賈 玻,朱建利,劉世勇
(新疆昌吉方匯水電設(shè)計(jì)有限公司,新疆 昌吉 831100)
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淺析呼河青年渠首水電站油氣水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)優(yōu)化
賈 玻,朱建利,劉世勇
(新疆昌吉方匯水電設(shè)計(jì)有限公司,新疆 昌吉 831100)
闡述了呼圖壁河青年渠首水電站技術(shù)供水系統(tǒng)、技術(shù)排水系統(tǒng)、油氣系統(tǒng)的,根據(jù)機(jī)組的特點(diǎn),對引水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行了優(yōu)化,對工程造價(jià)的降低、提高電站綜合效益有很大的意義。電站投產(chǎn)以來,機(jī)組運(yùn)行正常,說明設(shè)計(jì)優(yōu)化是合理的,因此本文可為日后類似小型水電站的設(shè)計(jì)提供參考。
水電站;油氣水系統(tǒng);設(shè)計(jì)優(yōu)化
呼圖壁河青年渠首水電站位于呼圖壁縣境內(nèi)的呼圖壁河青年渠首下游 750 m處。電站設(shè)計(jì)水頭18.5 m,裝機(jī)容量4 500 kW,最大設(shè)計(jì)引水發(fā)電流量為30 m3/s,由引水系統(tǒng)和廠區(qū)建筑物組成,屬低水頭引水式電站。電站廠房布置在呼圖壁河右岸一級(jí)階地上,上下兩層,由下至上依次為水輪機(jī)層和發(fā)電機(jī)層。該電站裝設(shè)三臺(tái)立式水輪發(fā)電站機(jī)組,水輪機(jī)型號(hào)為 ZDJP502-LH-120,配套發(fā)電機(jī)型號(hào)為SF1500-12/2150,單機(jī)容量1 500 kw,水輪機(jī)調(diào)速器型號(hào)為 YWT-1000。
1.1 技術(shù)供水系統(tǒng)
本電站機(jī)組技術(shù)供水的主要對象是為發(fā)電機(jī)徑向軸承冷卻器和機(jī)組徑向推力軸承冷卻器提供冷卻水。技術(shù)供水的方式主要有兩種,一種是修建儲(chǔ)水池建立水循環(huán)系統(tǒng),另一種是由壓力管道直接取水[1]。本電站水頭為 18.5 m,且技術(shù)供水用水量較小,故采用從壓力管道 取水的供水方式。本站的技術(shù)供水首部位于水輪機(jī)層,采用單元取水方式,即分別從各自的 蝸殼進(jìn)水管頂部取水,經(jīng)第一級(jí)濾水器處理后匯入技術(shù)供水總管,通過閥門使得各系統(tǒng)間相 互聯(lián)通,互為備用。從技術(shù)供水總管引出后,在靠近各自機(jī)墩位置處設(shè)置二級(jí)濾水器和管道 加壓泵,使得進(jìn)入冷卻器的水壓力達(dá)到 0.2 MPa,冷卻后的水最終由排水管直接排至尾水池。
1.2 技術(shù)排水系統(tǒng)
本站排水系統(tǒng)主要由滲漏排水管和檢修排水管組成,排水系統(tǒng)采用的是小型水電站中最為常見的集水井方式。集水井位于水輪機(jī)層(安裝間下方),容積120 m3,配備兩臺(tái)臥 式離心排污泵(一備一用)座于集水井之上,水泵的充水管直接與技術(shù)供水管路連接,可隨時(shí)啟動(dòng)。水泵的啟停由液位控制儀控制,自動(dòng)化程度較高。集水井所在位置處場地開闊,便于水泵機(jī)組的安裝和檢修。
