黃河大峽水電站機組公用技術(shù)供水系統(tǒng)技術(shù)改造

劉生財

(國投甘肅小三峽發(fā)電有限公司，甘肅 蘭州 730050)

大峽水電站位于甘肅省白銀市和榆中縣交界處的水川鄉(xiāng)境內(nèi)黃河干流上，距白銀市35 km，距蘭州市中心河道距離65 km，包蘭線沿電站北西方向通過，交通便利。電站共安裝5臺軸流轉(zhuǎn)槳式水輪發(fā)電機組，其中4臺單機容量為75 MW，1臺單機容量為24.5 MW。總裝機容量324.5 MW。

大峽水電站原采用的機組冷卻供水方式為：渾水期過機含沙量大于2 kg/m3時，以壩前取水經(jīng)全廠公用濾水器過濾、供水泵加壓、蜂窩斜管沉淀池除沙后自流進入DN800機組冷卻總管，供至各機組為主，蝸殼取水經(jīng)濾水器過濾供至本機組冷卻用水為備用；清水期以各自蝸殼取水為主，壩前取水作為備用；當(dāng)蝸殼取水水壓偏低，不能滿足機組冷卻用水要求時，采用水泵加壓供水；當(dāng)某臺機蝸殼取水包括取水口濾水器需要臨時檢修處理時，采用壩前取水經(jīng)一組(3臺)全廠公用濾水器和DN800機組冷卻供水總管供該機組冷卻用水；每臺機組冷卻供水排水均設(shè)正反向運行電動蝶閥，可短時間反向運行防止冷卻器被堵塞。

技術(shù)供水系統(tǒng)的主要供水對象為發(fā)電機空氣冷卻器、機組上導(dǎo)、推力、水導(dǎo)軸承油冷卻器、以及主軸密封潤滑用水。機組技術(shù)供水進水溫度要求≤23℃。

大峽水電站工程1991-10-15日正式開工，1996-12-08日第一臺機組正式并網(wǎng)發(fā)電，1998年12月工程全部竣工。該供水方式經(jīng)過近10年的運行，存在如下主要問題：

表1 原始設(shè)計技術(shù)供水主要供水對象及水量、水壓

1)蜂窩斜管沉淀池產(chǎn)水量不足。原設(shè)計蜂窩斜管沉淀池產(chǎn)水量為2×1 500 m3/h，但經(jīng)過實際運行發(fā)現(xiàn)沉淀池供水時，冷卻水壓偏低，冷卻器水量不足，冷卻器管路中吸入大量空氣，冷卻效果差，機組各部溫度上升明顯。為了保證機組運行，渾水期經(jīng)常將1～2臺機組采用蝸殼自流供水，導(dǎo)致機組冷卻器磨損嚴重；在機組運行中曾多次發(fā)生冷卻器銅管破損、推力軸承進水，機組降負荷以及被迫停機事件，嚴重影響機組的安全穩(wěn)定運行。

2)經(jīng)過沉淀池處理的水泥沙含量仍然較大，對機組冷卻器的磨損嚴重。

3)系統(tǒng)管路、閥門存在較多問題：部分管路出現(xiàn)銹蝕、壁厚減薄等情況；部分閥門，特別是正、反沖用電動蝶閥活門、閥體磨損嚴重，大部分存在內(nèi)漏，造成水量損失，汛期時多次發(fā)生過冷卻水管進氣，造成機組各部溫度升高，影響機組的正常運行。

1 公用技術(shù)供水系統(tǒng)技術(shù)改造

鑒于上述存在的問題，經(jīng)過充分調(diào)研論證后，于2007年至2008年對電站公用技術(shù)供水系統(tǒng)進行了改造。

1)改造的主要內(nèi)容。在尾水副廠房1 443.70 m層新建3個循環(huán)水池，3個循環(huán)水池用原壩前取水DN800管聯(lián)通。將1 443.70 m層原來公用供水設(shè)備全部拆除，重新布置供水設(shè)備，包括供水加壓泵、閥門、管路、控制盤柜等。每個循環(huán)水池出口布置2臺加壓水泵。2套尾水冷卻器集中布置在4號機尾水出口右導(dǎo)墻上，冷卻器托架基礎(chǔ)板落坐在尾水底板上，冷卻器本體固定和支撐在托架上。

2)新系統(tǒng)與原設(shè)備連接方式。冷卻器進水總管與原沉淀池進水總管用三通連接，冷卻器出水管與全廠機組冷卻供水總管連接。

3)改造后機組冷卻供水方式。清水期以各自蝸殼取水自流為主供水，閉式循環(huán)加壓供水為備用水源。蝸殼取水自流供水直接取自河水，經(jīng)濾水器過濾后供機組冷卻用水，從機組排出的冷卻水排至尾水；渾水期過機流量含沙量大于2 kg/m3時，以閉式循環(huán)加壓向機組供冷卻水為主水源，蝸殼取水自流作為備用水源。閉式循環(huán)加壓供水是從循環(huán)水池取水，經(jīng)加壓泵加壓后進入尾水冷卻器，利用尾水冷卻降溫后進入機組，從機組排出的冷卻水流回循環(huán)水池，機組的熱量通過尾水帶走。

