劉生財(cái)

(國(guó)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(guò)，交通便利。電站共安裝5臺(tái)軸流轉(zhuǎn)槳式水輪發(fā)電機(jī)組，其中4臺(tái)單機(jī)容量為75 MW，1臺(tái)單機(jī)容量為24.5 MW?？傃b機(jī)容量324.5 MW。

大峽水電站原采用的機(jī)組冷卻供水方式為：渾水期過(guò)機(jī)含沙量大于2 kg/m3時(shí)，以壩前取水經(jīng)全廠公用濾水器過(guò)濾、供水泵加壓、蜂窩斜管沉淀池除沙后自流進(jìn)入DN800機(jī)組冷卻總管，供至各機(jī)組為主，蝸殼取水經(jīng)濾水器過(guò)濾供至本機(jī)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(jī)組冷卻用水要求時(shí)，采用水泵加壓供水；當(dāng)某臺(tái)機(jī)蝸殼取水包括取水口濾水器需要臨時(shí)檢修處理時(shí)，采用壩前取水經(jīng)一組(3臺(tái))全廠公用濾水器和DN800機(jī)組冷卻供水總管供該機(jī)組冷卻用水；每臺(tái)機(jī)組冷卻供水排水均設(shè)正反向運(yùn)行電動(dòng)蝶閥，可短時(shí)間反向運(yùn)行防止冷卻器被堵塞。

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

大峽水電站工程1991-10-15日正式開(kāi)工，1996-12-08日第一臺(tái)機(jī)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(guò)近10年的運(yùn)行，存在如下主要問(wèn)題：

表1 原始設(shè)計(jì)技術(shù)供水主要供水對(duì)象及水量、水壓

1)蜂窩斜管沉淀池產(chǎn)水量不足。原設(shè)計(jì)蜂窩斜管沉淀池產(chǎn)水量為2×1 500 m3/h，但經(jīng)過(guò)實(shí)際運(yùn)行發(fā)現(xiàn)沉淀池供水時(shí)，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(jī)組各部溫度上升明顯。為了保證機(jī)組運(yùn)行，渾水期經(jīng)常將1～2臺(tái)機(jī)組采用蝸殼自流供水，導(dǎo)致機(jī)組冷卻器磨損嚴(yán)重；在機(jī)組運(yùn)行中曾多次發(fā)生冷卻器銅管破損、推力軸承進(jìn)水，機(jī)組降負(fù)荷以及被迫停機(jī)事件，嚴(yán)重影響機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

2)經(jīng)過(guò)沉淀池處理的水泥沙含量仍然較大，對(duì)機(jī)組冷卻器的磨損嚴(yán)重。

3)系統(tǒng)管路、閥門(mén)存在較多問(wèn)題：部分管路出現(xiàn)銹蝕、壁厚減薄等情況；部分閥門(mén)，特別是正、反沖用電動(dòng)蝶閥活門(mén)、閥體磨損嚴(yán)重，大部分存在內(nèi)漏，造成水量損失，汛期時(shí)多次發(fā)生過(guò)冷卻水管進(jìn)氣，造成機(jī)組各部溫度升高，影響機(jī)組的正常運(yùn)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(wèn)題，經(jīng)過(guò)充分調(diào)研論證后，于2007年至2008年對(duì)電站公用技術(shù)供水系統(tǒng)進(jìn)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(gè)循環(huán)水池，3個(gè)循環(huán)水池用原壩前取水DN800管聯(lián)通。將1 443.70 m層原來(lái)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(mén)、管路、控制盤(pán)柜等。每個(gè)循環(huán)水池出口布置2臺(tái)加壓水泵。2套尾水冷卻器集中布置在4號(hào)機(jī)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(jìn)水總管與原沉淀池進(jìn)水總管用三通連接，冷卻器出水管與全廠機(jī)組冷卻供水總管連接。

3)改造后機(jī)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(guò)濾后供機(jī)組冷卻用水，從機(jī)組排出的冷卻水排至尾水；渾水期過(guò)機(jī)流量含沙量大于2 kg/m3時(shí)，以閉式循環(huán)加壓向機(jī)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(jìn)入尾水冷卻器，利用尾水冷卻降溫后進(jìn)入機(jī)組，從機(jī)組排出的冷卻水流回循環(huán)水池，機(jī)組的熱量通過(guò)尾水帶走。

