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小浪底电站机组和主变清水串联供水方式研究

2025-05-06 87 上传者：管理员

摘要：针对小浪底水电站浑水发电时期技术供水清水水量不足的问题，提出了机组和主变清水串联供水方式，将冷却机组后的清水再供主变冷却使用，并通过两次真机试验检验了这种供水方式的应用效果。结果表明：这种方式可大幅降低浑水发电时期的清水用水量，节水效果显著，机组和主变冷却效果不受影响。

关键词：
串联供水
小浪底水电站
技术供水
浑水发电
清水循环利用
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目前大中型水电站机组技术供水基本都采用蜗壳自流减压供水方式,个别电站采用蜗壳取水和尾水取水共存的方式,对技术供水系统的改造也基本通过更换新型滤水器､更换技术供水管材等方式进行[1-3],国内外对多泥沙河流水电站冷却水采用清水的研究较少｡黄河小浪底水利枢纽工程是治理黄河的控制性骨干工程之一,位于黄河干流最后一个峡谷的出口处,控制着黄河92.3%的流域面积､86.9%的天然径流量和近100%的泥沙[4]｡根据黄河水质条件,为解决汛期多沙水流可能堵塞技术供水管路及机组冷却器的问题,小浪底电站技术供水系统设计了多水源､分时段､正反向供水的方式[5]｡在2018年之前,由于小浪底水库水质较清,6台机组技术供水基本上采用库水供水｡近年来,随着水库高滩深槽的形成,为延长小浪底水库使用寿命,充分发挥枢纽综合效益,黄河水调部门在汛期采用了一高一低的调度方式[6]｡小浪底水库低水位运用时机组过机含沙量会逐步加大,技术供水只能采用取自水源井的清水｡然而水源井最大持续供水能力为2300M3/H,难以满足小浪底6台机组的正常运行,因此,本文就小浪底电站机组和主变清水串联供水方式开展研究,将有限的清水循环利用,在保证设备安全稳定运行的前提下,大幅降低浑水发电时期的清水用水量,节约地下水资源｡

1、小浪底电站主变冷却器供水方式及其存在的问题

1)非汛期主变冷却器供水方式｡在非汛期,由于小浪底水库水质较好,主变冷却器可用蜗壳水,来自小浪底水库的蜗壳水经水轮发电机组技术供水管路流向蜗壳供水联络干管,再经主变冷却器蜗壳取水阀流至主变冷却水供水干管,然后供给运行主变的冷却器,对主变油温和绕组进行冷却｡

2)汛期主变冷却器供水方式｡在汛期小浪底水库低水位运行期间,由于蜗壳水含沙量较大,故无法使用蜗壳供水方式,此时主变冷却器需使用清水｡来自蓼坞备用井和葱沟备用井的清水经厂外清水池流向清水供水干管,再经主变冷却器清水取水阀流至主变冷却水供水干管,然后供给运行主变的冷却器,对主变油温和绕组进行冷却｡

3)现行主变冷却器供水方式存在问题｡在实际运用过程中,小浪底电站主变冷却器虽然有分别适用于汛期和非汛期的两种供水方式,但依然存在一定的缺陷｡以上两种供水方式都是从水源直接取水,冷却主变后就排至尾水,降低了水资源的利用率,尤其是清水供水方式,受清水水源井供水总流量限制,用越多的水意味着越少的机组可以正常运行｡所以需探索降低清水总用水量的新方法｡

2、小浪底电站机组和主变清水串联供水方式及其试验

2.1小浪底电站机组清水串联供水方式

原设计小浪底电站机组清水供水为并联方式,即冷却水同时经过空冷器､上导轴承冷却器､推力轴承冷却器､下导轴承冷却器､水导轴承冷却器[7]｡这种供水方式由于消耗的清水较多,故很少采用｡2018年,小浪底电站技术供水运用方式优化研究小组提出清水串联供水的方式[8]｡如图1中绿色箭头所示,清水串联供水方式下,机组技术供水取自清水供水干管,先流经各导轴承冷却,后流至空冷器,最终排至尾水管｡此供水方式大幅降低了清水用水量,单台机流量350M3/H左右时,机组各部温度满足安全运行要求,能够保证机组可靠运行｡

图1小浪底电站技术供水系统

2.2小浪底电站机组和主变清水串联供水方式的可行性

通过分析小浪底电站机组清水串联供水流向图发现,机组清水串联供水之后的“废水”可以通过调整各阀门的运用方式,将使用后的水导流至蜗壳供水干管,再串联主变冷却器｡如图1中红色箭头所示:取自水源井的水通过清水串联供水方式冷却机组后,将本来要排至尾水的水通过调整阀门状态使其流至蜗壳供水联络干管,再通过主变冷却器蜗壳取水阀(图1中2248阀､2448阀､2648阀)流至主变冷却水供水干管,用于对运行中的主变的冷却｡

采用此种供水方式,运行中的主变不直接使用清水,而是使用冷却机组之后的“废水”,将大幅降低浑水发电时期的清水用水量｡

在机组采用清水串联供水方式,清水冷却机组后直接排走时,压力表显示冷却水出口处水压为0.26mpA｡若改为机组和主变清水串联供水方式,由于清水流经的管路过长,且主变冷却水管路位置较高,故需要计算主变冷却水管路“最不利点”的水压,以判断水流能否顺利通过主变冷却器｡对于管道沿程水头损失,可根据在大量管道试验和数据分析基础上建立的海曾—威廉公式计算｡

海曾—威廉公式:

