［摘 要］ 智能電磁流量計(jì)作為水電站較為關(guān)鍵的輔助系統(tǒng)之一，對(duì)水輪發(fā)電機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用。現(xiàn)階段，隨著環(huán)境的不斷變化，河流泥沙及化學(xué)腐蝕程度逐漸增大。針對(duì)陜西涇河泥沙含量高的特點(diǎn)，探討東莊電站智能電磁流量計(jì)方案，分析認(rèn)為設(shè)計(jì)采用以機(jī)組壓力鋼管減壓供水為主，密閉循環(huán)冷卻供水為備用水源的供水方式，供水管路亦采用不銹鋼管并減小管徑，可保證工程運(yùn)行時(shí)期技術(shù)供水水源安全可靠，并對(duì)確保智能電磁流量計(jì)在多泥沙條件下保持長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行提出建議。

0 引言

水電站智能電磁流量計(jì)由水源、管網(wǎng)和量測(cè)控制元件組成。其任務(wù)是經(jīng)濟(jì)合理和安全可靠地保證用水設(shè)備對(duì)水量、水壓、水溫和水質(zhì)的要求，其主要服務(wù)對(duì)象為發(fā)電機(jī)推力軸承、上導(dǎo)軸承、下導(dǎo)軸承、空氣冷卻器、水輪機(jī)水導(dǎo)軸承、水輪機(jī)主軸密封和主變冷卻器等，主要起冷卻和潤(rùn)滑作用。智能電磁流量計(jì)運(yùn)行狀態(tài)異常，將直接導(dǎo)致水輪機(jī)發(fā)電組、主變等關(guān)鍵設(shè)備無(wú)法正常運(yùn)行，從而影響水電站發(fā)電效益 [1] 。部分水電站所在河流中泥沙含量大，對(duì)金屬的腐蝕性強(qiáng)，智能電磁流量計(jì)的方案選擇與設(shè)計(jì)至關(guān)重要。東莊電站地處多泥沙且腐蝕性強(qiáng)的河流中，針對(duì)這一特點(diǎn)，本文對(duì)其智能電磁流量計(jì)進(jìn)行方案設(shè)計(jì)探討。

1 東莊電站概況

1.1 基本概況

擬建的東莊水利樞紐位于陜西省禮泉縣與淳化縣交界的涇河下游峽谷段，距峽谷出口約 29 km。工程的開(kāi)發(fā)任務(wù)是以防洪減淤為主，兼顧供水、發(fā)電和改善生態(tài)等綜合利用，為Ⅰ等大（1）型工程。發(fā)電引水洞為 1 洞 4 機(jī)方式，主廠房為地下式，4臺(tái)機(jī)“一”字型布置，裝設(shè)兩臺(tái) 35 MW（大機(jī)）及兩臺(tái) 20 MW（小機(jī)）立軸混流式水輪發(fā)電機(jī)組，電站裝機(jī)容量共計(jì) 110 MW。東莊水庫(kù)利用文涇電站和涇惠渠對(duì)東莊水電站的發(fā)電流量進(jìn)行日反調(diào)節(jié)，使東莊水庫(kù)承擔(dān)電力系統(tǒng)的調(diào)峰任務(wù)進(jìn)行調(diào)峰運(yùn)用。按日調(diào)峰 4 h～6 h 考慮，其余時(shí)間（20 h～18 h）按生態(tài)基流、工業(yè)供水流量、灌溉流量以及棄水流量進(jìn)行發(fā)電。根據(jù)實(shí)測(cè)資料，電站凈水頭（攔沙期 / 正常運(yùn)用期）參數(shù)見(jiàn)表 1。

1.2 河流泥沙條件及水質(zhì)

根據(jù)資料，水庫(kù)上游實(shí)測(cè)多年平均徑流量為 16.92 億 m 3 ，多年平均輸沙量為 2.37 億 t，多年平均含沙量為 140 kg/m 3 。其中，7 月和 8 月平均含沙量較高，分別為 310.0 kg/m 3 和 297.7 kg/m 3 。經(jīng)過(guò)水庫(kù)運(yùn)用，推算的機(jī)組過(guò)機(jī)含沙量見(jiàn)表 3；過(guò)機(jī)泥沙級(jí)配見(jiàn)表 4；懸移質(zhì)泥沙礦物成分見(jiàn)表 5。

