荒沟抽水蓄能电站技术供水系统的设计

任哲明，李永恒

（中水东北勘测设计研究有限责任公司，吉林 长春 130021）

1 概述

荒沟抽水蓄能电站位于黑龙江省海林市境内。电站距牡丹江市130 km，距莲花坝址43 km。电站由上水库、输水系统、地下厂房、下水库、地面开关站及副厂房系统组成。上、下水库水平距离约2 500 m。输水系统：引水系统长约1 700 m，采用2 洞4 机的布置方式，共在上平段设有2 个上游调压井；尾水系统长约1 300 m，也采用2 洞4 机的布置方式，共设有2个尾水调压井。电站装有4 台单机容量为300 MW 的水泵水轮发电机组，电站总装机容量为1 200 MW。机组水轮机工况水头范围为：444.75～404.38 m，水泵工况水头范围为：455.55～419.44 m，年发电1 530 h，年抽水2 008 h，建成后承担黑龙江省及东北电网的调峰、填谷、调频和事故备用任务。

2 技术供水方式选择

荒沟抽水蓄能电站的下库为莲花水库，常年水质较好，含沙量低，因此不考虑热交换器密闭循环二次冷却的方式。根据水头及本工程实际情况，可以采用的供水方式有：尾水自流减压取水，尾水取水闭式循环水泵供水。

方案一：从机组尾水管取水，自流减压供水方案。即：利用尾水水压自流减压供水，技术供水排水至集水井，然后用水泵将集水井内的水排至尾水事故闸门后（下水库侧）的尾水洞内。

方案二：从机组尾水管取水，水泵增压供水方案。即：从尾水管取水，经水泵增压后，向用户供水。冷却水的排水经排水总管排至尾水事故闸门前（机组侧）的尾水洞内。

方案一须在厂内设置足够容量的集水井，加大厂房结构开挖，且机组运行时，若集水井内排水泵出现故障，可能引起水淹厂房事故，同时增加了厂用电耗电量，其经济性及安全性均较差，故不采用。而方案二为闭式供水系统，具有安全可靠的优点。

综上所述，确定机组技术供水方式采用方案二。即机组技术供水系统机组技术供水采用水泵单元供水方式。为防止调相压水空气进入技术供水管路，在每台机组尾水闸门前（主厂房侧）设一取水口取水，由水泵加压，经滤水器过滤后供至各供水用户，最终排水至相应机组尾水管肘管段。每条输水隧洞内的两台机组之间预留性能试验排水管，取水口和排水口的间距76 m 左右，以防止形成热短路。由1 号、4 号机组尾水事故闸门后（下游水库侧）的尾水洞内取水联络成全厂公用供水总管，每台机组的技术供水备用水源和全厂公用供水用户均取自该总管。全厂每台机组设2 台技术供水泵，1 台工作，1 台备用。每台机组配2 台自动滤水器，1 台工作，1 台备用。主轴工作密封供水主水源取自机组单元技术供水总管，经水泵加压并经过滤器过滤后供至主轴工作密封；备用水源取自进水阀上游压力钢管，采用减压供水；设置4 台水泵、8 台自动滤水器（4 台工作，4 台备用）、4 台主轴密封滤水器、4 只减压阀。全厂公用供水系统由全厂公用供水总管取水，经滤水器过滤后供至各用户，设置2 台自动滤水器，1 台工作，1 台备用。主变空载供水采用水泵单元供水方式，每台主变设置2 台空载供水泵，1 台工作，1 台备用；全厂的4 台主变的空载技术供水排水管设1联络总管贯穿全厂，当1 台机组检修时排水至其他机组的尾水管内。技术供水滤水器安装在水泵出水侧，排污至尾水管内，全厂公用滤水器排污至渗漏井内，主轴密封用滤水器排污至渗漏井内。空压机的冷却用水取自全厂公用供水总管，自流排水至渗漏井内。

3 系统设计

荒沟技术供水系统分为机组技术供水系统和全厂公用供水系统。机组技术供水用户包括：发电电动机空气冷却器、上导轴承、下导轴承、水导轴承、主轴密封、上下止漏环和主变满载。全厂公用供水用户包括：机组的备用取水、主变空载、中压空压机冷却水、引水隧洞充水、机电设备消防、建筑消防、建筑空调冷却供水、生活供水等。根据厂家的要求，球阀、调速器的回油箱和SFC 没有供应冷却水。各用户的用水量见表1。

表1 技术供水用户参数表

荒沟的技术供水间接取自下水库，下水库的水温在不同的季节平均水温会有差异，在水温低的时候较低的流量即可满足冷却要求，在水温高的时候需要较高的流量满足冷却要求，同时机组的运行对泵的流量要求能在一定范围内变化，在不同季节需要调节手动流量调节阀，尽量保证管路处在满流状态，以保证管路上自动化元件的正常测量，技术供水流量总的来说较大。双吸泵相当于两个相同直径的单吸叶轮同时工作，在同样的叶轮外径下流量可增大一倍，恰好满足上述要求。

