蘇迪巴Ⅱ水電站排水系統(tǒng)水泵及管路選型計算分析

張 楊，王 龍，王艷妮，劉國峰

（中國電建集團 西北勘測設(shè)計研究院有限公司，陜西 西安710065）

1 引言

馬里蘇迪巴水電站位于非洲馬里共和國首都巴馬科市區(qū)，電站現(xiàn)裝有2 臺單機容量為2.85 MW 的軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機。蘇迪巴Ⅱ水電站項目主要是對現(xiàn)有的水電站進行擴建，新裝設(shè)2 臺單機容量為3.3 MW 的豎井貫流式水輪機，擴建后總裝機容量為12.3 MW，年發(fā)電量為82.04～92.81 GW·h。該工程目前處于施工詳圖設(shè)計階段，其中電站排水系統(tǒng)的設(shè)計是十分重要的一環(huán)，因此有必要對排水系統(tǒng)設(shè)備及管路的選型進行詳細分析。

2 排水系統(tǒng)設(shè)計概述

水電站廠內(nèi)排水系統(tǒng)的任務(wù)是避免廠房內(nèi)部積水和潮濕，保證機組過水部分和廠房水下部分的檢修[1]。蘇迪巴Ⅱ水電站廠內(nèi)排水系統(tǒng)包括檢修排水和滲漏排水兩部分。鑒于本電站規(guī)模較小，根據(jù)業(yè)主要求，不設(shè)2 個單獨的排水系統(tǒng)，機組檢修排水、廠房滲漏排水采用間接排水的方式，共用1 個集水井。集水井位于2 臺機組之間，當機組檢修時，通過埋設(shè)在進水流道、尾水流道相應(yīng)部位的排水總管，將機組流道內(nèi)的積水排至集水井，再由潛水排污泵將集水井內(nèi)的存水排至下游尾水。檢修滲漏集水井至尾水的管路走向原理圖如圖1 所示。

圖1 集水井至尾水管路走向原理圖

3 滲漏排水泵的流量及水泵出口管路規(guī)格的確定

3.1 滲漏排水量的估算

廠內(nèi)滲漏排水量與電站的地質(zhì)條件、樞紐布置、施工質(zhì)量及設(shè)備制造水平等因素有關(guān)，蘇迪巴Ⅱ水電站廠內(nèi)滲漏排水量包括以下幾部分：①廠房水工建筑物的滲水量；②水輪機主軸密封漏水量；③鋼管伸縮節(jié)和各部供、排水閥門及管件漏水量；④發(fā)電機空氣冷卻器的冷凝水量；⑤貯氣罐、空壓機的排水量及水泵漏水量等。

廠房水工建筑物的滲水量估算值為0.2 L/（s·m），本電站總長約30.87 m，廠房水工建筑物滲水量約22.23 m3/h，考慮一定余量，取30 m3/h。機電設(shè)備滲漏水量（第②項至第⑤項滲漏水量總和）按照10 m3/h 考慮。故廠內(nèi)總的滲漏水量取40 m3/h。集水井內(nèi)，工作水泵啟動水位與停泵水位之間的容積為集水井的有效容積。滲漏集水井有效容積一般按照容納30～60 min 的滲漏水量來考慮，本電站滲漏集水井有效容積按45 min 總滲漏水量計，取滲漏集水井有效容積為30 m3。

3.2 滲漏排水泵流量及水泵出口管路口徑的選擇

滲漏排水泵的流量按照滲漏集水井的有效容積、滲漏水量和排水時間確定。水泵啟動后每次工作時間宜控制在20～30 min 內(nèi)。

（1）滲漏排水泵流量的確定

滲漏排水泵所需的流量可按下式計算：

式中：Q1為滲漏排水泵所需的流量，m3/h；V1為滲漏集水井有效容積，m3；q1為廠內(nèi)總的滲漏水量，m3/h；t為排水時間，取0.5 h。

查閱水泵樣本，選取滲漏排水泵流量為130 m3/h（0.036 11 m3/s）。根據(jù)NB/T 35035-2014《水力發(fā)電廠水力機械輔助設(shè)備系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)規(guī)定》[2]，滲漏排水泵需設(shè)置備用泵，備用泵的流量、揚程宜與工作泵相等，故本電站滲漏排水泵選取兩臺，一臺備用，每臺流量均為130 m3/h。

