王志強，王國鵬

（1. 北方國際合作股份有限公司，北京100040；2. 成都鴻策工程咨詢有限公司，四川 成都610072）

1 工程概述

南湃（Nam Phay）水電站位于老撾萬象省北部Phoun區(qū)，壩址位于南俄河（Nam Ngum）支流南湃河（Nam Phay）上游峽谷，南俄河（Nam Ngum）是湄公河的1級支流。電站廠房位于南樂克河右岸。2009年7月中國北方國際合作股份有限公司與老撾政府簽訂項目開發(fā)諒解備忘錄，以BOT型式開發(fā)該項目。該項目是北方國際在海外投資的第一個BOT水電站，項目總投資2.18億美元。中央電視臺將其作為“一帶一路”標志性項目，進行專題報道。該電站于2017年5月投產(chǎn)發(fā)電。

水庫正常蓄水位1 140 m，設計洪水位1 141.7 m，校核洪水位1 143.49 m，水庫總庫容2.059億m3，調(diào)節(jié)庫容1.326億m3，電站安裝2臺沖擊式水輪發(fā)電機組，總裝機容量86 MW，多年平均發(fā)電量約4.19億kW·h，年利用小時數(shù)4 878 h。本電站特點為“大庫容、小流量、長引水、高水頭”，主要任務為發(fā)電。

2 問題診斷

電站技術(shù)供水系統(tǒng)單機冷卻水量為400 m3/h，冷卻水進口溫度≤30oC。之前，電站冷卻水采用尾水取水單元供水方式，每臺機采用2臺長軸深井泵取水，一主一備，輪換使用，水泵設計流量Q=450 m3/h，揚程h=50 m，電機功率P=90 kW。2臺機在初始運行階段（前期10多天）各部溫度都在制造廠和規(guī)范的要求范圍內(nèi)，經(jīng)觀察運行記錄發(fā)現(xiàn)機組各部溫度在機組運行10多天后，每天都在緩慢上漲，直到機組不能安全運行?，F(xiàn)場檢修人員拆開機組各部冷卻器后，發(fā)現(xiàn)冷卻器內(nèi)部不但有泥沙敷著在冷卻管內(nèi)壁，還有化學結(jié)晶物敷著在管路和冷卻管內(nèi)壁。檢修人員在清潔冷卻器的同時，也重新清理了2臺機水泵取水坑的的泥沙，檢修后的前幾天各部溫度也正常，但隨著運行時間的加長，各部溫度又出現(xiàn)了緩慢爬升的情況。

另外，現(xiàn)場測得機組進水主管壓力為0.25 MPa，機組排水總管壓力為0.05 MPa，其冷卻器水力損失達0.2 MPa。

檢修時期冷卻器被泥沙淤堵情況見圖1。

圖1

因此，基本確定水質(zhì)差是造成以上問題的主要因素。本電站所在流域河水的硬度高，水中Ca、Mg等離子大量存在，易在機組各冷卻器銅管內(nèi)壁形成水垢，影響冷卻器冷卻效果，導致機組不能安全運行。

電站原技術(shù)供水流向示意圖如圖2：

圖2

3 改造方案

3.1 系統(tǒng)方案比較

要解決本電站技術(shù)供水系統(tǒng)存在的問題，主要是解決技術(shù)供水系統(tǒng)水質(zhì)問題，解決水質(zhì)問題有以下方案：

（1）采用密閉循環(huán)供水方式

系統(tǒng)組成：系統(tǒng)由循環(huán)水池及補充水源、供水泵、水泵控制柜、尾水冷卻器、管路、閥門、機組各冷卻器（包括空氣冷卻器、各軸承油冷卻器等）及各種表計、自動化元件等。

工作原理：水泵從循環(huán)水池內(nèi)抽水，送至布置在電站尾水渠內(nèi)、最低尾水位以下的尾水冷卻器，通過尾水冷卻器與溫度較低的電站尾水進行冷熱交換作用后溫度降低，然后送至機組，吸收機組運行產(chǎn)生的熱量后，又排回循環(huán)水池。冷卻水采用清潔水，在一個往復循環(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。

特點：冷卻水采用滿足要求的清潔水循環(huán)使用，可防止機組冷卻系統(tǒng)內(nèi)部的堵塞、結(jié)垢、腐蝕、水生物等，從根本上解決電站技術(shù)供水系統(tǒng)水質(zhì)問題。

（2）建高位沉淀水池自流供水方式

系統(tǒng)組成：系統(tǒng)由高位沉淀水池、排污道、供水泵及水泵控制柜、濾水器、管路、閥門、機組各冷卻器（包括空氣冷卻器、各軸承油冷卻器等）及各種表計、自動化元件等。

