多泥沙條件下向家壩電站技術(shù)供水系統(tǒng)分析

鐘 然，陳 宙，胡學(xué)龍

（向家壩水力發(fā)電廠，四川 宜賓 644612）

0 引言

向家壩水電站位于金沙江下游，是金沙江梯級(jí)開(kāi)發(fā)的最后一級(jí)電站。共安裝8臺(tái)單機(jī)容量800 MW的水輪發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量6 400 MW，年發(fā)電量307億kW·h，首臺(tái)機(jī)組計(jì)劃于2012年10月投產(chǎn)發(fā)電。電站水頭變幅為86.1m～114.2m，額定水頭100m。汛期金沙江泥沙含量高、漂浮物多，機(jī)組技術(shù)供水冷卻管路容易發(fā)生堵塞，從而影響機(jī)組的正常運(yùn)行，對(duì)技術(shù)供水系統(tǒng)的設(shè)備選擇和運(yùn)行方式提出了較高的要求和挑戰(zhàn)。

1 金沙江泥沙情況

金沙江為多泥沙河流，向家壩壩址多年平均懸移質(zhì)輸沙量2.47億t，多年平均含沙量1.72 kg/m3，汛期6～9月平均含沙量2.42 kg/m3，最大含沙量24.02 kg/m3。輸沙量年內(nèi)分配極不均勻，沙峰與洪峰對(duì)應(yīng)，汛期輸沙量占全年的96%。向家壩電站蓄水發(fā)電初期，水庫(kù)運(yùn)行前10年平均出庫(kù)含沙量為0.45 kg/m3，出庫(kù)粒徑為0.021 mm。上游溪洛渡水庫(kù)建成攔沙后，水庫(kù)運(yùn)行前10年平均過(guò)機(jī)含沙量減至0.24 kg/m3，汛期過(guò)機(jī)含沙量為0.29 kg/m3。

2 機(jī)組技術(shù)供水系統(tǒng)概況

向家壩機(jī)組技術(shù)供水系統(tǒng)采用單機(jī)單元自流減壓供水方式，蝸殼取水作為主用水源，分兩路過(guò)濾減壓后引至本機(jī)組供水干管，兩路供水管路互為備用。每?jī)膳_(tái)機(jī)組設(shè)置一套壩前取水作為備用水源，經(jīng)過(guò)濾減壓后接入機(jī)組技術(shù)供水聯(lián)絡(luò)總管，通過(guò)聯(lián)絡(luò)閥與蝸殼取水主用水源相互備用。

機(jī)組技術(shù)供水系統(tǒng)簡(jiǎn)圖如圖1所示：

圖1 機(jī)組技術(shù)供水系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

3 機(jī)組技術(shù)供水設(shè)備特點(diǎn)

3.1 蝸殼取水口

機(jī)組進(jìn)水口攔污柵柵距200 mm，大部分長(zhǎng)度或直徑小于200 mm的雜物隨水流進(jìn)入壓力鋼管。蝸殼取水口直徑800 mm，設(shè)在蝸殼延伸段進(jìn)口管節(jié)外側(cè)斜向下45°，這樣設(shè)置既保證了過(guò)柵流速，又防止停機(jī)后泥沙和雜物沉積并堵塞取水口。取水口過(guò)柵流速為蝸殼主水流的1/6～1/8，當(dāng)取水口掛有樹(shù)枝、水草等雜物時(shí)，由于主水流速度遠(yuǎn)大于側(cè)向取水口過(guò)柵流速，懸掛的雜物將被高速主水流沖走，確保了取水口的通暢。

取水口攔污柵的11根柵條由扁鋼焊接而成，柵距40 mm。柵條采用順?biāo)綏l式布置，正面迎水面積小、強(qiáng)度大，最大限度地降低了雜物在柵條上懸掛和堵塞的可能。

3.2 濾水器

盡管蝸殼取水口攔污柵能夠攔截部分粗大的雜物，但仍有大量雜質(zhì)進(jìn)入供水系統(tǒng)，除了有效地清除雜質(zhì)，在保證不影響供水能力的前提下，還應(yīng)采取防止泥沙和雜物淤塞的有效措施，以保證濾水器安全可靠運(yùn)行。

濾水器采用自貢真空濾水器公司的DLSI-500復(fù)合刮板式全自動(dòng)濾水器，額定流量2 100 m3/h，額定壓力1.6 MPa。為防止堵塞減壓閥，濾水器設(shè)置在其之前，采用上進(jìn)水、下排水方式，立式安裝多個(gè)濾筒，其表面密布φ4 mm的過(guò)濾小孔。濾筒將濾水器內(nèi)腔分為清水腔和濁水腔，與濾筒的內(nèi)表面相通的為濁水腔，與濾筒外表面相通的為清水腔。蝸殼取水后的濁水，經(jīng)上入口進(jìn)入濁水腔，大于過(guò)濾小孔直徑的雜質(zhì)被截留，穿過(guò)濾孔的清水在清水腔匯合，從下出水口流出。

