多泥沙水电站技术供水系统设计研究

王宏兵，吴春刚，余 涛

（华能澜沧江水电股份有限公司，云南 昆明 650214）

1 引言

水电站技术供水系统是水电站最关键的辅助系统之一，其主要服务对象为发电机推力轴承、上导轴承、下导轴承、空气冷却器、水轮机水导轴承、主轴密封和主变冷却器等，主要起冷却和润滑作用。技术供水系统运行状态异常，将直接导致水轮机发电组、主变等关键设备无法正常运行，从而影响水电站发电效益。部分水电站所在河流中泥沙含量大，树枝、塑料袋等杂物多，技术供水系统的设计与选择至关重要，下面以大盈江水电站（四级）为例，介绍对多泥沙水电站技术供水系统设计的一点认识。

2 工程概况

大盈江水电站(四级)位于大盈江下游河段，为径流引水式电站，地面式厂房，混流式水轮发电机组，总装机容量为5×175 MW，分为两期开发。电站为日调节水库，运行水头范围为285～331 m，坝址多年平均含沙量为0.427 kg/m3，实测最大含沙量为9.25 kg/m3，悬移质泥沙硬矿物含量67.37%。

电站一期装机容量为4×175 MW，引水方式为1管4机，引水隧洞长约14 km，设有1个调压井，每台机组前设1台进水球阀。电站二期装机容量为1×175 MW，在原电站进水口后增设沉沙池，在原调压井前新增一条引水隧洞用于新增机组，并单独设置调压井，机组前设进水球阀。

3 一期技术供水系统方案及存在问题

3.1 一期技术供水方案

技术供水方式根据水电站水头范围不同，常用的供水方式有水泵供水、自流供水和混合供水3种。大盈江水电站（四级）运行水头范围为285～331 m，自流供水水压过高，自流减压供水一级减压较难实现、二级减压系统过于复杂，混合供水方式系统复杂、占地面积大，最终选取水泵供水为主供水方式，同时设顶盖取水为试验供水方式。

大盈江水电站（四级）技术供水为单元供水方式，水源来自尾水，每台机组设两个取水口，均配置水泵和过滤设备，互为备用，通过电动四通阀的切换，可实现技术供水系统的反冲洗功能；顶盖取水为试验供水方式，机组正常投运后择机进行试验，若顶盖取水能满足机组技术供水要求，则以顶盖取水为主供水方式，水泵供水作为备用，若顶盖取水不能满足要求，则通过阀门切换，将顶盖水直接排至尾水（如图1所示）。

3.2 一期技术供水方案存在的问题

大盈江水电站（四级）一期机组投运后，技术供水系统暴露出了一些问题，影响着水轮发电机组的正常稳定运行和电站的运行管理工作。存在问题主要有：

图1 一期技术供水系统原理图（单机）

⑴滤水器排污周期短，需频繁清理，汛期尤为严重，每台滤水器人工彻底清理的周期仅为2 d，清理出来有泥沙、树枝、木棍等自然杂物，也有塑料袋、纸杯、碎布等生活垃圾，消耗大量人力物力。

⑵技术供水系统反冲运行方式需频繁切换，并呈现出不断加剧的迹象，否则机组各用水部位温度逐步上升，其中推力轴承油槽油温上升最为明显，后经对推力外循环冷却器进行检修，发现冷却器内部分换热管堵塞严重，有些已完全堵塞，导致冷却器无法使用。

⑶技术供水系统内主要供、用水设备使用寿命短，远远低于设备设计使用寿命，设备检修过程中，发现水泵叶轮、阀门密封等磨损严重。

⑷技术供水系统主备用回路切换过程中，因取水管路中充气，常出现水泵正常启动，但是无法正常供水的情况，系统主备用自动切换功能形同虚设，经对一段时间的运行记录研究发现，若停泵时间超过5 h，则会出现此种故障。

技术供水系统设计阶段，由于对大盈江水电站（四级）河段泥沙和漂浮物影响估计严重不足，直接导致了问题⑴～⑶的出现。电站运行期对其水质监测的结果显示，水中除含有大量硬质矿物外，还有很多粘性强、颗粒小的泥土成分，以及一些树枝、树皮、塑料袋、纸杯等漂浮垃圾物。大量漂浮物和泥沙是导致滤水器滤芯堵塞和管路淤堵的主要原因，其中粘性泥土附着力强，是管路淤堵的关键因素，滤水器滤芯堵塞和管路淤堵使系统内水流速下降也加快了泥土淤积的速度；而泥沙中大量的硬矿物成分则是主要供用水设备磨损严重的元凶。电站技术供水系统取水口布置在水轮机尾水管混凝土扩散段的顶部，这种设计使水中的漂浮物比较容易被吸入技术供水系统，导致滤水器滤芯堵塞，同时也是导致问题⑷出现的主要原因，机组运行时，为了改善个别工况下尾水管内水的流态，减小机组振动，需进行大量的补气，在尾水流道中，由于空气较轻，其沿着尾水管扩散段顶部流动，通过取水口进入取水管中，并在其中聚集，少量空气不会影响系统的正常运行，但是当其中聚集的空气达到一定的量，就会使水泵不能正常吸水。

3.3 一期技术供水系统改造

由于一期技术供水系统存在的诸多问题，电站运行单位对其进行了技术改造，采用开放式循环供水系统作为机组技术供水主供水方式，同时保留原水泵供水方式和顶盖取水方式作为备用（如图2所示），改造完成后其冷却效果达到预期，效果良好。