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

2.1 閉式循環(huán)加壓供水系統(tǒng)設(shè)備及設(shè)計(jì)運(yùn)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(tái)循環(huán)加壓水泵、3個(gè)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(shí)采用循環(huán)水池→循環(huán)加壓水泵→尾水冷卻器→機(jī)組各部冷卻器及其進(jìn)出水管路→循環(huán)水池的閉式循環(huán)冷卻供水方式運(yùn)行，自動(dòng)控制。1臺(tái)水泵供1臺(tái)機(jī)組用，4臺(tái)機(jī)組同時(shí)運(yùn)行時(shí)啟動(dòng)4臺(tái)水泵并聯(lián)運(yùn)行，開(kāi)第5臺(tái)機(jī)組時(shí)不再另外啟泵，剩余2臺(tái)水泵作為備用。0號(hào)機(jī)組和1號(hào)機(jī)組共用1臺(tái)水泵，0號(hào)機(jī)組單獨(dú)運(yùn)行時(shí)開(kāi)1臺(tái)水泵。0號(hào)機(jī)組和其他機(jī)組同時(shí)運(yùn)行時(shí)，停0號(hào)機(jī)組時(shí)不停水泵。運(yùn)行過(guò)程中若出現(xiàn)1臺(tái)水泵故障或機(jī)組供水管路水壓低于0.2 MPa時(shí)啟動(dòng)1臺(tái)備用水泵；若出現(xiàn)2臺(tái)水泵故障或機(jī)組供水管路水壓低于0.15 MPa時(shí)再啟動(dòng)另1臺(tái)備用水泵；機(jī)組供水管路水壓正常(大于0.25 MPa)時(shí)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(wèn)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(tái)機(jī)組同時(shí)運(yùn)行時(shí)冷卻供水的需要，投運(yùn)后主要出現(xiàn)的問(wèn)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?jī)?nèi)溫度上升明顯。就此問(wèn)題進(jìn)行了系統(tǒng)的測(cè)量、對(duì)比試驗(yàn)，檢測(cè)情況如表5～表9。

表5 實(shí)測(cè)2、3號(hào)機(jī)組采用蝸殼取水自流供水時(shí)壓力及流量

表6 實(shí)測(cè)循環(huán)加壓供水2臺(tái)循環(huán)泵帶2臺(tái)機(jī)壓力及流量

表7 實(shí)測(cè)循環(huán)加壓供水3臺(tái)循環(huán)水泵帶1、2、3號(hào)機(jī)組時(shí)的壓力及流量

表8 實(shí)測(cè)循環(huán)加壓供水3臺(tái)循環(huán)水泵帶1、2、3號(hào)機(jī)組時(shí)的壓力及流量

表9 實(shí)測(cè)循環(huán)加壓供水4臺(tái)循環(huán)水泵帶1、2、3、4號(hào)機(jī)組時(shí)的壓力及流量

從實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可以看出，電站75 MW機(jī)組技術(shù)供水實(shí)測(cè)供水量最小值936 m3/h，與設(shè)計(jì)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(jì)供水量為480 m3/h，實(shí)測(cè)供水量最小值為799 m3/h，相差319 m3/h。2臺(tái)循環(huán)水泵帶2臺(tái)機(jī)組冷卻供水時(shí)，流量及壓力能夠滿足機(jī)組運(yùn)行的需要；當(dāng)3臺(tái)循環(huán)水泵帶3臺(tái)機(jī)組冷卻供水時(shí)壓力與流量均有所下降，但基本能夠滿足機(jī)組的運(yùn)行需要；當(dāng)4臺(tái)循環(huán)水泵帶4臺(tái)機(jī)組冷卻供水時(shí)壓力與流量均無(wú)法滿足機(jī)組運(yùn)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(shí)滿足3臺(tái)機(jī)組正常的冷卻供水。主要原因?yàn)檠h(huán)加壓供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)機(jī)組冷卻用水量參照690 m3/h為依據(jù)，較實(shí)測(cè)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(jì)偏??；從表8和表9測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)比可知，當(dāng)系統(tǒng)中開(kāi)啟4臺(tái)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(jì)和選型能滿足機(jī)組供水要求，而尾水冷卻器的設(shè)計(jì)容量偏小，無(wú)法滿足機(jī)組供水要求。

