杜才明，張 俊，白 楊

(中國水利電力對(duì)外有限公司，北京 100120)

蘇阿皮蒂電站是西非幾內(nèi)亞共和國孔庫雷河梯級(jí)開發(fā)的第二級(jí)，距首都科納克里約135 km。本工程水庫正常蓄水位210 m對(duì)應(yīng)庫容63.17億m3，裝機(jī)容量450 MW，工程等別為Ⅰ等，工程規(guī)模為大(1)型。主要建筑物有碾壓混凝土重力壩、壩后廠房、進(jìn)場公路及橋梁等。

壩址流域面積10 800 km2，正常蓄水位對(duì)應(yīng)庫容63.17億m3，調(diào)節(jié)庫容39.4億m3，年均來水103.3億m3，屬多年調(diào)節(jié)水庫。碾壓混凝土重力壩，左岸壩后式廠房，最大壩高120 m，壩頂長1 164 m。裝機(jī)容量4×112.5 MW=450 MW，混流式機(jī)組，額定水頭87 m，工作水頭72.52～99.98 m。壩后背管式壓力鋼管取水，一機(jī)一管供水，進(jìn)水口中心線高程160 m，正常高水位210 m，最低發(fā)電水位185 m。流域植被良好，河水泥沙含量小于10 g/m3。對(duì)外主合同要求技術(shù)供水為鋼管自流減壓供水+二次循環(huán)冷卻供水，要求設(shè)計(jì)冷卻水溫30℃。工程于2016年4月開工，計(jì)劃2020年9月首臺(tái)機(jī)投產(chǎn)發(fā)電，2021年1月工程竣工。

1 冷卻水溫

1.1 大氣與淺層地溫

電站壩址地理坐標(biāo)為北緯10°25'，西經(jīng)13°15'，距大西洋海岸線約60 km，為熱帶季風(fēng)氣候，季節(jié)性平均溫差很小。幾內(nèi)亞森林茂密，植被良好，雨季(6-10月)降雨集中，日照時(shí)間短，天氣濕涼；旱季(11月-次年5月)日照充足，晝夜溫差較大。氣溫年均最高37.6℃、最低8.5℃，極端最高44.2℃、最低6.5℃，全國年均26℃(工程區(qū)27℃)，分地區(qū)年均24℃～32℃。通過下游凱樂塔電站及本電站已建壩體溫度監(jiān)測(cè)，5～20 m的淺層地溫常年在22℃～33℃左右。其最低氣溫、平均氣溫與淺層地溫均與國內(nèi)亞熱帶地區(qū)有較大差異，明顯偏高。如華東、華南地區(qū)年均氣溫為18℃～26℃，淺層地溫通常在18℃～25℃，霜凍期甚至能低到4℃。地表溫度主要受日照強(qiáng)度、大氣溫度和植被因素影響，淺層地溫為間接傳導(dǎo)，相對(duì)穩(wěn)定。

1.2 地表水溫與淺層地溫

上述統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)與實(shí)踐表明，河流地表水溫與淺層地溫比較接近，并受地表和大氣溫度影響。由于水的比熱容高，相對(duì)大氣的晝夜、季節(jié)性溫差變化小，有明顯的熱量呼吸、溫度滯后效應(yīng)。熱帶地區(qū)地表水溫的平均值，比亞熱帶地區(qū)要高5℃～8℃左右，深水區(qū)取水的，層流穩(wěn)定時(shí)過機(jī)水溫才有所降低。由于熱帶地區(qū)無冬季，地表水溫一般不低于20℃，而國內(nèi)大多數(shù)地區(qū)，霜凍日甚至能低至0℃及以下，這是電站規(guī)劃設(shè)計(jì)與運(yùn)用管理實(shí)踐中，在有關(guān)水工壩體溫度應(yīng)力分析、施工溫控設(shè)計(jì)、機(jī)組主變冷卻等環(huán)節(jié)需要足夠重視的地方。

