孫萬慶，黃慶

（中廣核玉田能源發(fā)展有限公司，四川甘洛616850）

中廣核玉田水電站技術(shù)供水系統(tǒng)項目技改探索

孫萬慶，黃慶

（中廣核玉田能源發(fā)展有限公司，四川甘洛616850）

水電站機組的技術(shù)供水系統(tǒng)對電站機組的安全、穩(wěn)定運行，起著至關(guān)重要的作用，一旦機組的冷卻水系統(tǒng)出現(xiàn)故障，機組必然停機，給電站造成發(fā)電損失。玉田水電站采用尾水取水，水泵供水+濾水器過濾至機組的單元供水方式，其水源為尼日河河水，而尼日河汛期河水水質(zhì)差（含大量懸移質(zhì)泥沙、漂浮物），不能滿足機組冷卻水對水質(zhì)的要求，也不能保證機組安全運行。所以，從機組的安全、穩(wěn)定運行以及經(jīng)濟性出發(fā)，有必要對機組技術(shù)供水系統(tǒng)進行改造升級。

玉田電站；技術(shù)供水；冷卻系統(tǒng)；技改探索

1 引言

玉田水電站位于四川省涼山彝族自治州甘洛縣和越西縣境內(nèi)，為尼日河流域梯級規(guī)劃的第四級電站，是四川省政府“4433工程”的重大項目。該電站為引水式開發(fā)的高水頭電站，由首部樞紐、引水系統(tǒng)、廠區(qū)樞紐組成。上游水庫總庫容為49.8萬m3，正常蓄水位1 279.0 m，設(shè)計水頭177 m，設(shè)計引用流量59.7 m3/s。玉田水電站單機容量為31 MW，總裝機93MW，年利用小時數(shù)5113h，年發(fā)電量4.75億kW·h。電站前期設(shè)計單位為樂山設(shè)計院，后期設(shè)計單位為福建省永川水利水電勘測設(shè)計院，主機廠為南平電機廠，發(fā)電機型號為SF35-18/5 000，玉田水電站于2013年1月18日投入發(fā)電，出線電壓等級為220 kV，通過單回8.26km220kV“田爾線”送至220kV爾足變電站并入四川電網(wǎng)運行。

2 技術(shù)供水系統(tǒng)改造前狀況

2.1 原有技術(shù)供水系統(tǒng)設(shè)計

玉田電站額定水頭為177 m，技術(shù)供水系統(tǒng)采用尾水取水、水泵供水+濾水器過濾的方式。機組技術(shù)供水的對象主要有發(fā)電機空冷卻器、機組上導(dǎo)、推力、下導(dǎo)、水導(dǎo)軸承油冷卻器等。

電站機組尾水右側(cè)閘墩下游墻上分別設(shè)置有3個水泵取水口（取水口高程為EL 1 080.00 m），經(jīng)機組技術(shù)供水泵吸水管DN250引至蝶閥層2臺技術(shù)供水泵（臥式離心泵，1主1備）；水泵抽水，匯合至DN250技術(shù)供水總管，經(jīng)1臺濾水器過濾，分別進入機組6臺空冷器和軸承油冷器（上導(dǎo)、推力、下導(dǎo)、水導(dǎo)）；出機組后，6個空冷器的排水管匯至DN219的總管排至尾水，所有軸承冷卻器（上導(dǎo)、推力、下導(dǎo)、水導(dǎo)）匯至DN159的總管排至尾水。

水輪機頂蓋排水作機組技術(shù)供水系統(tǒng)備用供水。

2.2 原有技術(shù)供水系統(tǒng)存在的問題

2.2.1 技術(shù)供水取水口堵塞

原有技術(shù)供水系統(tǒng)，水泵直接從尾水渠取水，取水水管DN250且取水口只有1個。汛期漂浮物多時，取水口極易造成堵塞，致使水泵不能正常取水或取水量減少，直接影響機組技術(shù)供水系統(tǒng)的冷卻效果或?qū)е率鹿释C。取水口堵塞后，必須停機由潛水工下水檢修，電量損失及作業(yè)安全隱患較大。