4)閉式循環(huán)加壓供水方式的優(yōu)點。具有冷卻水的水質(zhì)滿足無泥沙、無漂浮物不堵塞不結(jié)垢、內(nèi)部不生長水生物、電站冷卻水管及空冷器不結(jié)露等優(yōu)點，延長了機組各冷卻器的使用壽命，降低了電站檢修維護費用。

表2 改造后循環(huán)水泵基本參數(shù)

表3 改造后尾水冷卻器基本參數(shù)

表4 循環(huán)水池參數(shù)

2 技術(shù)改造后閉式循環(huán)加壓供水系統(tǒng)存在的主要問題

2.1 閉式循環(huán)加壓供水系統(tǒng)設(shè)備及設(shè)計運行方式

循環(huán)冷卻供水設(shè)備安裝在電站副廠房1 443.70 m層，主要由6臺循環(huán)加壓水泵、3個循環(huán)水池、2組循環(huán)冷卻器及供水管道組成。循環(huán)冷卻供水時采用循環(huán)水池→循環(huán)加壓水泵→尾水冷卻器→機組各部冷卻器及其進出水管路→循環(huán)水池的閉式循環(huán)冷卻供水方式運行，自動控制。1臺水泵供1臺機組用，4臺機組同時運行時啟動4臺水泵并聯(lián)運行，開第5臺機組時不再另外啟泵，剩余2臺水泵作為備用。0號機組和1號機組共用1臺水泵，0號機組單獨運行時開1臺水泵。0號機組和其他機組同時運行時，停0號機組時不停水泵。運行過程中若出現(xiàn)1臺水泵故障或機組供水管路水壓低于0.2 MPa時啟動1臺備用水泵；若出現(xiàn)2臺水泵故障或機組供水管路水壓低于0.15 MPa時再啟動另1臺備用水泵；機組供水管路水壓正常(大于0.25 MPa)時停備用水泵。

2.2 技術(shù)改造后閉式循環(huán)加壓供水系統(tǒng)存在的主要問題

1)在渾水期閉式循環(huán)加壓供水系統(tǒng)投入后，不能滿足電站5臺機組同時運行時冷卻供水的需要，投運后主要出現(xiàn)的問題表現(xiàn)在技術(shù)供水總管水壓低、上導(dǎo)瓦溫、定子鐵心溫度上升，廠房內(nèi)溫度上升明顯。就此問題進行了系統(tǒng)的測量、對比試驗，檢測情況如表5～表9。

表5 實測2、3號機組采用蝸殼取水自流供水時壓力及流量

表6 實測循環(huán)加壓供水2臺循環(huán)泵帶2臺機壓力及流量

表7 實測循環(huán)加壓供水3臺循環(huán)水泵帶1、2、3號機組時的壓力及流量

表8 實測循環(huán)加壓供水3臺循環(huán)水泵帶1、2、3號機組時的壓力及流量

表9 實測循環(huán)加壓供水4臺循環(huán)水泵帶1、2、3、4號機組時的壓力及流量

從實測數(shù)據(jù)可以看出，電站75 MW機組技術(shù)供水實測供水量最小值936 m3/h，與設(shè)計供水量為690 m3/h之間相差246 m3/h，其中主要差別在空氣冷卻器的供水量，設(shè)計供水量為480 m3/h，實測供水量最小值為799 m3/h，相差319 m3/h。2臺循環(huán)水泵帶2臺機組冷卻供水時，流量及壓力能夠滿足機組運行的需要；當(dāng)3臺循環(huán)水泵帶3臺機組冷卻供水時壓力與流量均有所下降，但基本能夠滿足機組的運行需要；當(dāng)4臺循環(huán)水泵帶4臺機組冷卻供水時壓力與流量均無法滿足機組運行需要。

綜上記錄分析，現(xiàn)有循環(huán)加壓供水系統(tǒng)只能同時滿足3臺機組正常的冷卻供水。主要原因為循環(huán)加壓供水系統(tǒng)設(shè)計時機組冷卻用水量參照690 m3/h為依據(jù)，較實測最小值936 m3/h有較大差距，導(dǎo)致循環(huán)加壓供水系統(tǒng)設(shè)備和管路的容量設(shè)計偏?。粡谋?和表9測量數(shù)據(jù)對比可知，當(dāng)系統(tǒng)中開啟4臺循環(huán)水泵后，DN800總管流量不能成正比上升，初步判斷系統(tǒng)內(nèi)水泵的設(shè)計和選型能滿足機組供水要求，而尾水冷卻器的設(shè)計容量偏小，無法滿足機組供水要求。

2)2011年發(fā)現(xiàn)2臺尾水冷卻器本體有不同程度的漏水情況，因不具備檢查處理條件，尾水冷卻器始終退出運行，機組技術(shù)供水方式正常采用蝸殼取水供水。

