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水电站机组技术供水系统的几种方式比较
——宋挚中
水电站的技术供水系统由水轮发电机组轴承、发电机的冷却水系统组成，该系统直接影响到机组运行的安全性及电站运行的经济型；技术供水系统要根据水电站的基本技术参数及设备要求的技术供水参数进行详细设计和论证，使设计方案要符合规范要求，使系统满足机组在各种工况下的正常安全运行。
技术供水系统对象为发电机上导轴承油冷却器、发电机空气冷却器、推力轴承油冷却器、水轮机导轴承油冷却器。水电站机组技术供水中的冷却水对电站机组的安全运行有着至关重要的作用，冷却水运行不正常，会造成机组温度升高，报警、甚至停机事故。
松潘县的燕云电站（H=120M，N=2×8MW镇江关电站（H=102M，N=2×14MW）；红土电站（H=188.5M，N=2×16MW）属于中高水头电站。根据《水力发电厂机电设计规范DL/T5186-2004》的规定：
1、最小水头小于15m时，宜采用水泵供水方式。
2、净水头范围为15m-70m时，宜采用自流供水方式。
3、净水头范围为70m-120m时，宜采用自流减压或其他供水方式。
4、净水头大于120m，选用供水方式时，应进行技术经济比较。
5、当水电厂水头变化范围较大，采用单一供水方式不能满足需要或不经济时，可采用混合供水方式。
6、在布置条件允许且经济合理时，可选用中间水池供水方式。
根据规定，燕云，镇江关电站都宜选用自流减压技术供水方式。红土电站的水头较高，可以考虑水泵供水，闭式循环供水，或是中间水池自流供水。下面可以就这几种技术供水方式做一个比较：
1、水泵供水：水泵是动力机转换为机械能，传给并排出水体的机械。对于电站来说，水泵是大量消耗厂用电的主要设备之一，而动力机的运行效率是不断下降的，势必需要不断投入大量的维护成本和工作人员的高强度劳动。
位于贵州的天生桥二级电站（H=220m，N=220WM×6）原技术供水系统设计为水泵加压供水与自流减压供水两套系统互为备用。电站投运一段时间后发现，水泵随机组开停机而不断启闭，经过一段时间运行后，一则容积损失加大，易进入空气，引起水泵运行故障；二则水泵叶轮经气蚀后效率不断下降，加上用电，运行维护成本高，水泵也容易损坏。电站方出于运行的稳定性和经济型考虑，放弃水泵加压供水，而启用原本作为备用技术供水的自流减压系统。
启用自流减压技术供水系统后，自1996年至今未发生一起因为该系统引发的安全事故，十余年来也未对减压阀进行更换，极大地减轻了运行费用和工作人员的工作强度，类似情况也发生在四川紫坪铺电站等多个电站。可见水泵的作为机械，效率随运行时间的增加而低下的情况是一种普遍的客观存在。

2、闭式循环取水：闭式循环系统同样是采用水泵加压，不过采取的方式为自取水口取水后，由供水泵打至沉淀池，经沉淀池沉淀以后再分配给各台机组的供水方式。

该套系统由尾水冷却器、循环水池及泵房、循环水泵及电器控制柜、供水总管、回水总管5部分组成。工作原理是在清水期将循环水池充满清水，在浑水期利用循环水泵将池内清水打入冷却器，经过冷却后进入机组供水母管，分配至各台机组冷却系统使用，各台机组冷却后的回水汇入回水母管，返回循环水池，从而形成闭式循环技术供水。
该方式最大的优势在于因为没有从河面取水，而保证了进入机组的水源的清洁，不会因为水中杂质造成水泵及机组的损坏。最大的弊端在于投入成本高昂，而且对原本紧凑的水电站厂房有更高的空间要求，需要根据机组用水量修建沉淀池，泵房，增加大量管道（参见对比图1 闭式循环技术供水系统与图2自流减压技术供水系统），还需要布置远程控制系统。而因为其冷却水来源仍为水泵，水泵运行效率的不断下降与厂用电的大量消耗仍无法避免。