式中:HF为沿程水头损失,M;q为流量,M3/S;cH为沿程摩擦系数;l为管长,M;d为管径,M｡

根据《小浪底工程发电系统运行图册》中的有关图纸及其数据,1号机组段技术供水管路到1号主变冷却水管路的长度l1=72.8M,管径d1=273MM,1号主变冷却水管路到6号主变冷却水管路的长度l2=132.5M,管径d2=325MM｡流量q=350M3/H,钢管沿程摩擦系数cH取值范围为130~145,沿程摩擦系数cH取140计算｡得出管道沿程水头损失HF=1.089M｡

根据图纸,机组段技术供水管路与主变冷却水管路的高程之差为ΔH=14.3M,由此可计算出主变冷却水管路“最不利点”的水压为0.106mpA,水流可以顺利通过主变冷却器｡

2.3小浪底电站机组和主变清水串联供水试验

由于规程规定主变冷却器的额定流量为105M3/H,日常运行中按115M3/H控制主变冷却水流量｡而机组串联供水的用水量至少为350M3/H(在此流量下,部分冷却器流量达不到额定值,但各部温度未达报警值,不影响正常运行)｡为保证机组串联供水后的“废水”能全部顺利通过主变冷却器排至尾水,提前做了主变冷却器管道的最大过水流量试验,试验结果表明:单台主变冷却水管路最大过流能力410M3/H左右,主变冷却水排水干管最大过流能力1180M3/H左右｡故当机组串联供水后的“废水”通过主变冷却水管路排走时,需考虑主变冷却水管路的过流能力,根据这个限制条件,现场进行以下两次真机试验｡

2.3.1一台机组和两台主变清水串联供水试验

选取1号机组､1号主变､2号主变为试验对象｡通过调整阀门状态使2~6号机组技术供水和3~6号主变供水与实验对象完全隔开｡以此来试验单台机组清水串联供水后的“废水”对两台主变油温和绕组温度的冷却效果,以及改变技术供水运行方式后对机组各部冷却效果的影响｡试验期间保持1､2号机组满出力运行｡

在一台机组清水串联供水后再串两台主变的试验中,1号机上导轴承流量为7.93M3/H,略低于额定值9M3/H,但不影响正常运行,其他各部流量正常,1号机组和1､2号主变各部温度在正常范围,一台机和两台主变的清水用水总量为392M3/H｡具体数据见表1｡

表11号机组和1､2号主变试验期间各部流量和温度

2.3.2两台机组和五台主变清水串联供水试验

1号机组清水串联供水后再供1､2号主变试验成功后,又进行了1､6号机组清水串联供水后再供1､2､4､5､6号主变的试验(3号主变检修,故没供3号主变)｡试验期间保持机组满出力运行｡试验期间所有运行主变的流量和温度在正常范围内,具体数据见表2｡

表21､2､4､5､6号主变试验期间最高温度

试验期间1号机上导轴承､6号机上导轴承和下导轴承的冷却水流量低于额定值(额定值均为9M3/H),但不影响正常运行,其他各部流量正常｡试验的两台机组和五台主变各部温度均在正常范围,两台机和五台主变的清水用水总量约为836M3/H左右｡具体数据见表3｡

表31､6号机组试验期间各部流量和温度

2.3.3试验总结

两次小浪底电站机组和主变清水串联供水试验表明,小浪底电站机组和主变清水串联供水的运行方式可行,392M3/H的清水流量可满足一台机组和两台主变正常运行,836M3/H的清水流量可满足两台机组和五台主变正常运行,相比常规供水方式分别节水168､389M3/H,节水效果显著,并且试验期间稳定后的各部最高温度明显低于相应部位的温度偏高报警值,冷却效果未受影响｡

表4小浪底电站机组和主变串联供水各部流量统计表

3、结语

针对小浪底电站浑水发电时期技术供水清水水量不足的问题,本文通过对小浪底现有技术供水管路和阀门的研究,设计出小浪底电站机组和主变清水串联供水方式,将冷却机组后的水供主变冷却使用,并通过两个试验检验了这种供水方式的冷却效果,大幅降低了浑水发电时期的清水用水量,节水效果显著且冷却效果不受影响｡

在实际运行过程中,参与串联供水的机组和主变的台数可灵活搭配,但需考虑主变冷却水管路的过流能力｡根据本文已有实验数据,按照满足正常运行所需的最低清水流量计算,可以得出以下结论:1台机组清水串联供水后的水可再供1~3台主变使用,2台机组清水串联供水后的水可再供2~6台机使用｡共计8种组合方式,可达到不同的节水效果,节约小浪底机组在浑水发电时期的清水用水量｡

参考文献:

[1]方超.九里沟水电站技术供水系统的改进[j].科学技术创新,2021(10):134-135.

[2]吴宝琳,曹益荣.水电厂技术供水系统改造与应用[j].电力安全技术,2024,26(1):74-78.

[3]赵业文,豆乐飞,袁章程.某水电站技术供水系统优化[j].水电与新能源,2020,34(9):6-8.

[4]郭万欣,王玲军.高含沙水流对小浪底电站机组主轴密封的影响及应对措施[j].水电与新能源,2023,37(3):57-59.

[5]李鹏,孔卫起.小浪底电站技术供水系统运行实践[j].电网与清洁能源,2016,32(5):114-117.

[6]刘钢钢,张延智,刘大双.小浪底工程机组主轴密封优化[j].水电与抽水蓄能,2020,6(1):57-59,98.

[7]陈伟,李鹏,李玉明.小浪底水电厂技术供水系统的介绍及应用[j].水力发电,2004(9):7-9.

[8]陈伟,李涛,王丹阳,等.小浪底水电站机组清水串联供水研究[j].人民黄河,2020,42(s1):273-275.

文章来源:翟冬毅,贺琪凡,陈伟.小浪底电站机组和主变清水串联供水方式研究[J].水电与新能源,2025,39(04):62-65.