袁鎖年

（甘肅鑫洋水電工程建筑有限公司，甘肅 蘭州 730000）

尾水循環(huán)冷卻器防凍設(shè)計(jì)在青羊溝水電站的應(yīng)用

袁鎖年

（甘肅鑫洋水電工程建筑有限公司，甘肅 蘭州 730000）

水電站技術(shù)供水系統(tǒng)是電站正常運(yùn)行中必不可少的系統(tǒng)之一，完善可靠的技術(shù)供水系統(tǒng)對(duì)機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用。技術(shù)供水系統(tǒng)一旦出現(xiàn)問(wèn)題將會(huì)導(dǎo)致機(jī)組停運(yùn)，進(jìn)而給電站帶來(lái)較大的經(jīng)濟(jì)損失。青羊溝水電站地處海拔2 300 m的高寒山區(qū)，多年平均最低氣溫為零下10.9℃、極端最低氣溫達(dá)到零下35.0℃。如果冬季機(jī)組檢修全停運(yùn)時(shí)，尾水位很低，導(dǎo)致尾水循環(huán)冷卻器上部結(jié)構(gòu)外露出水面時(shí)將會(huì)被凍裂。本文對(duì)青羊溝水電站尾水循環(huán)冷卻器防凍問(wèn)題進(jìn)行認(rèn)真分析后提出了優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，有效解決了尾水循環(huán)冷卻器防凍裂問(wèn)題，從而確保該電站日后的長(zhǎng)期安全穩(wěn)定運(yùn)行。

青羊溝水電站；尾水循環(huán)冷卻器；防凍設(shè)計(jì)應(yīng)用

1 電站概況

青羊溝水電站是甘肅河西走廊最西端內(nèi)陸河——疏勒河昌馬水庫(kù)上游流域規(guī)劃開(kāi)發(fā)的第二座水電站，是一座以發(fā)電為主的中型水電站。電站由樞紐、引水系統(tǒng)、發(fā)電廠房和輸變電工程等組成。電站安裝2臺(tái)23 MW和1臺(tái)10 MW（“2大1小”）立軸混流式水輪發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量56 MW，多年平均年發(fā)電量2.116億kW·h，裝機(jī)年利用小時(shí)數(shù)3 805 h。

2 電站技術(shù)供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

青羊溝水電站主要技術(shù)供水對(duì)象包括發(fā)電機(jī)空氣冷卻器、推力軸承油槽冷卻器、導(dǎo)軸承油槽冷卻器、水導(dǎo)軸承油槽冷卻器、水輪機(jī)主軸密封等用水。

該電站水頭范圍為114.74～133.42 m，宜采用自流減壓供水和清水循環(huán)冷卻供水等供水方式。

該電站每臺(tái)大機(jī)機(jī)組需冷卻水量為340 m3/h，小機(jī)為170 m3/h，3臺(tái)機(jī)組總冷卻水量為0.236 m3/s，在電站額定水頭116 m時(shí)，冷卻水用于發(fā)電可獲得239 kW的電能?？紤]到疏勒河為多泥沙河流，在每年的汛期6～9月水質(zhì)含沙量大，不能滿足技術(shù)供水水質(zhì)要求。

經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，最終選定了清水循環(huán)冷卻供水（耗電225 kW）作為主供水方式，自流減壓供水（少發(fā)電239 kW）作為備用供水方式。當(dāng)循環(huán)供水系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)采用自流減壓供水方式。

清水循環(huán)供水系統(tǒng)的工作原理：

通過(guò)循環(huán)供水泵將循環(huán)水池的水送至廠內(nèi)供水總管，經(jīng)設(shè)在下游的尾水冷卻器降溫后，進(jìn)入機(jī)組用水對(duì)象進(jìn)行冷卻，冷卻后已升溫的水又回到循環(huán)水池，如此循環(huán)運(yùn)行。這種供水方式的優(yōu)點(diǎn)是可靠性高，水質(zhì)有保障，提高了冷卻效果，特別是在汛期可顯著減輕泥沙對(duì)機(jī)組冷卻器的磨損，延長(zhǎng)其使用壽命。