2.2.2 水泵吸水管堵塞

原有技術(shù)供水系統(tǒng)，尾水正常水位EL1084.50m，水泵吸水管高程為EL 1 080.00 m，為埋管。汛期漂浮物多時，纏繞性漂浮物和樹枝進入管道之后，有堵塞埋管的可能性。一旦埋管被堵塞，必須廢棄，采用明管重新布管，耗資大，工期長，電量損失大。

2.2.3 水泵堵塞、磨損

濾水器布置在水泵之后，漂浮物進入水泵之后，可能會纏繞在葉片上，導(dǎo)致水泵堵塞；泥沙會磨損水泵葉輪，增加水泵自身水頭損失，降低水泵的效率。2.2.4濾水器堵塞嚴重

玉田水電站濾水器布置在水泵之后，水泵直接由電站尾水抽水，受河流水質(zhì)、懸移質(zhì)泥沙、漂浮物等影響，經(jīng)常造成水泵堵塞，不得不進行停泵檢修、疏通。增加人力、物力、財力的損失，而且大大影響了機組技術(shù)供水的流量壓力穩(wěn)定，嚴重影響機組的安全穩(wěn)定運行，且在汛期停機清理雜物電量損失較大，據(jù)統(tǒng)計，2013年因濾水器堵塞（圖1、2）造成165萬電量損失，按照四川省調(diào)均價0.288元/kW·h，直接經(jīng)濟損失47.52萬元。

圖1 濾水器堵塞

圖2 濾水器清淤

2.2.5 機組冷卻器堵塞、磨損

尼日河汛期，河水渾濁，懸移質(zhì)泥沙含量大、漂浮物較多。漂浮物、泥沙進入機組冷卻器后，會造成機組冷卻器的堵塞，過水量減少，水壓降低，導(dǎo)致事故停機或燒瓦事故機率增大。機組軸承冷卻器纏繞物不能自動清除，停機解體機組冷卻器進行清理，增加勞動量的同時，也給電站帶來了很大的經(jīng)濟損失。

泥沙進入機組冷卻器后，會給機組冷卻器帶來磨損，降低冷卻器的使用壽命；嚴重時，機組冷卻器穿孔，導(dǎo)致機組軸承油混水，造成燒瓦事故，影響設(shè)備的安全運行。

2.2.6 機組技術(shù)供水管與冷卻器結(jié)垢嚴重

每年檢修，均發(fā)現(xiàn)機組技術(shù)供水管道和冷卻器內(nèi)結(jié)垢（主要表現(xiàn)為泥垢）嚴重。污垢附著在管道內(nèi)壁和機組各冷卻器銅管內(nèi)壁，增加了傳熱熱阻，同時導(dǎo)致過流面積減小，水量減小，從而影響機組的正常運行。由于采用的是河水水源，采用除垢劑并不能從根本上解決問題。

3 技術(shù)供水系統(tǒng)改造方案比較

水電站機組技術(shù)供水中的冷卻水對電站機組的安全運行有著至關(guān)重要的作用，冷卻水運行不正常，會造成機組溫度升高，報警、甚至停機。而冷卻水的水質(zhì)（漂浮物、泥沙、結(jié)垢、水生物、腐蝕等）如不能滿足要求，對電站運行會造成影響。玉田水電站技術(shù)供水取自尾水，從現(xiàn)狀來看，汛期河道水質(zhì)過差，不能滿足機組安全運行的要求，故對技術(shù)供水系統(tǒng)的改造方案選擇尤為重要。

