尾水循环冷却器防冻设计在青羊沟水电站的应用

2017-07-31袁锁年

水电站机电技术 2017年6期

关键词：青羊自流尾水

袁锁年

（甘肃鑫洋水电工程建筑有限公司，甘肃兰州 730000）

尾水循环冷却器防冻设计在青羊沟水电站的应用

袁锁年

（甘肃鑫洋水电工程建筑有限公司，甘肃兰州 730000）

水电站技术供水系统是电站正常运行中必不可少的系统之一，完善可靠的技术供水系统对机组的安全稳定运行起着至关重要的作用。技术供水系统一旦出现问题将会导致机组停运，进而给电站带来较大的经济损失。青羊沟水电站地处海拔2 300 m的高寒山区，多年平均最低气温为零下10.9℃、极端最低气温达到零下35.0℃。如果冬季机组检修全停运时，尾水位很低，导致尾水循环冷却器上部结构外露出水面时将会被冻裂。本文对青羊沟水电站尾水循环冷却器防冻问题进行认真分析后提出了优化设计方案，有效解决了尾水循环冷却器防冻裂问题，从而确保该电站日后的长期安全稳定运行。

青羊沟水电站；尾水循环冷却器；防冻设计应用

1 电站概况

青羊沟水电站是甘肃河西走廊最西端内陆河——疏勒河昌马水库上游流域规划开发的第二座水电站，是一座以发电为主的中型水电站。电站由枢纽、引水系统、发电厂房和输变电工程等组成。电站安装2台23 MW和1台10 MW（“2大1小”）立轴混流式水轮发电机组，总装机容量56 MW，多年平均年发电量2.116亿kW·h，装机年利用小时数3 805 h。

2 电站技术供水系统设计

青羊沟水电站主要技术供水对象包括发电机空气冷却器、推力轴承油槽冷却器、导轴承油槽冷却器、水导轴承油槽冷却器、水轮机主轴密封等用水。

该电站水头范围为114.74～133.42 m，宜采用自流减压供水和清水循环冷却供水等供水方式。

该电站每台大机机组需冷却水量为340 m3/h，小机为170 m3/h，3台机组总冷却水量为0.236 m3/s，在电站额定水头116 m时，冷却水用于发电可获得239 kW的电能。考虑到疏勒河为多泥沙河流，在每年的汛期6～9月水质含沙量大，不能满足技术供水水质要求。

经技术经济比较，最终选定了清水循环冷却供水（耗电225 kW）作为主供水方式，自流减压供水（少发电239 kW）作为备用供水方式。当循环供水系统发生故障时采用自流减压供水方式。

清水循环供水系统的工作原理：

通过循环供水泵将循环水池的水送至厂内供水总管，经设在下游的尾水冷却器降温后，进入机组用水对象进行冷却，冷却后已升温的水又回到循环水池，如此循环运行。这种供水方式的优点是可靠性高，水质有保障，提高了冷却效果，特别是在汛期可显著减轻泥沙对机组冷却器的磨损，延长其使用寿命。

2.1 清水循环冷却供水系统（主供水方式——技术供水）

清水循环冷却供水系统由一个总容积约233 m3清水池（循环水池）、3台WSLQ-200型尾水冷却器、4台KQL200/370—75/4型立式单级管道泵及连接管路组成。其中1台水泵作为备用，其它3台水泵与3台机组对应，起停由机组自动操作程序控制。当任一台水泵故障时备用泵均能自动投入。

清水池（循环水池）的2路补水水源分别来自生活水池（主水源）和DN300厂内自流减压技术供水总管（备用水源），由液位信号器和电磁阀自动操作进行补水。

2.2 自流减压供水系统（备用供水方式——技术供水和消防供水）

自流减压供水方式水源取自每台机组进水阀前压力钢管，经过FZLQ—A—200（PN2.5MPa）型全自动滤水器过滤后，再通过JWN203H—25CDN200型减压稳压逆止阀减压至0.65MPa（出口压力），一路可接入 DN125消防供水总管，另一路再经JWN203H—16CDN200型减压稳压逆止阀减压至0.45MPa（出口压力）后汇入DN300厂内自流减压技术供水总管。

为确保系统安全不超压，在每台减压稳压逆止阀下游依次安装XA500H—25CDN125（一级减压、排泄压力为0.70MPa）和XA500H—16CDN125（二级减压、排泄压力为0.50MPa）型泄压安全阀。当减压阀故障引起供水管道中的压力超过安全设定压力时，泄压安全阀会自动开启快速泄压，保护管路及设备的安全。

3 尾水循环冷却器技术性能参数（见表1）

表1 尾水循环冷却器技术性能参数

4 尾水循环冷却器工作性能与详细技术要求

（1）尾水循环冷却器的本体安装在尾水渠侧墙上。所有浸没在尾水中的金属管路及其他所有部件，包括尾水循环冷却器的固定装置、可拆卸连接螺栓、螺母等均采用不锈钢材料制造，法兰密封垫采用长寿命材料。出厂前、安装后必须按照规程规范要求进行耐压试验和渗漏试验。

