荒溝抽水蓄能電站技術供水系統的設計

任哲明，李永恒

（中水東北勘測設計研究有限責任公司，吉林 長春 130021）

1 概述

荒溝抽水蓄能電站位于黑龍江省海林市境內。電站距牡丹江市130 km，距蓮花壩址43 km。電站由上水庫、輸水系統、地下廠房、下水庫、地面開關站及副廠房系統組成。上、下水庫水平距離約2 500 m。輸水系統：引水系統長約1 700 m，采用2 洞4 機的布置方式，共在上平段設有2 個上游調壓井；尾水系統長約1 300 m，也采用2 洞4 機的布置方式，共設有2個尾水調壓井。電站裝有4 臺單機容量為300 MW 的水泵水輪發電機組，電站總裝機容量為1 200 MW。機組水輪機工況水頭范圍為：444.75～404.38 m，水泵工況水頭范圍為：455.55～419.44 m，年發電1 530 h，年抽水2 008 h，建成后承擔黑龍江省及東北電網的調峰、填谷、調頻和事故備用任務。

2 技術供水方式選擇

荒溝抽水蓄能電站的下庫為蓮花水庫，常年水質較好，含沙量低，因此不考慮熱交換器密閉循環二次冷卻的方式。根據水頭及本工程實際情況，可以采用的供水方式有：尾水自流減壓取水，尾水取水閉式循環水泵供水。

方案一：從機組尾水管取水，自流減壓供水方案。即：利用尾水水壓自流減壓供水，技術供水排水至集水井，然后用水泵將集水井內的水排至尾水事故閘門后（下水庫側）的尾水洞內。

方案二：從機組尾水管取水，水泵增壓供水方案。即：從尾水管取水，經水泵增壓后，向用戶供水。冷卻水的排水經排水總管排至尾水事故閘門前（機組側）的尾水洞內。

方案一須在廠內設置足夠容量的集水井，加大廠房結構開挖，且機組運行時，若集水井內排水泵出現故障，可能引起水淹廠房事故，同時增加了廠用電耗電量，其經濟性及安全性均較差，故不采用。而方案二為閉式供水系統，具有安全可靠的優點。

綜上所述，確定機組技術供水方式采用方案二。即機組技術供水系統機組技術供水采用水泵單元供水方式。為防止調相壓水空氣進入技術供水管路，在每臺機組尾水閘門前（主廠房側）設一取水口取水，由水泵加壓，經濾水器過濾后供至各供水用戶，最終排水至相應機組尾水管肘管段。每條輸水隧洞內的兩臺機組之間預留性能試驗排水管，取水口和排水口的間距76 m 左右，以防止形成熱短路。由1 號、4 號機組尾水事故閘門后（下游水庫側）的尾水洞內取水聯絡成全廠公用供水總管，每臺機組的技術供水備用水源和全廠公用供水用戶均取自該總管。全廠每臺機組設2 臺技術供水泵，1 臺工作，1 臺備用。每臺機組配2 臺自動濾水器，1 臺工作，1 臺備用。主軸工作密封供水主水源取自機組單元技術供水總管，經水泵加壓并經過濾器過濾后供至主軸工作密封；備用水源取自進水閥上游壓力鋼管，采用減壓供水；設置4 臺水泵、8 臺自動濾水器（4 臺工作，4 臺備用）、4 臺主軸密封濾水器、4 只減壓閥。全廠公用供水系統由全廠公用供水總管取水，經濾水器過濾后供至各用戶，設置2 臺自動濾水器，1 臺工作，1 臺備用。主變空載供水采用水泵單元供水方式，每臺主變設置2 臺空載供水泵，1 臺工作，1 臺備用；全廠的4 臺主變的空載技術供水排水管設1聯絡總管貫穿全廠，當1 臺機組檢修時排水至其他機組的尾水管內。技術供水濾水器安裝在水泵出水側，排污至尾水管內，全廠公用濾水器排污至滲漏井內，主軸密封用濾水器排污至滲漏井內?？諌簷C的冷卻用水取自全廠公用供水總管，自流排水至滲漏井內。

3 系統設計

荒溝技術供水系統分為機組技術供水系統和全廠公用供水系統。機組技術供水用戶包括：發電電動機空氣冷卻器、上導軸承、下導軸承、水導軸承、主軸密封、上下止漏環和主變滿載。全廠公用供水用戶包括：機組的備用取水、主變空載、中壓空壓機冷卻水、引水隧洞充水、機電設備消防、建筑消防、建筑空調冷卻供水、生活供水等。根據廠家的要求，球閥、調速器的回油箱和SFC 沒有供應冷卻水。各用戶的用水量見表1。

表1 技術供水用戶參數表

荒溝的技術供水間接取自下水庫，下水庫的水溫在不同的季節平均水溫會有差異，在水溫低的時候較低的流量即可滿足冷卻要求，在水溫高的時候需要較高的流量滿足冷卻要求，同時機組的運行對泵的流量要求能在一定范圍內變化，在不同季節需要調節手動流量調節閥，盡量保證管路處在滿流狀態，以保證管路上自動化元件的正常測量，技術供水流量總的來說較大。雙吸泵相當于兩個相同直徑的單吸葉輪同時工作，在同樣的葉輪外徑下流量可增大一倍，恰好滿足上述要求。