(1)滲漏排水。本站機(jī)組的滲漏排水主要有水輪機(jī)頂蓋漏水和廠房滲漏水。由于頂蓋滲漏水量較小,直接布設(shè)滲漏排水管網(wǎng)將滲漏水直接排往集水井。在沿水輪機(jī)層墻體位置處周 圈設(shè)置寬 0.2 m,深 0.2 m的集水槽,槽底向集水井方向找坡,可使廠房滲漏水沿著集水槽 排至集水井。
(2)機(jī)組檢修排水。由于本站采用的是鋼襯混凝土蝸殼,尺寸較大,故在蝸殼前沒有設(shè)置進(jìn)水閥。機(jī)組檢修時(shí),先將前池進(jìn)水室控制閘門關(guān)閉,待蝸殼中水流靜止時(shí),同時(shí)關(guān)閉水輪機(jī)導(dǎo)葉和尾水檢修閘門,使得蝸殼、尾水管與尾水池相對獨(dú)立。此時(shí),蝸殼內(nèi)的水可通過檢修排水管網(wǎng)排至集水井,而尾水管內(nèi)的水可通過潛水泵(安放在預(yù)留好的泵坑內(nèi)),將水直接排至尾水渠。這樣設(shè)計(jì)的好處一是可以減小集水井的容積,減小土建投資,另一個(gè)好處就是可以減小離心排污泵的工作時(shí)間,從而降低運(yùn)行管理的費(fèi)用[2]。同時(shí),利用潛水泵可將尾水管底部積水抽排干凈,便于尾水管的檢修。
隨著水電事業(yè)的蓬勃發(fā)展,越來越多的新技術(shù)、新產(chǎn)品被運(yùn)用到水電工程中來,射流泵就是一種新型的排污泵。由于射流泵沒有運(yùn)動(dòng)部件,具有結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、節(jié)約能源、費(fèi)用低廉以及運(yùn)行管理方便等諸多優(yōu)點(diǎn),在電站的排水系統(tǒng)中應(yīng)優(yōu)先選用[3]。目前本站投產(chǎn)時(shí)間不長,先采用離心泵,待本站進(jìn)行技術(shù)改造時(shí)再改用射流泵系列產(chǎn)品。
1.3 水電站的油氣系統(tǒng)
透平油主要用于機(jī)組軸承潤滑和調(diào)速器操作,絕緣油用于變壓器。本站裝機(jī)容量較小且只有3臺(tái)機(jī)組,透平油與絕緣油用量較小,故采用1.0立方米的儲(chǔ)油桶來代替通常采用的固定式儲(chǔ)油罐。本電站規(guī)模較小,絕緣油過濾機(jī)會(huì)較少,絕緣油與透平油凈油經(jīng)清洗后,可合用一套過濾設(shè)備,故選用一臺(tái)型號(hào) LY-50 壓力濾油機(jī)。為便于在接收新油、設(shè)備充填、更換油時(shí)輸油,選用一臺(tái)φ25 mm手搖式油泵代替常規(guī)的固定式油泵。
小型水電站低壓空氣系統(tǒng)主要為機(jī)組制動(dòng)、廠內(nèi)清掃、維護(hù)檢修提供用氣。本電站裝設(shè)立式水輪發(fā)電機(jī)組,停機(jī)時(shí)采用油壓制動(dòng)。根據(jù)本電站實(shí)際情況,取消了低壓空氣系統(tǒng)。廠內(nèi)清掃、維護(hù)檢修等用氣由一臺(tái)型號(hào)為 Z—0.036/7 移動(dòng)式空氣壓縮機(jī)提供。小型水電站高壓空氣系統(tǒng)僅為向油壓裝置的壓力油罐充氣。本電站選用 YWT-1000 型調(diào)速器。該型調(diào)速器油壓裝置配備有自動(dòng)補(bǔ)氣閥,運(yùn)行時(shí)可自動(dòng)向壓力油罐充氣,因此無需設(shè)置高壓空氣系統(tǒng)[4]。
2.1 首部樞紐的優(yōu)化設(shè)計(jì)
