浅析呼河青年渠首水电站油气水系统的设计优化
2017-04-16朱建利刘世勇
贾 玻,朱建利,刘世勇
(新疆昌吉方汇水电设计有限公司,新疆 昌吉 831100)
浅析呼河青年渠首水电站油气水系统的设计优化
贾 玻,朱建利,刘世勇
(新疆昌吉方汇水电设计有限公司,新疆 昌吉 831100)
阐述了呼图壁河青年渠首水电站技术供水系统、技术排水系统、油气系统的,根据机组的特点,对引水系统的设计进行了优化,对工程造价的降低、提高电站综合效益有很大的意义。电站投产以来,机组运行正常,说明设计优化是合理的,因此本文可为日后类似小型水电站的设计提供参考。
水电站;油气水系统;设计优化
呼图壁河青年渠首水电站位于呼图壁县境内的呼图壁河青年渠首下游 750 m处。电站设计水头18.5 m,装机容量4 500 kW,最大设计引水发电流量为30 m3/s,由引水系统和厂区建筑物组成,属低水头引水式电站。电站厂房布置在呼图壁河右岸一级阶地上,上下两层,由下至上依次为水轮机层和发电机层。该电站装设三台立式水轮发电站机组,水轮机型号为 ZDJP502-LH-120,配套发电机型号为SF1500-12/2150,单机容量1 500 kw,水轮机调速器型号为 YWT-1000。
1 油气水系统概述
1.1 技术供水系统
本电站机组技术供水的主要对象是为发电机径向轴承冷却器和机组径向推力轴承冷却器提供冷却水。技术供水的方式主要有两种,一种是修建储水池建立水循环系统,另一种是由压力管道直接取水[1]。本电站水头为 18.5 m,且技术供水用水量较小,故采用从压力管道 取水的供水方式。本站的技术供水首部位于水轮机层,采用单元取水方式,即分别从各自的 蜗壳进水管顶部取水,经第一级滤水器处理后汇入技术供水总管,通过阀门使得各系统间相 互联通,互为备用。从技术供水总管引出后,在靠近各自机墩位置处设置二级滤水器和管道 加压泵,使得进入冷却器的水压力达到 0.2 MPa,冷却后的水最终由排水管直接排至尾水池。
1.2 技术排水系统
本站排水系统主要由渗漏排水管和检修排水管组成,排水系统采用的是小型水电站中最为常见的集水井方式。集水井位于水轮机层(安装间下方),容积120 m3,配备两台卧 式离心排污泵(一备一用)座于集水井之上,水泵的充水管直接与技术供水管路连接,可随时启动。水泵的启停由液位控制仪控制,自动化程度较高。集水井所在位置处场地开阔,便于水泵机组的安装和检修。
(1)渗漏排水。本站机组的渗漏排水主要有水轮机顶盖漏水和厂房渗漏水。由于顶盖渗漏水量较小,直接布设渗漏排水管网将渗漏水直接排往集水井。在沿水轮机层墙体位置处周 圈设置宽 0.2 m,深 0.2 m的集水槽,槽底向集水井方向找坡,可使厂房渗漏水沿着集水槽 排至集水井。
(2)机组检修排水。由于本站采用的是钢衬混凝土蜗壳,尺寸较大,故在蜗壳前没有设置进水阀。机组检修时,先将前池进水室控制闸门关闭,待蜗壳中水流静止时,同时关闭水轮机导叶和尾水检修闸门,使得蜗壳、尾水管与尾水池相对独立。此时,蜗壳内的水可通过检修排水管网排至集水井,而尾水管内的水可通过潜水泵(安放在预留好的泵坑内),将水直接排至尾水渠。这样设计的好处一是可以减小集水井的容积,减小土建投资,另一个好处就是可以减小离心排污泵的工作时间,从而降低运行管理的费用[2]。同时,利用潜水泵可将尾水管底部积水抽排干净,便于尾水管的检修。
