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小浪底水电站技术供水循环利用可行性研究

2025-01-05 131 上传者：管理员

摘要：针对汛期小浪底水电站技术供水清水水源供应能力下降造成机组冷却水供应能力不足的问题，提出了利用厂内清水池实现冷却水循环使用的方案。通过试验和理论计算的方法，对该方案的可行性进行了分析，结果表明：通过厂内回水池实现冷却水循环使用可在当前清水供水能力下降的困境下，解决汛期小浪底水电站清水供水能力不足的问题。

关键词：
供水能力
小浪底
循环供水
技术供水
水电站
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小浪底水轮发电机组技术供水采用蜗壳和清水两种供水方式。鉴于汛期黄河含沙量较大，为防止蜗壳供水造成机组空冷器及轴承冷却器淤堵，通常采用清水供水进行机组冷却。小浪底机组清水水源取自厂外两个水源井，经厂外清水池中转后供机组使用。随着时间的推移，水源井的供水能力逐渐下降，从原设计方案的5 000 m3/h下降至2 800 m3/h;2020年清水水源井塌方，使得清水供水能力进一步下降至2 000 m3/h。清水供水能力的下降给机组汛期发电带来了挑战，为了保证小浪底机组在汛期正常发电，优化机组供水方式迫在眉睫。目前发电厂通过清水串联的供水方式，将机组技术供水的用水流量压缩至每台机组350 m3/h，但是仍无法满足6台机组使用。因此，本文结合发电厂技术供水的特点，针对目前小浪底电站技术供水清水供水流量不足的问题开展研究，利用现有的技术供水管路，在保证机组安全稳定运行的前提下，降低技术供水清水用水流量。

1、清水供水简介

小浪底机组清水供水简图（图中数字为阀门编号）如下所示：

图1清水供水简图

小浪底水电站清水供水分为串联供水和并联供水两种模式。串联供水模式下，清水从取水干管经15阀流经上导轴承、推力轴承、下导轴承和水导轴承，经16阀流至空冷器，最终经11阀排至尾水管；该供水模式的空冷器流量等于上导、推力、下导和水导4个导轴承流量之和，目前已能够保证机组技术供水流量在350 m3/h的条件下正常运行。并联模式下，清水从取水干管经15阀分别流经各部轴承和空冷器，而后在16阀汇合，最终经12阀排至尾水管；该供水模式的机组技术供水所需流量在700 m3/h左右，因所需清水流量较大，故一般不使用该供水模式。

2、清水循环供水方案设计

2.1 清水循环供水方案可行性

小浪底水电站技术供水设计初期利用了厂内回水池循环使用清水，但由于设计缺陷，加上小浪底水库运用前期过机含沙量较小，蜗壳供水能够满足运行需求，因此厂内回水池并未投入使用。本方案将其考虑在内，在不改变管路的前提下，更改清水并联机组水流走向，以实现清水循环的目的。如图1所示，技术供水清水水源从厂外清水池经清水取水阀15阀分别流经各部轴承和空冷器，再通过17阀全部流回厂内清水池，再将清水送至厂外清水池。该供水模式下，机组技术供水流量可实现循环利用。

2.2 方案设计

小浪底水电站汛期单台机组长时间运行所需的最低用水流量为主变、主轴密封、导轴承及空冷用水流量之和，其中：主变最低用水流量为60 m3/h、主轴密封最低用水流量为25 m3/h，空冷及导轴承用水流量即串联供水或并联供水用水流量。小浪底机组汛期单台机组长时间运行所需的最低用水流量为435 m3/h，当前清水供水能力可以满足4台机组运行，因此4台及以下机组运行时不考虑循环供水，当需5台或6台机组运行时再考虑循环供水的方式。同时，由于回水池在厂房内部，存在水淹厂房的可能，故回水的流量尽可能小，循环供水机组的台数尽可能少，因此需采用清水串联和清水并联结合的方式进行供水。本次计算拟定的方案如下。

表1清水循环供水方案设计

5台机组运行1台机组回水即可满足要求，6台机组运行需2台机组回水才能满足要求。故最终确定的方案如下。方案一：5台机组运行，其中4台机组串联供水、1台机组并联供水、并联供水机组回水；方案二：6台机组运行，其中4台机组串联供水、2台机组并联供水、并联供水机组回水。

2.3 初始边界条件设定

技术供水采用清水供水方式的主要时间段为过机含沙量较高的前汛期，此时小浪底的库水位维持在235 m以下，该水头下机组最大出力在240 MW以下，因此为使计算结果与实际更为贴切，本次边界条件的拟定也满足该前提。本文采用现场实测的方式拟定初始参数，将1号机组作为研究对象，在库水位231 m、机组出力240 MW时，做如下几组试验。