此小型水電站利用上級(jí)水電站尾水池的有壓引水箱涵取左岸取水口引出尾水,引水箱涵的制作形式主要采取地下室暗涵的做法,在設(shè)計(jì)過程中要求長32 m,寬7 m,高3 m,主要采用鋼筋混凝土制作而成,中間分別設(shè)置有二個(gè)孔洞,每一個(gè)孔洞的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為寬2 m,高2 m。在沉沙池下游主要設(shè)置有鋼筋混凝土引水箱,為了保證其具有一定的密實(shí)度,在建設(shè)過程中可以利用砂卵石進(jìn)行分層碾壓,為了保證其穩(wěn)定運(yùn)行可以在底部開設(shè)盲溝用于排水,在需要水經(jīng)過的區(qū)域利用混凝土進(jìn)行澆筑,提高其整體性能[5]。由弼石溝流過來的水要在沉淀泥沙后到達(dá)左岸取水口,從而與上級(jí)水志站尾水匯合一處再進(jìn)入小型水電站的引水隧洞。
2.2 引水隧洞的優(yōu)化設(shè)計(jì)
在設(shè)計(jì)此小型水電站引水系統(tǒng)時(shí)還需進(jìn)一步考慮引水隧道的結(jié)構(gòu),可以改變原來引水隧洞的結(jié)構(gòu)形式,調(diào)整為城門洞形的無壓隧洞,再調(diào)整城門洞形無壓隧洞的設(shè)計(jì)大小,要求低寬3 m,直墻高3 m,純凈高度達(dá)到4米,同時(shí)要求整個(gè)隧洞的進(jìn)口底板高程不能大于2 300 m,要求采取鋼筋混凝土襯砌隧洞,為了保證其堅(jiān)固耐用,可以再利用圍巖對其進(jìn)行加固,為了保證隧洞在運(yùn)行中安全堅(jiān)固,也可以采取錨桿與固結(jié)灌漿的做法進(jìn)一步加強(qiáng)引水隧洞的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。筆者認(rèn)為,在設(shè)計(jì)過程中還需兼顧有壓與無壓隧洞的妥善連接,防止此小型水電站在運(yùn)行過程中由于上級(jí)水電站的負(fù)荷不斷加大導(dǎo)致此水電站出現(xiàn)無壓隧洞封頂?shù)默F(xiàn)象,可以在有壓隧洞與無壓隧洞的結(jié)合部位建設(shè)側(cè)堰溢流建筑和溢洪道,同時(shí)改變施工支洞的性質(zhì),使其成為泄洪洞,從而保證其安全運(yùn)行。
2.3 泄水隧洞的優(yōu)化設(shè)計(jì)
為了保證此小型水電站的安全運(yùn)行,需要改變施工支洞的性質(zhì),使其成為泄水隧洞,在設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮水流方向,因此可以設(shè)計(jì)為垂直引水隧道,這種形式有利于溢流下泄的多余水進(jìn)入沖溝當(dāng)中,再接著進(jìn)入主河中從而可以有效保障小型水電站的穩(wěn)定運(yùn)行。在設(shè)計(jì)溢流側(cè)堰與泄水隧洞時(shí)要參考機(jī)組全甩負(fù)荷工況的泄流量,為了可以及時(shí)調(diào)整洞室的橫向?qū)挾?,有利于洞室在?shí)際施工中的穩(wěn)妥進(jìn)行,要兼顧側(cè)堰的作用只是應(yīng)用小型水電站甩負(fù)荷需要泄流時(shí)才發(fā)揮一定的作用,因此在設(shè)計(jì)過程中可以將其設(shè)計(jì)為薄壁堰的形式,保證堰頂高程與正常水位相比不得小于0.1 m,這種設(shè)計(jì)有利于保證小型水電站在全負(fù)荷運(yùn)行時(shí)的安全。再有,還需認(rèn)真考慮設(shè)計(jì)溢流堰泄水陡槽部位的泄水隧道,筆者認(rèn)為為了保證小型水電站的平穩(wěn)運(yùn)行,可以改變隧洞的形式設(shè)計(jì)為城門洞形,要求達(dá)到底寬2 m,縱坡8%,那么在泄流量突破16.88 m3/s時(shí)可以將泄洪隧洞中的水的深度降低在1米,則整個(gè)小型水電站引水系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行不受影響。