随着水电事业的蓬勃发展,越来越多的新技术、新产品被运用到水电工程中来,射流泵就是一种新型的排污泵。由于射流泵没有运动部件,具有结构简单、工作可靠、节约能源、费用低廉以及运行管理方便等诸多优点,在电站的排水系统中应优先选用[3]。目前本站投产时间不长,先采用离心泵,待本站进行技术改造时再改用射流泵系列产品。
1.3 水电站的油气系统
透平油主要用于机组轴承润滑和调速器操作,绝缘油用于变压器。本站装机容量较小且只有3台机组,透平油与绝缘油用量较小,故采用1.0立方米的储油桶来代替通常采用的固定式储油罐。本电站规模较小,绝缘油过滤机会较少,绝缘油与透平油净油经清洗后,可合用一套过滤设备,故选用一台型号 LY-50 压力滤油机。为便于在接收新油、设备充填、更换油时输油,选用一台φ25 mm手摇式油泵代替常规的固定式油泵。
小型水电站低压空气系统主要为机组制动、厂内清扫、维护检修提供用气。本电站装设立式水轮发电机组,停机时采用油压制动。根据本电站实际情况,取消了低压空气系统。厂内清扫、维护检修等用气由一台型号为 Z—0.036/7 移动式空气压缩机提供。小型水电站高压空气系统仅为向油压装置的压力油罐充气。本电站选用 YWT-1000 型调速器。该型调速器油压装置配备有自动补气阀,运行时可自动向压力油罐充气,因此无需设置高压空气系统[4]。
2 引水系统的设计优化
2.1 首部枢纽的优化设计
此小型水电站利用上级水电站尾水池的有压引水箱涵取左岸取水口引出尾水,引水箱涵的制作形式主要采取地下室暗涵的做法,在设计过程中要求长32 m,宽7 m,高3 m,主要采用钢筋混凝土制作而成,中间分别设置有二个孔洞,每一个孔洞的设计标准为宽2 m,高2 m。在沉沙池下游主要设置有钢筋混凝土引水箱,为了保证其具有一定的密实度,在建设过程中可以利用砂卵石进行分层碾压,为了保证其稳定运行可以在底部开设盲沟用于排水,在需要水经过的区域利用混凝土进行浇筑,提高其整体性能[5]。由弼石沟流过来的水要在沉淀泥沙后到达左岸取水口,从而与上级水志站尾水汇合一处再进入小型水电站的引水隧洞。
2.2 引水隧洞的优化设计
在设计此小型水电站引水系统时还需进一步考虑引水隧道的结构,可以改变原来引水隧洞的结构形式,调整为城门洞形的无压隧洞,再调整城门洞形无压隧洞的设计大小,要求低宽3 m,直墙高3 m,纯净高度达到4米,同时要求整个隧洞的进口底板高程不能大于2 300 m,要求采取钢筋混凝土衬砌隧洞,为了保证其坚固耐用,可以再利用围岩对其进行加固,为了保证隧洞在运行中安全坚固,也可以采取锚杆与固结灌浆的做法进一步加强引水隧洞的结构强度。笔者认为,在设计过程中还需兼顾有压与无压隧洞的妥善连接,防止此小型水电站在运行过程中由于上级水电站的负荷不断加大导致此水电站出现无压隧洞封顶的现象,可以在有压隧洞与无压隧洞的结合部位建设侧堰溢流建筑和溢洪道,同时改变施工支洞的性质,使其成为泄洪洞,从而保证其安全运行。
2.3 泄水隧洞的优化设计
