山西西龙池电站 山西忻州 035503
摘要：山西西龙池电站下库渗漏水量较大且含有大量的白色析出物，渗漏水的 pH 值、Ca2+、Mg2+离子含量较高，因此，渗漏水回收后可能对库区水产生影响。本文通过监测对相关水质对回收水系统设备以及电站发电机组、管道所造成的影响进行了分析，结果表明，渗漏水具有较高的结垢倾向，尤其是与机房冷却水混合后结垢倾向加强。库盆水经多年运行后，pH 有所升高，虽然目前尚无明显析出沉淀的现象，但也已经具有了结垢的倾向。库盆水无对金属设备腐蚀的问题。
1. 前言
山西西龙池抽水蓄能电站位于山西省忻州市五台县境内。电站装机容量为1200MW（4×300MW），年发电量为 18.05 亿 kW?h。西龙池抽水蓄能电站由上水库、输水系统、地下厂房系统、下水库、地面开关站等建筑物组成，下水库位于滹沱河左岸龙池沟沟脑部位，库址处靠山侧地势陡峻。下水库采用开挖、拦沟成库，由一座主坝、一座副坝及岩坡库岸围库而成。下水库正常蓄水位 838m，死水位 798m，工作水深 40m，下水库总库容 502.99×104m3，调节库容 432.2×104m3。
下水库防渗采用混合衬砌方案，库岸岩坡为混凝土面板衬护，主坝及库底为沥青混凝土面板衬护，总衬砌面积 17.93×104m2 ，其中沥青混凝土衬砌面积11.08×104m2，钢筋混凝土衬砌面积 6.85×104m2，库岸混凝土面板分岸坡混凝土面板和进/水口顶部水平防渗面板[1]。
下水库库盆排水检查系统由坝坡排水系统、库底排水系统和库岸岩坡排水系统、库岸山体内排水四部分组成。设有库周与防渗接头处的排水检查廊道、主坝坝体排水系统、主坝下的排水检查廊道。库底排水垫层料下部采用的复合PVC/REP 排水管集水，引入相邻排水廊道。经以上几部分排水系统收集的渗水，绝大部分汇入库底的集水井内，由回收水泵经管道再次打入下库库盆内[2]。
西龙池电站下水库自 2008 年开始蓄水后便发现存在渗漏量较大的问题[3]，同时在渗漏廊道内发现有大量的白色析出物，这些析出物大都以松软的形态悬浮于渗漏水中，其中大部分在流动过程中沉积下来，少部分流入泵房并随水流一同打入下库库盆中，由于水中含有悬浮沉积物以及溶解性物质的析出，在流入下库的出水口附近，已经形成了厚厚的硬质沉淀物。
因此，我们有必要对电站运行以后整个库区的水质及其变化情况进行监测分析，掌握水质变化规律，并就库盆水对机电设备的影响进行分析，以便保证电站能够长期安全稳定运行。
2. 水源井附近水文地质条件及水源井水质监测
工程区处于中温、暖温带，区内大面积出露寒武、奥陶系碳酸盐岩类地层，周围为古老的变质岩系，白家庄一带上覆石炭、二迭系砂页岩及煤系地层，山间谷地、河流两岸分布第四系堆积物。
地下岩溶作用由于参与作用的地下径流总量为降水量所控制，岩溶发育程度亦较弱，但地下径流大的地段仍较为强烈，且以溶隙为主，发育许多岩溶泉群。本区地下水作用较为强烈，沿断裂及层间错动带形成深层承压集中岩溶水流，几乎均以泉群的型式向滹沱河及其支流清水河排泄，主要有水泉湾、段家庄、坪上、李家庄等泉群。其补给源为清水河上游，面积广、渗径长，并且具有承压性。根据地层岩性的分布规律，工程区含水层可分为三种类型：第四系孔隙含水层，基岩裂隙含水层，岩溶裂隙含水层，均接受大气降水和河水补给，最终排入滹沱河。库区补充水取水水源为水泉湾泉组段家庄泉水。
3. 库区水量平衡及水质变化分析
西龙池电站库区补充水来自于水源井的井水，井水经水泵直接打入地下厂房发电机组的冷却设备，做为冷却水对机组进行冷却，然后排入下库渗漏水回收泵房，经与下库库盆渗漏水混合后通过渗漏水回收水泵，一同打入下库库盆中，补充水及渗漏回收水流程如图 1 所示。