2.1 清水循環(huán)冷卻供水系統(tǒng)（主供水方式——技術(shù)供水）

清水循環(huán)冷卻供水系統(tǒng)由一個(gè)總?cè)莘e約233 m3清水池（循環(huán)水池）、3臺(tái)WSLQ-200型尾水冷卻器、4臺(tái)KQL200/370—75/4型立式單級(jí)管道泵及連接管路組成。其中1臺(tái)水泵作為備用，其它3臺(tái)水泵與3臺(tái)機(jī)組對(duì)應(yīng)，起停由機(jī)組自動(dòng)操作程序控制。當(dāng)任一臺(tái)水泵故障時(shí)備用泵均能自動(dòng)投入。

清水池（循環(huán)水池）的2路補(bǔ)水水源分別來(lái)自生活水池（主水源）和DN300廠內(nèi)自流減壓技術(shù)供水總管（備用水源），由液位信號(hào)器和電磁閥自動(dòng)操作進(jìn)行補(bǔ)水。

2.2 自流減壓供水系統(tǒng)（備用供水方式——技術(shù)供水和消防供水）

自流減壓供水方式水源取自每臺(tái)機(jī)組進(jìn)水閥前壓力鋼管，經(jīng)過(guò)FZLQ—A—200（PN2.5MPa）型全自動(dòng)濾水器過(guò)濾后，再通過(guò)JWN203H—25CDN200型減壓穩(wěn)壓逆止閥減壓至0.65MPa（出口壓力），一路可接入 DN125消防供水總管，另一路再經(jīng)JWN203H—16CDN200型減壓穩(wěn)壓逆止閥減壓至0.45MPa（出口壓力）后匯入DN300廠內(nèi)自流減壓技術(shù)供水總管。

為確保系統(tǒng)安全不超壓，在每臺(tái)減壓穩(wěn)壓逆止閥下游依次安裝XA500H—25CDN125（一級(jí)減壓、排泄壓力為0.70MPa）和XA500H—16CDN125（二級(jí)減壓、排泄壓力為0.50MPa）型泄壓安全閥。當(dāng)減壓閥故障引起供水管道中的壓力超過(guò)安全設(shè)定壓力時(shí)，泄壓安全閥會(huì)自動(dòng)開(kāi)啟快速泄壓，保護(hù)管路及設(shè)備的安全。

3 尾水循環(huán)冷卻器技術(shù)性能參數(shù)（見(jiàn)表1）

表1 尾水循環(huán)冷卻器技術(shù)性能參數(shù)

4 尾水循環(huán)冷卻器工作性能與詳細(xì)技術(shù)要求

（1）尾水循環(huán)冷卻器的本體安裝在尾水渠側(cè)墻上。所有浸沒(méi)在尾水中的金屬管路及其他所有部件，包括尾水循環(huán)冷卻器的固定裝置、可拆卸連接螺栓、螺母等均采用不銹鋼材料制造，法蘭密封墊采用長(zhǎng)壽命材料。出廠前、安裝后必須按照規(guī)程規(guī)范要求進(jìn)行耐壓試驗(yàn)和滲漏試驗(yàn)。

（2）尾水循環(huán)冷卻器的內(nèi)、外表面在長(zhǎng)期運(yùn)行中應(yīng)防結(jié)垢、防長(zhǎng)微生物（采取換熱管表面熱鍍鋅處理可有效解決微生物生長(zhǎng)），不會(huì)因銹蝕而影響正常穩(wěn)定運(yùn)行和縮短其使用壽命。

（3）循環(huán)冷卻器的冷卻支管的數(shù)量和總長(zhǎng)度滿足水力損失和熱交換效果。

（4）冬季采用自流減壓技術(shù)供水或機(jī)組全停檢修時(shí)，因尾水位過(guò)低、導(dǎo)致冷卻器管路局部露出水面，此時(shí)應(yīng)采取可靠措施避免尾水循環(huán)冷卻器內(nèi)的積水結(jié)冰及凍漲現(xiàn)象發(fā)生。

