水电站一体化排水系统研究与实践

黄万虎 沈顺云 刘开泰

(华能甘肃水电开发有限公司，甘肃 兰州 730070)

1 概 述

白龙江喜儿沟水电站位于甘肃省舟曲县境内的白龙江干流上游，电站为径流式水电站，额定水头57.8m，设计引用流量141m3/s，电站装有3台混流式机组，总装机容量72MW，年设计发电量2.85亿kW ·h，年设计利用小时3955h[1]。

2 喜儿沟水电站排水系统设计特点

喜儿沟水电站厂房内排水系统分为渗漏排水系统与检修排水系统，两个系统相对独立。喜儿沟水电站设计渗漏排水泵安装于电站蝶阀层，蝶阀层高程为1463.70m，渗漏集水井顶部与蝶阀层层面齐平，集水井深5.4m，底部高程为1458.30m，为厂房最低处。检修泵安装于检修泵坑内，安装高程1462.50m，低于蝶阀层1.2m。

2.1 渗漏排水系统

厂房渗漏排水系统采用集水井集中排水方式，集水井容积为66m3。渗漏排水系统主要任务是抽排渗漏集水井集水，渗漏集水井水源主要来自机坑自流排水、厂房渗漏水、水轮机顶盖漏水、空压机冷却水等。厂房渗漏排水系统主要由2台300JC130-12×3型长轴深井泵与控制柜组成。2台长轴深井泵各用1根DN150排水管，经球阀、逆止阀、示流器后汇至DN250排水母管，排水至尾水。厂房渗漏排水主要特点是高程较低，不能靠自流排至尾水，所以设有集水井，把渗漏水集中起来，用水泵抽出[2]。

2.2 检修排水系统

机组检修排水系统在机组检修时排出蜗壳及尾水流道集水。机组检修排水系统主要由2台100ZW40-30型离心泵、1台QDX3-22-0.75S潜水排污泵及泵控阀、控制柜等组成。检修排水系统设1根DN300检修排水母管，2台检修泵进水管并排安装在机组检修排水母管上，2台检修泵各用1根DN100的排水管，尾水流道集水排至DN300检修排水母管后，分别经DN100排水管、逆止阀、闸阀、示流器后通过检修泵出口后经逆止阀、闸阀排至电站下游尾水。

3 设计排水系统存在的不足

3.1 渗漏排水系统

喜儿沟电站所处白龙江河段水流多年平均含沙量为0.625kg/m3，汛期最大含沙量达9.25kg/m3，水流中所含泥沙成分颗粒小，容易随水流进入机组运行过流部件，经过长时间运行后，机组过流部件发生不同程度磨损，厂内渗漏水量较设计值增大较多，致使水泵启动频繁[3],渗漏排水泵长时间运行，经常出现发热故障。长轴深井泵运行时间长发热后泵轴与橡胶衬套磨损严重，渗漏泵滋水严重，抽排水效率降低，实际抽排水量大大小于设计抽排水量。渗漏排水井底部水平，没有设计集水井清淤设施，运行一段时间造成集水井淤积后，集水井集水容积减小，水位上升速度加快，渗漏排水泵频繁启动。

鉴于以上原因，实际渗漏水量增大，2台水泵采取1台工作、1台备用运行方式已不能满足现场实际需要，由于偶然异常来水或水泵故障，多次发生水淹集水井事故，严重威胁厂房运行安全。

3.2 检修排水系统

喜儿沟水电站检修泵安装于1462.50m高程，低于渗漏集水井顶面1463.70m高程1.2m，由于检修泵安装高程较低，渗漏排水井发生溢水问题后，势必淹没检修排水泵，存在较大安全隐患。

原有检修泵每台每小时排水量约为80m3，单台机组蜗壳及尾水流道集水量约为330m3，机组检修时2台检修泵同时启动抽排单台机组蜗壳及尾水流道集水时间约为2.1h。机组尾水门封水主要靠尾水与尾水流道水位压差挤压尾水门达到止水封水的效果，抽排水速度越快，尾水门封水效果越好。由于检修排水泵设计抽水容量富余量较小，若出现尾水门封水效果不佳、蝶阀渗水等问题，会发生检修泵抽排水时间超过检修泵允许连续工作时间，水泵发热，被迫停止排水作业，抽排水耗时长，影响机组正常检修工期。

原有检修排水系统为独立排水系统，仅在机组检修时使用，经统计，检修泵每年累计使用时间基本不超过80h，其他时间均处于备用状态，设备利用率非常低。另外，蝶阀层较为潮湿，水泵长时间不启用，容易发生水泵电机受潮、绝缘降低等问题。

4 一体化排水系统研究与实践

水电站运行过程中，排水系统虽然比较简单，但却非常重要，若排水不畅，轻则水淹水泵电机，重则可能导致水淹厂房[4]，为确保电站安全，防止发生水淹厂房等重大事故，排水系统的设计就显得尤为重要[5]。喜儿沟水电站一体化排水系统研究实践，是在综合考虑厂房排水系统实际情况的前提下，满足技术先进、经济合理、运行可靠要求[6]，消除排水系统存在的隐患，杜绝因排水系统缺陷引起的水淹厂房事故的发生。

4.1 方案设计

喜儿沟水电站渗漏排水系统与检修排水系统一体化研究，使得检修排水系统具备渗漏排水功能，进一步增强渗漏排水系统的可靠性，确保汛期机组稳定运行，消除水淹厂房隐患。

根据电站现场设备实际布置情况，通过厂房排水系统优化设计,对原有检修泵进行改造，置换两台水泵，在每台检修泵进水口处安装一个三通阀，一头接入检修排水系统，一头接入渗漏排水系统，另一头接入检修泵，在三通阀各进水口安装逆止阀、球阀及示流计，通过手动启动进行检修排水系统与渗漏排水系统切换操作。机组检修时，关闭渗漏排水系统阀门，打开检修排水系统阀门，作为检修排水泵使用；机组不检修时，关闭检修排水系统阀门，打开渗漏排水系统阀门，作为渗漏排水泵使用。

