糯扎渡水电站大型机组顶盖供水设计研究及实践

姚建国，王秀花

（1.中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司，云南 昆明650051；2.昆明理工大学理学院，云南 昆明650500）

1 电站概况

糯扎渡水电站位于云南省普洱市思茅区和澜沧县交界处的澜沧江下游干流上，系澜沧江中下游河段规划八个梯级中的第五级，是一个以发电为主，并兼有防洪、改善下游航运、渔业、旅游和环保作用以及对下游电站起补偿作用的特大型水电工程。电站主厂房为地下式，厂内装设9台单机容量650 MW混流式水轮发电机组。电站以500 kV一级电压接入南方电网运行，在系统中担任调峰、调频和事故备用任务，是电力系统的主力电站。电站按无人值班（少人值守）设计。

电站主要特征参数为：正常蓄水位812 m，调节库容113.35×108m3，最大水头215 m，加权平均水头198.95 m，额定水头187 m，最小水头152 m，装机容量9×650 MW，保证出力2406 MW，年利用小时数4088 h，多年平均发电量239.12×108kW·h。

2 机组主要参数

水轮机主要技术参数见表1。

表1 水轮机主要技术参数

水轮发电机主要技术参数见表2。

表2 水轮发电机主要技术参数

机组冷却用水量及水压见下页表3。

3 顶盖取水在其他电站的应用情况

混流式水轮机在正常运转时，转动部分（转轮）和固定部分（顶盖）之间的间隙将产生漏水。如果不排除这部分漏水，会使水轮机的轴向水推力大大增加，增加推力轴承的负荷，一般在转轮上冠设排水孔或在顶盖上设排水管将漏水排至尾水管内，以降低水推力。把通过止漏环间隙已废弃的漏水加以利用，引出作为机组冷却用水，就称为顶盖取水。

表3 机组冷却用水量及水压

从70年代末开始，我院就开展了水轮机顶盖取水的研究和试验工作，并在西洱河、鲁布革、漫湾、天生桥一级等多个电站应用成功，受到了运行单位的欢迎。表4为这些电站的运行资料和实测数据。

表4 使用顶盖供水电站的运行及测试情况表

除云南省外，其他省部分电站也有采用顶盖取水并获得成功的经验。通过国内数十个电站大、中型混流式水轮发电机组顶盖取水的应用实践，尽管各自经验不尽相同，但一般都有以下共同特点：（1）水质好：混流式水轮机上止漏环间隙一般为1～3 mm，且水流通道曲折，水流通过迷宫的微小间隙，过滤效果较滤水器好，水质清洁，是一种相当理想的机组冷却水源；（2）节能环保：顶盖取水纯属废（漏）水利用，不额外消耗水能和电能，设备少，投资省，经济效益好；（3）运维方便：采用顶盖供水后供水泵等设备运行时间大幅缩短，减少了事故环节和检修维护工作量；（4）可靠性高：顶盖取水与机组运行同步，供水可靠，自动化水平高。

顶盖取水供机组冷却用水纯属废（漏）水利用，不消耗水能和电能，水质好，设备布置简单，是机组冷却供水很好很可靠的水源。所以我们在糯扎渡水电站设计中提出将顶盖取水作为机组冷却供水的一个独立水源，与水泵供水互为备用，这一方案有利于简化整个机组供水系统，减少维护检修工作量，减少运行费用，提高机组运行可靠性。

4 顶盖取水结构及可行性分析

4.1 顶盖取水结构要求

水轮机转轮旋转时，由于离心力等的作用，顶盖下腔外侧止漏环出口处压力要比顶盖下腔内侧主轴附近的压力高，为保证顶盖取水压力，顶盖取水口应设置在止漏环出口处。结合本电站顶盖取水要求，为避免取水过多，影响效率和顶盖取水压力，转轮上冠采用不开泄水孔的结构形式，将上迷宫环漏水全部由顶盖排水管引出，顶盖取水口设置在上止漏环后离旋转中心较远处，并设有密封取水腔。

止漏环间隙的大小不仅影响漏水量、效率、轴向水推力，而且对机组运行稳定性有较大影响。因此在结构设计上应综合考虑间隙值的大小对顶盖取水、效率、轴向水推力、机组稳定性的影响，合理的选择间隙值。经综合分析并结合制造厂家结构设计要求，1～6号水轮机止漏环间隙取3 mm，7～9号水轮机止漏环间隙取2.5 mm。

