摘要：小浪底水电站具有机组大容量、高水头运行、泥沙含量多等特点。目前采用的技术供水方式有蜗壳供水、清水供水两种，本文以这两种供水方式为基础，根据实际运行条件，从经济性计算、可靠性分析、综合效益比较等方面研究不同方式下的技术供水效率，得出目前小浪底电站技术供水方式的最优解。
关键词：技术供水；蜗壳；清水；效率；冷却效果
1 前言
技术供水是对水轮机、发电机、变压器及一些附属设备进行供水冷却、润滑的统称，是保证机组正常运行的必要条件之一。若技术供水系统出现异常，如流量降低，压力降低，管道堵塞等造成冷却效果下降，则会导致机组温度不断升高报警，最终水机保护动作跳机。
一般水电站采用的技术供水方式有自流减压供水、顶盖内取水、地下水源取水、供水池取水、尾水水泵取水、循环冷却供水等方式。水电站技术供水方案应根据自身设计条件进行选择，如水温、水压、水质、水源位置、取水成本等。技术供水方式可选择多种方案，在机组不同运行条件下根据需求进行切换。
小浪底电站机组具有大容量、高水头、多泥沙的特点，本文结合上述条件，对目前正在使用的两种技术供水方式进行全方面比较分析。
2 小浪底技术供水概况
小浪底电站机组运行最大水头为 141 m、 额定水头为 112 m、最低运行水头为67m，属于高水头电站范畴；正常蓄水位高程为250m、最低蓄水位高程为212m、最高蓄水位高程为275m，正常尾水位高程为 134.5 m、水位变幅大。
2.1 供水对象及用水量
水轮发电机用水：包括水轮机上导轴承、空冷器、推力轴承、下导轴承、水导轴承各部总用水量为700m3/h，压力0.4MPa；
变压器用水为105m3/h；
主轴密封用水为16m3/h。
2.2 技术供水方式介绍
小浪底水电站水头较高，水头变幅大，变幅达到56 m，汛期库水位大幅下降后，过机泥沙质量浓度高达60 kg/m3，且装机台数多，单机容量大，机组技术供水在水量、水质及运行可靠性等方面要求均较高。根据电站的具体情况，目前可用的技术供水方式有两种：机组蜗壳供水（即自流减压供水）、清水供水。
2.2.1 蜗壳供水
电站每台机组在蜗壳取水主管路设置一个减压阀，俩组滤水器（一组工作、一组备用）。机组运行时蜗壳中一部分水流经减压阀减压、滤水器过滤后供给水轮发电机组冷却用水，之后排入机组尾水。6台机组通过蜗壳取水干管连接，互为备用。
2.2.2 清水供水
清水供水方式的水源来自地下水，在电站外设置两处地下水采水点：蓼坞备用井和葱沟备用井，通过水泵将水流送至厂外的清水池，清水池至机组有50m高程，清水通过自流方式为机组冷却供水，之后排入机组尾水。目前小浪底清水供水可采用清水串联供水方式，即冷却水先流经各部导瓦冷却后再循环进入空冷冷却器，最后流入尾水。通过这种方式供水，发电机组冷却水用水量可减少至450m3/h。
3 综合比较分析方案
3.1 经济性比较分析
为便于比较，计算不同供水方式下1台水轮发电机所需的技术供水的费用支出。蜗壳供水时，将1台机组冷却供水系统消耗的水能折算成机组的发电量，电价按小浪底电站上网电价0.316元/kW·h计算；清水供水时，将1台机组冷却供水系统消耗的水能折算成抽水泵运行消耗的电量，清水抽水泵用电来自厂用电，电价也按0.316元/kW·h计算。
由于机组主轴密封用水对水质要求较高，长时间使用清水供水，故后文计算技术供水用水量时只考虑水轮发电机组及主变用水量，按805m3/h计算。
3.1.1 蜗壳取水供水方案
水能损失效益：蜗壳供水消耗水能折算成机组的发电量效益，小浪底电站2018年水头加权平均值为114.67m，减压阀引用流量805m3/h（0.224m3/s），水轮机效率93%，发电机效率98%。
水能计算公式为：
其中Q为发电流量，H为水头，
为水能转化电能的综合效率。
根据公式计算可获发电功率为229.65kW，则一天可产生的电量为5510kW·h，技术供水消耗水能产生的费用为1741.7元。