在設(shè)計(jì)過程中,小型水電站的有壓隧洞的底坡應(yīng)該屬于無壓過渡部位,使上級(jí)水電站與此級(jí)水電站在此部位實(shí)現(xiàn)無壓引水與有壓引水的穩(wěn)妥過渡,要求設(shè)計(jì)為長100 m,底坡12%,前81 m,在它后面還需設(shè)計(jì)一段地勢較平的部位,約為20 m,要求斷面大小必須保持相同于有壓隧洞的斷面大小。在充分考慮成熟后,設(shè)計(jì)小型水電站的引水系統(tǒng),底部柵欄壩的底寬擴(kuò)大為6 m,沉沙池的寬度也擴(kuò)大為8 m,實(shí)際可以承受水深達(dá)到了5 m。利用全面優(yōu)化設(shè)計(jì)型水電站的引水系統(tǒng),有利于施工單位的順利施工,節(jié)省了施工時(shí)間,提高了工作效率,技術(shù)人員在經(jīng)過全面計(jì)算后認(rèn)為在小型水電站使用無壓隧洞,一旦上級(jí)水電站丟棄負(fù)荷那么有壓隧洞可以保證在12 min內(nèi)維持現(xiàn)狀,利用這一時(shí)間,小型水電站完全有能力應(yīng)對上級(jí)水電站出現(xiàn)的各種故障,這一設(shè)計(jì)方案相比于原來的設(shè)計(jì)方案,不但可以縮短施工時(shí)間,減少施工工作量,而且也可以提高工程質(zhì)量,可以保證此小型水電站管理與機(jī)組的安全運(yùn)行。
油系統(tǒng)采用簡易的貯油設(shè)備,絕緣油與透平油合用一套濾油設(shè)備,采用手搖油泵,節(jié)省了油系統(tǒng)設(shè)備投資,簡化了管路系統(tǒng),并滿足電站正常工作的需要。另外由于取消了高、低壓氣系統(tǒng),且簡化了管路,大大節(jié)省了設(shè)備投資,減少了設(shè)備檢修維護(hù)工作量。機(jī)組停機(jī)時(shí),采用液壓制動(dòng)(壓力油源取自調(diào)速器壓力油箱),設(shè)備簡單、工作可靠、檢修方便。移動(dòng)式空氣壓縮機(jī)操作靈活,可滿足日常清掃等要求。技術(shù)供水采用單元取水,各單元通過供水干管聯(lián)接,互為備用,使得技術(shù)供水保證率得到提高。同時(shí)采用二次過濾加壓的方式,既提高了技術(shù)用水的水質(zhì)又保證了供水壓力。排水系統(tǒng)采用離心泵+潛水泵的組合形式,操作簡單、檢修維護(hù)較為方便,目前各輔助設(shè)備工作正常,機(jī)組運(yùn)行正常,說明設(shè)計(jì)優(yōu)化是合理的。
綜上所述,在小型水電站設(shè)計(jì)中,結(jié)合機(jī)組的特點(diǎn),對油氣水系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化。降低建設(shè)和運(yùn)行成本,設(shè)計(jì)優(yōu)化后的總投資(土建+設(shè)備)可較設(shè)計(jì)優(yōu)化前減少6%左右,后期運(yùn)行管理費(fèi)用較設(shè)計(jì)優(yōu)化前可減少8%左右,得到優(yōu)化設(shè)計(jì)的電站發(fā)電以來運(yùn)行良好,提高了電站的綜合效益。
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2017-01-17
賈玻(1984-),男,新疆米泉人,工程師,主要從事水電站設(shè)計(jì)方面工作。
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1004-1184(2017)03-0237-02