【摘要】本文結(jié)合某水電站工程，詳細(xì)闡述了水電站輔助水力機(jī)械系統(tǒng)與油系統(tǒng)，其設(shè)計(jì)涉及各系統(tǒng)組成設(shè)備的技術(shù)性能、選型、布置方式等要素。水電站輔助機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮系統(tǒng)可能的影響因素，現(xiàn)有設(shè)備制造能力與水平、適用能力、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)及各設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)的技術(shù)性能等，以確保水電站輔助水力機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的技術(shù)經(jīng)濟(jì)合理。
【關(guān)鍵詞】水力機(jī)械；水電站輔助水力機(jī)械系統(tǒng)；油、氣、水系統(tǒng)及量測(cè)系統(tǒng)；設(shè)計(jì)方案
1 引言
水電站的水力機(jī)械設(shè)備主要包括水輪發(fā)電機(jī)組及其附屬設(shè)備(主體設(shè)備)、輔助水力機(jī)械系統(tǒng)設(shè)備等，其中輔助水力機(jī)械系統(tǒng)一般由油、氣、水、量測(cè)等幾大系統(tǒng)組成，其主要作用是為主體設(shè)備提供必要的服務(wù)，保證主體設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行。勿容置疑，水電站主體設(shè)備的性能、質(zhì)量、配置及設(shè)計(jì)操作流程等對(duì)水電站安全穩(wěn)定運(yùn)行起著關(guān)鍵作用，但經(jīng)過(guò)眾多電站的運(yùn)行事實(shí)證明，水電站輔助水力機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案、產(chǎn)品質(zhì)量、技術(shù)性能等同樣對(duì)水電站的經(jīng)濟(jì)安全穩(wěn)定運(yùn)行起著不可忽視的作用。本文結(jié)合工程實(shí)例，著重針對(duì)水電站水系統(tǒng)中的供水方式、管道閥門(mén)設(shè)計(jì)、濾水器設(shè)置部位、減壓閥及安全閥口徑選擇、排水方式及滲漏泵選擇，油、氣及量測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案、設(shè)備布置當(dāng)中的方案考慮的合理性、相互之間的影響等設(shè)計(jì)應(yīng)考慮的諸項(xiàng)問(wèn)題，談?wù)勗O(shè)計(jì)中的一些體會(huì)。
2 工程概況
某水電站位于河干流的上游，為低壩引水徑流式電站，是以發(fā)電為主的小型水電站工程。采用2臺(tái)單機(jī)容量為10 MW的軸流式水輪發(fā)電機(jī)組。電站保證出力為4.4 MW，多年平均發(fā)電量8 283萬(wàn)kW・h，年利用小時(shí)數(shù)4 142 h。
3 水電站輔助水力機(jī)械系統(tǒng)中水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
3.1 技術(shù)供水方式設(shè)計(jì)
按照《水力發(fā)電廠機(jī)電設(shè)計(jì)規(guī)范》，水電站水頭為15～120 m時(shí)宜采用自流(減壓)供水方式、水頭大于120m時(shí)應(yīng)進(jìn)行水泵供水與其他供水方式的比較。在以往的技術(shù)供水方案比較中，大多沒(méi)有考慮這樣的事實(shí)：目前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的水泵由于制造加工工藝不高，質(zhì)量尚不穩(wěn)定，很難保證連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行；有不少類(lèi)型的水泵達(dá)不到其標(biāo)注的技術(shù)性能要求。