（5）循環(huán)冷卻系統(tǒng)冬季退出運(yùn)行時(shí)，應(yīng)操作靈活、簡(jiǎn)便，并能隨時(shí)處理循環(huán)冷卻器內(nèi)長(zhǎng)期運(yùn)行積累的水垢（如采用小型循環(huán)水泵將鍋爐專用除垢劑溶液通過(guò)自流減壓防凍進(jìn)、出水管路加壓注入冷卻器內(nèi)進(jìn)行循環(huán)防垢處理）。

5 冬季自流減壓防凍設(shè)計(jì)在青羊溝水電站中的應(yīng)用

5.1 循環(huán)冷卻器安裝布置概況及存在的主要問(wèn)題

青羊溝水電站地處海拔2 300 m的高寒山區(qū)，多年平均最低氣溫為零下10.9℃（每年11月份至來(lái)年3月份、氣溫基本在零下19℃左右），極端最低氣溫達(dá)到零下35.0℃。

青羊溝水電站尾水循環(huán)冷卻器底座安裝基礎(chǔ)高程為▽2189.270m，DN200進(jìn)水管高程為▽2192.250m，DN200出水管高程為▽2 192.750 m，其剖面安裝布置圖詳見(jiàn)下頁(yè)圖1。冬季枯水期1臺(tái)小機(jī)運(yùn)行時(shí)的最低尾水位為▽2 192.345 m，盡管此時(shí)尾水循環(huán)冷卻器的出水管露出水面405 mm，但由于管內(nèi)存水一直處于循環(huán)流動(dòng)狀態(tài)，故很難出現(xiàn)出水管路被凍裂。

當(dāng)冬季3臺(tái)機(jī)組檢修全停運(yùn)時(shí)，尾水位降至尾水渠反坡段末端的底板高程▽2 192.154 m處，此時(shí)循環(huán)冷卻器上部的進(jìn)水管漏出水面96 mm、出水管漏出水面596 mm。在上述低溫環(huán)境下如不采取任何防護(hù)措施，將會(huì)導(dǎo)致進(jìn)、出水管路里的存水長(zhǎng)期結(jié)冰，進(jìn)而出現(xiàn)循環(huán)冷卻器管路凍裂現(xiàn)象發(fā)生，這將會(huì)嚴(yán)重影響電站日后的正常運(yùn)行。

5.2 尾水循環(huán)冷卻器自流減壓防凍設(shè)計(jì)

5.2.1 電站循環(huán)冷卻系統(tǒng)初始管路設(shè)計(jì)方案（常規(guī)設(shè)計(jì)方案）

夏季正常運(yùn)行時(shí)，循環(huán)水泵將循環(huán)水池內(nèi)的凈化水打到DN350水泵循環(huán)技術(shù)供水總管內(nèi)，循環(huán)水先通過(guò)DN200檢修控制閥“1241”流進(jìn)機(jī)組尾水循環(huán)冷卻器，經(jīng)冷卻器冷卻后再通過(guò)DN200檢修控制閥“1242”匯總至DN350尾水冷卻器出水匯總管內(nèi)。此后，冷卻水進(jìn)入機(jī)組空氣冷卻器、各導(dǎo)軸承油槽冷卻器等供水對(duì)象進(jìn)行冷卻后流經(jīng)DN350水泵循環(huán)技術(shù)回水總管后返回到循環(huán)水池內(nèi)。如此反復(fù)循環(huán)，達(dá)到循環(huán)供水的目的。

但該供水方式的3臺(tái)尾水冷卻器直接并聯(lián)在循環(huán)技術(shù)供水管路中，一旦冬季循環(huán)供水系統(tǒng)停用后，各尾水冷卻器內(nèi)的積水均變成無(wú)法流動(dòng)的死水，在冬季長(zhǎng)期低溫下極易凍裂管路，從而影響來(lái)年的機(jī)組正常運(yùn)行。