由表 3~ 表 5 可知，懸移質(zhì)泥沙硬度高的石英、斜長(zhǎng)石、鉀長(zhǎng)石、角閃石、輝石等的成分共計(jì)36.3%+17%+6%+0.6%+0.4%=60.3%。經(jīng)實(shí)地測(cè)量及查閱相關(guān)資料，河水的 pH 值為 6.1～6.3，(Cl - +SO 4 2- )為 629.7 mg/L～673.2 mg/L。硫酸根離子含量較高，對(duì)金屬材料具有中度腐蝕作用。

2 電站智能電磁流量計(jì)設(shè)計(jì)

電站智能電磁流量計(jì)的運(yùn)行可靠性將直接影響機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。智能電磁流量計(jì)應(yīng)根據(jù)電站基本參數(shù)和各用水對(duì)象（包括發(fā)電機(jī)空氣冷卻器、推力 / 上導(dǎo)軸承、下導(dǎo)軸承、水導(dǎo)軸承冷卻、水輪機(jī)主軸密封以及主變壓器冷卻）的水量、水壓、水溫等參數(shù)進(jìn)行詳細(xì)的方案設(shè)計(jì)。

2.1 機(jī)組及主變壓器技術(shù)供水量

本電站機(jī)組采用無(wú)接觸間隙式密封和泵板排水、排沙形式，主軸密封不須水冷卻或潤(rùn)滑，水、泥沙均借助泵板離心力通過(guò)頂蓋排水孔排出。電站 2 臺(tái)大機(jī)組采用擴(kuò)大單元接線，2臺(tái)小機(jī)組亦采用擴(kuò)大單元接線，四臺(tái)機(jī)組總冷卻水量約為1154 m 3 /h，水壓 0.2 MPa～0.4 MPa；2 臺(tái)主變壓器冷卻水量共計(jì)90 m 3 /h，冷卻水壓 0.3 MPa。經(jīng)初步計(jì)算，大機(jī)、小機(jī)各部分及主變壓器所需冷卻水量見(jiàn)表 6。

2.2 方案選擇

本電站水頭范圍 152.04 m～200.92 m，根據(jù)《水利水電工程機(jī)電設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)范》（SL 511-2011）2.8 條，東莊電站天然河道汛期泥沙含量較高，泥沙對(duì)機(jī)組各部冷卻器會(huì)產(chǎn)生磨損和堵塞，且水質(zhì)中硫酸根離子含量較高，對(duì)金屬材料具有一定的腐蝕作用，故電站的運(yùn)行方式為：前 5 年（攔沙初期）含沙量為 0，水質(zhì)優(yōu)良，技術(shù)供水采用壓力鋼管減壓供水，第 6 年及以后，清水期技術(shù)供水采用壓力鋼管減壓供水，汛期采用密閉循環(huán)冷卻供水。智能電磁流量計(jì)設(shè)備包括：減壓閥、清水循環(huán)水池、離心泵、濾水器、四通閥、尾水冷卻器和管路系統(tǒng)等。

2.2.1 壓力鋼管自流減壓供水方案

在每臺(tái)機(jī)組球閥前壓力鋼管上設(shè)有取水口，經(jīng)過(guò)濾水器后，一路經(jīng)減壓供給機(jī)組，另一路則接至廠房供水干管，機(jī)組以單元供水方式運(yùn)行，其他取水口作為備用。為確保減壓系統(tǒng)安全不超壓，在每臺(tái)機(jī)組減壓閥下游安裝 DN150 泄壓閥。當(dāng)減壓閥故障引起供水管中的壓力超過(guò)安全設(shè)定壓力時(shí)，泄壓閥會(huì)自動(dòng)開(kāi)啟快速泄壓，保護(hù)管路及設(shè)備安全。