4.2 顶盖取水计算

顶盖内的水来自转轮前，因此转轮进口的水压力是顶盖取水的基础。以我国哈尔滨大电机研究所编写的《水轮机设计手册》一书中“止漏环装置设计”的基本公式为准，以哈电和上海福伊特提供的模型资料和机组参数为依据，分别对最大水头、额定水头和最小水头时水轮机顶盖取水的水量和水压进行计算。

经计算，1～6号水轮机顶盖取水流量变化范围为2738～3042 m3/h，水压变化范围为 35.4～67.93 m；7～9号水轮机顶盖取水流量变化范围为2268～2546 m3/h，水压变化范围为35.42～67.92 m。计算结果表明，采用顶盖取水可以满足机组冷却用水的水量和水压要求。

4.3 顶盖取水与机组效率

水轮机的功率损失包括容积损失、机械损失、水力损失。根据水轮机厂家提供的资料，经计算，1～6号水轮机最大水头、额定水头和最小水头时上止漏环容积损失分别为0.47%、0.42%、0.52%，7～9号水轮机最大水头、额定水头和最小水头时上止漏环容积损失分别为0.38%、0.35%、0.44%。传统设计的机组这部分漏水只能作为废水处理，顶盖取水正好利用了这部分间隙漏水，不仅不影响机组效率，而是间接地提高了水轮机的容积效率。

4.4 顶盖取水与轴向水推力

混流式水轮机的轴向水推力由上冠水压力引起的轴向水推力和由叶片、下环、转轮出口等的水压力引起的轴向水推力两部分组成，前者和顶盖是否取（排）水、取（排）水方式及取（排）水量有关。对于某一水轮机在一定工况下，上冠的轴向水推力随顶盖排水量的增加而减少已被模型试验和真机运行所证实。前苏联布拉茨克水电站研究报告中指出，上冠排水孔（或顶盖取水管）面积F1和上冠止漏环间隙面积F2之比m=F1/F2从4.296降到2.148时，上冠水压力引起的轴向水推力增加1.7568倍。东方厂在宝珠寺水电站顶盖取水模型试验中也发现m=1.766比m=0（顶盖不排水）时顶盖内压力降低25%～30%。

为使顶盖压力适当，排水量又不太多，合理选择顶盖取水口尺寸和数量尤为重要。经计算并结合布置要求，1～6号水轮机设置4根DN350顶盖排水管，7～9号水轮机设置6根DN300顶盖排水管，其总过流面积分别为止漏环间隙面积的6.6倍、7.5倍，满足水轮机结构设计要求。

5 顶盖取水及技术供水系统设计

5.1 顶盖供水方式

顶盖供水方式有间接供水和直接供水2种。间接供水是将机组顶盖取水的供水管路引到高位蓄水池，蓄水池再通过管路向机组各冷却器分别供水，这种供水方式的优点是取水与用水隔离分开，便于调节，提高了用水的稳定性；缺点是增加了管路长度和水力损失，对于糯扎渡这样的地下厂房，管路布置有一定难度，并且需增加一个大水池，地下厂房内难以找到合适的位置布置，投资比直接供水方式高。直接供水是将机组顶盖取水的供水管路直接与用水设备总供水管相连，其管路短，水力损失小，布置方便，且取水量与机组负荷的变化趋势一致，随其增加而增加，随其减小而减小，具有自动调节功能；缺点是取水压力不稳定，稳压较困难。经综合分析比较，糯扎渡水电站的顶盖供水采用直接供水方式。

5.2 稳压措施

顶盖取水压力除了随机组负荷的变化而变化外，还与下游尾水位的变化密切相关。糯扎渡水电站顶盖取水采用直接供水方式，如何保证用水设备有较为稳定的供水压力，也是顶盖取水必须要解决的问题。

顶盖取水稳压措施有2种方案可考虑：（1）设置稳压管，即在顶盖取水总供水管上接出一根稳压管，压力的变化靠稳压管自行调节；（2）设置自动阀，即在顶盖取水管上装设一个安全泄压阀，当顶盖取水压力过高时安全泄压阀自动打开排水，当压力降低到规定值时，阀门自动关闭，保证设备和管路的安全运行。

