老挝南湃水电站技术供水系统技术改造

2018-09-14王志强王国鹏

水电站机电技术 2018年8期

王志强，王国鹏

（1. 北方国际合作股份有限公司，北京100040；2. 成都鸿策工程咨询有限公司，四川成都610072）

1 工程概述

南湃（Nam Phay）水电站位于老挝万象省北部Phoun区，坝址位于南俄河（Nam Ngum）支流南湃河（Nam Phay）上游峡谷，南俄河（Nam Ngum）是湄公河的1级支流。电站厂房位于南乐克河右岸。2009年7月中国北方国际合作股份有限公司与老挝政府签订项目开发谅解备忘录，以BOT型式开发该项目。该项目是北方国际在海外投资的第一个BOT水电站，项目总投资2.18亿美元。中央电视台将其作为“一带一路”标志性项目，进行专题报道。该电站于2017年5月投产发电。

水库正常蓄水位1 140 m，设计洪水位1 141.7 m，校核洪水位1 143.49 m，水库总库容2.059亿m³，调节库容1.326亿m³，电站安装2台冲击式水轮发电机组，总装机容量86 MW，多年平均发电量约4.19亿kW·h，年利用小时数4 878 h。本电站特点为“大库容、小流量、长引水、高水头”，主要任务为发电。

2 问题诊断

电站技术供水系统单机冷却水量为400 m³/h，冷却水进口温度≤30ºC。之前，电站冷却水采用尾水取水单元供水方式，每台机采用2台长轴深井泵取水，一主一备，轮换使用，水泵设计流量Q=450 m³/h，扬程h=50 m，电机功率P=90 kW。2台机在初始运行阶段（前期10多天）各部温度都在制造厂和规范的要求范围内，经观察运行记录发现机组各部温度在机组运行10多天后，每天都在缓慢上涨，直到机组不能安全运行。现场检修人员拆开机组各部冷却器后，发现冷却器内部不但有泥沙敷着在冷却管内壁，还有化学结晶物敷着在管路和冷却管内壁。检修人员在清洁冷却器的同时，也重新清理了2台机水泵取水坑的的泥沙，检修后的前几天各部温度也正常，但随着运行时间的加长，各部温度又出现了缓慢爬升的情况。

另外，现场测得机组进水主管压力为0.25 MPa，机组排水总管压力为0.05 MPa，其冷却器水力损失达0.2 MPa。

检修时期冷却器被泥沙淤堵情况见图1。

图1

因此，基本确定水质差是造成以上问题的主要因素。本电站所在流域河水的硬度高，水中Ca、Mg等离子大量存在，易在机组各冷却器铜管内壁形成水垢，影响冷却器冷却效果，导致机组不能安全运行。

电站原技术供水流向示意图如图2：

图2

3 改造方案

3.1 系统方案比较

要解决本电站技术供水系统存在的问题，主要是解决技术供水系统水质问题，解决水质问题有以下方案：

（1）采用密闭循环供水方式

系统组成：系统由循环水池及补充水源、供水泵、水泵控制柜、尾水冷却器、管路、阀门、机组各冷却器（包括空气冷却器、各轴承油冷却器等）及各种表计、自动化元件等。

工作原理：水泵从循环水池内抽水，送至布置在电站尾水渠内、最低尾水位以下的尾水冷却器，通过尾水冷却器与温度较低的电站尾水进行冷热交换作用后温度降低，然后送至机组，吸收机组运行产生的热量后，又排回循环水池。冷却水采用清洁水，在一个往复循环的系统中，通过流动的温度较低的天然河水带走机组运行产生的热量。

特点：冷却水采用满足要求的清洁水循环使用，可防止机组冷却系统内部的堵塞、结垢、腐蚀、水生物等，从根本上解决电站技术供水系统水质问题。

（2）建高位沉淀水池自流供水方式

系统组成：系统由高位沉淀水池、排污道、供水泵及水泵控制柜、滤水器、管路、阀门、机组各冷却器（包括空气冷却器、各轴承油冷却器等）及各种表计、自动化元件等。

工作原理：在高位（高于发电机层，高程约50 m）建沉淀水池，水泵自尾水抽水，经滤水器过滤，然后压至高位水池沉淀后，再向机组自流供水的方式。

特点：冷却水取自电站尾水，经滤水器过滤、沉淀池沉淀后，能去除水中大部分杂物、泥沙，但是对水中的悬移质、矿物质作用有限，无法解决结垢问题，遇到水质条件差时，滤水器还易发生堵塞；自流供水高位水池所需容积较大，水池水位监测必须保证可靠，需人员定期巡视；需建排污道，定期进行排污；故该方案不仅工程施工难度较大、工程投资较大，且增加了运行维护工作量。

因此，南湃水电站采用密闭循环供水方式较为适合。

3.2 实施方案比较

密闭循环供水系统一般有2种方式实现：

（1）无循环水池的全密闭循环

该循环供水系统无循环水池，主要由水泵，膨胀水箱，外冷却器和机组冷却系统组成。机组冷却排水直接进入水泵吸水管，经泵加压后，送至尾水冷却器冷却降温，又送入机组。

该系统特点是管路及设备布置更简单、减小了系统水力损失、膨胀水箱容积较小（一般为1～3 m3，设置在高位，主要起排气、恒压、补水等功能），减少了建循环水池的工程量，缺点是因为系统采用全密闭形式，循环水体容易缺氧变质，如果系统有渗漏，易发生补水不及。故全密闭循环方式一般适用于厂内或厂区无法布置循环水池的电站。