如：有的自吸泵或離心泵名牌標(biāo)注的吸出高度為5～7m，而真正可實(shí)現(xiàn)的吸出高度只能達(dá)到3m；有不少電站的技術(shù)供水泵由于制造、技術(shù)參數(shù)不達(dá)標(biāo)等種種原因不能正常工作，影響到主設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行；在方案比較中對(duì)由于水泵故障帶來(lái)的其他損失、水泵的維護(hù)成本、水泵的占地面積以及布置上的困難等因素往往沒(méi)有充分考慮。鑒于通過(guò)幾個(gè)水電站對(duì)自流減壓供水方式與水泵供水方式的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較兩者在設(shè)備投資、能量損耗等指標(biāo)上相差并不大，甚至水泵供水耗能更多一些，因此考慮到目前國(guó)內(nèi)減壓閥技術(shù)及應(yīng)用已相當(dāng)普遍和成熟、價(jià)格也便宜，筆者認(rèn)為當(dāng)電站凈水頭在15～300m之間時(shí)宜首選采用自流(減壓)供水作為機(jī)組技術(shù)供水方式。經(jīng)查證，國(guó)內(nèi)有的水電站水頭達(dá)306m、升壓值達(dá)370m也采用自流減壓供水方式而且是一級(jí)減壓，運(yùn)行狀況良好。當(dāng)然，這么高水頭采用的是彈簧式減壓閥，若采用隔膜式減壓閥，可考慮采用二級(jí)、三級(jí)減壓供水方式。目前，由作者工作單位設(shè)計(jì)的150～160m水頭段的電站如光照、洪家渡等大多采用二級(jí)減壓供水方式， 120m以下水頭段的電站大多采用一級(jí)減壓方式如引子渡、索風(fēng)營(yíng)等，上述電站的技術(shù)供水系統(tǒng)運(yùn)行情況都良好。對(duì)多泥沙電站，可考慮雙向供水方式，即正、反向供水，定期切換進(jìn)行反沖洗，以防堵塞；有些中小型水電站也可考慮采用循環(huán)供水方式，但這種方式對(duì)封河的寒冷地區(qū)不太適應(yīng)，因?yàn)槠淅鋮s器放在尾水渠中易被冰封冷凍損壞或堵塞等。
3.2 管道閥門(mén)設(shè)計(jì)
為增加可靠性，減少維護(hù)工作量，當(dāng)技術(shù)供水采用自流(減壓)供水方式時(shí)，供水管中的第1道閥門(mén)(靠近取水口端)應(yīng)選取高一級(jí)壓力等級(jí)的閥門(mén)。例如：調(diào)保升壓值為0.9MPa則最好選用1.6MPa的閥門(mén)而不要選1.0MPa的閥門(mén)；對(duì)不宜檢修或檢修條件較困難時(shí)，宜設(shè)2道閥門(mén)；此外，檢修閥門(mén)宜選取不銹鋼閥門(mén)。
3.3 濾水器設(shè)置部位
在自流(減壓)供水方式中，為了更好地保護(hù)減壓閥及其附件，保證技術(shù)供水系統(tǒng)正常工作，將濾水器放置在減壓閥前也是較好的選擇。雖然濾水器壓力等級(jí)提高了會(huì)增加一定的成本，但增加數(shù)額不大，一般增加10% ～15%，完全可以接受。目前很多水電站均采用這種設(shè)計(jì)。
3.4 減壓閥及安全閥口徑選擇
作者通過(guò)對(duì)水電站減壓閥選型的對(duì)比，發(fā)現(xiàn)如果按照減壓閥特性曲線中(ΔP ～Q ～D)對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)選擇技術(shù)供水減壓閥口徑，往往過(guò)流量不能滿足技術(shù)要求。因此，在選取減壓閥口徑時(shí)應(yīng)將其特性曲線中推薦的數(shù)值適當(dāng)放大1～2號(hào)，例如：曲線查得減壓閥口徑為100mm，則可選為125mm或?yàn)?50mm等等。對(duì)安全閥口徑選擇，可根據(jù)配套的推薦口徑選擇與主管徑相同或選擇口徑小于主管徑1號(hào)的安全閥，但由于泄壓時(shí)水的流速很快，為減小水錘壓力，要求安全閥后的管路口徑應(yīng)大于安全閥口徑；此外，為了廠內(nèi)安全，減小水泵工作量，安全閥排水應(yīng)直接排至下游尾水，不要排至集水井。
3.5 排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)
