浅谈多泥沙河流电站技术供水系统设计

杨 森，胡 静，张新萍

（陕西省水利电力勘测设计研究院，陕西 西安 710001）

0 引言

水电站技术供水系统由水源、管网和量测控制元件组成。其任务是经济合理和安全可靠地保证用水设备对水量、水压、水温和水质的要求，其主要服务对象为发电机推力轴承、上导轴承、下导轴承、空气冷却器、水轮机水导轴承、水轮机主轴密封和主变冷却器等，主要起冷却和润滑作用。技术供水系统运行状态异常，将直接导致水轮机发电组、主变等关键设备无法正常运行，从而影响水电站发电效益[1]。部分水电站所在河流中泥沙含量大，对金属的腐蚀性强，技术供水系统的方案选择与设计至关重要。东庄电站地处多泥沙且腐蚀性强的河流中，针对这一特点，本文对其技术供水系统进行方案设计探讨。

1 东庄电站概况

1.1 基本概况

拟建的东庄水利枢纽位于陕西省礼泉县与淳化县交界的泾河下游峡谷段，距峡谷出口约29 km。工程的开发任务是以防洪减淤为主，兼顾供水、发电和改善生态等综合利用，为Ⅰ等大（1）型工程。发电引水洞为1洞4机方式，主厂房为地下式，4台机“一”字型布置，装设两台35 MW（大机）及两台20 MW（小机）立轴混流式水轮发电机组，电站装机容量共计110 MW。

东庄水库利用文泾电站和泾惠渠对东庄水电站的发电流量进行日反调节，使东庄水库承担电力系统的调峰任务进行调峰运用。按日调峰4 h～6 h考虑，其余时间（20 h～18 h）按生态基流、工业供水流量、灌溉流量以及弃水流量进行发电。根据实测资料，电站净水头（拦沙期/正常运用期）参数见表1。

表1 电站净水头（拦沙期/正常运用期）参数表

动能参数（拦沙期/正常运用期）见表2。

表2 电站净水头（拦沙期/正常运用期）参数表

1.2 河流泥沙条件及水质

根据资料，水库上游实测多年平均径流量为16.92亿m3，多年平均输沙量为2.37亿t，多年平均含沙量为140 kg/m3。其中，7月和8月平均含沙量最高，分别为310.0 kg/m3和297.7 kg/m3。经过水库运用，推算的机组过机含沙量见表3；过机泥沙级配见表4；悬移质泥沙矿物成分见表5。

表3 不同运用时期平均过机含沙量 单位：kg/m3

表4 水库过机泥沙级配表

表5 悬移质泥沙矿物成分表

由表3～表5可知，悬移质泥沙硬度高的石英、斜长石、钾长石、角闪石、辉石等的成分共计36.3%+17%+6%+0.6%+0.4%=60.3%。

经实地测量及查阅相关资料，河水的pH值为6.1～6.3，(Cl-+SO42-)为629.7 mg/L～673.2 mg/L。硫酸根离子含量较高，对金属材料具有中度腐蚀作用。

2 电站技术供水系统设计

电站技术供水系统的运行可靠性将直接影响机组的安全稳定运行。技术供水系统应根据电站基本参数和各用水对象（包括发电机空气冷却器、推力/上导轴承、下导轴承、水导轴承冷却、水轮机主轴密封以及主变压器冷却）的水量、水压、水温等参数进行详细的方案设计。

2.1 机组及主变压器技术供水量

本电站机组采用无接触间隙式密封和泵板排水、排沙形式，主轴密封不须水冷却或润滑，水、泥沙均借助泵板离心力通过顶盖排水孔排出。电站2台大机组采用扩大单元接线，2台小机组亦采用扩大单元接线，四台机组总冷却水量约为1154 m3/h，水压0.2 MPa～0.4 MPa；2台主变压器冷却水量共计90 m3/h，冷却水压0.3 MPa。经初步计算，大机、小机各部分及主变压器所需冷却水量见表6。

