针孔大的小孔，容易产生泄漏事故。

向家坝发电机定子机座圆周布置20个水冷式空气冷却器，采用德国基伊埃（GEA）热交换器系统，散热部件为凸制铝片。冷却水额定流速1.5 m/s，利用高速水流来防止悬浮物的沉淀。冷却管采用90/10铜镍合金，导热性能好，抗泥沙冲刷和防化学腐蚀能力远强于前两者，适合于向家坝冷却水流速快和泥沙含量高的运行环境。

4 技术供水系统排污冲淤方式

4.1 蜗壳取水口冲洗

蜗壳取水口拦污栅栅距较小，水中的树枝、水草或塑料袋等可能卡阻在拦污栅处，影响机组冷却效果，需要采取措施清除杂物。

当运行机组进水口压降较大，取水口堵塞严重时，开启机组联络供水总管与机组技术供水干管与之间的联络阀DF10，由来自坝前取水口的备用水源供水；关闭蜗壳进水口阀门201或滤水器前电动阀，随着反水锤的反向冲击和蜗壳内的主水流的高速冲刷，拦污栅杂物将被清除，可基本恢复取水口压力和流量，解决了在机组不停机检修的情况下快速清除蜗壳取水口杂物的问题。

4.2 滤水器排污

滤水器设定自动和手动两种运行模式。在自动运行模式下，根据设定的冲洗时间间隔（定时）或进出水口压力差（差压）进行自动在线排污。采用漂浮物和沉积物分别排污，双排污相互连锁，有效地将进入滤水器的大量泥沙、杂草、污物等通过漂浮物排污阀和沉积物阀分别排放，避免泥沙和污物的堵塞。技术供水自动过滤在线运行，是技术供水系统的必要装置，尤其适用于“无人值班，少人值守”的场合。

4.3 供排水管路正反向倒换

当轴承冷却器或空冷器发生单向堵塞时，通过正反向倒换来改变水流方向，对堵塞在冷却器管路内的杂物实施有效的反冲刷。在供排水总管上设置两个三通电动球阀，由电动驱动装置带动三通球阀转动90度，即可改变水流方向，完成了传统的利用4个阀门配合操作来改变水流方向的工作，减小了运行人员的工作量和操作风险。

5 存在的问题

（1）滤水器的反冲洗水流进入下腔时断面突然扩大，流速减缓，泥沙和杂质容易沉积在滤水器罐体底部，由于底部没有设置排淤口，长期运行后可能会淤积、板结和锈蚀，影响过滤和排污效果，增加了检修工作量。

（2）滤水器滤筒的滤网小孔φ4 mm，水中除颗粒直径远小于1 mm的泥沙外还含有多种杂物，当长条软带、塑料袋、树枝等卡阻在网孔中，因滤筒内部没有可自动旋转的刮刀来强制剪切、刮削嵌入网孔的杂物，只依靠反冲洗水流是否能达到预定效果，需要进一步观察和检验。

（3）减压阀导阀的控制回路对水质要求高，前置有两个导阀过滤器，定时自动反冲洗清污，避免杂质进入到控制回路，从而影响导阀的精确控制功能。减压阀前滤水器的滤孔φ4 mm，而导阀过滤器过滤精度较之更高，大量杂质将附着在导阀过滤器滤网表面。汛期江水泥沙和杂质含量大，若滤网表面迅速堵塞，而过滤器由于定时器设定的时间未到无法反冲洗清污，导阀过滤器将完全堵塞，减压阀失效。因此过滤器定时反冲洗清污的时间设定需要随水质周期性的变化而改变。