（2）带循环水池的半密闭循环

该循环供水系统原理同前述，特点是设置有循环水池中间过渡，水体和大气直接接触，水体一般不会缺氧，而且便于冷却水更换和处理。

有幸的是本电站在建设期间已经修建了密闭水池，预埋了循环技术供水系统管路至尾水渠内尾水冷却器进出口，并在水泵房内预留了3台循环供水泵安装位置及水池传感器安装孔洞。

带循环水池的循环供水系统是解决水电站技术供水系统水质差比较成熟的技术，国内外存在着大量成熟的工程实践。在老挝当地，大多数电站均采用这种供水方式。比如南俄5电站、南坎2电站、南梦3电站等运行情况均良好。尤其是南梦3电站也是冲击式电站，安全运行十几年了，表现情况良好。当然国内用该种技术供水的电站就举不胜数了。

因此，本次改造选择带循环水池的循环供水系统。

4 改造方案

4.1 标准及规范

本电站技术供水系统改造设计是根据《水力发电厂水力机械辅助设备系统设计技术规定》NB/T35035-2014相关规范条款进行。

4.2 总体布置方案

（1）技改后技术供水示意图如图3：

图3

（2）技术供水系统改造工程以循环供水为主供水系统，原取尾水渠尾水为备用供水系统（在检修冷却器及循环水池时投入）。

（3）主供水系统主要由供水水泵、尾水冷却器、循环水池、机组冷却器、电子水处理仪、阀门、管路以及自动化元件和表计等组成。

（4）2台机组共用一座循环水池,水池设在水轮机层以下，有效容积为120 m³；

（5）水轮机层水池上方设置3台长轴深井泵（Q=450 m³/h，H=55～65 m，P=110 kW），2用 1备；

（6）每台机组1套尾水冷却器，分别布置在2台机组的尾水渠内。

4.3 主要优点

（1）由于循环水采用满足要求的清洁水，可有效防止机组冷却装置的堵塞、结垢、腐蚀、水生物等，并防止技术供水系统中设备、管路的结露，从而解决电站汛期水质难以满足技术供水要求的问题。

（2）减少电能损失，增加发电量。由于循环冷却水中不含漂浮物、泥沙和水生物等，运行中不存在设备堵塞问题，因此，机组在汛期可正常发电，不会因冷却水导致停机，而造成经济损失。

（3）延长机组各冷却器的使用寿命。由于冷却水采用清洁水不含泥沙，防止了泥沙对冷却器的磨损，冷却水循环使用其内部钙、镁离子有限，各冷却器不会因大量结垢而降低传热效果，因此，不仅减轻大修检修工作量，并且延长设备寿命，减少电站的检修费用。

（4）有利于电站自动化。采用循环冷却水可减少冷却系统运行中的人工干预。

（5）提高技术供水系统运行的安全可靠性，消除冷却水系统造成的机组运行安全隐患，机组运行更安全。

5 尾水冷却器布置方案

循环技术供水系统核心设备为进行热交换的尾水冷却器，该设备采用四川华水工程技术开发有限公司专利产品。

（1）本电站尾水冷却器每台机组1台套，共2台套，其结构型式及安装布置方式均相同。每套尾水冷却器由7件串联组成，布置在尾水洞底板高程396.70 m上，靠两侧边墙位置，尾水冷却器之间通过法兰连接。尾水冷却器采用立式布置，其底部留有足够的空间防止泥沙淤积；其顶部低于2台机组尾水汇合段底板397.70 m高程。

（2）每套尾水冷却器DN250预埋进出水管，分别位于尾水洞内左右两侧404.35 m高程处。

（3）电站正常尾水位高程为401.00 m，2台机组尾水汇合段高程为398.700 m。

为保证机组在任意工况、负荷运行状态下尾水冷却器的散热效果，尾水冷却器布置在电站最低尾水位以下，尾水冷却器设计最高散热管高程低于2台机组尾水汇合段底板高程397.70 m，这样，可保证在电站最低负荷运行时（甚至机组全停时），尾水冷却器也处于尾水位以下。

（4）为减小对尾水出流的影响，尾水冷却器过水断面尺寸已做到最优尺寸。

（5）为防止泥沙沉积、便于检修维护及表面清理，尾水冷却器设计为立式结构、靠尾水洞两侧边墙布置，用不锈钢膨胀螺栓固定在底板及边墙上；

（6）为方便现场二次转运及安装，尾水冷却器单件重量满足现场转运及安装要求。

（7）为更好的防腐防锈、减少维护工作量，尾水冷却器及进出水管采用304 L不锈钢材质。

（8）安装时根据情况，现场制作尾水冷却器进出水管、连通管支架。

6 综合分析

通过冷却水系统技改，2台机组目前满负荷运行，机组各部位温度运行稳定：其中，推力轴瓦为金属塑料瓦，运行温度稳定在40℃左右；水导、上导、下导为巴氏合金瓦，运行温度稳定在55℃左右；空气冷却器冷风和热风温度分别在35℃和50℃左右。机组进水温度22～23℃，出水温度高2～3℃。机组冷却水流量约500 m3/h，冷却水进水总管压力0.2 MPa，技术供水系统各项参数均满足设计及规范要求。

通过技改，电站已彻底解决了技术供水系统水质问题，消除了冷却水故障对机组的隐患，为电站长期稳定运行奠定了基础，为电站可靠的经济效益提供了保障，此次改造也可为同类型高水头、小流量电站的冷却水供水方案提供借鉴。