圖1 尾水循環(huán)冷卻器剖面安裝布置圖

5.2.2 電站循環(huán)冷卻系統(tǒng)優(yōu)化管路設(shè)計(jì)方案

為解決上述問(wèn)題，青羊溝水電站在上述初始管路設(shè)計(jì)方案（常規(guī)設(shè)計(jì)方案）的基礎(chǔ)上進(jìn)行了如下的管路系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)（系統(tǒng)原理圖詳見(jiàn)圖2）。

在尾水冷卻器進(jìn)水總閥“1241”出水側(cè)（閥后）增設(shè)一路DN50支管（Y-50型過(guò)濾器、DN50檢修控制閥“1243”）連接到DN100尾水冷卻器冬季自流減壓防凍進(jìn)水總管上（接至DN300廠內(nèi)自流減壓技術(shù)供水總管上）；在尾水冷卻器出水總閥“1242”進(jìn)水側(cè)（閥前）增設(shè)一路DN50支管（DN50止回閥、DN50常閉工作閥“1244”、DN50常開(kāi)檢修閥“1 245”）連接到DN100尾水冷卻器冬季自流減壓防凍出水總管上（排至下游尾水渠內(nèi)）。

尾水冷卻器進(jìn)水管側(cè)因與廠內(nèi)自流減壓技術(shù)供水總管相連，故在該支路裝設(shè)了1臺(tái)DN50檢修控制閥和1臺(tái)Y-50型過(guò)濾器（二次精過(guò)濾后可確保進(jìn)入冷卻器的水質(zhì)最優(yōu)）。尾水冷卻器出水管側(cè)因與下游尾水渠相連，故在該支路裝設(shè)了1臺(tái)DN50止回閥（防止尾水倒灌入冷卻器后污染水質(zhì)）和2臺(tái)DN50檢修控制閥（檢修或更換“1244”閥門(mén)時(shí)，只需關(guān)閉“1245”閥門(mén)后直接進(jìn)行檢修更換工作，而無(wú)需借助大功率潛水泵人為降低尾水渠水位后再進(jìn)行檢修更換工作）。

5.2.3 尾水循環(huán)冷卻器自流減壓防凍設(shè)計(jì)操作程序

夏季正常運(yùn)行時(shí)，開(kāi)啟“1241”、“1242”閥門(mén)，關(guān)閉“1243”、“1244”閥門(mén)。

冬季循環(huán)水泵停用、自流減壓供水啟用時(shí)，當(dāng)機(jī)組檢修全?；蚱渌?qū)е聶C(jī)組全停時(shí)，關(guān)閉“1241”、“1242”閥門(mén)，開(kāi)啟“1243”、“1244”閥門(mén)（“1245”為常開(kāi)閥門(mén)）。通過(guò)自流減壓技術(shù)供水管網(wǎng)的有壓水帶動(dòng)尾水循環(huán)冷卻器內(nèi)的死水實(shí)現(xiàn)快速流動(dòng)后最終排至下游尾水渠，從而避免尾水循環(huán)冷卻器管路被凍裂。

圖2 尾水冷卻器自流減壓防凍系統(tǒng)原理圖

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)常規(guī)循環(huán)冷卻供水系統(tǒng)管路的優(yōu)化改進(jìn)設(shè)計(jì)，有效避免了冬季電站檢修全停時(shí)尾水循環(huán)冷卻器被凍裂的情況發(fā)生。電站自2013年投運(yùn)以來(lái)，經(jīng)歷了三個(gè)冬季運(yùn)行期，該防凍措施的實(shí)施在青羊溝水電站的運(yùn)行中得到很好的應(yīng)用，效果顯著。該方案對(duì)北方寒冷地區(qū)的水電站是非常實(shí)用的，值得相關(guān)運(yùn)行單位和設(shè)計(jì)單位參考借鑒。

TK730.4

B

1672-5387（2017）06-0059-03

10.13599/j.cnki.11-5130.2017.06.021

2017-01-17

袁鎖年（1976-），男，工程師，從事水電站工程及運(yùn)行技術(shù)管理工作。