【摘要】本文結合某水電站工程，詳細闡述了水電站輔助水力機械系統(tǒng)與油系統(tǒng)，其設計涉及各系統(tǒng)組成設備的技術性能、選型、布置方式等要素。水電站輔助機械系統(tǒng)設計時應充分考慮系統(tǒng)可能的影響因素，現有設備制造能力與水平、適用能力、經濟指標及各設計環(huán)節(jié)的技術性能等，以確保水電站輔助水力機械系統(tǒng)設計方案的技術經濟合理。
【關鍵詞】水力機械；水電站輔助水力機械系統(tǒng)；油、氣、水系統(tǒng)及量測系統(tǒng)；設計方案
1 引言
水電站的水力機械設備主要包括水輪發(fā)電機組及其附屬設備(主體設備)、輔助水力機械系統(tǒng)設備等，其中輔助水力機械系統(tǒng)一般由油、氣、水、量測等幾大系統(tǒng)組成，其主要作用是為主體設備提供必要的服務，保證主體設備安全穩(wěn)定運行。勿容置疑，水電站主體設備的性能、質量、配置及設計操作流程等對水電站安全穩(wěn)定運行起著關鍵作用，但經過眾多電站的運行事實證明，水電站輔助水力機械系統(tǒng)的設計方案、產品質量、技術性能等同樣對水電站的經濟安全穩(wěn)定運行起著不可忽視的作用。本文結合工程實例，著重針對水電站水系統(tǒng)中的供水方式、管道閥門設計、濾水器設置部位、減壓閥及安全閥口徑選擇、排水方式及滲漏泵選擇，油、氣及量測系統(tǒng)設計方案、設備布置當中的方案考慮的合理性、相互之間的影響等設計應考慮的諸項問題，談談設計中的一些體會。
2 工程概況
某水電站位于河干流的上游，為低壩引水徑流式電站，是以發(fā)電為主的小型水電站工程。采用2臺單機容量為10 MW的軸流式水輪發(fā)電機組。電站保證出力為4.4 MW，多年平均發(fā)電量8 283萬kW・h，年利用小時數4 142 h。
3 水電站輔助水力機械系統(tǒng)中水系統(tǒng)的設計
3.1 技術供水方式設計
按照《水力發(fā)電廠機電設計規(guī)范》，水電站水頭為15～120 m時宜采用自流(減壓)供水方式、水頭大于120m時應進行水泵供水與其他供水方式的比較。在以往的技術供水方案比較中，大多沒有考慮這樣的事實：目前國內生產的水泵由于制造加工工藝不高，質量尚不穩(wěn)定，很難保證連續(xù)穩(wěn)定運行；有不少類型的水泵達不到其標注的技術性能要求。如：有的自吸泵或離心泵名牌標注的吸出高度為5～7m，而真正可實現的吸出高度只能達到3m；有不少電站的技術供水泵由于制造、技術參數不達標等種種原因不能正常工作，影響到主設備的安全穩(wěn)定運行；在方案比較中對由于水泵故障帶來的其他損失、水泵的維護成本、水泵的占地面積以及布置上的困難等因素往往沒有充分考慮。鑒于通過幾個水電站對自流減壓供水方式與水泵供水方式的技術經濟比較兩者在設備投資、能量損耗等指標上相差并不大，甚至水泵供水耗能更多一些，因此考慮到目前國內減壓閥技術及應用已相當普遍和成熟、價格也便宜，筆者認為當電站凈水頭在15～300m之間時宜首選采用自流(減壓)供水作為機組技術供水方式。經查證，國內有的水電站水頭達306m、升壓值達370m也采用自流減壓供水方式而且是一級減壓，運行狀況良好。當然，這么高水頭采用的是彈簧式減壓閥，若采用隔膜式減壓閥，可考慮采用二級、三級減壓供水方式。目前，由作者工作單位設計的150～160m水頭段的電站如光照、洪家渡等大多采用二級減壓供水方式， 120m以下水頭段的電站大多采用一級減壓方式如引子渡、索風營等，上述電站的技術供水系統(tǒng)運行情況都良好。對多泥沙電站，可考慮雙向供水方式，即正、反向供水，定期切換進行反沖洗，以防堵塞；有些中小型水電站也可考慮采用循環(huán)供水方式，但這種方式對封河的寒冷地區(qū)不太適應，因為其冷卻器放在尾水渠中易被冰封冷凍損壞或堵塞等。