方案（1）的优点是简单可靠，但对于糯扎渡水电站这种垂直埋深200 m以上的地下厂房，稳压管布置非常困难。如果把稳压管直接引至洞外，管路太长；如果稳压管出口设在洞内，顶盖压力按0.5 MPa估算，稳压管口高程约为640 m，高于厂房顶拱高程，还必须设一个水池，并把稳压管溢出的水排至洞外。另外，糯扎渡水电站尾水调压室的最高与最低水位相差约23 m，水位变幅大，稳压管出口高程不易确定。

方案（2）的优点是管路短、布置简单，安全泄压阀的压力整定值可根据不同季节尾水位的高低进行调节，可保证用水设备较为稳定的用水压力。与方案（1）相比，设置安全泄压阀要增加设备投资，并要求所选的阀门具备调节范围大、性能好、控制精确及使用寿命长等特点。

经综合比较分析，糯扎渡水电站顶盖供水稳压措施采用安全泄压阀方案。在顶盖取水管上装设一个安全泄压阀，安全泄压阀出口管路引至尾水管。当顶盖取水压力超过规定值（约为0.5 MPa）时，安全泄压阀自动打开向尾水排水泄压，保证设备和管路的安全运行；当压力降低到规定值以下时，安全泄压阀自动关闭。

5.3 技术供水系统设计

糯扎渡水电站机组冷却供水对象包括空气冷却器、上导轴承、推力轴承、下导轴承和水导轴承，每台机组总用水量为 1740.8 m3/h（1～6号机组）/1499 m3/h（7～9号机组）。

根据糯扎渡水电站的水头范围和现行水电站机电设计规范，确定机组冷却供水采用单元供水方式，设有水泵供水和顶盖取水2种方式。水泵供水设有两路（互为主备用），水源均取自尾水管，两路取水分别经供水泵、自动滤水器加压过滤后向机组供水。水泵供水和顶盖取水作为两个独立的水源接到机组供水总管上，2种供水方式互为主备用。顶盖供、排水的转换通过电动三通阀切换实现，使用顶盖供水时，电动三通阀切换到供水位，将止漏环漏水引至技术供水总管作为冷却用水；使用水泵供水时，电动三通阀切换到排水位，将止漏环漏水排至下游尾水。

糯扎渡水电站机组技术供水系统设计见图1。

5.4 监视和控制

自动化元件及监视、发讯等仪表是实现电站自动化的基本元件。为提高糯扎渡水电站顶盖供水系统的可靠性，采取监视控制手段是必须的也是必要的。除设置上冠压力监测，顶盖取水管压力及流量监测，空气冷却器、推力轴承、上下导轴承、水导轴承冷却器供水压力、温度、流量监测等监测项目外，还设置了顶盖取水管压力过低、过高发信号，空气冷却器、推力轴承、上下导轴承、水导轴承温度过高发信号等报警装置。这些装置的应用，将使顶盖供水系统在实际运行中得到有效的监视和控制。

6 顶盖供水试验及应用情况

2012年8月糯扎渡水电站第1台机组投入商业运行，2014年6月最后1台机组投入商业运行。自2015年开始，电厂组织进行了机组顶盖取水试验，试验结果表明，顶盖取水水量、水压和机组运行各项技术指标均达到机组运行要求。目前，电站9台机组的顶盖取水均已投入使用。

表5为糯扎渡水电站2号机组顶盖供水试验数据，试验水头为165 m，机组最高负荷为550 MW。

表5 2号机组顶盖供水试验数据表

7 结束语

糯扎渡水电站每台机组设2台配套电机功率为355 kW的冷却供水泵，按照电站年利用小时数4088 h计算，9台机组1年要耗费电能约1340万kW·h。采用顶盖取水作为机组冷却供水方式，每年可节约电能约1340万kW·h，按上网电价0.21元/kW·h计算，每年可节约运行费用约270万元。另外技术供水泵的日常维护与检修工作量大为减少，节约人力资源和社会成本，具有明显的经济效益和社会效益。

顶盖取水供机组冷却用水纯属废（漏）水利用，水质好，不消耗水能和电能，是一种节能环保的技术供水方式。糯扎渡水电站650 MW机组采用顶盖取水并成功应用，填补了顶盖取水在特大型机组应用的技术空白，对其他类似工程建设提供了有价值的借鉴作用。