西龙池电站总库容 468.97 万 m3，而根据监测数据，由于渗漏、蒸发及风吹等损失，平均每天需向库区补水约 112.5m3/h，其中，冬季温度最低和夏季最高的时候补水量最大。同时，对下库库底廊道较大的渗漏水进行回收，经多年观测，目前平均总渗漏回收水量为 36m3/h。因此，整个库区水质处于一种动态的变化过程，为了了解库盆水、渗漏水以及机组冷却水、水源井、渗漏水与冷却水混合后排入下库盆出口处的水质状况，对各部分水质进行了分析，为了便于比较，我们也同时监测了 2#中之洞中渗漏水的水质，该水质做为水对天然山体侵蚀后的渗漏对比。
图1 西龙池电站补水及渗漏回收水流程示意图
表1下库库盆水与水源井水水质对比分析
表 1水源井与下库库盆水质检测结果对比表
图2 水源井与下库库盆水质检测结果对比
由表 1 和图 2 可见，下库库盆各项水质之指标数值上，除了 K+、Na+、NO3-离子等易溶盐离子和 pH 值外，其它离子整体呈现出略低于水源井的特征，总硬度由 244.99mg/L 下降到 210.37mg/L，HCO3-也由 228.00mg/L 下降到 183.00mg/L，而 pH 值则由 7.60 上升到 8.43，这一特征表明，库区水经过多次循环后，由于pH 值的升高，导致成垢离子达到近饱和而形成亚稳定状态，水中各项成垢离子以某种型式析出，其中也包括渗漏过程析出，但由于库区水的 pH 值在 8 左右，成垢的趋势不并不十分显著，但应引起足够的重视，密切监视库区的水质，避免形成过饱和以及达到不稳定状态，以至于对机组设备产生结垢的风险；从库区水各项指标低于水源井的各项水质指标我们能够得出水进入库区后，发生了一定的变化，最终造成库区水的各项指标变小，但这并不能够说明库区水对混凝土大坝防渗面板以及防渗设施没有产生影响，相反库区水的各项指标。尤其是 Ca2+离子和 HCO3-、pH 值的变化正是说明了库区水对混凝土防渗面板产生了影响，进而由于 pH 值的升高，造成水中成垢离子（如 Ca2+离子）析出，而使库区水水质指标降低。
3.2 库盆及相关水质情况分析
为了对比各种特征水的水质情况，对照图 1 的各种特征水，我们分别对进行了取样分析，其结果如表 2 所示。
表 2 各采样点水质情况表
由表 2 可见，下库盆与 2#中支洞水的 pH 值相近，pH 值均超过 8，属于弱碱性水质，而水源地水井水 pH 值仅为 7.85，这表明水体经过库内循环或者山体的过滤后，一些碱性成分得以溶解，也就是水体对天然的大理石、石灰石以及库区的混凝土面板的侵蚀作用的结果，但总体来说 pH 在正常的范围内，然而，下库盆水经过经混凝土面板及无砂混凝土垫层渗漏后，经渗漏廊道回收的水，其pH 值则有大幅度的提高，我们收集到的趾板廊道、进口段趾板廊道以及排水廊道洞口排水均测定出 pH 值在 10 以上，且在出口附近达到最大值 10.9 左右，如此高的 pH 值表明水中出现了一定数量的 CO32-离子和 OH-离子。
3.下库库底廊道渗漏水对回收水系统的影响
由于西龙池电站下库渗漏严重，因此，渗漏水能够稳定回收就具有重要的意义。为了探讨下库库底廊道渗漏水对回收水系统的影响，对比了 pH 值和 Ca2+、Mg2+离子和 HCO3-的变化情况，如表 2 所示，由于渗漏水对混凝土面板及无砂混凝土垫层的侵蚀作用，致使渗漏水 pH 较高，达到了 10.90，然而入泵房之前该水与机房冷却排水混合，混合后 pH 降低到 9.17。pH 虽然有所降低，但由于机房冷却排水的 HCO3-较高，致使混合后具有了较高的结垢倾向，根据 Langelier指数 LSI[4]指数法，即：
图3 因结垢而拆开检修的叶轮
4电站运行后，库区水对机组等机电设备的影响分析