3.1 技術(shù)供水優(yōu)化改進方案

經(jīng)認真研究分析，玉田水電站技術(shù)供水系統(tǒng)優(yōu)化改進方案主要有兩種。

方案1：頂蓋取水；

方案2：開放式循環(huán)供水。

3.2 技術(shù)供水優(yōu)化改進方案比較分析

3.2.1 頂蓋供水方案

（1）頂蓋供水方案

玉田電站混流式水輪機轉(zhuǎn)輪上迷宮環(huán)漏水供機組冷卻水即頂蓋取水的方式，從水輪機轉(zhuǎn)輪上的迷宮環(huán)漏到頂蓋中的水經(jīng)轉(zhuǎn)輪泄水錐的泄水孔排到尾水管，這部分水不經(jīng)過轉(zhuǎn)輪葉片流道，故不做功。

頂蓋取水取自轉(zhuǎn)輪上止漏環(huán)間隙漏水，經(jīng)8只頂蓋取水管DN100引至技術(shù)供水總管DN250。

（2）采用頂蓋取水存在的問題

從20世紀80年代初我國水輪機頂蓋取水作為技術(shù)供水水源應(yīng)用以來，已有電站采用此項技術(shù)，但在高、中水頭的混流式水輪機中使用比例仍很小，還存在一些問題，如頂蓋取水會影響水輪機效率，頂蓋漏水的水壓時大時小變化較大、頂蓋漏水量不能滿足要求等，而且多數(shù)水輪機制造廠家在頂蓋取水供機組冷卻水方面還缺乏經(jīng)驗。

該改造方案實施簡單，周期短，但是因為頂蓋漏水量及壓力的不確定性，而不能解決汛期水質(zhì)差等問題，故改造暫不推薦。

3.2.2 開放式循環(huán)技術(shù)供水方案

開放式循環(huán)供水有1個開敞式循環(huán)水池，水池有一定的容積，便于沉淀和排出系統(tǒng)內(nèi)部原有的少量泥沙、污物，還便于系統(tǒng)充水時排氣、換水和補水操作及水質(zhì)監(jiān)視，水量及壓力可控，巡視檢查方便。

鑒于上述分析，玉田電站技術(shù)供水優(yōu)化改造以開放式循環(huán)供水為準。

4 機組循環(huán)冷卻技術(shù)供水系統(tǒng)改造

經(jīng)公司批準，2014年底對3臺機組技術(shù)供水系統(tǒng)進行了全面改造。

4.1 循環(huán)冷卻技術(shù)供水系統(tǒng)

玉田電站技術(shù)供水系統(tǒng)采用開放式循環(huán)冷卻供水方式，機組冷卻采用符合要求的生活清潔水源，以解決機組冷卻水對水質(zhì)的較高要求與河水水質(zhì)較差的矛盾。其工作原理為清潔冷卻水帶走機組運行產(chǎn)生的熱量，經(jīng)排水管道排入循環(huán)水池；水泵從循環(huán)水池內(nèi)抽水至機組冷卻器（發(fā)電機空冷器、軸承油冷卻器），再經(jīng)布置于尾水中的尾水冷卻器，與河水進行熱交換作用后降低溫度，然后回到循環(huán)水池。機組冷卻水在一個往復(fù)循環(huán)的系統(tǒng)中，通過流動的、溫度較低的天然河水帶走機組運行產(chǎn)生的熱量。

技術(shù)供水采用清潔水循環(huán)使用，可有效防止機組冷卻裝置的堵塞、結(jié)垢、腐蝕、水生物等，還可防止出現(xiàn)技術(shù)供水系統(tǒng)管路因溫差大出現(xiàn)的結(jié)露滴水現(xiàn)象，從根本上解決了電站汛期技術(shù)供水水質(zhì)差等問題。

循環(huán)冷卻技術(shù)供水的原理為熱交換原理。冷卻水的走向為：循環(huán)水池→循環(huán)水泵→機組冷卻器→尾水冷卻器→循環(huán)水池。

4.2 循環(huán)水池設(shè)計

玉田單臺機組技術(shù)供水量為400 m3/h，若采用3臺機組分別布置循環(huán)水池的單元供水方案，需設(shè)置3座循環(huán)水池，受現(xiàn)場條件限制，施工難度大，耗資大。故采用3臺機組共用1個循環(huán)水池的方案。

