水輪發(fā)電機(jī)組在水庫管道供水中的應(yīng)用

魏起波

(臨沂市岸堤水庫管理處，山東蒙陰276200)

1 概 述

在快速發(fā)展的今天，城市對水資源需求量逐年加大,從水庫引水是解決城市水資源短缺的較好途徑；但是在引水工程設(shè)計時，設(shè)計者很少考慮共享水庫水電站已有的引水涵洞，而是在水庫旁邊新開挖穿嶺涵洞，并且征地修建引水渠首工程，工程投資較大，年運(yùn)行管理費(fèi)用也較高；而對水庫水電站來說，大量的水能資源被引走，發(fā)電水量減少，年發(fā)電量也隨之減少；隨著引水量的加大，水電站將面臨著嚴(yán)重的生存危機(jī)。

2014年，山東省臨沂市政府決定把臨沂城市一期引水管道上延至水源地岸堤水庫，臨沂市岸堤水庫管理處積極與工程設(shè)計單位溝通，建議把引水渠首工程設(shè)在岸堤水電站，共享水電站的引水涵洞，同時改造電站閑置率較高的5號機(jī)組為管道供水機(jī)組，建議論證后被采納。

2 管道供水機(jī)組的改造方法與運(yùn)行

2.1 水電站管道供水機(jī)組的設(shè)計與選型

2.1.1 岸堤水電站概況

原岸堤水電站共有6臺水輪機(jī)發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量6 750 kW，為壩后式水電站，1～4號機(jī)組設(shè)在主站廠房，1號機(jī)組容量為2 200 kW，2、3、4號機(jī)組容量均為1 250 kW。5、6號機(jī)組設(shè)在二站廠房，容量均為400 kW，水輪機(jī)型號為ZD560—LH—80,設(shè)計流量為2.5 m3/s，設(shè)計水頭19 m。5、6號機(jī)組年利用率極低，只有在水庫溢洪時才開啟使用。

2.1.2 管道機(jī)組的選型

引水工程引水流量為1.5 m3/s，預(yù)留30%余量，管道供水機(jī)組的設(shè)計流量確定為2 m3/s，按水庫加權(quán)平均水位高程計算，引水管道可利用的加權(quán)平均富余水頭為13 m，水頭損失1 m，水輪機(jī)按12 m水頭選型。考慮到水庫較多時間是在加權(quán)平均水位以上運(yùn)行，有時還會出現(xiàn)超高水位或者校核洪水位情況，為確保機(jī)組在這種情況下仍能正常運(yùn)行，水輪機(jī)機(jī)械強(qiáng)度和發(fā)電機(jī)容量應(yīng)按最高興利水頭20 m設(shè)計；所以水輪機(jī)型號確為HLA551—LH—65，設(shè)計水頭12 m，最大水頭20 m，發(fā)電機(jī)容量確定為320 kW,型號為SFJ320—14/990。

2.2 管道機(jī)組的安裝

2.2.1 管道機(jī)組的裝配與供水管道的對接方案

機(jī)組改造組裝如下所示(見圖1)，原機(jī)組與新機(jī)組型號差異較大無法重復(fù)利用，需全部拆除，保留原發(fā)電機(jī)底座基礎(chǔ)預(yù)埋件和水輪機(jī)頂蓋基礎(chǔ)預(yù)埋件；新發(fā)電機(jī)的底座尺寸小于原發(fā)電機(jī)基礎(chǔ)的尺寸，需加工1個支座與原基礎(chǔ)裝配。水輪機(jī)也是如此，可利用原水輪機(jī)的頂蓋，經(jīng)過加工配合來補(bǔ)充新水輪機(jī)頂蓋尺寸的不足；拆除原尾水管，安裝新型尾水管。為了將機(jī)組尾水接入供水管道，新增1個接入三通管及尾水彎管。在尾水彎管與接入三通之間設(shè)置1個檢修蝶閥和1個旁路三通管。機(jī)組調(diào)試時，關(guān)閉尾水蝶閥，利用旁路三通管向尾水明渠內(nèi)放水試運(yùn)行。原混凝土蝸殼總體不變，部分稍加修整以適應(yīng)新型水輪機(jī)的平滑流線；保留機(jī)組的上游蝶閥。