工作原理：在高位（高于發(fā)電機層，高程約50 m）建沉淀水池，水泵自尾水抽水，經(jīng)濾水器過濾，然后壓至高位水池沉淀后，再向機組自流供水的方式。

特點：冷卻水取自電站尾水，經(jīng)濾水器過濾、沉淀池沉淀后，能去除水中大部分雜物、泥沙，但是對水中的懸移質(zhì)、礦物質(zhì)作用有限，無法解決結(jié)垢問題，遇到水質(zhì)條件差時，濾水器還易發(fā)生堵塞；自流供水高位水池所需容積較大，水池水位監(jiān)測必須保證可靠，需人員定期巡視；需建排污道，定期進行排污；故該方案不僅工程施工難度較大、工程投資較大，且增加了運行維護工作量。

因此，南湃水電站采用密閉循環(huán)供水方式較為適合。

3.2 實施方案比較

密閉循環(huán)供水系統(tǒng)一般有2種方式實現(xiàn)：

（1）無循環(huán)水池的全密閉循環(huán)

該循環(huán)供水系統(tǒng)無循環(huán)水池，主要由水泵，膨脹水箱，外冷卻器和機組冷卻系統(tǒng)組成。機組冷卻排水直接進入水泵吸水管，經(jīng)泵加壓后，送至尾水冷卻器冷卻降溫，又送入機組。

該系統(tǒng)特點是管路及設備布置更簡單、減小了系統(tǒng)水力損失、膨脹水箱容積較?。ㄒ话銥?～3 m3，設置在高位，主要起排氣、恒壓、補水等功能），減少了建循環(huán)水池的工程量，缺點是因為系統(tǒng)采用全密閉形式，循環(huán)水體容易缺氧變質(zhì)，如果系統(tǒng)有滲漏，易發(fā)生補水不及。故全密閉循環(huán)方式一般適用于廠內(nèi)或廠區(qū)無法布置循環(huán)水池的電站。

（2）帶循環(huán)水池的半密閉循環(huán)

該循環(huán)供水系統(tǒng)原理同前述，特點是設置有循環(huán)水池中間過渡，水體和大氣直接接觸，水體一般不會缺氧，而且便于冷卻水更換和處理。

有幸的是本電站在建設期間已經(jīng)修建了密閉水池，預埋了循環(huán)技術(shù)供水系統(tǒng)管路至尾水渠內(nèi)尾水冷卻器進出口，并在水泵房內(nèi)預留了3臺循環(huán)供水泵安裝位置及水池傳感器安裝孔洞。

帶循環(huán)水池的循環(huán)供水系統(tǒng)是解決水電站技術(shù)供水系統(tǒng)水質(zhì)差比較成熟的技術(shù)，國內(nèi)外存在著大量成熟的工程實踐。在老撾當?shù)?，大多?shù)電站均采用這種供水方式。比如南俄5電站、南坎2電站、南夢3電站等運行情況均良好。尤其是南夢3電站也是沖擊式電站，安全運行十幾年了，表現(xiàn)情況良好。當然國內(nèi)用該種技術(shù)供水的電站就舉不勝數(shù)了。

因此，本次改造選擇帶循環(huán)水池的循環(huán)供水系統(tǒng)。

4 改造方案

4.1 標準及規(guī)范

本電站技術(shù)供水系統(tǒng)改造設計是根據(jù)《水力發(fā)電廠水力機械輔助設備系統(tǒng)設計技術(shù)規(guī)定》NB/T35035-2014相關規(guī)范條款進行。

4.2 總體布置方案

（1）技改后技術(shù)供水示意圖如圖3：

圖3

（2）技術(shù)供水系統(tǒng)改造工程以循環(huán)供水為主供水系統(tǒng)，原取尾水渠尾水為備用供水系統(tǒng)（在檢修冷卻器及循環(huán)水池時投入）。

（3）主供水系統(tǒng)主要由供水水泵、尾水冷卻器、循環(huán)水池、機組冷卻器、電子水處理儀、閥門、管路以及自動化元件和表計等組成。

（4）2臺機組共用一座循環(huán)水池,水池設在水輪機層以下，有效容積為120 m3；

（5）水輪機層水池上方設置3臺長軸深井泵（Q=450 m3/h，H=55～65 m，P=110 kW），2用 1備；

（6）每臺機組1套尾水冷卻器，分別布置在2臺機組的尾水渠內(nèi)。

4.3 主要優(yōu)點

（1）由于循環(huán)水采用滿足要求的清潔水，可有效防止機組冷卻裝置的堵塞、結(jié)垢、腐蝕、水生物等，并防止技術(shù)供水系統(tǒng)中設備、管路的結(jié)露，從而解決電站汛期水質(zhì)難以滿足技術(shù)供水要求的問題。