循環(huán)水池為鋼筋砼結(jié)構(gòu)，其外形尺寸為：長12m，寬5 m，高3 m，有效容積約120 m3，分析：對循環(huán)水池容積的選取，目前沒有規(guī)范及標準的明確規(guī)定，根據(jù)已建成電站的經(jīng)驗，循環(huán)水池的有效容積原則上可按機組總冷卻水量的1/10選取，玉田水電站單臺機組的冷卻水量為400 m3/h，3臺機組共1 200 m3/h；設(shè)計按本電站技術(shù)供水系統(tǒng)3臺機組共用1座循環(huán)水池，循環(huán)水池的有效容積不小于120 m3。

4.3 循環(huán)冷卻器換熱管選型及換熱計算

4.3.1 尾水冷卻器換熱管選型

（1）換熱管選型

循環(huán)冷卻器采用鋼管構(gòu)成的框架結(jié)構(gòu)，循環(huán)冷卻器管排置入框架內(nèi)，中部加上防震扁鋼固定，能起到抗沖擊、抗震動效果。為便于安裝起吊，循環(huán)冷卻器管排上部應(yīng)設(shè)有吊耳。

尾水冷卻器材質(zhì)主要有優(yōu)質(zhì)碳鋼無縫鋼管、不銹鋼無縫鋼管。碳鋼與不銹鋼相比，后者傳熱性能高，采用熱噴鋅高效防腐工藝，水生物不易滋生在其表面上，使用壽命長等優(yōu)點；在相同溫度、流量條件下，Φ25不銹鋼管傳熱系數(shù)最高，換熱性能最好，內(nèi)部冷卻水流速較快，水力損失較??；故選取Φ25不銹鋼管作為冷卻器主材。

技術(shù)標準：GB/T8162—99，GB/T8163—1999。

1

）主換熱管，Φ25 mm，壁厚2 mm，長度：通常。

屈服點：σs=380/395（MPa）

抗拉強度：σp=520/515（MPa）

延伸率：σst=30.0/34.0（%）

化學(xué)成份（GB/T8162—99）見表1。

表1 主管化學(xué)成分表（單位：%）

2）支換熱管，外徑159 mm，壁厚5 mm，長度：通常。

屈服點：σs=340/345（MPa）

抗拉強度：σρ=500/500（MPa）

延伸率：σst=32.0/31.0（%）

化學(xué)成份（GB/T8162—99）見表2。

表2 支管化學(xué)成分表（單位：%）

（2）壁厚選擇

技術(shù)標準：GB/T8162—99，GB/T8163—1999。

管壁厚度是根據(jù)材料的抗拉強度σρ及安全系數(shù)決定材料的允許應(yīng)力σ，按工作壓力P，管子內(nèi)徑d及防銹厚度c，用下式進行計算：

設(shè)計壓力按1.5 MPa×1.5安全系數(shù)計算，防銹厚度按不低于50年考慮。

經(jīng)計算φ25管按強度要求的計算厚度為0.5mm，防銹厚度不小于2.0 mm，考慮到焊接以及冷卻器整體剛度等要求決定，考慮足夠余量并加大安全系數(shù)后取φ25×3 mm無縫鋼管。

其余大管徑結(jié)構(gòu)管均考慮不小于2 mm銹蝕余量。

4.3.2 尾水冷卻器換熱計算

循環(huán)冷卻器換熱計算按最不利工況進行校核，即夏季河水達到最高水溫時，進水溫度也達到最高，要求此時冷卻器出口水溫滿足技術(shù)要求。

（1）循環(huán)冷卻器設(shè)計溫度：進口水溫28℃，出口水溫應(yīng)低于23℃；

（2）河水溫度：因為無水溫資料，根據(jù)本電站自然氣候條件及所處位置，分別取不同溫度進行計算。

（3）玉田電站最高河水溫度不超過18℃。

（4）循環(huán)冷卻器每臺對應(yīng)1臺機組，額定流量為：單機20 m3/s；機組單機容量31 MW。

（5）電站尾水在冷卻器安裝位置流速按不低于0.2 m/s設(shè)計。

設(shè)計計算：

（1）設(shè)計依據(jù)