为了保证此小型水电站的安全运行,需要改变施工支洞的性质,使其成为泄水隧洞,在设计时需要考虑水流方向,因此可以设计为垂直引水隧道,这种形式有利于溢流下泄的多余水进入冲沟当中,再接着进入主河中从而可以有效保障小型水电站的稳定运行。在设计溢流侧堰与泄水隧洞时要参考机组全甩负荷工况的泄流量,为了可以及时调整洞室的横向宽度,有利于洞室在实际施工中的稳妥进行,要兼顾侧堰的作用只是应用小型水电站甩负荷需要泄流时才发挥一定的作用,因此在设计过程中可以将其设计为薄壁堰的形式,保证堰顶高程与正常水位相比不得小于0.1 m,这种设计有利于保证小型水电站在全负荷运行时的安全。再有,还需认真考虑设计溢流堰泄水陡槽部位的泄水隧道,笔者认为为了保证小型水电站的平稳运行,可以改变隧洞的形式设计为城门洞形,要求达到底宽2 m,纵坡8%,那么在泄流量突破16.88 m3/s时可以将泄洪隧洞中的水的深度降低在1米,则整个小型水电站引水系统的稳定运行不受影响。
3 设计优化后的成效
在设计过程中,小型水电站的有压隧洞的底坡应该属于无压过渡部位,使上级水电站与此级水电站在此部位实现无压引水与有压引水的稳妥过渡,要求设计为长100 m,底坡12%,前81 m,在它后面还需设计一段地势较平的部位,约为20 m,要求断面大小必须保持相同于有压隧洞的断面大小。在充分考虑成熟后,设计小型水电站的引水系统,底部栅栏坝的底宽扩大为6 m,沉沙池的宽度也扩大为8 m,实际可以承受水深达到了5 m。利用全面优化设计型水电站的引水系统,有利于施工单位的顺利施工,节省了施工时间,提高了工作效率,技术人员在经过全面计算后认为在小型水电站使用无压隧洞,一旦上级水电站丢弃负荷那么有压隧洞可以保证在12 min内维持现状,利用这一时间,小型水电站完全有能力应对上级水电站出现的各种故障,这一设计方案相比于原来的设计方案,不但可以缩短施工时间,减少施工工作量,而且也可以提高工程质量,可以保证此小型水电站管理与机组的安全运行。
油系统采用简易的贮油设备,绝缘油与透平油合用一套滤油设备,采用手摇油泵,节省了油系统设备投资,简化了管路系统,并满足电站正常工作的需要。另外由于取消了高、低压气系统,且简化了管路,大大节省了设备投资,减少了设备检修维护工作量。机组停机时,采用液压制动(压力油源取自调速器压力油箱),设备简单、工作可靠、检修方便。移动式空气压缩机操作灵活,可满足日常清扫等要求。技术供水采用单元取水,各单元通过供水干管联接,互为备用,使得技术供水保证率得到提高。同时采用二次过滤加压的方式,既提高了技术用水的水质又保证了供水压力。排水系统采用离心泵+潜水泵的组合形式,操作简单、检修维护较为方便,目前各辅助设备工作正常,机组运行正常,说明设计优化是合理的。
4 结语
综上所述,在小型水电站设计中,结合机组的特点,对油气水系统进行设计优化。降低建设和运行成本,设计优化后的总投资(土建+设备)可较设计优化前减少6%左右,后期运行管理费用较设计优化前可减少8%左右,得到优化设计的电站发电以来运行良好,提高了电站的综合效益。
[1]沈宽勇.引水式水电站设计研究[J].河南水利与南水北调.2014(04).
[2]王超,陈立秋,郝利勋.双沟水电站厂房布置设计[J]. 东北水利水电. 2015(10).
[3]杜双全. 试论优化设计工作的重要性[J]. 水利水电施工. 2010(05).
[4]付欣,郑军,张小涛,等.双沟水电站引水系统设计探析[J].东北水利水电. 2014(09).
[5]宋寅,漆文邦,游红平. 知木林水电站首部枢纽设计方案优化探讨[J]. 西北水电. 2012(01).
2017-01-17
贾玻(1984-),男,新疆米泉人,工程师,主要从事水电站设计方面工作。
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1004-1184(2017)03-0237-02