在水電站排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)中小型電站及尾水位較高的電站，宜采用直接排水方式。這樣，既減小了水淹廠房的概率，也減小了設(shè)計(jì)工作量。因?yàn)榧w需要密封，設(shè)計(jì)難度也較大；對(duì)滲漏集水井和檢修集水井也宜分開(kāi)設(shè)置，這也是規(guī)范所要求的。但是，很多電站的業(yè)主要求將兩井用連通管連通，這就要求設(shè)計(jì)單位必須在連通管上加裝常閉閥門(mén)，該閥門(mén)由于其重要性，要求應(yīng)相當(dāng)可靠能夠鎖錠，以避免誤操作引起水淹廠房事故的發(fā)生。
3.6 蝸殼排水及尾水管排水閥
3.6.1 按照經(jīng)驗(yàn)及統(tǒng)計(jì)，蝸殼排水及尾水管排水閥口徑的選取一般取壓力鋼管及蝸殼進(jìn)口公稱直徑的8% ～10%為宜。
3.6.2 目前有些設(shè)計(jì)者每套機(jī)組設(shè)置1個(gè)尾水管排水(盤(pán)形)閥，考慮到該閥門(mén)的重要性，筆者建議每套機(jī)組最好設(shè)置2個(gè)，這對(duì)設(shè)備布置及費(fèi)用影響甚微。
3.7 滲漏排水泵選擇
對(duì)尾水位變幅大的水電站，滲漏排水泵選擇時(shí)應(yīng)考慮適應(yīng)不同的揚(yáng)程，這主要是水泵的工作特性所決定的。按照《設(shè)計(jì)手冊(cè)》滲漏排水泵揚(yáng)程應(yīng)按照最高尾水位計(jì)算，但水電站實(shí)際運(yùn)行中有較長(zhǎng)的時(shí)期不在最高尾水位，這就導(dǎo)致水泵長(zhǎng)期不在最優(yōu)工況運(yùn)行，帶來(lái)水泵效率低、軸承溫度高，很容易燒壞軸承。要解決這一問(wèn)題，可考慮配置兩種不同揚(yáng)程的水泵：按正常尾水位工況(電站機(jī)組滿發(fā)對(duì)應(yīng)的水位)選擇一種，按最高尾水位工況選擇一種；也可以考慮采用變頻方式。
4 水電站輔助水力機(jī)械系統(tǒng)中油系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
4.1 絕緣油系統(tǒng)
4.1.1 目前水電站采用的主變壓器大多是20～30年免維護(hù)型的，除非發(fā)生事故需進(jìn)行大修，一般情況下是不需要更換絕緣油的，因此筆者建議設(shè)計(jì)中小型水電站絕緣油系統(tǒng)時(shí)省略總的供排油管路；對(duì)于梯級(jí)電站僅在某一較合適的站點(diǎn)設(shè)置絕緣油系統(tǒng)，其他站甚至可以省略絕緣油系統(tǒng)；對(duì)地理位置較偏僻的獨(dú)立電站，可僅設(shè)絕緣油庫(kù)及油處理室設(shè)備。
4.1.2 對(duì)巨型和大型電站，絕緣油庫(kù)及油處理室盡量距用油設(shè)備近一些，以利節(jié)能降耗。
4.2 透平油系統(tǒng)
4.2.1 對(duì)中小型水電站，可適當(dāng)簡(jiǎn)化管路系統(tǒng)設(shè)計(jì)，如：在各用油部位附近設(shè)置活接頭，在供排油總管適當(dāng)位置設(shè)活接頭，其間可采用軟管過(guò)渡等，盡量減少不銹鋼管的數(shù)量及埋管布置。
4.2.2 對(duì)梯級(jí)電站而言，可考慮在某站設(shè)油分析、化驗(yàn)設(shè)備，其他站可省略。
4.2.3 對(duì)巨型和大型電站，可從有利于運(yùn)行、維護(hù)及檢修的角度出發(fā)，考慮配置齊全一些。
此外，油系統(tǒng)在設(shè)備布置上，為滿足防火規(guī)范要求，配置的濾紙烘箱應(yīng)布置在專用的房間內(nèi)，烘箱電源開(kāi)關(guān)也不能放在室內(nèi)；油庫(kù)中油罐的事故排油操作閥門(mén)不能與油罐布置在同一房間，應(yīng)布置在專用的房間內(nèi)；對(duì)室外布置的管路系統(tǒng)，為防止熱脹冷縮導(dǎo)致管路損壞，應(yīng)考慮設(shè)置玻紋管連接段。
5 水電站輔助水力機(jī)械系統(tǒng)中氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