3.2 管道閥門設計
為增加可靠性，減少維護工作量，當技術供水采用自流(減壓)供水方式時，供水管中的第1道閥門(靠近取水口端)應選取高一級壓力等級的閥門。例如：調保升壓值為0.9MPa則最好選用1.6MPa的閥門而不要選1.0MPa的閥門；對不宜檢修或檢修條件較困難時，宜設2道閥門；此外，檢修閥門宜選取不銹鋼閥門。
3.3 濾水器設置部位
在自流(減壓)供水方式中，為了更好地保護減壓閥及其附件，保證技術供水系統(tǒng)正常工作，將濾水器放置在減壓閥前也是較好的選擇。雖然濾水器壓力等級提高了會增加一定的成本，但增加數額不大，一般增加10% ～15%，完全可以接受。目前很多水電站均采用這種設計。
3.4 減壓閥及安全閥口徑選擇
作者通過對水電站減壓閥選型的對比，發(fā)現如果按照減壓閥特性曲線中(ΔP ～Q ～D)對應的數據選擇技術供水減壓閥口徑，往往過流量不能滿足技術要求。因此，在選取減壓閥口徑時應將其特性曲線中推薦的數值適當放大1～2號，例如：曲線查得減壓閥口徑為100mm，則可選為125mm或為150mm等等。對安全閥口徑選擇，可根據配套的推薦口徑選擇與主管徑相同或選擇口徑小于主管徑1號的安全閥，但由于泄壓時水的流速很快，為減小水錘壓力，要求安全閥后的管路口徑應大于安全閥口徑；此外，為了廠內安全，減小水泵工作量，安全閥排水應直接排至下游尾水，不要排至集水井。
3.5 排水系統(tǒng)設計
在水電站排水系統(tǒng)設計時，對中小型電站及尾水位較高的電站，宜采用直接排水方式。這樣，既減小了水淹廠房的概率，也減小了設計工作量。因為集水井井蓋需要密封，設計難度也較大；對滲漏集水井和檢修集水井也宜分開設置，這也是規(guī)范所要求的。但是，很多電站的業(yè)主要求將兩井用連通管連通，這就要求設計單位必須在連通管上加裝常閉閥門，該閥門由于其重要性，要求應相當可靠能夠鎖錠，以避免誤操作引起水淹廠房事故的發(fā)生。
3.6 蝸殼排水及尾水管排水閥
3.6.1 按照經驗及統(tǒng)計，蝸殼排水及尾水管排水閥口徑的選取一般取壓力鋼管及蝸殼進口公稱直徑的8% ～10%為宜。
3.6.2 目前有些設計者每套機組設置1個尾水管排水(盤形)閥，考慮到該閥門的重要性，筆者建議每套機組最好設置2個，這對設備布置及費用影響甚微。
3.7 滲漏排水泵選擇
對尾水位變幅大的水電站，滲漏排水泵選擇時應考慮適應不同的揚程，這主要是水泵的工作特性所決定的。按照《設計手冊》滲漏排水泵揚程應按照最高尾水位計算，但水電站實際運行中有較長的時期不在最高尾水位，這就導致水泵長期不在最優(yōu)工況運行，帶來水泵效率低、軸承溫度高，很容易燒壞軸承。要解決這一問題，可考慮配置兩種不同揚程的水泵：按正常尾水位工況(電站機組滿發(fā)對應的水位)選擇一種，按最高尾水位工況選擇一種；也可以考慮采用變頻方式。
4 水電站輔助水力機械系統(tǒng)中油系統(tǒng)的設計
4.1 絕緣油系統(tǒng)
4.1.1 目前水電站采用的主變壓器大多是20～30年免維護型的，除非發(fā)生事故需進行大修，一般情況下是不需要更換絕緣油的，因此筆者建議設計中小型水電站絕緣油系統(tǒng)時省略總的供排油管路；對于梯級電站僅在某一較合適的站點設置絕緣油系統(tǒng)，其他站甚至可以省略絕緣油系統(tǒng)；對地理位置較偏僻的獨立電站，可僅設絕緣油庫及油處理室設備。
4.1.2 對巨型和大型電站，絕緣油庫及油處理室盡量距用油設備近一些，以利節(jié)能降耗。