（2）尾水循环冷却器的内、外表面在长期运行中应防结垢、防长微生物（采取换热管表面热镀锌处理可有效解决微生物生长），不会因锈蚀而影响正常稳定运行和缩短其使用寿命。

（3）循环冷却器的冷却支管的数量和总长度满足水力损失和热交换效果。

（4）冬季采用自流减压技术供水或机组全停检修时，因尾水位过低、导致冷却器管路局部露出水面，此时应采取可靠措施避免尾水循环冷却器内的积水结冰及冻涨现象发生。

（5）循环冷却系统冬季退出运行时，应操作灵活、简便，并能随时处理循环冷却器内长期运行积累的水垢（如采用小型循环水泵将锅炉专用除垢剂溶液通过自流减压防冻进、出水管路加压注入冷却器内进行循环防垢处理）。

5 冬季自流减压防冻设计在青羊沟水电站中的应用

5.1 循环冷却器安装布置概况及存在的主要问题

青羊沟水电站地处海拔2 300 m的高寒山区，多年平均最低气温为零下10.9℃（每年11月份至来年3月份、气温基本在零下19℃左右），极端最低气温达到零下35.0℃。

青羊沟水电站尾水循环冷却器底座安装基础高程为▽2189.270m，DN200进水管高程为▽2192.250m，DN200出水管高程为▽2 192.750 m，其剖面安装布置图详见下页图1。冬季枯水期1台小机运行时的最低尾水位为▽2 192.345 m，尽管此时尾水循环冷却器的出水管露出水面405 mm，但由于管内存水一直处于循环流动状态，故很难出现出水管路被冻裂。

当冬季3台机组检修全停运时，尾水位降至尾水渠反坡段末端的底板高程▽2 192.154 m处，此时循环冷却器上部的进水管漏出水面96 mm、出水管漏出水面596 mm。在上述低温环境下如不采取任何防护措施，将会导致进、出水管路里的存水长期结冰，进而出现循环冷却器管路冻裂现象发生，这将会严重影响电站日后的正常运行。

5.2 尾水循环冷却器自流减压防冻设计

5.2.1 电站循环冷却系统初始管路设计方案（常规设计方案）

夏季正常运行时，循环水泵将循环水池内的净化水打到DN350水泵循环技术供水总管内，循环水先通过DN200检修控制阀“1241”流进机组尾水循环冷却器，经冷却器冷却后再通过DN200检修控制阀“1242”汇总至DN350尾水冷却器出水汇总管内。此后，冷却水进入机组空气冷却器、各导轴承油槽冷却器等供水对象进行冷却后流经DN350水泵循环技术回水总管后返回到循环水池内。如此反复循环，达到循环供水的目的。

但该供水方式的3台尾水冷却器直接并联在循环技术供水管路中，一旦冬季循环供水系统停用后，各尾水冷却器内的积水均变成无法流动的死水，在冬季长期低温下极易冻裂管路，从而影响来年的机组正常运行。

图1 尾水循环冷却器剖面安装布置图

5.2.2 电站循环冷却系统优化管路设计方案

为解决上述问题，青羊沟水电站在上述初始管路设计方案（常规设计方案）的基础上进行了如下的管路系统优化设计（系统原理图详见图2）。

在尾水冷却器进水总阀“1241”出水侧（阀后）增设一路DN50支管（Y-50型过滤器、DN50检修控制阀“1243”）连接到DN100尾水冷却器冬季自流减压防冻进水总管上（接至DN300厂内自流减压技术供水总管上）；在尾水冷却器出水总阀“1242”进水侧（阀前）增设一路DN50支管（DN50止回阀、DN50常闭工作阀“1244”、DN50常开检修阀“1 245”）连接到DN100尾水冷却器冬季自流减压防冻出水总管上（排至下游尾水渠内）。

尾水冷却器进水管侧因与厂内自流减压技术供水总管相连，故在该支路装设了1台DN50检修控制阀和1台Y-50型过滤器（二次精过滤后可确保进入冷却器的水质最优）。尾水冷却器出水管侧因与下游尾水渠相连，故在该支路装设了1台DN50止回阀（防止尾水倒灌入冷却器后污染水质）和2台DN50检修控制阀（检修或更换“1244”阀门时，只需关闭“1245”阀门后直接进行检修更换工作，而无需借助大功率潜水泵人为降低尾水渠水位后再进行检修更换工作）。

5.2.3 尾水循环冷却器自流减压防冻设计操作程序

夏季正常运行时，开启“1241”、“1242”阀门，关闭“1243”、“1244”阀门。

冬季循环水泵停用、自流减压供水启用时，当机组检修全停或其他原因导致机组全停时，关闭“1241”、“1242”阀门，开启“1243”、“1244”阀门（“1245”为常开阀门）。通过自流减压技术供水管网的有压水带动尾水循环冷却器内的死水实现快速流动后最终排至下游尾水渠，从而避免尾水循环冷却器管路被冻裂。