主要依據(jù)傳熱學(xué)理論：

（2）傳熱量計算

當每臺機組通過額定冷卻水量，需要通過循環(huán)冷卻器將冷卻水從30℃降低到25℃時，計算每臺冷卻器傳熱量：

從傳熱學(xué)資料上查得cp=4176 J/（kg·K），ρ=996.3 kg/m2，代入公式（4）進行計算，得傳熱量Φ。

（3）傳熱系數(shù)

循環(huán)冷卻器的傳熱計算較為復(fù)雜，其傳熱系數(shù)與鋼管表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)、鋼管壁導(dǎo)熱系數(shù)、冷卻器外形結(jié)構(gòu)、換熱管材料、直徑及壁厚、管內(nèi)流體的流速等密切相關(guān)，同時，還必須考慮冷卻器運行時間較長后，管內(nèi)外壁可能產(chǎn)生的污垢熱阻R（根據(jù)我公司多年設(shè)計及運行數(shù)據(jù)經(jīng)驗進行修正）。

鋼管壁傳熱系數(shù)36.7 W/m·K，換熱管外徑do=29 mm，內(nèi)徑為di＝25 mm。

從傳熱學(xué)相關(guān)資料上查得，在當前溫度條件下，水的物理特性參數(shù)。ρ＝996.3kg/m3，cp＝4176 J/（kg·K），λ＝0.618 W/m·K，Pr＝5.42，ν＝0.805×10-6m2/s。

分別代入以上公式，求得傳熱系數(shù)為1950～2230（W/m2·K）。

（4）對數(shù)平均溫差

按公式（3）分別取不同的河水水溫進行計算，循環(huán)冷卻器進口水溫28℃，出口溫度按不高于23℃，計算△t。

（5）換熱面積

根據(jù)公式（1），Q=KA△t，得A=Q/（K·△t）

按河水溫度最高18℃時，計算散熱面積A。（6）換熱管長度計算

根據(jù)A=πdL，得L=A/πd，計算得散熱管長度L。

經(jīng)過兩年的運行檢測，循環(huán)水池進口溫度最高不大于27℃，出口溫度按不高于23℃，完成滿足設(shè)計與現(xiàn)場需求。

4.3.3 尾水冷卻器換熱管排管設(shè)計

循環(huán)冷卻器在以上換熱計算的基礎(chǔ)上進行外形結(jié)構(gòu)設(shè)計，確定換熱管排管尺寸后，按實際布置情況進行換熱面積校核計算。

（1）為利于散熱及防止漂浮物、雜物、泥沙等淤積，換熱管之間間距不能太??；

（2）換熱管單管長度需滿足“長管換熱”的要求，即單管長度盡量≥40d；

（3）冷卻水流程按蛇形回路布置；（4）管路流程數(shù)需合理布置，避免水力損失太大；（5）排管布置時，散熱管長度需大于理論計算值，安全系數(shù)不小于1.2。

4.3.4 循環(huán)冷卻器水力計算

玉田電站循環(huán)冷卻器采用并聯(lián)布置方式，而且3臺循環(huán)冷卻器結(jié)構(gòu)布置及額定流量完全相同，故水力損失計算只需要計算1臺循環(huán)冷卻器的水力損失。