4.2 透平油系統(tǒng)
4.2.1 對中小型水電站，可適當簡化管路系統(tǒng)設計，如：在各用油部位附近設置活接頭，在供排油總管適當位置設活接頭，其間可采用軟管過渡等，盡量減少不銹鋼管的數量及埋管布置。
4.2.2 對梯級電站而言，可考慮在某站設油分析、化驗設備，其他站可省略。
4.2.3 對巨型和大型電站，可從有利于運行、維護及檢修的角度出發(fā)，考慮配置齊全一些。
此外，油系統(tǒng)在設備布置上，為滿足防火規(guī)范要求，配置的濾紙烘箱應布置在專用的房間內，烘箱電源開關也不能放在室內；油庫中油罐的事故排油操作閥門不能與油罐布置在同一房間，應布置在專用的房間內；對室外布置的管路系統(tǒng)，為防止熱脹冷縮導致管路損壞，應考慮設置玻紋管連接段。
5 水電站輔助水力機械系統(tǒng)中氣系統(tǒng)的設計
5.1 水電站氣系統(tǒng)一般包括中壓氣系統(tǒng)和低壓氣系統(tǒng)，由于目前氣體介質減壓閥尚未達到成熟階段，因此這2個系統(tǒng)在設計時不考慮合用，應盡可能分開設置。
5.2 低壓氣系統(tǒng)中吹掃及檢修供氣單元與機組制動供氣單元盡可能分開設置，并分別設置相應容積的貯氣罐；另外，吹掃及檢修供氣單元可作為制動供氣的備用氣源，以保證制動供氣的可靠性及供氣質量；制動供氣應盡可能干燥、清潔，而吹掃及檢修供氣干燥、清潔度可適當放寬。
5.3 由于供氣管路往往較長有一定的管路損失，使氣體到達供氣設備時壓力達不到設備的額定操作壓力，因此在選擇空壓機時其額定排氣壓力宜比設備的額定操作壓力略高一些，相應的貯氣罐設計壓力也要提高。
6 水電站輔助水力機械系統(tǒng)中水力量測系統(tǒng)的設計
6.1 為保證集水井液位監(jiān)測與控制，應同時配置2種不同型式的液位控制器，如：壓力傳感式及浮子式等，兩者互為備用。
6.2 監(jiān)測尾水管壓力脈動的傳感器宜布置在水輪機的尾水管錐管段，而不宜通過測壓管后再設置傳感器，因為這樣會有衰減影響測量精度。
6.3 在水位計布置上，應有防止水倒灌的措施。
7 水力監(jiān)測系統(tǒng)
為確保電站安全經濟運行，電站設置了全廠性量測儀器儀表和機組段量測儀器儀表。前者包括：上、下游水位采用指示型水位變送器；電站毛水頭采用WT2000DP型差壓變送器；冷卻水溫采用WX型溫度信號器；攔污柵前、后壓差采用WT2000DP型差壓變送器；集水井、生活水池、循環(huán)水池采用水位變送器。以上水位變送器及壓差變送器均通過水位水頭監(jiān)視儀顯示、報警。后者包括：蝸殼進口壓力、尾水管出口壓力采用壓力表顯示，水輪機工作水頭采用WT2000GP型壓力變送器并通過水位水頭監(jiān)視儀顯示；蝸殼測流采用WT2000DP型差壓變送器并通過流量監(jiān)測裝置顯示；主軸密封壓力、轉輪與導葉間壓力采用壓力表顯示；頂蓋壓力、尾水管進口壓力采用壓力真空表顯示；機組振動、主軸擺度采用振動、擺度探測儀及其檢測裝置。水位水頭監(jiān)視儀、流量監(jiān)測裝置、振動擺度檢測裝置與計算機監(jiān)控系統(tǒng)有通信接口。
8 結語
水電站輔助水力機械系統(tǒng)的設計對水電站安全穩(wěn)定運行至關重要。確保合理有效的輔機設計，不僅可以降低成本、節(jié)約投資，更重要的是可以保證水電站主要設備的安全穩(wěn)定運行，方便設備運行及檢修，延長設備使用壽命。為此，該系統(tǒng)各個細節(jié)的設計應當引起設計者的足夠重視。
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