3、自流减压供水：自流减压供水指的是当水电站水头超过用水的规定水压值时，在技术供水系统中装设减压装置削减多余水头的自流供水方式。根据《水力发电厂机电设计规范DL/T5186-2004》的规定，当水力发电站进口水头在70-120米的范围内，宜采用自流减压供水及其他供水方式。当进口水头大于120米时，应对技术供水方式进行经济比较。当进口水头压差较大时可以采取混合技术供水方式供水。
自流减压对于中高水头的水电站来说是最为经济的技术供水方式。其系统由滤水器与减压阀，安全泄压阀组成，原理是从压力钢管或者蜗壳上直接取水，通过滤水器过滤后进入减压阀，或者经过减压后进入滤水器进行过滤，经过过滤的冷却水以规定的压力和流量进入机组，对机组进行冷却。
这种方式对于减压阀的选择尤为重要，稳定可靠的减压阀可以以极低的维护成本和劳动强度在相当长的时间内（8-12年）为机组提供稳定可靠的冷却水。尽管目前有专家指出在中高水头水电站上，上游库区的水用来冷却而不是发电不符合经济运行的标准。但是从另外一个方面看，即使是对于装机16MW的机组，用水量也不过是300m³/h至400m³/h，这种程度的用水量与水泵消耗的厂用电相比较应该不算浪费，何况优秀的减压阀产品的维护量与故障率及更换周期更是水泵无法企及的。
至少可以这样认为，机组的技术供水系统用水量用来发电更经济还是用来冷却更经济是一个很难下定义的比较方式，但是自流减压供水方式比较水泵加压供水方式的低运行成本和维护费用及故障率低是毋庸置疑的。
在机组技术供水系统上选择合适的减压阀是非常重要的，技术供水系统上如果没有根据电站实际运行条件和所选择的减压设备实际运行的工作环境来进行选择，则有可能造成重大的安全事故。
紫坪铺水电站位于四川省都江堰市,电站设计装机规模为760MW,安装4台单机容量190MW（现为210MW）水轮发电机组，水头变幅为68.4m~132.76m。
紫坪铺电厂四台机组技术供水系统减压阀选用的是以色列膜片式减压阀，阀门公称直径为DN350。3#、4#机组减压阀于2005年10月份投入运行，2#机组减压阀于2006年3月份投入运行，1#机组减压阀于2006年5月底投入运行。
2006年10月5日，发现3#机组技术供水减压阀动作异常，全开后无法关闭。联系厂家人员于2006年11月份对3#机组技术供水减压阀进行了拆卸检修，发现减压阀阀杆断裂、中心导向爪损坏、阀座脱落，经更换损坏部件回装后工作正常。2007年11月6日，发现4#机组技术供水减压阀无法正常工作。经检查，发现减压阀阀杆已断裂、橡胶隔膜已损坏、导向爪已损坏、阀座已脱落。将检修泵技术改造更换下来的水力控制阀部件拆下，对减压阀损坏部件进行更换后，减压阀工作正常。2007年11月14日，发现2#机组减压阀强烈振动、工作异常，经检查，发现2#机组技术供水减压阀出现类似3#、4#机组损坏情况。
在机组投运后不到两年时间，先后有3台机组减压阀出现基本情况相同的损坏。减压阀损坏后，造成技术供水管路水压失控，水压异常升高，对空冷器，上导、推力、水导油槽冷却器构成极大危害，造成冷却器铜管爆裂。断裂的导向爪和螺栓被冲入机组技术供水管路中，至今无法寻找，在技术供水管路中产生磨损和碰撞，引起管路内噪音和破裂喷水的严重后患。
更换新的备件投运时间不久又损坏，这样将导致技术供水管路内的损坏件堆积，引起管路堵塞，机组各部冷却水压降低或消失，引起机组轴承温度升高，最后造成机组被迫停机的事故发生。国外这种膜片差压式减压阀工况在中高水头工况下运行的极不稳定性，导致了电厂停机经常发生的后果。
2008年4月26日晚8时，第一台ZJY46H-16C DN350减压阀在紫坪铺电站的3#机组技术供水系统投入试运行。即时工况为：P1为1.00 MPa；P2为0.35MPa。机组后各用水点压力表指示平稳，减压阀只听到水流声，无异常噪音。运行一小时后，我们和厂家对减压阀进行了相关测试，结果如下：
1、反馈系统切换：切换时P2无压力波动;
2、调节反馈系统控制阀，P2调节范围在0.25~0.55MPa，调节反应灵敏；
3、关闭减压阀后的阀门，P2升高至0.40MPa停止打开减压阀后的阀门，P2回复至0.35MPa；
4、流量与减压阀过流面积：电磁流量计显示为1100m3/h，此时主阀过流面积为17357mm2（最大过流面积53092mm2），只占最大过流面积的32%，还有充分的过流量。计算出过流孔流速为17.6m/s。与我们的分析数据相关不大。
至2008年10月止，紫坪铺电站全部机组的技术供水系统全部改造完毕。”
节选自《紫坪铺电厂机组自流减压技术供水系统减压阀的改造》 作者：紫坪铺水力发电厂 李兴全 虎勇
4、中间水池：根据《水力发电厂机电设计规范DL/T5186-2004》的规定，在布置条件允许且经济合理时，可选用中间水池方式。
中间水池的方式对于水电站的周边环境要求比较苛刻，中间水池来源有多种，山溪水或压力水，由中间水池通过钢管对机组进行自流供水。
中间水池要求地基比较均匀，其对地基的不匀称沉陷比较敏感。若在湿陷性地基上或不均匀地基上建造大容量水池时，须对地基按有关规范进行处理并对基础结构进行修正，以便提高地基的均匀性和水池抗不均匀变形的能力，以免使池体产生裂缝，池内的水通过裂缝渗透到地基土中。浸水的地基在外负荷及自重作用下产生附加湿陷变形，加剧了地基不均匀沉降，同时也加快了水池的破坏。
在2008年5月12日的地震中，位于震中不远的紫坪铺电站因为地震造成大坝沉降15cm，厂房及办公生活区的建筑都大面积出现墙体开裂的情况下，系统管道仍然保持完好，管道上的各个阀门和设备都没有出现问题。
不难看出，中间水池对环境要求比较高，尤其在川西北地质运动比较频繁，山体结构比较脆弱的地区，修建中间水池不宜作为技术供水的首选方式。
ZJY46H型减压阀在宝珠寺（H=104，N=175MW×4），二滩（坝前取水，H=189，N=6×550MW），天生桥一级（H=143，N=300MW×4），天生桥二级（H=220，N=220MW×6）等中大型电站的使用寿命均已超过10年，一直稳定可靠。而其减压阀本身具备有防止水中杂质引发的堵塞的反冲排污装置，和防止减压阀因为意外损坏时高压水进入机组的内锁定系统，具有极高的性价比。
所以松潘县的燕云电站（H=120M，N=2×8MW）；镇江关电站（H=102M，N=2×14MW）；红土电站（H=188.5M，N=2×16MW）在选择优秀的减压装置前提下，是适合采用最为经济的自流减压供水方式的。