某水电站蜗壳取水口防堵塞研究

2021-05-07赵业文孙亚涛马玉涛

水电与新能源 2021年4期

赵业文，孙亚涛，马玉涛

(中国长江电力股份有限公司，湖北宜昌 443000)

水电站技术供水又称生产供水，与消防供水、生活供水共同组成水电站的供水系统，其主要作用是对设备进行冷却，有时也用于润滑及水压操作。

技术供水的重要性不言而喻，但某水电站技术供水系统蜗壳取水口，经历了板式冲孔结构拦污栅、球面网状结构拦污栅、立体板式结构拦污栅几次换型后(见图1)，仍然存在严重的堵塞问题，即使采用备用水源供水(清洁水)，也极大提高了生产运营成本。通过总结历次换型的经验以及分析蜗壳取水口堵塞的原因，历经两个检修周期的对比试验，最终确认改型立体板式结构拦污栅能够有效防止蜗壳取水口严重堵塞情况的发生，提高了系统的安全可靠性[1]。

图1 历次换型拦污栅示意图

1 技术供水系统简介

该水电站为地下式厂房，安装单机额定容量为50 MW的水轮发电机组，机组进水口位于近岸侧。

该水电站技术供水系统，采用单机单元自流减压供水方式。水源取自电站上游水库，每台机组设1个取水口，取水口布置在水轮机蜗壳弯管段，取水口设置拦污栅；备用水源取自厂内消防干管。取水阀后设置两台滤水器，一备一用。

2 换型总结及堵塞原因分析

2.1 历次换型总结

2.1.1 板式冲孔结构拦污栅

该电站机组运行初期，技术供水系统蜗壳取水口拦污栅采用板式冲孔结构[2]。此种结构拦污栅极易堵塞，堵塞后造成蜗壳取水口极大的压降以及严重的减流，因不能满足用户的正常需求，不得不停机检修，清理拦污栅。

板式冲孔结构拦污栅易堵塞的主要原因为：本身过流面积小，自身取水压降较大；系统用户取水时，拦污栅处为负压，塑料布等片状、柔性污物，极易吸附在拦污栅上[3]，由于其自身的圆孔状结构，少量的塑料布等污物，就能造成多处圆孔堵塞，导致极大的压降以及减流。

2.1.2 球面网状结构拦污栅

为解决板式冲孔结构拦污栅的堵塞问题，该电站将其更换为钢筋焊接成的球面网状结构拦污栅。更换后，拦污栅堵塞情况未有任何改观，还造成了滤水器的严重堵塞，不得不停机对滤水器进行解体清污。

球面网状结构拦污栅易堵塞的主要原因为：相较于平板冲孔结构，虽有效增加了过流面积，但在水源水质未有效改善的情况下，塑料布等片状、柔性污物在拦污栅钢筋上逐渐缠绕增多，同样造成了严重堵塞。因其显著降低了拦污效果，较大块的塑料布等片状、柔性污物通过了拦污栅，还造成了滤水器的严重堵塞，导致更严重的压降以及减流。

2.1.3 立体板式结构拦污栅

球面网状结构拦污栅未减轻堵塞情况，还造成了滤水器的严重堵塞，此结构不可取。重新设计了立体板式结构拦污栅后，堵塞情况依然非常严重，取水压降明显，必须每年清理一次拦污栅后，才能满足下一年度的取水要求[4]。

但在2016年，该电站机组蜗壳取水口拦污栅堵塞情况严重恶化(见图2)，取水压力、流量已无法满足供水要求(最低取水压力应不小于0.5 MPa)，不得不开启备用水源，采用主供水及备用水源联合供水方式运行，极大地增加了运营成本。

图2 2016年蜗壳取水压力图

立体板式结构拦污栅易堵塞的主要原因为：其栅格筋板采用迎水侧高、出水侧底的设计结构，设计时，预想其迎水侧刮挂漂浮物，出水侧进水。实际运行时，迎水侧刮挂漂浮物后，导致过流面积减小，出水侧取水负压增大，更易吸附漂浮物，导致拦污栅堵塞。

2.2 堵塞原因分析

1)水源水质。该水电站水库位于长江干流，枯水期时，水质清澈，树枝、塑料等漂浮物非常少，无论那种形式的拦污栅运行，均未发生堵塞的现象。但在汛期，水质明显变差，树枝、塑料等漂浮物由支流汇聚主河道，经水库的拦蓄，增加了单位水体漂浮物的含量，拦污栅堵塞现象均发生在汛期[5]。因此，水源水质差，漂浮物多是该水电站蜗壳取水口堵塞的根本原因。

2)取水位置影响。该水电站机组进水口位于近岸侧，在汛期，往往在此位置形成漂浮物聚集带，而在拦河坝中段，漂浮物虽然较多，但极少形成漂浮物聚集带，相对于近岸侧，拦河坝中段的水质“更好”。因此，取水位置不理想是该水电站蜗壳取水口堵塞的主要原因(见图3)。

3)联合因素作用。该水电站技术供水取水口布置在水轮机蜗壳弯管段，与机组活动导叶间隙漏水、机组开机流程等因素的联合作用，进一步加重了拦污栅的堵塞情况。

机组活动导叶间隙漏水，就像一个巨大的滤水器，将树枝、塑料等漂浮物留在了蜗壳弯管段，而机组开机流程又要求先启动技术供水系统，此时，蜗壳取水口是漂浮物的唯一出口，在取水负压的作用下，漂浮物逐步刮挂在了拦污栅上。

图3 取水口位置示意图

3 换型试验

3.1 试验因子选取

该水电站的环境因素即水源水质，显然无法改变。作为一座已建成的水电站，其机组进水口的布置位置、技术供水取水口的布置位置以及机组的开机流程，也无法改变。机组活动导叶间隙漏水，也无法杜绝。但从该水电站蜗壳取水口拦污栅历次换型的情况看，选取较为合适的拦污栅，应该能够有效降低乃至防止严重堵塞情况的发生。

因此，确认在原立体板式结构拦污栅基础上，通过借鉴其他水电站的成功经验进行设计，最终保留了改型立体板式结构拦污栅以及带包头的立体板式结构拦污栅进行对比试验(见图4)。

图4 试验拦污栅示意图

1)改型立体板式结构拦污栅：将原立体板式结构拦污栅栅格筋板由迎水侧高、出水侧低改为迎水侧低、出水侧高的结构形式。

2)带包头的立体板式结构拦污栅：按进水口截面积不变原则，设计包头，改蜗壳取水口正向进水为侧向进水。

3.2 运行对比试验

利用年度检修期，分别将改型立体板式结构拦污栅以及带包头的立体板式结构拦污栅安装在2号机组和1号机组上进行真机试验，每周记录一次蜗壳取水压力数据。并要求，当两台机组取水压力差大于0.2 MPa时，就进行一次环流冲洗操作(是指开启备用水源供水阀，关闭技术供水取水阀，利用蜗壳内部高速环流冲洗拦污栅)，取水压力对比如图5。

由于两台机组的进水口布置位置确有不同，为排除其对试验的影响，在第二个年度的检修期，将两台机组的拦污栅进行互换运行，做验证试验，即1号机组安装改型立体板式结构拦污栅、2号机组安装带包头的立体板式结构拦污栅，并每周记录一次蜗壳取水压力数据，取水压力对比如图6。