1.3 水庫特點(diǎn)與層溫分布

電站下游6 km處為已建235 MW的凱樂塔電站，2015年投產(chǎn)，中方運(yùn)維。庫容0.225億m3，年均來水109億m3，徑流式電站，雨季水流紊動(dòng)，旱季層流相對(duì)穩(wěn)定。取水口在庫水位以下約11～14 m，過機(jī)水溫受入庫流量、氣溫影響較大，雨季過機(jī)水溫與水面溫度接近，旱季低2℃～3℃。運(yùn)行3年的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，過機(jī)水溫在23.5℃～30.65℃變化，最低為1月份，最高為6月份，與平均環(huán)境溫度對(duì)應(yīng)，均出現(xiàn)在水庫層流穩(wěn)定期。

電站上游100 km處為已建75 MW的格拉菲里水電站，2009年投產(chǎn)，總庫容16.2億m3，調(diào)節(jié)庫容13億m3，年均來水22億m3，多年調(diào)節(jié)水庫，非主汛期層流穩(wěn)定。幾方運(yùn)維，幾方只能提供不完整的水面溫度，為28℃～31℃，無過機(jī)水溫?cái)?shù)據(jù)。技術(shù)供水為壓力鋼管自流供水單一方式，運(yùn)行多年后冷卻器水管結(jié)垢淤塞較嚴(yán)重，擬更新改造冷卻器形式，并加裝四通切換閥定期反沖洗。

由于本工程與格拉菲里同為多年調(diào)節(jié)水庫，最大水深、取水深度相近，為了摸清水庫層溫變化關(guān)系，工程管理及其設(shè)計(jì)單位于2016年3月、10月兩次專程赴該水庫測(cè)量水溫。結(jié)果表明水面溫度隨大氣溫度波動(dòng)，變化不大，大氣26.3℃～38.5℃～41.5℃變化時(shí)，水面溫度為27.1℃～27.9℃～29.7℃。水深20 m以內(nèi)，每4～5m溫度下降1℃，之后趨緩。水深25～50 m處(對(duì)照蘇阿皮蒂正常運(yùn)行取水深度變化范圍)溫度為(24.1～24.8)℃-(23.8～23.9)℃，取上限整數(shù)為25℃～24℃(水面30℃、氣溫42℃時(shí))。

1.4 設(shè)計(jì)冷卻水溫

考慮到上下游已運(yùn)行兩個(gè)電站在極端最高環(huán)境溫度下(44℃)，記錄的最高水面溫度數(shù)據(jù)約為31℃，未來20-30年內(nèi)因全球氣候變暖，最高水面溫度可能再上升1℃。旱季層流、層溫穩(wěn)定情況下，按線性溫升推導(dǎo)蘇阿皮蒂取水深度25～50 m下的最高溫度為27℃～26℃(水面32℃、氣溫45℃～46℃時(shí))。

雨季主汛期水庫水流紊亂，上下溫差小，極端情況下取水溫度可能達(dá)到平均溫度。凱樂塔近3年的運(yùn)行數(shù)據(jù)表明，7-10月主汛期該平均溫度在28℃以下。本工程為多年調(diào)節(jié)水庫，庫容比凱樂塔要大得多，取水深度也深得多，該值肯定小于28℃。上游格拉菲里電站觀測(cè)、統(tǒng)計(jì)的平均溫度小于26℃。

因此，本工程機(jī)組直接冷卻水溫按28℃設(shè)計(jì)是適宜的。業(yè)主要求的30℃適用于同地區(qū)的徑流式電站，對(duì)取水深度在25～50 m的多年調(diào)節(jié)水庫，則偏保守(二次循環(huán)冷卻方式除外)。當(dāng)然，按30℃設(shè)計(jì)會(huì)更保險(xiǎn)一些，更有利于機(jī)組各部溫度控制，但需增加相應(yīng)空氣冷卻器、油冷卻器的設(shè)計(jì)熱交換容量，增加各部冷卻用水量，會(huì)增加一定的成本，一味提高該設(shè)計(jì)值甚至?xí)绊憴C(jī)組結(jié)構(gòu)尺寸。