加大检修排水泵功率和扬程，提高水泵每小时抽排水能力，缩短机组检修时检修泵抽排水时间，提高检修工作效率；提高检修泵安装高程，将检修泵由原安装高程为1462.50m提高至1463.70m，提高1.2m，降低水淹检修泵的风险。

4.2 水泵选型

一体化水泵的型号选择必须满足排水功率、吸程、扬程、排水量等方面要求。

原设计水泵功率15kW，吸程5m，扬程30m，排水量80m3/h。经综合比较，一体化水泵选用自吸式无堵塞水泵，型号为ZWII100-100-45,功率22kW，自吸高度8m，扬程45m，排水量100m3/h,转速2900r/min。

一体化水泵安装高程1463.70m，渗漏排水井底部高程为1458.30m，深度5.4m，自吸式无堵塞泵吸程为8m，满足吸程要求；检修排水及渗漏排水均排至厂房尾水，较原设计水泵，一体化泵扬程增加15m，考虑管道内水头损失，扬程满足要求；水泵功率增加，水泵排水量由80m3/h增加至100m3/h，并选用高转速水泵，排水能力大大增加。渗漏、检修一体化排水系统结构见图1。

图1 渗漏、检修一体化排水系统结构

4.3 一体化水泵改造实施

将原有2台检修泵拆除，更换为2台ZWII100-100-45型自吸式无堵塞水泵，安装于1463.7m高程。在原检修泵两根进水管上再增加两条DN100进水管线，每条进水管设置闸阀1台，用于渗漏排水系统与检修排水系统之间切换。焊接长约16m水平DN100管线延伸至渗漏集水井，因水平管线过长，为防止逆流，在靠近渗漏集水井的位置安装逆止阀，逆止阀选用橡胶瓣式阀，该阀采用全流面积式设计，具有水头损失小，不易堆积杂物，维修简单等特性。一体化水泵改造施工工期3天。

喜儿沟水电站一体化水泵改造工期短，施工难度小，改造费用低。经统计，一体化水泵改造共计成本为95520元，经济节约。渗漏、检修一体化排水系统改造实施成本统计见表1。

表1 一体化水泵改造实施成本统计

5 实施效果评价

水泵改造前，非汛期单台机组运行时，渗漏排水系统排水总量约为40m3/h，需要单台渗漏排水泵运行0.4h，休息1h；汛期渗漏水量大，泥沙含量也随之加大，3台机组运行时，总排水量约为160m3/h，需要2台渗漏排水泵运行0.8h，休息0.25h，运行时间较长水泵发热，容易造成水泵故障或水泵电机线圈烧损。一体化排水系统实施后，将新增排水泵切换至渗漏排水系统运行时，全厂渗漏排水泵由2台增加为4台，4台水泵互为备用，非汛期单台机组运行时，单台渗漏排水泵运行0.35h，休息0.9h；汛期，3台机组运行时，可同时启动3台渗漏排水泵，1台渗漏排水泵作为备用泵，根据情况随时进行切换运行，3台渗漏排水泵运行0.6h，休息0.35h，增长渗漏排水泵备用休息时间，消除了水泵频繁启动的隐患，延长渗漏排水泵使用寿命，提高了渗漏排水系统的安全可靠性。

机组检修时，原2台检修排水泵抽排单台机组蜗壳及尾水流道约330m3集水量约需2.1h，一体化排水系统实施后，检修排水系统抽排单台机组蜗壳及尾水流道集水约需要1.6h，减少排水时间0.5h，有效提升了检修排水效率。

机组检修后，水泵性能、抽排水效率大大提高，在机组检修时，抽排水速度加快，尾水与尾水流道水位压差增长速度加快，机组尾水门封水速度加快，可以有效解决尾水门部分密封不严少量渗水造成的封水效果不佳的问题。检修泵由原安装高程1462.50m提高至1463.70m后，经过2年多的运行，没有发生过水淹水泵事件，水淹检修泵的风险大大降低。原检修泵坑长3.5m、宽3.1m、深1.2m，容积13m3，检修泵安装位置改变后，原检修泵坑可作为集水井使用，在发生渗漏排水井溢水等事件后，可在检修泵坑临时架设排水泵，为厂房应急处置创造了便利条件。

6 结 语

喜儿沟水电站排水系统一体化实践研究，将检修排水系统改造后，实现了检修排水系统兼做渗漏排水系统的功能，增加了备用渗漏排水泵数量，减小了渗漏泵启动频繁和故障现象，提高了渗漏排水系统的安全可靠性；水泵功率、扬程增大后，检修排水时间大大缩短。水泵运行2年来，安全可靠，达到了预期效果，证明一体化排水系统设计的合理性。

水电站水淹厂房损失大、危害程度高，水电站管理及运行人员须时刻高度重视水电站水淹厂房面临的风险因素。通过对排水系统一体化研究实践，有效解决了因渗漏集水井排水不及时造成的水淹厂房问题，为水电站安全稳定运行发挥了积极作用，可在同类型水电站中普遍推广应用。

一体化排水系统设计时，没有考虑水泵自动化控制系统，水泵运行只能在现地进行手动操作，后期可进一步改进，实现在上位机远程自动控制功能。在一体化排水系统运行过程中，因一体化水泵至集水井进水口管路长约16m，在进行渗漏排水时，管道受水锤影响，存在轻微振动。后续需对管路进行固定，减少管路振动，保证水泵运行平稳。