（2）滲漏排水泵出口管路口徑的計算

排水系統(tǒng)出水管內(nèi)流速一般取2～3 m/s[3]，出水管路內(nèi)徑按照下式計算：

式中：d為排水管路內(nèi)徑，m；v為出水管路流速，取2～3 m/s；Q為選取的水泵的流量，m3/s。

故滲漏排水泵出口管路所需內(nèi)徑為：

根據(jù)計算結(jié)果，選擇滲漏排水泵出口管路規(guī)格為Φ140×5（DN125）。

（3）滲漏排水泵至排水總管的水力損失

根據(jù)前期的設(shè)計，檢修滲漏集水井停泵水位為EL.295.80 m，滲漏排水工作泵啟動水位為EL.297.30 m，滲漏排水備用泵啟動水位為EL.297.60 m。根據(jù)施工圖中實際的管路布置，從單臺滲漏排水泵至排水總管的管路（規(guī)格為Φ140×5）長度約為8.05 m。單臺滲漏排水泵至排水總管的沿程損失hf可用下式計算：

式中：hf為管路沿程損失，m；λ為沿程摩阻水頭損失系數(shù)；v為管路中水流流速，m/s；l為管路長度，m；d為管路直徑，m。

故

局部水力損失按照下式計算：

式中：hm為局部水力損失，m；ξ為局部水力損失系數(shù)，計算值為7.968。

則故單臺滲漏排水泵至排水總管總的水力損失為△h1=0.585+3.01=3.595 m。

4 檢修排水泵的流量及水泵出口管路規(guī)格的確定

4.1 檢修排水量的計算

在計算檢修排水量之前，應(yīng)先確定機組檢修時的下游尾水位，這個水位通常是按照1 臺機組檢修，其余機組在額定負荷下運行時的尾水位來考慮。在實際設(shè)計過程中，機組檢修時的下游尾水位取下游最高尾水位，排水管路出口高程定在下游最高尾水位之上，避免下游尾水通過排水管路倒灌廠房。蘇迪巴Ⅱ水電站項目下游最高尾水位為EL.317.00 m，排水總管管路出口高程定為EL.317.30 m。檢修排水量的大小為1 臺水輪機通流部件內(nèi)的積水和檢修期間上、下游閘門的漏水。根據(jù)水輪發(fā)電機組供貨廠家估算，1 臺機組檢修時，水輪機通流部件內(nèi)的積水約為825 m3。檢修期間上、下游閘門的漏水量按下式計算：

式中：Q2為上、下游閘門漏水量，m3/s；q2為閘門水封每米長的單位時間漏水量，m3/s·m；它與閘門止水裝置的構(gòu)造形式及閘門制造安裝質(zhì)量等有關(guān)，根據(jù)業(yè)主要求，取0.1×10-3m3/s·m；L為閘門水封長度，m。

本電站每臺機組上游閘門均為疊梁檢修門，共分4 節(jié)，單臺機組上游閘門水封長度共計34.35 m；每臺機組下游閘門均為平板閘門，單臺機組下游閘門水封長度共計21.118 m。故單臺機組檢修期間上、下游閘門的漏水量為：Q2=0.1×10-3×（34.35+21.118）=5.55×10-3m3/s=19.98 m3/h

4.2 檢修排水泵流量及水泵出口管路口徑的選擇

檢修排水泵所需的流量可按下式計算：

式中：Q3為檢修排水泵所需的流量，m3/h；V2為水輪機通流部件內(nèi)的積水總?cè)莘e，m3；T為檢修排水時間，一般取4～6 h，按照業(yè)主要求取4 h。

根據(jù)NB/T 35035-2014《水力發(fā)電廠水力機械輔助設(shè)備系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)規(guī)定》[2]，檢修排水泵的臺數(shù)應(yīng)不少于2 臺，不設(shè)備用泵，每1 臺泵的生產(chǎn)率應(yīng)為總生產(chǎn)率的一半。但根據(jù)業(yè)主要求，蘇迪巴Ⅱ水電站項目設(shè)2 臺檢修排水泵，1 臺工作，另1 臺備用。按照業(yè)主的要求，根據(jù)水泵產(chǎn)品樣本，選擇檢修排水泵的流量為250 m3/h（ 0.069 4 m3/s）。