5.1 水電站氣系統(tǒng)一般包括中壓氣系統(tǒng)和低壓氣系統(tǒng)，由于目前氣體介質(zhì)減壓閥尚未達(dá)到成熟階段，因此這2個(gè)系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)不考慮合用，應(yīng)盡可能分開(kāi)設(shè)置。
5.2 低壓氣系統(tǒng)中吹掃及檢修供氣單元與機(jī)組制動(dòng)供氣單元盡可能分開(kāi)設(shè)置，并分別設(shè)置相應(yīng)容積的貯氣罐；另外，吹掃及檢修供氣單元可作為制動(dòng)供氣的備用氣源，以保證制動(dòng)供氣的可靠性及供氣質(zhì)量；制動(dòng)供氣應(yīng)盡可能干燥、清潔，而吹掃及檢修供氣干燥、清潔度可適當(dāng)放寬。
5.3 由于供氣管路往往較長(zhǎng)有一定的管路損失，使氣體到達(dá)供氣設(shè)備時(shí)壓力達(dá)不到設(shè)備的額定操作壓力，因此在選擇空壓機(jī)時(shí)其額定排氣壓力宜比設(shè)備的額定操作壓力略高一些，相應(yīng)的貯氣罐設(shè)計(jì)壓力也要提高。
6 水電站輔助水力機(jī)械系統(tǒng)中水力量測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
6.1 為保證集水井液位監(jiān)測(cè)與控制，應(yīng)同時(shí)配置2種不同型式的液位控制器，如：壓力傳感式及浮子式等，兩者互為備用。
6.2 監(jiān)測(cè)尾水管壓力脈動(dòng)的傳感器宜布置在水輪機(jī)的尾水管錐管段，而不宜通過(guò)測(cè)壓管后再設(shè)置傳感器，因?yàn)檫@樣會(huì)有衰減影響測(cè)量精度。
6.3 在水位計(jì)布置上，應(yīng)有防止水倒灌的措施。
7 水力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)
為確保電站安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，電站設(shè)置了全廠性量測(cè)儀器儀表和機(jī)組段量測(cè)儀器儀表。前者包括：上、下游水位采用指示型水位變送器；電站毛水頭采用WT2000DP型差壓變送器；冷卻水溫采用WX型溫度信號(hào)器；攔污柵前、后壓差采用WT2000DP型差壓變送器；集水井、生活水池、循環(huán)水池采用水位變送器。以上水位變送器及壓差變送器均通過(guò)水位水頭監(jiān)視儀顯示、報(bào)警。后者包括：蝸殼進(jìn)口壓力、尾水管出口壓力采用壓力表顯示，水輪機(jī)工作水頭采用WT2000GP型壓力變送器并通過(guò)水位水頭監(jiān)視儀顯示；蝸殼測(cè)流采用WT2000DP型差壓變送器并通過(guò)流量監(jiān)測(cè)裝置顯示；主軸密封壓力、轉(zhuǎn)輪與導(dǎo)葉間壓力采用壓力表顯示；頂蓋壓力、尾水管進(jìn)口壓力采用壓力真空表顯示；機(jī)組振動(dòng)、主軸擺度采用振動(dòng)、擺度探測(cè)儀及其檢測(cè)裝置。水位水頭監(jiān)視儀、流量監(jiān)測(cè)裝置、振動(dòng)擺度檢測(cè)裝置與計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)有通信接口。
8 結(jié)語(yǔ)
水電站輔助水力機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)對(duì)水電站安全穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。確保合理有效的輔機(jī)設(shè)計(jì)，不僅可以降低成本、節(jié)約投資，更重要的是可以保證水電站主要設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行，方便設(shè)備運(yùn)行及檢修，延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命。為此，該系統(tǒng)各個(gè)細(xì)節(jié)的設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)引起設(shè)計(jì)者的足夠重視。
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