水泵扬程选择方面，供、排水均连接尾水，只需克服闭式技术供水管路水力循环所需克服的水力损失，理论上发电机空冷支路距离供排水管的进出水口最远端的两台空气冷却器为整个系统所需扬程最大的用户，即水泵扬程的控制点，因此选择水泵主要看水泵的扬程以及流量对应的曲线是否符合要求。综上所述所需泵的扬程相对不高，扬程根据流量的变化而变化，因此技术供水泵应选择性能曲线较平滑的泵型，可以适应不同流量、扬程的工况。各水泵的具体参数见表2。

表2 技术供水泵参数表

水泵选择卧式水平中开布置，具有利于泵和进出水管的布置与安装、噪音低等优点，缺点是需要较大布置空间，但本工程水泵布置在蜗壳层上游侧，上游侧还布置进水主阀，主阀的体积较大，所以水泵的尺寸不会成为厂房的控制尺寸。为了防止技术供水水泵停机时反转，在水泵出水管上装设止回阀。

考虑到主变在机组处于停机、检修状态等长时间连续处于空载状态，需要长时间连续供应冷却水，设计单独配置立式离心泵为其供水。立式离心泵占地面积小，刚好满足主变冷却水流量不大，水泵布置在机组蜗壳层的左侧或者右侧廊道内空间相对有限的要求。

技术供水必须保持一定的压力，压力过低时不能维持要求的流量，压力过高时可能使用水设备损坏，甚至击穿用水设备，导致水淹厂房。荒沟抽水蓄能电站淹没深度较大，机组的吸出高度为-65 m，供水设备所承受的尾水的静水压力比较大。机组技术供水系统工作压力为1.0～1.2 MPa；全厂公用供水系统工作压力为0.65～1.4 MPa。根据工程调保计算结果，尾水进口处最大压力在1.6 MPa 左右。故要求管路、阀门耐压等级有一定安全裕量，因此技术供水系统（包括与之连接的检修气系统）除特殊位置外，大部分采用2.5 MPa 等级的冷却器、管路、阀门、管件及自动化元件。

由于主轴密封供水所需压力、水质要求均高于机组技术供水，机组技术供水不能满足其需求，故主轴密封供水单独设置。主轴密封供水主水源采用增设加压泵供水，加压泵取水取自机组技术供水干管，经过机组技术供水滤水器过滤后再经过精密滤水器过滤，来满足压力、水质、流量等要求。备用水源采用压力钢管自流减压供水作为备用水源的方式，取自进水阀前压力钢管段，经过两台精度不同的滤水器后供机组主轴密封使用，主轴密封供水泄压部分取自减压阀后，连接到尾水管肘管段。

止漏环供水支路直接取自技术供水，本支路技术供水直接供给到转轮的上下止漏环和顶盖底环上的固定止漏环间，与转轮上冠下环相连接，此处的压力较高，因此支路的末端至止回阀（包含止回阀）前，采用4 MPa 等级的压力管路。荒沟的水质相对较好主机厂并未提出加装滤水器。本支路需要参与机组的自动化控制中，因此加装了电动阀门，电动阀门应选择力矩较大的阀门，这样可以保证阀门的快速启闭，快速响应机组的启动和停机。

在管路的管径选择方面，管径的选择与流速、流量相关，由式(1)可知在流量要求一定的情况下管径只与流速有关。由式（2）、式（3）、式（4）可知，管路的沿程水损和局部水损均与流速的平方成正比关系。每提高约40%的流速，扬程需要提高1 倍，水泵等设备的投资和厂用电的消耗均成倍增加。因此尽量把流速控制在1 m/s 左右。管路采用外径系列1 的通用管径，对应配套系列1 的管件。

全厂技术供水总管上布置有温度变送器、温度计、压力表和压力变送器，排水总管上布置有电磁流量计，各个轴承支路供水侧均布置有压力表，排水侧均布置有电磁流量计，压力表和温度计。水导轴承、主轴密封、止漏环供水支路单独布置有示流信号器。各个滤水器前后均布置有差压变送器。每个供水支路均设有节流孔板或流量调节阀来保证每个支路的流量都能满足设计要求。各支路既可以在现地监测，也可以在线监测温度、压力、流量等参数，及时监测设备的异常状态并采取一定措施。每台水泵的进、出水口均布置了压力表，在出水侧还布置了压力信号器，用来检测管路的压力，出现异常情况下及时停泵。滤水器的排污管路、中压空压机冷却水供水支路、主轴密封备用供水支路、上下止漏环供水支路、主变的（空载、满载）支路均设有电动阀门，随机组、用水设备的工况转换而自动控制相应支路的开闭。

4 结语

本文主要从荒沟抽水蓄能电站技术供水系统的设计、设备选择、设备布置等3 个方面浅析荒沟抽水蓄能电站的技术供水系统的设计方案。荒沟抽水蓄能电站技术供水系统按照无人值班少人值守的原则配置，保证机组正常启动、停机和工况转换（包括抽水、发电和调相等）下机组的技术供水，使技术供水除自动操作外，也可手动操作；并保证技术供水在系统中处于备用状态时，可随时启动投入，保障机组安全稳定的运行。