水对机组机电设备的可能影响主要表现在：腐蚀、结垢、有机附着物沉积、泥沙沉积和微生物滋生等方面，由于西龙池电站属于抽水蓄能电站，整个库区水质较好，不存在微生物滋生和泥沙等沉积问题，，区水对机电设备可能产生的影响主要是腐蚀、结垢的问题。
4.1 库区水质对发电机组等机电设备腐蚀性分析
在水质方面，由于金属腐蚀的发生是阴极去极化作用的结果，在山西西龙池抽水蓄能水电站运行过程中，整个库区水中主要的阴极去极化剂有 H+、Fe3+、温度、碱度、溶解氧、溶解性有机物和微生物等，只有上述离子或者物质才与腐蚀相关。
其中，温度处在常温条件下，Fe3+、溶解性有机物含量较低，对金属腐蚀的影响很小，剩下就是 H+和溶解氧和微生物，如前所述，由于下库盆水的 pH 值在8.0 以上，因此，氢离子的去极化腐蚀得到了明显的抑制，但溶解氧在整个抽水蓄能电站运行过程中，随着温度的变化，会有一定的波动，通常夏季，由于温度的升高，随着饱和溶解氧量降低，库盆水中溶解氧含量会有所降低；而在冬季，由于温度的降低，饱和溶解氧含量升高，库盆水中溶解氧含量会有所升高，可能会造成一定的腐蚀。
而微生物的滋生，特别是在管道内壁一旦出现金属腐蚀产物以后，会促进微生物的生长，由此可能会加剧管道等机电设备的腐蚀速度，因此，建议定期对输水系统的管道、机组及其他设备检查，发现腐蚀产物应该及时清理、去除，以便保证金属设备免遭腐蚀。
4.2 库区水质在发电机组等机电设备上结垢倾向分析
如前所述，判定水质是否具有结垢倾向主要影响因素为：pH 值、HCO3-、CO32-、Ca2+、Mg2+等，而根据 Langelier 指数 LSI 指数法判定的结果入表 3 所示。由表 3 可见，
表 2 下库库盆水质结垢倾向
下库库盆水结垢倾向较弱，并不具有像渗漏回收水那样的结垢能力，但当水温较高时，例如夏季，水温达到 30℃时，下库库盆水也存在一定的结垢倾向，而且 LSI 指数只是判定结垢倾向，系统是否结垢还与很多因素有关，我们注意到库盆水的相关指标低于了补水井的水质指标，说明水中与结垢相关的离子存在析出的现象，应该引起重视，在以后的运行中，加强监测，同时做好水质分析和设备检查工作；同时，我们也应该注意到，水质结垢与水质对金属设备的腐蚀是相反的，不存在结垢倾向的水往往具有对金属产生腐蚀的倾向。
5. 结论
通过对西龙池抽水蓄能电站的水质稳定分析得出以下结论：
（1）下库库盆水由于对混凝土面板及无砂混凝土垫层的侵蚀作用，pH 值及Ca2+离子较高，具有较强的结构倾向；
（2）由于机组空调冷却水中 HCO3-含量较高，其与渗漏水混合后，结垢倾向进一步加强，在回收水泵及回收水管路中出现严重的结垢问题；
（3）库区水 pH 值呈弱碱性，在温度较高时，存在一定的结垢风险，应该密切监视；
（4）从腐蚀的角度看，库区水对发电机组及其它发电设施无明显的腐蚀问题。
参考文献
[1]西龙池水工建筑物安全监测 2015 年监测年报. 北京勘测设计研究院有限公司.2015.
[2]竣工安全鉴定设计自检报告(水工设计篇).北京勘测设计研究院.2012.
[3]下水库竣工安全鉴定施工自检报告.中国安能建设总公司.2016.
[4]李培元.火力发电厂水处理及水质控制.中国电力出版社.2008.
[5]西龙池电站水环评报告. 山西省水资源研究所.2014.3.
[6]夏思远等.罗浮水库大坝混凝土老化及析出物分析.大坝与安全.2001.
论文作者:张建伟
论文发表刊物:《电力设备管理》2017年第7期
论文发表时间:2017/9/6
标签：水质论文; 库区论文; 渗漏水论文; 电站论文; 廊道论文; 混凝土论文; 离子论文; 《电力设备管理》2017年第7期论文;