摘要：早期建设的传统水电站技术供水水源一般取自天然河水，由于河水含有大量垃圾漂浮物和泥沙等杂质，容易造成冷却水管路及冷却器堵塞、磨损等故障，导致事故停机检修，造成巨大的经济损失。后来出现了一种新型的循环冷却技术供水方式，完全解决了防漂浮物、防泥沙等难题。本文通过介绍福堂水电站循环冷却技术供水系统的应用情况，总结该系统的特点，为其他水电站技术供水设计及改造提供参考。
关键词：循环冷却、技术供水，设计及应用
一、水电站技术供水系统
水电站的供水包括技术供水、消防供水及生活供水。
技术供水系统主要供水轮发电机组的冷却用水和水冷式变压器的冷却用水，技术供水系统直接影响到电站机组运行的安全性及电站运营的经济性，水轮发电机组冷却用水主要是上导轴承油冷却器、推力轴承油冷却器、发电机空气冷却器、水轮机导轴承油冷却器。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，所以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，技术供水应满足机组在各种工况下的正常安全运行。
（一）技术供水系统的组成
（1） 水源、取水和净化设备、用水设备由取水设备（如水泵）从水源（如水库、尾水渠等）取水，经水处理设备（如拦污栅、滤水器等）净化，使所取的水符合用水设备对水量、水压、水温和水质的要求。
（2） 管网由取水干管、支管、管路附件等组成。干管直径较大，把水引到厂内用水区。支管直径较小，把水从干管引向用水设备。管路附件包括弯头、三通、法兰等，也是管网不可缺少的组成部分。
（3） 量测控制元件用以监视、控制和操作供水系统的有关设备，保证供水系统正常运行，如阀门、压力表、温度计、示流信号器等。
（二）用水设备对供水的要求
用水设备对水量、水质、水压、水温有一定要求，总的原则是：水量足够，水压合适，水质良好，水温适宜。
（三）取水方式
（1）上游取水
坝前取水：从坝前水库直接取水，地域广，水量丰富，取水设备简单且可靠，布置方式也最灵活。压力钢管取水：取水口通常在进水阀前面（当装设进水阀时），它由两种不同的运用条件，各机组均设置取水口，全站设置统一的取水口。蜗壳取水：在每台机组的蜗壳设取水口，各机组供水可以自成体系，也可以将各取水口用干管联系起来，组成全站的技术供水系统。
（2）下游取水
当电站上游水头过低不能满足水压要求，或水头很高取水不经济时，可考虑从下游尾水抽水作为技术供水水源。
（3）地下取水
如果电站附近有可利用的地下水源时，在水量和水质能够满足要求的条件下，也可以用来作为技术供水水源。
（四）供水方式
通常，供水方式按水电站水头、水源类型、机组容量等条件确定。
（1）自流供水
水头在15~80m的电站（小型水电站一般在12m以上），当水温、水质符合要求时，一般采用自流供水。
（2）水泵供水
当电站水头低于15m时，自流供水水压难以满足要求；当电站水头高于80~90m（对于小型水电站，水头大于120m）时采用自流减压供水往往不经济。因此，在这两种情况下，一般采用水泵供水，来保证所要求的水量和水压。
（3）混合供水
混合供水是由自流供水和水泵供水相混合的供水方式。水头为12~20m的电站，单一供水往往不能满足要求，需采用混合供水。一般由以下三种方式：
a.自流供水与水泵供水交替使用的系统。
b.自流与水泵按用户同时供水的系统。
c.水塔（中间水池）供水系统。用水泵抽水至水塔（中间水池），再由水塔（中间水池）向设备自流供水的系统。
（4）其他供水方式
a.射流泵供水。当水电站水头为80~160m时，可考虑射流泵供水。
b.水轮机顶盖供水。对中高水头混流式机组，还可以从水轮机顶盖排水管上取水。
（五）设备配置方式
（1）集中供水。全站所有用水设备都由一个或几个共用的取水设备取水，再经共用的干管供给各用水设备。
（2）单元供水。全站没有共用的供水设备和管道，每台机组自设取水口、设备和管道，自成体系，独立运行。
（3）分组供水。当电站机组台数较多时，可将机组分成若干组，每组构成一个完整的供水系统。
二、福堂电站循环技术供水系统
（一）福堂电站概况