2 供水方式

水電站供水系統(tǒng)有技術(shù)供水、消防供水、生活供水之分，其對(duì)水質(zhì)、水壓、水量和水溫均有一定要求。其中技術(shù)供水是機(jī)組發(fā)電運(yùn)行中散熱降溫、密封潤滑的重要水源，直接影響機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行，對(duì)水溫變化敏感。技術(shù)供水方式有很多種，目前應(yīng)用較廣泛的主要有壓力鋼管自流(減壓)供水、水泵供水、頂蓋取水三種。水泵供水的水源有河流水、循環(huán)水兩種，有些設(shè)有中間水池或水塔。按熱交換次數(shù)，又有天然河水直接冷卻、二次循環(huán)冷卻之分，二次循環(huán)冷卻中一次熱交換主要有尾水散熱器和板式散熱器兩種。

自信息技術(shù)出現(xiàn)以后，憑借著出眾的性能與能力，信息技術(shù)成功的被應(yīng)用到人類社會(huì)發(fā)展的方方面面。信息技術(shù)不僅改變了人們對(duì)生活工作的看法，同時(shí)也提高了人們的生活學(xué)習(xí)質(zhì)量。尤其是在教育系統(tǒng)當(dāng)中，信息技術(shù)的出現(xiàn)更是有著豐富教育資源，實(shí)現(xiàn)教育公平，不受時(shí)間地域限制的線上教育等功能和優(yōu)勢(shì)。成人教育是我國教育系統(tǒng)中一項(xiàng)非常重要的教育，和全日制教育有著不同的教育形式和教學(xué)形式。是幫助成人取得專業(yè)資格、提高技術(shù)、豐富知識(shí)、增長能力的重要途徑。因很多成人缺少足夠的時(shí)間參與課堂學(xué)習(xí)，因此信息技術(shù)在成人教育中有著重大潛力，這就要求成人教育教師必須要掌握信息教育素質(zhì)。

本工程主合同原要求的方式為壓力鋼管自流(減壓)供水+二次循環(huán)冷卻供水兩種，能分別獨(dú)立使用，互為備用。第一種方式在同一流域的凱樂塔、格拉菲里電站都有運(yùn)用先例，各方?jīng)]有分歧。但第二種方式在凱樂塔運(yùn)用并不成功，試運(yùn)行半天到一天左右即出現(xiàn)推力和各導(dǎo)軸承瓦溫超限。但法國咨詢和業(yè)主堅(jiān)持認(rèn)為第一種方式在格拉菲里電站運(yùn)行數(shù)年后，管道淤塞較嚴(yán)重，需頻繁檢修清理，強(qiáng)烈要求增加第二種方式。第二種方式在凱樂塔運(yùn)行效果不佳是因?yàn)槲菜鋮s器設(shè)計(jì)容量不足導(dǎo)致。

到底第一種方式在格拉菲里運(yùn)用不理想的原因在哪里，有何消除或改進(jìn)措施；第二種方式在凱樂塔運(yùn)用不成功的根本原因是什么，能不能在本工程繼續(xù)采用，雙方進(jìn)行了長時(shí)間、多次討論分析。為了弄清第二種方式在凱樂塔冷卻效果不行的原因，調(diào)閱了2016年7月3日凱樂塔兩臺(tái)機(jī)組試運(yùn)行的各部溫度數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)二次循環(huán)回水溫度在運(yùn)行過程持續(xù)上升，分別達(dá)到了35.3℃～35.7℃，而一次冷卻(過機(jī)河水)溫度始終在29℃左右，一次熱交換穩(wěn)定溫差達(dá)6℃以上。這個(gè)熱交換溫差是客觀存在的，沒有溫差就沒有熱交換。查尾水冷卻器技術(shù)合同，要求河水溫度為26℃，進(jìn)口溫度≯34.5℃，出口溫度為為30℃，出水熱交換溫差為4℃。但事實(shí)上當(dāng)時(shí)河水溫度為29.3℃，進(jìn)口溫度為36.9℃，出口溫度>35℃。顯然即使按合同的熱交換溫差4℃計(jì)算，當(dāng)河水實(shí)際溫度為29℃時(shí)(3年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)最大為30.65℃)，出口水溫為33℃，怎么也不可能使出口溫度≤30℃。