（2）減少電能損失，增加發(fā)電量。由于循環(huán)冷卻水中不含漂浮物、泥沙和水生物等，運行中不存在設備堵塞問題，因此，機組在汛期可正常發(fā)電，不會因冷卻水導致停機，而造成經(jīng)濟損失。

（3）延長機組各冷卻器的使用壽命。由于冷卻水采用清潔水不含泥沙，防止了泥沙對冷卻器的磨損，冷卻水循環(huán)使用其內(nèi)部鈣、鎂離子有限，各冷卻器不會因大量結(jié)垢而降低傳熱效果，因此，不僅減輕大修檢修工作量，并且延長設備壽命，減少電站的檢修費用。

（4）有利于電站自動化。采用循環(huán)冷卻水可減少冷卻系統(tǒng)運行中的人工干預。

（5）提高技術(shù)供水系統(tǒng)運行的安全可靠性，消除冷卻水系統(tǒng)造成的機組運行安全隱患，機組運行更安全。

5 尾水冷卻器布置方案

循環(huán)技術(shù)供水系統(tǒng)核心設備為進行熱交換的尾水冷卻器，該設備采用四川華水工程技術(shù)開發(fā)有限公司專利產(chǎn)品。

（1）本電站尾水冷卻器每臺機組1臺套，共2臺套，其結(jié)構(gòu)型式及安裝布置方式均相同。每套尾水冷卻器由7件串聯(lián)組成，布置在尾水洞底板高程396.70 m上，靠兩側(cè)邊墻位置，尾水冷卻器之間通過法蘭連接。尾水冷卻器采用立式布置，其底部留有足夠的空間防止泥沙淤積；其頂部低于2臺機組尾水匯合段底板397.70 m高程。

（2）每套尾水冷卻器DN250預埋進出水管，分別位于尾水洞內(nèi)左右兩側(cè)404.35 m高程處。

（3）電站正常尾水位高程為401.00 m，2臺機組尾水匯合段高程為398.700 m。

為保證機組在任意工況、負荷運行狀態(tài)下尾水冷卻器的散熱效果，尾水冷卻器布置在電站最低尾水位以下，尾水冷卻器設計最高散熱管高程低于2臺機組尾水匯合段底板高程397.70 m，這樣，可保證在電站最低負荷運行時（甚至機組全停時），尾水冷卻器也處于尾水位以下。

（4）為減小對尾水出流的影響，尾水冷卻器過水斷面尺寸已做到最優(yōu)尺寸。

（5）為防止泥沙沉積、便于檢修維護及表面清理，尾水冷卻器設計為立式結(jié)構(gòu)、靠尾水洞兩側(cè)邊墻布置，用不銹鋼膨脹螺栓固定在底板及邊墻上；

（6）為方便現(xiàn)場二次轉(zhuǎn)運及安裝，尾水冷卻器單件重量滿足現(xiàn)場轉(zhuǎn)運及安裝要求。

（7）為更好的防腐防銹、減少維護工作量，尾水冷卻器及進出水管采用304 L不銹鋼材質(zhì)。

（8）安裝時根據(jù)情況，現(xiàn)場制作尾水冷卻器進出水管、連通管支架。

6 綜合分析

通過冷卻水系統(tǒng)技改，2臺機組目前滿負荷運行，機組各部位溫度運行穩(wěn)定：其中，推力軸瓦為金屬塑料瓦，運行溫度穩(wěn)定在40℃左右；水導、上導、下導為巴氏合金瓦，運行溫度穩(wěn)定在55℃左右；空氣冷卻器冷風和熱風溫度分別在35℃和50℃左右。機組進水溫度22～23℃，出水溫度高2～3℃。機組冷卻水流量約500 m3/h，冷卻水進水總管壓力0.2 MPa，技術(shù)供水系統(tǒng)各項參數(shù)均滿足設計及規(guī)范要求。

通過技改，電站已徹底解決了技術(shù)供水系統(tǒng)水質(zhì)問題，消除了冷卻水故障對機組的隱患，為電站長期穩(wěn)定運行奠定了基礎，為電站可靠的經(jīng)濟效益提供了保障，此次改造也可為同類型高水頭、小流量電站的冷卻水供水方案提供借鑒。

7 結(jié)語

做好一個工程，樹立一座豐碑，創(chuàng)造一個良好的口碑，南湃水電站工程就是這樣的一個工程，它為國家“一帶一路”戰(zhàn)略添光加彩，為老撾經(jīng)濟發(fā)展提供源源不斷的清潔能源，也為中老友誼之樹常青作出了奉獻！