2.2.2 密閉循環(huán)冷卻供水方案

循環(huán)冷卻水循環(huán)方式：循環(huán)水池→循環(huán)水泵→機(jī)組各部及主變冷卻→機(jī)組尾水冷卻器→循環(huán)水池。發(fā)電設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中，循環(huán)水通過(guò)循環(huán)水泵送到各機(jī)組及主變，冷卻完后的熱水匯總流入尾水冷卻器，利用冷卻器外部流動(dòng)的低溫水通過(guò)循環(huán)冷卻器進(jìn)行熱交換，使循環(huán)水水溫降低到滿足機(jī)組冷卻水水溫的要求，然后排回循環(huán)水池，以此往復(fù) [2] 。循環(huán)水池的水源取自建設(shè)管理站，通過(guò) DN200 鋼管自管理站沿道路敷設(shè)，穿過(guò)水庫(kù)下游交通橋自流至電站出線平臺(tái)，再沿電梯電纜井進(jìn)入廠房，經(jīng)過(guò)減壓閥減壓至清水循環(huán)池。

根據(jù)機(jī)組用水量參數(shù)，考慮循環(huán)水的損失和蒸發(fā)量，大小機(jī)尾水冷卻器設(shè)計(jì)流量分別為 500 m 3 /h/240 m 3 /h;機(jī)組各尾水冷卻器進(jìn)水溫度按 30℃設(shè)計(jì)，出水溫度按 25℃設(shè)計(jì)；尾水冷卻器設(shè)計(jì)壓力 1.0 MPa，試驗(yàn)壓力 1.5 MPa，機(jī)組冷卻水進(jìn)口壓力 0.2 MPa～0.5 MPa；大小機(jī)尾水冷卻器進(jìn)出口管徑DN125/DN100，所有管道及閥門均采用不銹鋼材質(zhì)。冷卻器結(jié)構(gòu)為防泥沙淤堵型，冷卻管為螺旋管，有利于泥沙、雜草隨水流流動(dòng)，可有效的防止淤堵。冷卻器出口總管上設(shè)有測(cè)溫電阻，運(yùn)行人員可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)換熱冷卻效果。

為增加循環(huán)供水的可靠性，采用單元供水方式，每臺(tái)機(jī)對(duì)應(yīng) 2 臺(tái)循環(huán)水泵(一用一備，相互切換)，共計(jì) 8 臺(tái)，水泵采用雙吸式離心泵。大小機(jī)的循環(huán)水泵參數(shù)為：Q=382 m 3 /h/266 m 3 /h，H=54 m/57 m，N=90 kW/75 kW，水泵的啟停接入機(jī)組自動(dòng)控制系統(tǒng)，根據(jù)機(jī)組開(kāi)停機(jī)進(jìn)行自動(dòng)控制，備用泵在工作泵故障時(shí)自動(dòng)投入運(yùn)行。

2.3 設(shè)備布置

經(jīng)計(jì)算，機(jī)組安裝高程確定為 579.64 m，根據(jù)廠房水工的布置情況，循環(huán)水泵布置在安裝間水輪機(jī)層的技術(shù)供水設(shè)備室，高程為 582.04 m；循環(huán)冷卻器布置在尾水洞內(nèi)；清水循環(huán)池布置在安裝間檢修排水泵房層，高程為 575.77 m，位于技術(shù)供水設(shè)備室正下方。各水泵取水管路經(jīng)清水循環(huán)池垂直向上引出，通過(guò)水泵后匯總為一根供水總管，出技術(shù)供水設(shè)備室后沿主廠房邊壁引至上游側(cè)，然后分別接至每臺(tái)機(jī)組機(jī)墩附近。由于河水含沙量高，為避免泥沙在供水管路和冷卻器內(nèi)淤積，設(shè)計(jì)時(shí)減小了技術(shù)供水管路的管徑，以增大流速；同時(shí)，為解決水質(zhì)中硫酸根離子對(duì)金屬材料的腐蝕問(wèn)題，所有供水管路材質(zhì)均采用不銹鋼，以延長(zhǎng)管路使用壽命。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)東莊電站智能電磁流量計(jì)的分析研究，東莊水電站技術(shù)供水采用自流減壓供水為主，循環(huán)供水作為備用的供水方案，對(duì)于多泥沙河流水電站，循環(huán)供水方式從源頭可解決水質(zhì)問(wèn)題；供水管路采用不銹鋼鋼管，且減小管徑以提高管內(nèi)流速，延長(zhǎng)了管路使用壽命，同時(shí)解決了供水管路及冷卻器的泥沙淤積問(wèn)題，在運(yùn)行過(guò)程方面提高了技術(shù)供水保證率，從而保證水輪發(fā)電機(jī)組的長(zhǎng)期安全穩(wěn)定運(yùn)行。