這個(gè)熱交換溫差很容易被忽視，但確實(shí)是客觀存在的。二次循環(huán)是流動(dòng)水，不可能長時(shí)間停留在冷卻器中，直至與冷卻水等溫。這也是最后得以說服法國咨詢和業(yè)主，必須放棄二次循環(huán)冷卻的根本原因。因此結(jié)合孔庫雷河的水質(zhì)、水溫條件，電站工作水頭(取水壓力)，以及凱樂塔的運(yùn)行實(shí)踐、有關(guān)測(cè)試分析論證表明，只有第一種方式才是其最可靠、實(shí)用、經(jīng)濟(jì)的設(shè)計(jì)方案。第二種因一次熱交換溫差的原因，無法實(shí)現(xiàn)出水溫度≤30℃。兩種方式的主要特點(diǎn)和適用性比較分析如下。

3 自流(減壓)供水

一般從每臺(tái)機(jī)的發(fā)電引水鋼管，設(shè)支管引水庫天然來水，經(jīng)過必要的過濾、減壓后，直接進(jìn)入機(jī)組各部熱交換器，是目前應(yīng)用最成熟廣泛的機(jī)組冷卻供水方式，也是有條件應(yīng)首選采用的方式。

1)發(fā)電取水直接冷卻，水溫較低。層流型多年調(diào)節(jié)水庫，層溫隨深度下降明顯。該電站取水口在水面以下25～50 m深水區(qū)，取水溫度比水面溫度低3℃～6℃，經(jīng)常性≤25℃，極限≯28℃。

2)運(yùn)行可靠性高。直接從壓力鋼管自流(減壓)取水，沒有電機(jī)、水泵及其控制回路，供水不受該部分設(shè)備故障及停電影響。

3)壓力穩(wěn)定、運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性好。正常工作水頭為72.52～99.98 m，經(jīng)過較小的減壓比，就能將水壓調(diào)減到0.2～0.6 MPa，減壓后流量有保證，單位耗水量折合發(fā)電量少。

4)適用水頭范圍寬。20～150 m水頭電站最適宜，水頭超過180 m的電站規(guī)范已不建議采用，因?yàn)槠錅p壓比超過3∶1，減壓閥設(shè)計(jì)制造有困難，存在安全隱患。而且單位水量的水能高，用作冷卻水經(jīng)濟(jì)性差。水頭過低則水壓不足。但超出適用水頭范圍的電站，可采用水泵抽水方式，對(duì)水庫水加壓或從尾水抽水供水。

5)機(jī)組冷卻水質(zhì)由河水決定?？讕炖缀又脖涣己茫瑏硭嗌澈恐挥?0 g/m3，雨季河水都清澈湛藍(lán)。蘇阿皮蒂總庫容達(dá)63.17億m3，對(duì)泥沙的沉淀作用明顯，水質(zhì)有保證。

6)制約因素。進(jìn)入機(jī)組各冷卻器的為水庫來水，泥沙含量特別大的流域電站不適宜，或需采取特別過濾、除沙措施。

7)凱樂塔運(yùn)行情況。三年多以來，該冷卻方式系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，檢修維護(hù)工作量小。2018年2月，電站針對(duì)性拆除2#機(jī)空冷器分解檢查，管壁內(nèi)泥沙含量非常少，無淤積。但二次循環(huán)冷卻系統(tǒng)試驗(yàn)不合格后從未正式投入使用。

4 二次循環(huán)冷卻供水

一次冷卻水為河水，通過第一道熱交換器(尾水式、平板式)將二次冷卻回路的熱量傳遞到自然界，由河水帶走。二次冷卻回路為密閉的管道水，用水泵抽水供給到機(jī)組各熱交換器。即二次冷卻水循環(huán)利用，不是水庫水。其中平板式熱交換器維修較方便，但用電的同時(shí)，還得用水庫的可發(fā)電水，經(jīng)濟(jì)性差。二次循環(huán)板式熱交換原理圖如圖1。

圖1 二次循環(huán)板式熱交換原理圖

1)二次循環(huán)冷卻水溫高。由于一次熱交換溫差的存在，沒溫差則無熱交換，使進(jìn)入機(jī)組的二次循環(huán)冷卻水溫，比水庫水溫(28℃)高(4℃～8℃)，機(jī)組設(shè)計(jì)冷卻水溫必須考慮該溫差(達(dá)到32℃～36℃)。