水泵揚程選擇方面，供、排水均連接尾水，只需克服閉式技術供水管路水力循環所需克服的水力損失，理論上發電機空冷支路距離供排水管的進出水口最遠端的兩臺空氣冷卻器為整個系統所需揚程最大的用戶，即水泵揚程的控制點，因此選擇水泵主要看水泵的揚程以及流量對應的曲線是否符合要求。綜上所述所需泵的揚程相對不高，揚程根據流量的變化而變化，因此技術供水泵應選擇性能曲線較平滑的泵型，可以適應不同流量、揚程的工況。各水泵的具體參數見表2。

表2 技術供水泵參數表

水泵選擇臥式水平中開布置，具有利于泵和進出水管的布置與安裝、噪音低等優點，缺點是需要較大布置空間，但本工程水泵布置在蝸殼層上游側，上游側還布置進水主閥，主閥的體積較大，所以水泵的尺寸不會成為廠房的控制尺寸。為了防止技術供水水泵停機時反轉，在水泵出水管上裝設止回閥。

考慮到主變在機組處于停機、檢修狀態等長時間連續處于空載狀態，需要長時間連續供應冷卻水，設計單獨配置立式離心泵為其供水。立式離心泵占地面積小，剛好滿足主變冷卻水流量不大，水泵布置在機組蝸殼層的左側或者右側廊道內空間相對有限的要求。

技術供水必須保持一定的壓力，壓力過低時不能維持要求的流量，壓力過高時可能使用水設備損壞，甚至擊穿用水設備，導致水淹廠房?；臏铣樗钅茈娬狙蜎]深度較大，機組的吸出高度為-65 m，供水設備所承受的尾水的靜水壓力比較大。機組技術供水系統工作壓力為1.0～1.2 MPa；全廠公用供水系統工作壓力為0.65～1.4 MPa。根據工程調保計算結果，尾水進口處最大壓力在1.6 MPa 左右。故要求管路、閥門耐壓等級有一定安全裕量，因此技術供水系統（包括與之連接的檢修氣系統）除特殊位置外，大部分采用2.5 MPa 等級的冷卻器、管路、閥門、管件及自動化元件。

由于主軸密封供水所需壓力、水質要求均高于機組技術供水，機組技術供水不能滿足其需求，故主軸密封供水單獨設置。主軸密封供水主水源采用增設加壓泵供水，加壓泵取水取自機組技術供水干管，經過機組技術供水濾水器過濾后再經過精密濾水器過濾，來滿足壓力、水質、流量等要求。備用水源采用壓力鋼管自流減壓供水作為備用水源的方式，取自進水閥前壓力鋼管段，經過兩臺精度不同的濾水器后供機組主軸密封使用，主軸密封供水泄壓部分取自減壓閥后，連接到尾水管肘管段。

止漏環供水支路直接取自技術供水，本支路技術供水直接供給到轉輪的上下止漏環和頂蓋底環上的固定止漏環間，與轉輪上冠下環相連接，此處的壓力較高，因此支路的末端至止回閥（包含止回閥）前，采用4 MPa 等級的壓力管路?；臏系乃|相對較好主機廠并未提出加裝濾水器。本支路需要參與機組的自動化控制中，因此加裝了電動閥門，電動閥門應選擇力矩較大的閥門，這樣可以保證閥門的快速啟閉，快速響應機組的啟動和停機。

在管路的管徑選擇方面，管徑的選擇與流速、流量相關，由式(1)可知在流量要求一定的情況下管徑只與流速有關。由式（2）、式（3）、式（4）可知，管路的沿程水損和局部水損均與流速的平方成正比關系。每提高約40%的流速，揚程需要提高1 倍，水泵等設備的投資和廠用電的消耗均成倍增加。因此盡量把流速控制在1 m/s 左右。管路采用外徑系列1 的通用管徑，對應配套系列1 的管件。

全廠技術供水總管上布置有溫度變送器、溫度計、壓力表和壓力變送器，排水總管上布置有電磁流量計，各個軸承支路供水側均布置有壓力表，排水側均布置有電磁流量計，壓力表和溫度計。水導軸承、主軸密封、止漏環供水支路單獨布置有示流信號器。各個濾水器前后均布置有差壓變送器。每個供水支路均設有節流孔板或流量調節閥來保證每個支路的流量都能滿足設計要求。各支路既可以在現地監測，也可以在線監測溫度、壓力、流量等參數，及時監測設備的異常狀態并采取一定措施。每臺水泵的進、出水口均布置了壓力表，在出水側還布置了壓力信號器，用來檢測管路的壓力，出現異常情況下及時停泵。濾水器的排污管路、中壓空壓機冷卻水供水支路、主軸密封備用供水支路、上下止漏環供水支路、主變的（空載、滿載）支路均設有電動閥門，隨機組、用水設備的工況轉換而自動控制相應支路的開閉。

4 結語

本文主要從荒溝抽水蓄能電站技術供水系統的設計、設備選擇、設備布置等3 個方面淺析荒溝抽水蓄能電站的技術供水系統的設計方案?；臏铣樗钅茈娬炯夹g供水系統按照無人值班少人值守的原則配置，保證機組正常啟動、停機和工況轉換（包括抽水、發電和調相等）下機組的技術供水，使技術供水除自動操作外，也可手動操作；并保證技術供水在系統中處于備用狀態時，可隨時啟動投入，保障機組安全穩定的運行。