表6 大机/小机各部分及主变压器技术供水冷却水量

2.2 方案选择

本电站水头范围152.04 m～200.92 m，根据《水利水电工程机电设计技术规范》（SL 511-2011）2.8条，东庄电站天然河道汛期泥沙含量较高，泥沙对机组各部冷却器会产生磨损和堵塞，且水质中硫酸根离子含量较高，对金属材料具有一定的腐蚀作用，故电站的运行方式为：前5年（拦沙初期）含沙量为0，水质优良，技术供水采用压力钢管减压供水，第6年及以后，清水期技术供水采用压力钢管减压供水，汛期采用密闭循环冷却供水。供水系统设备包括：减压阀、清水循环水池、离心泵、滤水器、四通阀、尾水冷却器和管路系统等。

2.2.1 压力钢管自流减压供水方案

在每台机组球阀前压力钢管上设有取水口，经过滤水器后，一路经减压供给机组，另一路则接至厂房供水干管，机组以单元供水方式运行，其他取水口作为备用。为确保减压系统安全不超压，在每台机组减压阀下游安装DN150泄压阀。当减压阀故障引起供水管中的压力超过安全设定压力时，泄压阀会自动开启快速泄压，保护管路及设备安全。

2.2.2 密闭循环冷却供水方案

循环冷却水循环方式：循环水池→循环水泵→机组各部及主变冷却→机组尾水冷却器→循环水池。发电设备在运行过程中，循环水通过循环水泵送到各机组及主变，冷却完后的热水汇总流入尾水冷却器，利用冷却器外部流动的低温水通过循环冷却器进行热交换，使循环水水温降低到满足机组冷却水水温的要求，然后排回循环水池，以此往复[2]。循环水池的水源取自建设管理站，通过DN200钢管自管理站沿道路敷设，穿过水库下游交通桥自流至电站出线平台，再沿电梯电缆井进入厂房，经过减压阀减压至清水循环池。

根据机组用水量参数，考虑循环水的损失和蒸发量，大小机尾水冷却器设计流量分别为500 m3/h/240 m3/h;机组各尾水冷却器进水温度按30℃设计，出水温度按25℃设计；尾水冷却器设计压力1.0 MPa，试验压力1.5 MPa，机组冷却水进口压力0.2 MPa～0.5 MPa；大小机尾水冷却器进出口管径DN125/DN100，所有管道及阀门均采用不锈钢材质。冷却器结构为防泥沙淤堵型，冷却管为螺旋管，有利于泥沙、杂草随水流流动，可有效的防止淤堵。冷却器出口总管上设有测温电阻，运行人员可实时监测换热冷却效果。

为增加循环供水的可靠性，采用单元供水方式，每台机对应2台循环水泵(一用一备，相互切换)，共计8台，水泵采用双吸式离心泵。大小机的循环水泵参数为：Q=382 m3/h/266 m3/h，H=54 m/57 m，N=90 kW/75 kW，水泵的启停接入机组自动控制系统，根据机组开停机进行自动控制，备用泵在工作泵故障时自动投入运行。

2.3 设备布置

经计算，机组安装高程确定为579.64 m，根据厂房水工的布置情况，循环水泵布置在安装间水轮机层的技术供水设备室，高程为582.04 m；循环冷却器布置在尾水洞内；清水循环池布置在安装间检修排水泵房层，高程为575.77 m，位于技术供水设备室正下方。各水泵取水管路经清水循环池垂直向上引出，通过水泵后汇总为一根供水总管，出技术供水设备室后沿主厂房边壁引至上游侧，然后分别接至每台机组机墩附近。由于河水含沙量高，为避免泥沙在供水管路和冷却器内淤积，设计时减小了技术供水管路的管径，以增大流速；同时，为解决水质中硫酸根离子对金属材料的腐蚀问题，所有供水管路材质均采用不锈钢，以延长管路使用寿命。

3 结论

通过对东庄电站技术供水系统的分析研究，东庄水电站技术供水采用自流减压供水为主，循环供水作为备用的供水方案，对于多泥沙河流水电站，循环供水方式从源头可解决水质问题；供水管路采用不锈钢钢管，且减小管径以提高管内流速，延长了管路使用寿命，同时解决了供水管路及冷却器的泥沙淤积问题，在运行过程方面提高了技术供水保证率，从而保证水轮发电机组的长期安全稳定运行。