根據(jù)檢修排水泵的流量，結(jié)合排水管路經(jīng)濟流速范圍，計算后選取檢修排水泵出水管路規(guī)格為Φ219×7（DN200）。根據(jù)施工圖中管路和閥門的布置及數(shù)量，經(jīng)計算，單臺檢修排水泵至排水總管總的水力損失為1.662 m。

5 排水總管口徑、滲漏排水泵和檢修排水泵揚程的確定

蘇迪巴Ⅱ水電站設(shè)置兩臺流量均為130 m3/h 的潛水排污泵作為滲漏排水泵，1 臺工作，1 臺備用；設(shè)置2 臺流量均為250 m3/h 的潛水排污泵作為檢修排水泵，1 臺工作，1 臺備用；為了便于集水井的運行維護，根據(jù)業(yè)主要求，另配備1 臺流量為25 m3/h 的潛水排污泵作為清污泵用于集水井清污。檢修排水泵、滲漏排水泵、清污泵的出口管路均連接至排水總管，管路中的水經(jīng)排水總管排向下游。清污泵采取手動操作，集水井的清污避開檢修排水泵和滲漏排水泵的運行時段。由圖1 可知，在機組檢修時，檢修排水工作泵工作的同時，2 臺滲漏排水泵也在工作。此時排水總管中的流量最大，管路損失最大，此時總管中的流量為510 m3/h，即0.141 67 m3/s，根據(jù)排水管路經(jīng)濟流速范圍，經(jīng)計算，取排水總管規(guī)格為Φ273×8（DN250）。根據(jù)施工圖中的管路布置，計算得出排水總管上的水力損失共計為2.26 m。

由圖1 可知，從排水總管出口至停泵水位的高程差均約為△h=317.3-295.8=21.5 m。滲漏排水泵所需的揚程為：H1=3.595+2.26+21.5=27.355 m，檢修排水泵所需的揚程為：H2=1.662+2.26+21.5=25.422 m，查閱水泵樣本，選取滲漏排水泵和檢修排水泵的揚程均為30 m。

6 清污泵的揚程及水泵出口管路規(guī)格的確定

所配備的1 臺清污泵的流量為25 m3/h（0.006 94 m3/s），根據(jù)排水管路經(jīng)濟流速范圍，經(jīng)計算，選取清污泵出水管路規(guī)格為Φ76×4（DN65）。根據(jù)施工圖中管路和閥門的布置及數(shù)量，計算得出清污泵至排水總管出口總的水力損失為2.391 m。排水總管出口至清污泵進口的高程差約為23.55 m，故清污泵所需的揚程為：H3=2.391+23.55=25.941 m。查閱水泵樣本，選取清污泵的揚程為30 m。

根據(jù)選取的水泵的揚程、流量可查得水泵對應(yīng)的電機功率，蘇迪巴Ⅱ水電站最終選取的排水設(shè)備規(guī)格如表1 所示。由表1 可知，滲漏排水潛水排污泵出口口徑與水泵出口所連接管路的規(guī)格不一致；清污排水潛水排污泵出口口徑與水泵出口所連接的管路規(guī)格也不一致。由于水泵為定型產(chǎn)品，因此，在實際設(shè)計過程中需要分別在滲漏排水潛水排污泵出口和清污潛水排污泵出口各添加1 個規(guī)格為DN150/DN125 的異徑管和1 個DN50/DN65 的異徑管。

表1 排水設(shè)備及管路規(guī)格

7 水泵選型中配套電機功率的相關(guān)問題

在對水泵選型計算過程中，確定水泵的流量、揚程之后，按照樣本會直接對應(yīng)一個水泵配套電機的功率。在選型時，參考的水泵產(chǎn)品樣本不同，選取的同類型的水泵參數(shù)（流量、揚程、效率、配套電機功率等）也可能會有一定的差別，這是由水泵廠家的制造水平所決定的。在選擇水泵時，計算的是額定工況下的運行參數(shù)（流量和揚程），水泵在實際運行時，真正的工作點是整個管路的阻力特性曲線與水泵Q-H曲線的交點，也就是說水泵的工作點實際上是由外接管路的阻力特性曲線決定的。