蜗壳取水相关设备如减压阀、滤水器由于使用年限不长没有出现大的故障，故暂不统计蜗壳取水设备的维护成本。
3.1.2 清水取水方案
清水供水泵房高程约为140m，地下水水位高程约为125m，厂外清水池内蓄水的正常水位高程为185m，如下图所示：
2018年调水调沙时期，清水系统连续不间断运行超过20天，根据实际运行数据，葱沟备用井抽水泵运行时抽水量约为1550m3/h，工作效率为80%；蓼坞备用井抽水泵运行时抽水量为900m3/h，工作效率为85%。
根据实际运行流量的比例，得出清水抽水泵平均工作效率为81.84%，清水供水所需流量为805m3/h（0.224m3/s），清水抽水高程为60m，计算出抽水所需用电功率为161.1kW，则一天产生用电量为3866.5kW·h，消耗清水产生的费用为1221.8元。
若清水供水采用串联供水方式，则所需流量降低至555m3/h（0.154m3/s），计算出抽水所需用电功率为111.07kW，则一天产生用电量为2665.7kW·h，消耗清水产生的费用为842.4元。
通过查阅资料了解到水泵的维护成本约为耗电成本的7%，综合下来清水供水一台机组一天水能费用为1287元（占蜗壳供水费用的75.08%），循环供水水能费用为901.4元（占蜗壳供水费用的51.78%）。
3.1.3 低水头条件下两种方式经济性比较
前面两小节经济性计算是基于机组全年运行的平均水头得出计算结果，并没有考虑极端条件下，机组在低水头条件下运行时两种技术供水方式效率比较。
假定在水头低至h1情况时，蜗壳供水与清水供水相同的用水量，产生的电能相同，计算h1的值。
蜗壳供水与清水取水用水量Q均为805m3/h（0.224m3/s），蜗壳供水与清水产生用电功率P均为161.1kW。
根据公式
计算出h1为80.44m，即当机组运行水头低于80.44m时，蜗壳供水经济性会优于清水取水供水。
根据小浪底水库多年运行经验，当库水位低于220m时，库水含沙量大幅增加，高含沙水流对减压阀、滤水器、空冷器等设备损伤较大，在库水位低于220m时，一般不采用蜗壳供水方式。水头80.44m对应的库水位为214.94m，已经远低于220m，故在低水头运行条件下，清水供水方式综合效益仍然优于蜗壳供水方式。
3.2 可靠性分析
3.2.1 蜗壳供水方案
影响蜗壳供水方案运行可靠性问题有三点：一是当电站水头高，减压阀的减压比过大，将导致减压阀的振动、磨蚀和噪音异常，从而降低运行可靠性；二是当电站水头低时，冷却水内泥沙含量大幅上升，堵塞减压阀，滤水器及各冷却管路，从而降低运行可靠性；三是，当气温升高时，蜗壳水温升高速度明显快于清水水源地下水，影响冷却效果（根据测量数据，蜗壳水温6月至11月均高于清水水温）。目前还没有解决这些问题的有效办法。
3.2.2 清水供水方案
影响清水供水方案运行可靠性的主要问题有三个：一是影响水泵电机稳定运行的因素，如电机绝缘、防潮等，可通过相应操作、维护规范解决；二是目前清水供水能力不足限制，无法满足6台机组全部使用清水供水，可通过清水系统改造，加泵增容解决。三是清水串联供水方式在夏季运行时间较短，对高温状况下机组冷却效果考验不够，还需继续实际运行观察。
4 结论
通过经济性、综合效益、可靠性等方面对两个方案进行比较，清水供水方式明显优于蜗壳供水方式，因此小浪底电站应选择清水供水作为技术供水的主要方式。
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作者简介
王嘉雨（1986——），男，工程师，从事水电站运行管理工作。
论文作者:王嘉雨,叶子洁,崔旭东
论文发表刊物:《电力设备》2019年第6期
论文发表时间:2019/7/16
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