濾水器結(jié)構(gòu)如圖2所示：

圖2 濾水器結(jié)構(gòu)

濾水器共安裝18個(gè)濾筒，有效過(guò)濾面積為入口面積的7倍以上，反沖洗頻率低，并且顯著縮小了過(guò)濾器的體積。具備自動(dòng)清洗時(shí)繼續(xù)供水的功能，利用自身過(guò)濾出的清水，自動(dòng)逐次反沖洗濾網(wǎng)，同時(shí)其它過(guò)濾單元仍在繼續(xù)工作，連續(xù)供水的能力保證了機(jī)組的持續(xù)不間斷運(yùn)行。

3.3 減壓閥

機(jī)組技術(shù)供水兩級(jí)減壓主管路采用以色列多若特減壓閥，型號(hào)30I-20-ISOPN16-PR。減壓閥隨管道壓力啟動(dòng)，由導(dǎo)閥自動(dòng)控制主閥開(kāi)度，保持出口壓力和流量穩(wěn)定。導(dǎo)閥的控制回路對(duì)水質(zhì)要求較高，配備有自清式過(guò)濾器。在水質(zhì)較差的情況下，雜質(zhì)會(huì)逐漸附著在過(guò)濾器濾網(wǎng)表面，最終堵塞過(guò)濾器使控制回路失去作用。基于這種情況，用清水強(qiáng)制定時(shí)自動(dòng)沖洗成了有效的方法。

正常工作狀態(tài)時(shí)：水由左進(jìn)右出。上游壓力水由過(guò)濾器過(guò)濾后進(jìn)入導(dǎo)閥和減壓閥控制腔，此時(shí)電磁閥b均處于失電關(guān)閉狀態(tài)；

反沖狀態(tài)時(shí)：上方管路水右進(jìn)左出。需要反沖的過(guò)濾器的控制電磁閥b勵(lì)磁，控制三通閥打開(kāi)排空閥a，上游壓力水經(jīng)下方過(guò)濾器過(guò)濾后，一部分沖洗上方的過(guò)濾器，雜質(zhì)通過(guò)三通閥a排出；另一部分凈水仍進(jìn)入主閥和減壓閥控制腔。

圖3 減壓閥控制回路過(guò)濾原理

3.4 空冷器

發(fā)電機(jī)空冷器長(zhǎng)期運(yùn)行在多泥沙冷卻水環(huán)境下，一方面可能造成冷卻水管的堵塞，另一方面會(huì)對(duì)水管內(nèi)壁造成磨損和腐蝕，使管壁變薄甚至發(fā)生泄漏，危及發(fā)電機(jī)的安全運(yùn)行。普通冷卻水管材質(zhì)多是紫銅或黃銅。紫銅即銅單質(zhì)，強(qiáng)度和硬度較差，泥沙的高速?zèng)_刷將不斷磨損管壁并將其變薄，磨損和腐蝕速度隨水流速度和含沙量的增加而迅速升高。黃銅為銅鋅合金，在運(yùn)行中存在脫鋅的腐蝕現(xiàn)象，管壁產(chǎn)生許多針孔大的小孔，容易產(chǎn)生泄漏事故。

向家壩發(fā)電機(jī)定子機(jī)座圓周布置20個(gè)水冷式空氣冷卻器，采用德國(guó)基伊埃（GEA）熱交換器系統(tǒng)，散熱部件為凸制鋁片。冷卻水額定流速1.5 m/s，利用高速水流來(lái)防止懸浮物的沉淀。冷卻管采用90/10銅鎳合金，導(dǎo)熱性能好，抗泥沙沖刷和防化學(xué)腐蝕能力遠(yuǎn)強(qiáng)于前兩者，適合于向家壩冷卻水流速快和泥沙含量高的運(yùn)行環(huán)境。

4 技術(shù)供水系統(tǒng)排污沖淤方式

4.1 蝸殼取水口沖洗

蝸殼取水口攔污柵柵距較小，水中的樹(shù)枝、水草或塑料袋等可能卡阻在攔污柵處，影響機(jī)組冷卻效果，需要采取措施清除雜物。

當(dāng)運(yùn)行機(jī)組進(jìn)水口壓降較大，取水口堵塞嚴(yán)重時(shí)，開(kāi)啟機(jī)組聯(lián)絡(luò)供水總管與機(jī)組技術(shù)供水干管與之間的聯(lián)絡(luò)閥DF10，由來(lái)自壩前取水口的備用水源供水；關(guān)閉蝸殼進(jìn)水口閥門(mén)201或?yàn)V水器前電動(dòng)閥，隨著反水錘的反向沖擊和蝸殼內(nèi)的主水流的高速?zèng)_刷，攔污柵雜物將被清除，可基本恢復(fù)取水口壓力和流量，解決了在機(jī)組不停機(jī)檢修的情況下快速清除蝸殼取水口雜物的問(wèn)題。