某臺潛水排污泵的Q-H曲線如圖2 所示。由圖2 可以看出，隨著流量的增大，水泵的軸功率不斷增大，水泵的揚程不斷減小。對于所有的水泵，除了設(shè)計點為最佳運行點外，還規(guī)定了一個最小流量點和一個最大流量點，水泵的運行范圍最好是在最小流量點和最大流量點之間，通常而言，這個范圍是水泵額定流量的0.3～1.2 倍。當水泵運行時的流量小于最小流量時，水泵的軸功率遠低于配套電機的額定功率，水泵-電機整套設(shè)備總的效率很低，在這種情況下用泵是十分不經(jīng)濟的；當水泵運行時的流量大于最大流量時，水泵的軸功率可能超過電機的額定功率，當介質(zhì)溫度較高或者電機得不到充分冷卻時，電機就不能長時間工作。

水泵產(chǎn)品樣本中配套的電機功率指的是電機的輸出功率，一般而言，電機與水泵之間是直聯(lián)傳動，傳動效率為1。水泵配套電機的功率可用下式計算[3]：

其中：Q為水泵的流量，m3/s；H為水泵的揚程，m；η為水泵的效率；ηm為傳動效率，取1；Kb為備用系數(shù)，1.05～2.0，水泵軸功率越大，所取的備用系數(shù)越小。

圖2 某水泵性能曲線圖

由于水泵配套的電機都已標準化，最終水泵配套電機的功率是在式（8）計算結(jié)果的基礎(chǔ)上留有一定的裕量，按照相關(guān)國家標準[4]選取的標準電機功率。

在水泵招標過程中，除了對水泵的流量、揚程進行規(guī)定外，還需根據(jù)相關(guān)國家標準[5]對水泵的效率最小值做出要求。由于不同的水泵特性曲線不同，按照式（8）的計算結(jié)果選擇出來的電機功率，可能存在并不能完全覆蓋水泵允許運行范圍內(nèi)的最大軸功率的情況，如果水泵實際在大流量工況點附近運行，水泵的軸功率很可能超過電機的額定功率，造成電機發(fā)熱嚴重，不能長時間工作。因此，建議在招標過程中對水泵配套的電機功率也做出一定的要求，水泵配套電機的功率盡量在水泵運行范圍內(nèi)最大軸功率的1.05～1.10 倍范圍內(nèi)選取，這樣在水泵配套電機成本增加不多的基礎(chǔ)上，可以有效避免水泵在允許運行范圍內(nèi)的大流量工況點運行時電機過度發(fā)熱的情況。

8 小結(jié)

（1）對于水泵選型，選的是流量和揚程，與水泵本身出口口徑無關(guān)，《水電站機電設(shè)計手冊-水力機械》中建議，排水系統(tǒng)出水管路流速采用2～3 m/s，水泵出口連接管路的口徑要根據(jù)水泵流量和建議流速進行計算，如最終計算得出的管路口徑與水泵出口口徑不一致，需在水泵出口添加異徑管。

（2）計算出相對準確的水泵揚程對于水泵的選型和招標非常重要，如果根據(jù)計算結(jié)果選擇的水泵揚程偏大，那么水泵在實際運行的過程中其工作點就會向大流量方向偏移，從而導(dǎo)致水泵的軸功率增大，如果此時水泵配套的電機功率并沒有完全覆蓋在水泵允許運行范圍內(nèi)的最大軸功率，電機就會發(fā)熱嚴重，不能長時間工作。而在計算水泵揚程時，所取的水力損失系數(shù)都是經(jīng)驗值，再考慮到根據(jù)計算結(jié)果留有一定裕量，一般很難保證選取的水泵揚程恰好在水泵的額定工作點。為了避免水泵在實際運行過程中因工作點偏離額定工況較遠而造成電機發(fā)熱嚴重的情況，對水泵招標時，可以在水泵揚程計算相對準確的前提下，建議水泵配套電機的功率盡量在水泵運行范圍內(nèi)最大軸功率的1.05～1.10 倍范圍內(nèi)選取。