四川福堂水电有限公司位于四川省阿坝州汶川县境内，是岷江上游梯级开发继映秀湾电站、太平驿电站上的第三个梯级电站；电站距离成都市111km。电站为单一发电枢纽工程。电站由首部枢纽、引水系统和厂区枢纽三部分组成。电站为径流引水式；枯水期运行时水库具有不完全日调节能力；电站设计水头为159.3m，发电引用流量为251m3/s，装机容量为4×90MW，保证出力为133.4MW（P=95%），设计多年平均发电量为22.7亿kWh，年利用小时数为6305h。首部枢纽距离厂区枢纽约21km， 闸首多年平均流量为345 m3/s，水库正常蓄水位为1268.0m，最低运行水位为1260.0m，汛期限制水位为1262.0m，引水隧洞全长19323.443m。
（二）福堂电站循环技术供水系统
（1）技术供水方式的选择
由于岷江上游河谷处于龙门山后山向松潘高原深切过渡地带，区内地势北高南低，山势巍峨，崎岖险峻，岷江河谷水流湍急，切割强烈。河谷两岸出露的基岩主要为千枚岩、板岩、变质砂岩等软质岩，风化层较厚；其次为灰岩、石英岩等少量硬质岩，加上复杂地形导致的多样性气候，加上一系列的人为因素和自然历史因素，近几十年来岷江上游的生态环境退化严重，水土流失严重，造成岷江河流泥沙含量重、汛期尤为明显。据相关水文单位通过多年观测的结果，岷江上游年推移输沙量65万吨，河床最大质粒径600mm，中质粒径160mm，多年平均悬移输沙量602万吨，多年平均含沙量0.567kg/m3，汛期（6-9月）平均含沙量占全年的87.2%，多年汛期平均含沙量0.924 kg/m3，最大汛期平均含沙量为33.8 kg/m3。随着城市经济的发展，工业建设，人口大量增长，产生的大量工业、生活垃圾直接进入岷江，造成岷江的水体污染，大量的垃圾类漂浮物顺江而下，使得水质恶化，特别是08年5.12大地震后，山体垮塌严重，上游两岸部分支流及岷江主河道拥塞严重，近年汛期极端天气到来后上游地质灾害频发，大量的泥沙和漂浮物垃圾使得电站无法采用传统技术供水方式。鉴于以上岷江水质原因，结合岷江上下游各已投电站的运行经验，福堂电站设计建设技术供水方案时，采用了当时在水电站还算应用不多的循环冷却技术供水系统。
（2）循环技术供水系统的组成及原理
传统的水电站技术供水水源主要是天然的河水，由于河水含有大量漂浮物和泥沙等杂质，经常出现堵塞供水管路和冲蚀磨损机组冷却器等故障，导致停机检修，造成巨大经济损失。循环冷却技术供水作为一种新型的供水方式，解决了防漂浮物、防泥沙等难题，而循环技术供水的水源可以取自清洁的生活水、山泉水、地下水等，并且消耗不大，后期补水不多。循环冷却技术供水系统主要由循环水池、循环水泵、尾水冷却器、管道、阀门、测量控制用的仪器、仪表和自动控制柜组成。系统运行时将循环水池中注入满足要求的清洁水作为机组冷却水，通过循环水泵的加压，冷却水被送到放置在尾水中的尾水冷却器中进行热交换，流动的尾水将冷却水的热量带走，冷却水的温度降低。之后，冷却水到达机组各冷却器对机组进行冷却。冷却水冷却机组后，机组的热量被冷却水带走，冷却水的温度升高，排到循环水池中，完成一个循环。循环技术供水系统的组成及原理如下图所示：
福堂电站设计为两台机组共用一个循环水池，水池容量以满足两台机组同时全出力运行时的用水要求。循环水池主要用于机组冷却用水进、出水的存蓄、保证机组对冷却用水的水量及水质的要求。在技术供水系统投入运行之前，进行水池的清洁，注入清洁干净的冷却水，为了保证机组运行时的部分水量损失，循环水池内布置的补水管在运行时可以进行小流量补水，补水方式可以实现手动或自动控制，水池上部设置的溢流水管用于防止水池水位过高时溢出水池，下部的排空水管用于水池检修、维护、清洁时的排水。循环水池内设液位变送器、浮子式液位控制器，用于对水池内水位的监测、自动补水控制及高低水位报警，相关报警信号可以直接上传计算机监控系统，便于运行人员远程监控。
b.循环水泵