水力損失包括沿程損失及局部損失，對于本設(shè)備局部損失應(yīng)為主要損失。

（1）沿程水力損失計算按hl＝0.025×l/d×v2/2 g

hl——沿程阻力損失（mH2O）；

0.025 ——沿程摩阻系數(shù);

l——管路長度（m）；

d——管路直徑（m）；

g——重力加速度，為9.81 m/s2。

（2）局部水力損失計算按hw=ξ×v2/2g

hw——局部阻力損失（mH2O）；

ξ——局部阻力系數(shù)，查表《水電站機電設(shè)計手冊》水力機械分冊。

因為循環(huán)水冷卻器采用多流道排管型式，其內(nèi)部水流情況較為復(fù)雜，按常規(guī)水力計算公式進行計算的數(shù)據(jù)與實際數(shù)據(jù)有較大差異，根據(jù)玉田電站水力損失設(shè)計要求及出廠水阻試驗數(shù)據(jù)報告歸納總結(jié)，對循環(huán)水冷卻器水力計算結(jié)果進行修正，其修正系數(shù)根據(jù)循環(huán)水冷卻器結(jié)構(gòu)型式確定。

經(jīng)計算，玉田電站每臺循環(huán)水冷卻器水力損失約7.5 mH2O。

4.4 尾水冷卻器安裝

尾水冷卻器為非標產(chǎn)品，考慮玉田電站實際情況，將冷卻器安裝在尾水回水轉(zhuǎn)角處，底部與河渠自由接觸，兩端采取焊接與膨脹螺栓固定，這樣能很好避開尾水沖刷及波動，防止產(chǎn)生共振，保證尾水冷卻器安全可靠運行，保證尾水冷卻器需終年位于最低尾水位（高程為1 082.00 m）水下，保證冷卻效果、防凍、防銹、防漂浮物侵蝕。

4.5 技術(shù)供水改造成果（圖3～5）

圖3 技術(shù)供水改造效果圖

圖4 冷卻器圖

圖5 冷卻器吊裝圖

5 采用開放式循環(huán)冷卻技術(shù)供水系統(tǒng)的優(yōu)點

（1）技改效果顯著，循環(huán)水池進出總管溫差能達到2.3℃，說明循環(huán)水池容積計算、冷卻器換熱管選型及換熱計算、循環(huán)水泵功率及揚程計算、進出水管配型均合理。

（2）減少電站在汛期因為冷卻水水質(zhì)問題而發(fā)生的停機事故，大大增加發(fā)電量。

（3）循環(huán)水中不含泥沙，不會對機組冷卻器的銅管造成磨損；同時，循環(huán)水中不含鈣、鎂等離子，機組冷卻器不會結(jié)垢降低散熱效果。不僅減少了大量的維護檢修工作，也延長了機組冷卻器的壽命。

（4）電站實現(xiàn)少人值守、遠程集中控制的目的，提升電廠員工運維一體化綜合素質(zhì)，保障電廠安全經(jīng)濟穩(wěn)定運行。

6 結(jié)論

玉田水電站采用開放式循環(huán)冷卻技術(shù)供水系統(tǒng)在技術(shù)上完全可行，改造后，不需經(jīng)常停機檢修、清理技術(shù)供水系統(tǒng)水泵、濾水器及管路，大大降低了機組運行安全風(fēng)險，提高了電站效益。一年能減少停機發(fā)電損失約500萬kW·h，增收約140萬元。

[1]GB/T11085-199水輪機組自動化元件及其系統(tǒng)基本技術(shù)條件[S].

[2]DL/T 5081-2001水力電廠自動化設(shè)計技術(shù)規(guī)范[S].

[3]GB/T 12221金屬閥門結(jié)構(gòu)長度[S].

[4]DL/T 5066-1998水力發(fā)電廠機械輔助設(shè)備系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)規(guī)定[S].

[5]GB 50010-2002混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].

[6]GB 50069-2000給水排水工程構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].

[7]SDJ173水力發(fā)電廠機電設(shè)計技術(shù)規(guī)程[S].

[8]GBJ235工業(yè)管道工程、施工及驗收規(guī)范[S].

[9]GBJ236現(xiàn)場設(shè)備、工業(yè)管道焊接工程施工及驗收規(guī)范[S].

TV735

B

1672-5387（2017）02-0018-05

10.13599/j.cnki.11-5130.2017.02.006

2016-09-07

孫萬慶（1978-），男，工程師，從事水電站生產(chǎn)管理工作。