试验一：分别在清水串联、清水并联供水工况下，实测机组各部流量和温度的变化，试验结果见表2。

表2试验中统计的机组各部流量和水温变化

试验二：使用水温较高的蜗壳水，实测高水温条件下，空冷器及定子线圈温度变化，试验结果见表3。

表3蜗壳供水工况下机组空冷器流量及水温变化

清水串联方式下，冷却水总流量为401.41 m3/h，总进口水温和总出口水温的温差为8℃，空冷器进出口水温温差为5.8℃；清水并联方式下，冷却水总流量为717.46 m3/h，总进口水温和总出口水温的温差为4.6℃，空冷器流量为407 m3/h，进出口水温温差为5.7℃；蜗壳供水工况下，空冷器流量为414 m3/h，进出口水温温差为5.6℃。以上3个试验均能保证机组各部温度处于正常范围内。

技术供水对机组的冷却实际为冷却水对油（空气）这一中间介质的冷却，中间介质再对轴承轴瓦（定子线圈）进行冷却，这一过程可用对流换热公式进行表达：

式中：Q为对流换热热量，c为流体比热容，M为流体质量，ΔT为流体温度变化，F为对流换热面积（即流体与固体接触面积），α为对流换热系数，tw为壁面温度，tf为流体温度（取进出口水温的平均值）。

从以上3组试验中空冷器的温升可以看出，尽管空冷器进口水温存在温差，但经过机组后所带走的热量Q=cMΔT基本一致，区别在于各部轴承和定子线圈的温升存在差异。同时，由于水温的变化，冷却水的对流换热系数会发生改变，因此可假定不同温度的冷却水经过机组后所带走的热量恒定，即温升恒定，相应变化的为对流换热系数、壁面及流体温度。因此可假定：清水串联供水和清水并联供水的水源取自同一个地方，故进口水温相同，均取17℃，试验一中清水串联冷却水总流量为401.41 m3/h，冷却水出口温度经过机组后的总温升为8℃，通过c MΔT1=cMΔT2换算，清水串联流量350 m3/h，清水串联机组温升为9.14℃，清水并联机组冷却水出口温度经过机组后的总温升根据试验二取得，为4.6℃。

3、理论计算

机组产生的热量中，清水串联机组、主变及主轴密封排至下游，清水并联机组经回水池送至厂外清水池，这部分热量一部分再通过串联机组、主变和主轴密封排至下游，另一部分再次经过清水并联机组流回厂外清水池。因此，厂外清水池的温升受两部分热量影响，一部分是清水并联机组发出的热量，另一部分是由厂外清水池流出后经清水并联机组再流回厂外清水池的热量。

假设清水串联机组冷却水、主变冷却水、主轴密封冷却水的总流量为x，那么补水流量即为x；假设回水流量为y，经过一次循环，厂外清水池的热量即为清水并联机组的热量（Q厂外=Q回）。随着循环的次数增多，厂外清水池的热量计算公式为

厂外清水池的总温升满足下式：

式中：c为水的比热容，M1为清水补水质量（即清水串联机组冷却水、主变冷却水、主轴密封冷却水的总质量），M3为回水质量（经机组升温后流回厂外清水池的清水质量）。

随着循环次数的增加，厂外清水池的总热量维持在一个恒定值：

水温升高极限也将维持在一个恒定值：

针对方案一：x=1 825 m3/h,y=700 m3/h，当时，，对应的Δt=1.76℃，厂外清水池的出口水温为18.76℃，串联机组总出口水温27.9℃，并联机组总出口水温23.36℃；针对方案二：x=1 910 m3/h,y=1 400 m3/h，当时，，对应的Δt=3.37℃，厂外清水池的出口水温为20.37℃，串联机组总出口水温29.51℃，并联机组总出口水温24.97℃。

根据《水力发电厂水力机械辅助设备系统设计技术规定》（DL/T 5066—1996），空气冷却器进口水温不高于28℃。根据上文试验数据，串联供水模式下，空冷器的温升根据cMΔT1=c MΔT2换算为6.65℃，则清水串联机组空冷器冷却水的进口温度：方案一为21.25℃，方案二为22.86℃，两种方案均能满足该规定，清水并联机组空冷器进口温度即厂外清水池出口水温，也在规定范围内。根据试验三，当空冷器进口温度为28℃时，空冷、定子线圈各部温度均能维持在安全运行范围内，两方案的空冷器进口温度远低于28℃，故两方案的计算结果从理论上可以满足机组的安全运行。

4、结论

本文针对汛期小浪底水电站清水供水能力不足的问题，利用现有的技术供水管路，提出通过厂内回水池实现冷却水循环使用，以此降低技术供水清水用水流量。通过计算，使用此种方案可以实现1 825 m3/h清水供应量供5台机组使用、1 910 m3/h清水供应量供6台机组使用，突破了清水供水只能供4台机组的限制，解决了汛期小浪底水电站清水供水能力不足的问题，为该厂技术供水改造提供了可行性依据。

参考文献:

[1]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(增刊1):273-275.

[2]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.

[3]岳丹婷.工程热力学和传热学[M].大连:大连海事学院出版社,2002:158-208.

文章来源:贺琪凡,翟冬毅,陈伟,等.小浪底水电站技术供水循环利用可行性研究[J].人民黄河,2024,46(S2):122-123.