福堂电站循环水泵选用的是深井泵，水泵主要用于保证机组冷却用水对水压及流量的要求，设置为一机一泵方式，单台水泵运行时足以满足一台机组的全部冷却用水要求。水池设置三台泵，正常运行时，两台泵运行，一台泵备用，三台泵出水接入两台机组的供水总管，两台机组根据运行工况的变化可以通过冷却水进水阀门分别调节流量和水压。水泵运行控制主要由循环水泵控制屏进行，可实现PLC自动控制，也可以进行现地手动控制。控制屏对水泵电机进行过载、缺相、欠压、短路等自动保护。也可通过控制柜接受计算机监控系统的远方控制指令，以及将水泵的运行状态信号和故障信号传送到计算机监控系统进行监控。水泵能进行自动投切：与机组开机台数对应投切、工作水泵故障备用泵自动投入、工作水泵与备用水泵能按设定时间自动轮换运行。
C.尾水冷却器
尾水冷却器主要用于热交换，用于满足机组冷却用水对水温的要求，福堂电站尾水冷却器设置以机组为单位，每台机组拥有各自独立的冷却器，冷却器在不影响尾水流态的原则下布置在机组尾水门洞上方，优点是水流速度较快，热交换效率高，冷却效果好，与尾水门共用起重门机，节约投资，安装、检修施工方便，但设计、安装、施工过程中要充分考虑系统运行后尾水水流冲击和产生共振对冷却器造成的影响。
（3）循环冷却技术供水的特点
a.循环冷却技术供水系统的冷却水源采用清洁的山泉水或生活用水，彻底解决了漂浮物、泥沙等难题，不会出现供水管路堵塞以及泥沙磨蚀管道、冷却器的问题，提高了机组运行的安全性和可靠性。
b.循环技术供水系统属于封闭循环系统，冷却水在系统内循环使用，耗水总量小，运行中水量损失小，需要补水量很小，节约了水资源、不污染环境。
c.循环技术供水系统结构简单，运行可靠，不受季节影响，运行操作、维护管理工作量小，节省了人力、财力，时间成本。
d.循环技术供水系统水泵自动控制系统结构简单，建设后提高了电站设备的自动化运行水平，为少人值班或无人值守电站创造了条件。
e.循环技术供水系统采用水泵供水，以保证机组对冷却用水的水压、水量的要求，需要24小时不间断运行，增加了厂用电损耗。
（4）循环技术供水系统运行注意事项
a.循环技术供水系统设计及设备选型上一定要满足机组设备对冷却水水量、水压的使用要求，水泵控制一定采用PLC控制系统，提高设备自动化水平，运行操作简单，易于维护。
b.尾水冷却器长年运行在水下，维护检修工作不在水下进行就必须吊出水面进行，工作相对具有一定的复杂性，又关系到电站发电机组安全运行和电站的经济效益。冷却器设备应选用国内外质量好、信誉高的大厂设备，以保证设备使用的可靠及售后服务保障。尾水冷却器的选材在满足设计使用要求的原则下，尽量选择维护检修周期更长的设备材料，同时重视安装质量，做好验收工作。
c.循环技术供水系统冷却水源必须采用水质好的山泉水或生活用水，在系统运行过程中还要做好水质、水量、水压、水温的监测，设置有的关自动化监测报警元件，以保证机组冷却用水的安全可靠。
三、结语
福堂电站采用循环技术供水系统已经十多年了，共有4台发电机组对应安装了4台尾水冷却器，系统运行过程中只有3号机组尾水冷却器本体发生过一次泄漏，后将冷却器吊出水面进行了修复回装，至今观察运行正常。其他3台冷却器投运至今从未做过检查、维修工作，说明整个系统运行的可靠性很高，检修周期及使用寿命长。系统的常规维护工作主要是水泵的盘根漏水处理，管路阀门漏水、自动化监测元件损坏处理等，工作量很小，不需要停机停电处理，不影响机组安全发电运行。
通过相关资料显示，我国已经有很多电站通过新建或是技术改造等方式应用了循环冷却技术供水系统，新建的有：康定冷竹关电站、小天都电站、金康电站、五郎河电站、石门坎电站、木底箐二级电站、四川明台电站等，完成技改的有：八盘峡电站、南桠河三级电站、云南洛泽河电站、九寨沟二道桥电站、邱北格雷电站、新疆喀群二级电站、四川金华电站、平昌电站、四川马拟电站等各大水电站，通过许多电站对循环冷却技术供水系统的成功应用和运行检验，说明循环冷却技术供水方式是一种简单可靠并且经济性很好的技术供水方式，为电站安全、可靠、经济运行提供了支撑和保障。
参考文献：
【1】水力发电厂水力机械辅助设备系统设计技术规定,DL/T5066-1996. 水规总院及北京勘测设计院主编.电力工业部发布.
【2】水电站机电设计手册编写组. 水电站机电设计手册.水利电力出版社出版.
【3】四川福堂水电站运行规程.2010版
论文作者:邓灿秋
论文发表刊物:《电力设备》2017年第7期
论文发表时间:2017/7/4
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