3 公用技術(shù)供水系統(tǒng)尾水冷卻器技改

鑒于大峽電站公用技術(shù)供水系統(tǒng)無法滿足設(shè)計需要及尾水冷卻器存在的問題，于2015年對尾水冷卻器進行技術(shù)改造。

3.1 冷卻器技改相關(guān)參數(shù)

1)材質(zhì)選擇。尾水冷卻器的常用管材為20號優(yōu)質(zhì)無縫鋼管和304無縫管(0Cr18Ni9)。國內(nèi)尾水冷卻器的材質(zhì)一般采用20號優(yōu)質(zhì)無縫鋼管，因為其成本低廉，相同面積的設(shè)備具備更好的換熱性能。大峽水電站位于黃河上，現(xiàn)有尾水冷卻器出現(xiàn)點蝕穿孔現(xiàn)象，為尾水中含氯離子造成的。經(jīng)過對水體取樣分析，黃河水體中含氯離子，是造成冷卻器穿孔腐蝕的直接原因。在氯離子存在的水體中，304不銹鋼對氯離子的耐受力較碳鋼差，更容易發(fā)生電化學(xué)腐蝕。304不銹鋼的成本是20號鋼的3～4倍，成本高，并不經(jīng)濟。所以，尾水冷卻器材質(zhì)采用20號鋼(見表10)。

表10 20號鋼鋼管標(biāo)準(zhǔn)

GB/T8163，GB3087材質(zhì)都是20號碳鋼，平均含碳量均為0.2%，導(dǎo)熱系數(shù)相同，查傳熱學(xué)第四版，其導(dǎo)熱系數(shù)49.8 W/(m·k)。

由于循環(huán)冷卻器內(nèi)外部介質(zhì)為水，內(nèi)部進出口水溫和外部的河水溫度都不超過30℃，為常溫狀態(tài)，同時工作壓力不到1.0 MPa，采用GB/T8163的管材完全符合要求。

2)表面防腐。20號無縫鋼管的表面防腐采用熱噴鋅。①噴鋅工藝預(yù)處理采用噴砂工藝除銹，表面處理達到Sa2.5標(biāo)準(zhǔn)，粗糙度為40～70 μm；②噴鋅。鋅絲：鋅絲純度為99.99%，且無油污；噴鋅設(shè)備：空壓機，火焰噴涂槍。流程：用氧氣和乙炔焰作熔融焰，用凈化過的壓縮空氣，推動鋅絲前進，并使熔融的部分形成一種霧狀噴射到設(shè)備表面上，形成均勻鋅層，對冷卻器表面進行保護。

3)配套機組容量為：324.50 MW(4×75 MW+1×24.5 MW)。

4)總冷卻水量：4 400 m3/h。

5)每小時散熱量q：10 036.08 kW。

6)河水設(shè)計溫度：19℃。

7)冷卻器進出水溫度：24.955℃/23℃。

8)安全系數(shù)取1.2。

3.2 冷卻器技改設(shè)計方案

大峽電站公用技術(shù)供水系統(tǒng)設(shè)計4套尾水冷卻器，每套冷卻器尺寸和容量和原冷卻器相同。在現(xiàn)有冷卻器托架上布置兩套冷卻器，另新增一套托架布置兩套冷卻器。單套冷卻器的設(shè)備重量約為27.5 t，安裝時吊車選用100 t和50 t的汽車吊配合吊運(見圖1～圖3)。

圖1 新增托架現(xiàn)場組焊

圖2 新增托架吊裝

圖3 冷卻器吊裝

3.3 冷卻器進出口總管

由于實際運行水量增大，將右岸尾水平臺上冷卻器進出口總管DN800改為DN1000的螺紋管，以減小流速，降低水頭損失(見圖4)。

圖4 冷卻器進出口管

3.4 冷卻器技改后效果

公用技術(shù)供水系統(tǒng)尾水冷卻器技改后自2016年汛期投入運行，機組各部運行監(jiān)測數(shù)據(jù)正常，系統(tǒng)設(shè)計功能目標(biāo)全部得以實現(xiàn)，滿足機組設(shè)備的安全穩(wěn)定運行需要。

4 結(jié) 語

在技術(shù)改造時，對技術(shù)改造前原始資料(包括設(shè)備及機組設(shè)計參數(shù)和運行實測數(shù)據(jù)等)的收集、分析總結(jié)十分重要，這是做好技術(shù)改造工作的前提。

大峽水電站機組公用技術(shù)供水系統(tǒng)的改造，消除了機組安全隱患，避免了由于機組冷卻水問題可能引起的停機事件；使得技術(shù)供水系統(tǒng)的年維護量大大降低，降低了生產(chǎn)成本；有效地解決了泥沙、漂浮物、結(jié)垢等長期困擾電站技術(shù)供水系統(tǒng)運行的問題。系統(tǒng)改造中對原系統(tǒng)的破壞程度、對電站原廠房結(jié)構(gòu)的影響等因素也做到了最小化，對同類電站技術(shù)改造具有很好的推廣應(yīng)用價值。