圖15號水輪發(fā)電機(jī)組改造示意

2.2.2 管道供水機(jī)組的安裝

管道供水機(jī)組安裝的關(guān)鍵環(huán)節(jié)在于水輪機(jī)的尾水管、轉(zhuǎn)輪室和底座的安裝澆筑，這個部分安裝質(zhì)量直接影響著機(jī)組總體安裝質(zhì)量。首先破除原水輪機(jī)的底座和尾水管處的混凝土，使鋼筋裸露，把水輪機(jī)頂蓋(已與原水輪機(jī)頂蓋裝配好)、座環(huán)、導(dǎo)水葉、底座及底座固定螺栓組裝并緊固好；然后整體安裝在原水輪機(jī)頂蓋預(yù)埋基礎(chǔ)座上，調(diào)整水輪機(jī)中心與發(fā)電機(jī)基礎(chǔ)中心垂直同心后固緊螺栓，聯(lián)接水輪機(jī)尾水管至轉(zhuǎn)輪室。用合適的鋼筋段把水輪機(jī)底座螺栓與裸露的混凝土鋼筋焊接牢固，按設(shè)計好的過水流道形狀支好澆筑模板，拆掉水輪機(jī)項蓋，從上部注入混凝土進(jìn)行澆筑。待混凝土達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度，拆除模板，安裝水輪機(jī)的其他組件。此方法安裝速度快，裝配誤差小。其他部件的安裝較為簡單，不再贅述。

2.2.3 增設(shè)備用供水管道組件

為了保證供水的可靠性，當(dāng)管道供水機(jī)組停機(jī)檢修時，為了不影響供水，必須設(shè)置一路備用供水管道，方法如下所示(見圖2、圖3)：將原來的6號機(jī)組拆除,改造為直聯(lián)管接入供水管道，保留6號機(jī)上游側(cè)蝶閥。當(dāng)機(jī)組故障檢修時，可打開備用供水閥供水，確保供水的連續(xù)穩(wěn)定。

圖2 6號水輪機(jī)改為直通管示意

圖3改造全局示意

2.3 管道機(jī)組的運(yùn)行

2.3.1 用旁路三通管來調(diào)試管道機(jī)組

管道機(jī)組安裝完成后需要進(jìn)行調(diào)試，調(diào)試時為了不影響供水穩(wěn)定，一般是通過旁路三通管向尾水明渠放水來進(jìn)行的；此時需要關(guān)閉尾水蝶閥，打開旁通管閥和機(jī)組上游蝶閥，然后再操作導(dǎo)水葉進(jìn)行開機(jī)調(diào)試。

2.3.2 管道機(jī)組供水運(yùn)行

機(jī)組調(diào)試完成達(dá)到發(fā)電供水條件，將備用管道供水轉(zhuǎn)移到機(jī)組發(fā)電供水。

(1)開機(jī)程序

(2)停機(jī)程序

(3)其他

機(jī)組采用計算機(jī)監(jiān)控技術(shù)，對設(shè)備的操作實現(xiàn)自動化控制，并按照以上過程進(jìn)行PLC編程。為了便于系統(tǒng)綜合測控，在轉(zhuǎn)輪上、下各安裝1臺壓力監(jiān)測儀，在供水管道直管道段安裝1臺超聲波流量監(jiān)測儀，在接入三通處安裝1臺管道壓力監(jiān)測儀。

需要說明的是，壓力供水管道機(jī)組的轉(zhuǎn)速和有功負(fù)荷的調(diào)整方法與尾水明渠機(jī)組截然不同，明渠尾水水位相對穩(wěn)定或變化不大，機(jī)組流量和轉(zhuǎn)速隨導(dǎo)水葉開度成正向動作；而壓力供水管道機(jī)組則不同，因為供水管道終端的水廠設(shè)有節(jié)流閥，當(dāng)供水量達(dá)到水廠設(shè)定流量后，上游機(jī)組側(cè)無法增大這一流量值，當(dāng)導(dǎo)水葉開度增大時流量雖沒有增加，尾水管道的壓力反而提高了，這樣就降低了水輪機(jī)的凈水頭，造成機(jī)組轉(zhuǎn)速或有功負(fù)荷的下降。因此，壓力供水管道機(jī)組的操作控制應(yīng)采取不同于明渠機(jī)組的控制方法。

3 改造效益

管道供水機(jī)組改造總投資75萬元，引水工程共享水電站的引水涵洞，減少渠首工程和引水隧道費(fèi)用4 000多萬元。機(jī)組投運(yùn)以來，每年節(jié)省引水管線渠首工程運(yùn)行管理費(fèi)用30多萬元，同時水電站每年增加發(fā)電收入50多萬元，投資收益率高，社會效益顯著。

4 結(jié) 語

臨沂市一期引水管道上延工程把引水渠首工程設(shè)在岸堤水電站，充分利用了水電站的工程設(shè)施，節(jié)約工程投資；引水管道富余水能資源得到充分利用，增加了水電站的收入，實現(xiàn)了節(jié)支增入雙豐收，是一個值得借鑒的成功案例。