图2 一期技术供水系统改造原理图（单机）

循环供水系统水源为清洁水，机组冷却水通过布置在尾水中热交换器与天然河水进行热交换，带走机组运行产生的热量，冷却水不与天然河水发生直接接触，不受河水水质影响，可长期保持清洁，将使技术供水系统所有供、用水设备及管路的使用寿命大大延长。但是，由于循环水温一般维持在20～30℃左右，非常利于微生物生长，因此要对循环水质进行监测，并采取必要的措施抑制微生物生长，如定期投放药剂等。采用循环供水系统作为主供水方式，原技术供水系统存在的问题，基本都可以彻底解决，但是当机组切换至备用供水方式，即水泵供水方式时，其水泵取水管进气问题仍应予以足够的重视，避免出现生产事故。

一期技术供水系统改造项目受电站厂区及厂房布置条件的限制，63 m3循环水池不具备布置在室外的条件，只能布置于电站蜗壳层，原技术供水设备布置区域内，再加上新增循环水泵及相关配套管路，蜗壳层内设备布置紧凑，无法形成正常的巡视、检修通道，不便于电站的日常运行管理工作。

4 二期技术供水方案设计

在总结一期技术供水系统设计的失败教训以及系统改造的成功经验的基础上，对二期技术供水系统有针对性地进行了优化改进，以保证二期技术供水系统的安全性、可靠性、经济性、灵活性及便利性。

4.1 二期技术供水方案

二期技术供水系统仍采用单元供水方式，密闭式循环供水为主供水方式，设一高位膨胀水箱作为循环供水系统少量水量损失补充，两套循环供水泵及配套管路互为备用；水泵供水为备用供水方式，水源取自尾水，设有一个取水口，循环供水与水泵供水共用水泵、滤水器及配套管路，同样互为备用；与一期技术供水方案一致，设顶盖取水作为试验供水方式。通过电动四通阀切换操作，可实现系统反冲洗功能；通过电动三通阀切换操作，可实现顶盖取水和排水功能之间的相互切换（如图3所示）。

图3 二期技术供水系统原理图（单机）

4.2 二期技术供水方案优化

相对于一期技术供水方案，二期技术供水系统主要在以下几个方面的进行了优化改进：

⑴二期技术供水系统采用密闭式循环供水系统，相对于一期原供水方案，避免了大盈江水电站（四级）河段恶劣的水质对电站技术供水系统的严重危害；相对于一期改造供水方案，密闭式循环供水和开放式循环供水均能满足机组技术供水要求，但密闭循环供水系统用1 m3的高位膨胀水箱替代63 m3的循环水池，节省了系统设备布置空间，蜗壳层设备及巡视检修通道布置科学、合理。

⑵二期技术供水系统备用方式为水泵供水，循环供水方式与水泵供水方式主要设备及管路均为共用，设备投资相对较省，但一期供水系统改造毕竟有其局限性，相关设备分设也是无奈之举。

⑶二期水泵供水取水口的位置调整至尾水管扩散段侧边近底部、尾水盘型阀排水箱内，有效避免了水泵取水管充气问题，且水中漂浮物进入供水系统的几率大大降低，同时由于二期工程建设时在电站进水口后增设沉沙池，其沉沙、排沙功能将对过机水质有显著改善作用。

⑷考虑到大盈江水电站（四级）为高水头电站，为确保技术供水系统内各设备的安全，二期技术供水系统在顶盖取水供水回路上设置一台DN250 mm安全泄压阀，防止技术供水系统压力异常升高，提高系统安全性。

综上所述，二期技术供水系统设计更加科学、合理，可对电站的安全、稳定运行提供强有力的保证。

4.3 二期技术供水系统建议运行方式

二期技术供水系统以循环供水方式为主，两条循环供水回路互为备用；水泵供水作为备用供水方式，在循环供水系统热交换器检修、维护时投入运行，两条供水回路互为备用，汛期应尽量避免在水泵供水方式下运行；顶盖取水方式若经试验能满足机组技术供水的要求，则枯期以顶盖取水方式为主，循环供水为备用，汛期以循环供水为主，水泵供水为备用。顶盖取水供水方式以转轮上止漏环密封处的漏水作为机组技术供水，在水压、水量满足要求的前提下，水质好、水压稳定，机组运行即可得到可靠的水源，不需要外加泵及过滤装置，不消耗任何能源，长期运行节能效益明显；但是顶盖取水方式受到密封间隙、机组运行工况等诸多因素的影响，较难从设计上保证顶盖取水方式一直都满足机组技术供水对水压、水量的要求，因此不建议以顶盖取水作为机组技术供水的唯一方式。

5 结论及建议

通过对大盈江水电站（四级）各阶段技术供水系统的分析研究，可以看出：①对于多泥沙、小库容水电站，技术供水系统设计过程中，应对电站坝址水质，特别是泥沙级配成果引起足够的重视，从而选择合适的技术供水方式；②在水质条件较差的情况下，循环供水方式是一个不错的选择，只要热交换器选型、选材、布置得当，即可以保证水轮发电机组的长期安全稳定运行；③水泵供水方式，卧式离心泵取水口的位置避免设在水轮机尾水管的顶部，预防取水管进气及水中漂浮物堵塞技术供水系统内的设备，同时也避免设在尾水管的底部位置，防止泥沙淤积堵塞取水管。以上为在大盈江水电站（四级）工程实践中，对机组技术供水系统设计的一点认识与见解，有纰漏之处，敬请指正。

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