4.2 濾水器排污

濾水器設(shè)定自動(dòng)和手動(dòng)兩種運(yùn)行模式。在自動(dòng)運(yùn)行模式下，根據(jù)設(shè)定的沖洗時(shí)間間隔（定時(shí)）或進(jìn)出水口壓力差（差壓）進(jìn)行自動(dòng)在線排污。采用漂浮物和沉積物分別排污，雙排污相互連鎖，有效地將進(jìn)入濾水器的大量泥沙、雜草、污物等通過(guò)漂浮物排污閥和沉積物閥分別排放，避免泥沙和污物的堵塞。技術(shù)供水自動(dòng)過(guò)濾在線運(yùn)行，是技術(shù)供水系統(tǒng)的必要裝置，尤其適用于“無(wú)人值班，少人值守”的場(chǎng)合。

4.3 供排水管路正反向倒換

當(dāng)軸承冷卻器或空冷器發(fā)生單向堵塞時(shí)，通過(guò)正反向倒換來(lái)改變水流方向，對(duì)堵塞在冷卻器管路內(nèi)的雜物實(shí)施有效的反沖刷。在供排水總管上設(shè)置兩個(gè)三通電動(dòng)球閥，由電動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置帶動(dòng)三通球閥轉(zhuǎn)動(dòng)90度，即可改變水流方向，完成了傳統(tǒng)的利用4個(gè)閥門(mén)配合操作來(lái)改變水流方向的工作，減小了運(yùn)行人員的工作量和操作風(fēng)險(xiǎn)。

5 存在的問(wèn)題

（1）濾水器的反沖洗水流進(jìn)入下腔時(shí)斷面突然擴(kuò)大，流速減緩，泥沙和雜質(zhì)容易沉積在濾水器罐體底部，由于底部沒(méi)有設(shè)置排淤口，長(zhǎng)期運(yùn)行后可能會(huì)淤積、板結(jié)和銹蝕，影響過(guò)濾和排污效果，增加了檢修工作量。

（2）濾水器濾筒的濾網(wǎng)小孔φ4 mm，水中除顆粒直徑遠(yuǎn)小于1 mm的泥沙外還含有多種雜物，當(dāng)長(zhǎng)條軟帶、塑料袋、樹(shù)枝等卡阻在網(wǎng)孔中，因?yàn)V筒內(nèi)部沒(méi)有可自動(dòng)旋轉(zhuǎn)的刮刀來(lái)強(qiáng)制剪切、刮削嵌入網(wǎng)孔的雜物，只依靠反沖洗水流是否能達(dá)到預(yù)定效果，需要進(jìn)一步觀察和檢驗(yàn)。

（3）減壓閥導(dǎo)閥的控制回路對(duì)水質(zhì)要求高，前置有兩個(gè)導(dǎo)閥過(guò)濾器，定時(shí)自動(dòng)反沖洗清污，避免雜質(zhì)進(jìn)入到控制回路，從而影響導(dǎo)閥的精確控制功能。減壓閥前濾水器的濾孔φ4 mm，而導(dǎo)閥過(guò)濾器過(guò)濾精度較之更高，大量雜質(zhì)將附著在導(dǎo)閥過(guò)濾器濾網(wǎng)表面。汛期江水泥沙和雜質(zhì)含量大，若濾網(wǎng)表面迅速堵塞，而過(guò)濾器由于定時(shí)器設(shè)定的時(shí)間未到無(wú)法反沖洗清污，導(dǎo)閥過(guò)濾器將完全堵塞，減壓閥失效。因此過(guò)濾器定時(shí)反沖洗清污的時(shí)間設(shè)定需要隨水質(zhì)周期性的變化而改變。

6 結(jié)語(yǔ)

機(jī)組技術(shù)供水系統(tǒng)對(duì)機(jī)組各部提供冷卻水，是水電廠重要的輔助設(shè)備。針對(duì)金沙江泥沙含量高、漂浮物多的特點(diǎn)，技術(shù)供水系統(tǒng)各設(shè)備采取了多項(xiàng)措施來(lái)抗沙防堵，并在運(yùn)行方式上進(jìn)行了優(yōu)化，提高了技術(shù)供水的質(zhì)量水平，其可靠安全性有待機(jī)組投產(chǎn)發(fā)電后設(shè)備實(shí)際運(yùn)行情況的檢驗(yàn)。

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