可以通過提高設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，盡量減小一次熱交換這個(gè)溫差，但熱交換器容量需要加大，布置場所和空間也是有限制的。熱帶河水溫度本來就高，要做到這一點(diǎn)困難和代價(jià)都非常大。

2)循環(huán)水質(zhì)可人為控制。進(jìn)入機(jī)組熱交換器的是二次循環(huán)密閉水，不受河道水質(zhì)變化影響，能用經(jīng)過處理的優(yōu)質(zhì)水。但一次冷卻水仍為河水，水質(zhì)將影響一次熱交換器的效率和使用。

3)運(yùn)行可靠性不高。二次循環(huán)水在密閉管道流動(dòng)，沒有天然落差，需利用水泵加壓，電動(dòng)機(jī)及其控制回路故障，水泵效率下降、失電都將影響系統(tǒng)運(yùn)行。

4)冷卻水溫不穩(wěn)定、檢修維護(hù)困難。尾水冷卻器長期沉浸在電站最低尾水位之下，易受淤泥、水生物覆蓋，冷卻效果可能逐漸變差。水下部分一旦故障，可能需要全站停電排空尾水處理，檢修維護(hù)困難。

5)凱樂塔試運(yùn)行情況。2016年7月3日該站二次循環(huán)冷卻運(yùn)行試驗(yàn)，1、2號(hào)機(jī)運(yùn)行12～24 h后，二次循環(huán)回水溫度分別達(dá)到了35.7、35.3℃，超過設(shè)計(jì)值(30℃)5℃以上，效果很差，推力瓦溫超限，機(jī)組被迫超溫停機(jī)。當(dāng)時(shí)河道水溫為29.3℃，一次熱交換溫差達(dá)到了6℃以上。試運(yùn)行表明該系統(tǒng)只能做臨時(shí)、短暫的應(yīng)急使用，被證明在熱帶是不適用的。

5 完善設(shè)計(jì)措施

通過以上對(duì)比分析，結(jié)合工程實(shí)際條件，該電站技術(shù)供水采用蝸殼減壓取水方式是合理的，業(yè)主要求的二次循環(huán)冷卻方式并不可行。為滿足機(jī)組運(yùn)行需要，提高供水系統(tǒng)在檢修、故障下的冗余，每臺(tái)機(jī)設(shè)計(jì)有獨(dú)立的2套自流減壓供水系統(tǒng)，含引接水管、全自動(dòng)高效濾水器，一套主用，另一套備用。

考慮到水庫植被茂密，清庫難以徹底，運(yùn)行前期植物腐爛周期較長，多年調(diào)節(jié)水庫水流動(dòng)性較差，水質(zhì)植物纖維和粘性物質(zhì)含量可能較高。結(jié)合上游格拉菲里電站出現(xiàn)的問題，以及其它電站已有運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，為避免可能出現(xiàn)的植物纖維附著少量泥沙沉積流道管壁，影響流量和導(dǎo)熱，經(jīng)與設(shè)計(jì)部門協(xié)商，特別在每臺(tái)機(jī)的進(jìn)出水總管上增加四通自動(dòng)換向閥，以定期反沖洗運(yùn)行，減少后期檢修維護(hù)工作量。

6 結(jié) 語

熱帶地區(qū)水溫較高，有關(guān)水電規(guī)劃設(shè)計(jì)和運(yùn)用管理，應(yīng)大量收集分析實(shí)際數(shù)據(jù)資料，充分考慮其對(duì)機(jī)組冷卻散熱，以及水工壩體溫度應(yīng)力和施工溫控方面的影響。機(jī)組技術(shù)供水方式的選擇運(yùn)用，需結(jié)合流域水質(zhì)條件，優(yōu)先采用壓力鋼管自流(減壓)供水，或水泵取河水一次冷卻供水。采用二次循環(huán)冷卻供水方式時(shí)，機(jī)組設(shè)計(jì)冷卻水溫應(yīng)按最高取水溫度疊加一次熱交換溫差計(jì)算，以確保電站技術(shù)供水系統(tǒng)的正常、可靠使用。