2)2011年發(fā)現(xiàn)2臺(tái)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?xiàng)l件，尾水冷卻器始終退出運(yùn)行，機(jī)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(wú)法滿足設(shè)計(jì)需要及尾水冷卻器存在的問(wèn)題，于2015年對(duì)尾水冷卻器進(jìn)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(hào)優(yōu)質(zhì)無(wú)縫鋼管和304無(wú)縫管(0Cr18Ni9)。國(guó)內(nèi)尾水冷卻器的材質(zhì)一般采用20號(hào)優(yōu)質(zhì)無(wú)縫鋼管，因?yàn)槠涑杀镜土?，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(diǎn)蝕穿孔現(xiàn)象，為尾水中含氯離子造成的。經(jīng)過(guò)對(duì)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(duì)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(hào)鋼的3～4倍，成本高，并不經(jīng)濟(jì)。所以，尾水冷卻器材質(zhì)采用20號(hào)鋼(見(jiàn)表10)。

表10 20號(hào)鋼鋼管標(biāo)準(zhǔn)

GB/T8163，GB3087材質(zhì)都是20號(hào)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(jìn)出口水溫和外部的河水溫度都不超過(guò)30℃，為常溫狀態(tài)，同時(shí)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(hào)無(wú)縫鋼管的表面防腐采用熱噴鋅。①?lài)婁\工藝預(yù)處理采用噴砂工藝除銹，表面處理達(dá)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(wú)油污；噴鋅設(shè)備：空壓機(jī)，火焰噴涂槍。流程：用氧氣和乙炔焰作熔融焰，用凈化過(guò)的壓縮空氣，推動(dòng)鋅絲前進(jìn)，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(duì)冷卻器表面進(jìn)行保護(hù)。

3)配套機(jī)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(shí)散熱量q：10 036.08 kW。

6)河水設(shè)計(jì)溫度：19℃。

7)冷卻器進(jìn)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(jì)方案

大峽電站公用技術(shù)供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(shí)吊車(chē)選用100 t和50 t的汽車(chē)吊配合吊運(yùn)(見(jiàn)圖1～圖3)。

圖1 新增托架現(xiàn)場(chǎng)組焊

圖2 新增托架吊裝

圖3 冷卻器吊裝

3.3 冷卻器進(jìn)出口總管

由于實(shí)際運(yùn)行水量增大，將右岸尾水平臺(tái)上冷卻器進(jìn)出口總管DN800改為DN1000的螺紋管，以減小流速，降低水頭損失(見(jiàn)圖4)。

圖4 冷卻器進(jìn)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(yùn)行，機(jī)組各部運(yùn)行監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)正常，系統(tǒng)設(shè)計(jì)功能目標(biāo)全部得以實(shí)現(xiàn)，滿足機(jī)組設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行需要。

4 結(jié) 語(yǔ)

在技術(shù)改造時(shí)，對(duì)技術(shù)改造前原始資料(包括設(shè)備及機(jī)組設(shè)計(jì)參數(shù)和運(yùn)行實(shí)測(cè)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(jī)組公用技術(shù)供水系統(tǒng)的改造，消除了機(jī)組安全隱患，避免了由于機(jī)組冷卻水問(wèn)題可能引起的停機(jī)事件；使得技術(shù)供水系統(tǒng)的年維護(hù)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(zhǎng)期困擾電站技術(shù)供水系統(tǒng)運(yùn)行的問(wèn)題。系統(tǒng)改造中對(duì)原系統(tǒng)的破壞程度、對(duì)電站原廠房結(jié)構(gòu)的影響等因素也做到了最小化，對(duì)同類(lèi)電站技術(shù)改造具有很好的推廣應(yīng)用價(jià)值。