张 杨，王 龙，王艳妮，刘国峰

（中国电建集团 西北勘测设计研究院有限公司，陕西 西安710065）

1 引言

马里苏迪巴水电站位于非洲马里共和国首都巴马科市区，电站现装有2 台单机容量为2.85 MW 的轴流转桨式水轮机。苏迪巴Ⅱ水电站项目主要是对现有的水电站进行扩建，新装设2 台单机容量为3.3 MW 的竖井贯流式水轮机，扩建后总装机容量为12.3 MW，年发电量为82.04～92.81 GW·h。该工程目前处于施工详图设计阶段，其中电站排水系统的设计是十分重要的一环，因此有必要对排水系统设备及管路的选型进行详细分析。

2 排水系统设计概述

水电站厂内排水系统的任务是避免厂房内部积水和潮湿，保证机组过水部分和厂房水下部分的检修[1]。苏迪巴Ⅱ水电站厂内排水系统包括检修排水和渗漏排水两部分。鉴于本电站规模较小，根据业主要求，不设2 个单独的排水系统，机组检修排水、厂房渗漏排水采用间接排水的方式，共用1 个集水井。集水井位于2 台机组之间，当机组检修时，通过埋设在进水流道、尾水流道相应部位的排水总管，将机组流道内的积水排至集水井，再由潜水排污泵将集水井内的存水排至下游尾水。检修渗漏集水井至尾水的管路走向原理图如图1 所示。

图1 集水井至尾水管路走向原理图

3 渗漏排水泵的流量及水泵出口管路规格的确定

3.1 渗漏排水量的估算

厂内渗漏排水量与电站的地质条件、枢纽布置、施工质量及设备制造水平等因素有关，苏迪巴Ⅱ水电站厂内渗漏排水量包括以下几部分：①厂房水工建筑物的渗水量；②水轮机主轴密封漏水量；③钢管伸缩节和各部供、排水阀门及管件漏水量；④发电机空气冷却器的冷凝水量；⑤贮气罐、空压机的排水量及水泵漏水量等。

厂房水工建筑物的渗水量估算值为0.2 L/（s·m），本电站总长约30.87 m，厂房水工建筑物渗水量约22.23 m3/h，考虑一定余量，取30 m3/h。机电设备渗漏水量（第②项至第⑤项渗漏水量总和）按照10 m3/h 考虑。故厂内总的渗漏水量取40 m3/h。集水井内，工作水泵启动水位与停泵水位之间的容积为集水井的有效容积。渗漏集水井有效容积一般按照容纳30～60 min 的渗漏水量来考虑，本电站渗漏集水井有效容积按45 min 总渗漏水量计，取渗漏集水井有效容积为30 m3。

3.2 渗漏排水泵流量及水泵出口管路口径的选择

渗漏排水泵的流量按照渗漏集水井的有效容积、渗漏水量和排水时间确定。水泵启动后每次工作时间宜控制在20～30 min 内。

（1）渗漏排水泵流量的确定

渗漏排水泵所需的流量可按下式计算：

式中：Q1为渗漏排水泵所需的流量，m3/h；V1为渗漏集水井有效容积，m3；q1为厂内总的渗漏水量，m3/h；t为排水时间，取0.5 h。

查阅水泵样本，选取渗漏排水泵流量为130 m3/h（0.036 11 m3/s）。根据NB/T 35035-2014《水力发电厂水力机械辅助设备系统设计技术规定》[2]，渗漏排水泵需设置备用泵，备用泵的流量、扬程宜与工作泵相等，故本电站渗漏排水泵选取两台，一台备用，每台流量均为130 m3/h。

（2）渗漏排水泵出口管路口径的计算

排水系统出水管内流速一般取2～3 m/s[3]，出水管路内径按照下式计算：

式中：d为排水管路内径，m；v为出水管路流速，取2～3 m/s；Q为选取的水泵的流量，m3/s。

故渗漏排水泵出口管路所需内径为：

根据计算结果，选择渗漏排水泵出口管路规格为Φ140×5（DN125）。

（3）渗漏排水泵至排水总管的水力损失

根据前期的设计，检修渗漏集水井停泵水位为EL.295.80 m，渗漏排水工作泵启动水位为EL.297.30 m，渗漏排水备用泵启动水位为EL.297.60 m。根据施工图中实际的管路布置，从单台渗漏排水泵至排水总管的管路（规格为Φ140×5）长度约为8.05 m。单台渗漏排水泵至排水总管的沿程损失hf可用下式计算：

式中：hf为管路沿程损失，m；λ为沿程摩阻水头损失系数；v为管路中水流流速，m/s；l为管路长度，m；d为管路直径，m。

故

局部水力损失按照下式计算：

式中：hm为局部水力损失，m；ξ为局部水力损失系数，计算值为7.968。

则故单台渗漏排水泵至排水总管总的水力损失为△h1=0.585+3.01=3.595 m。

4 检修排水泵的流量及水泵出口管路规格的确定

4.1 检修排水量的计算

在计算检修排水量之前，应先确定机组检修时的下游尾水位，这个水位通常是按照1 台机组检修，其余机组在额定负荷下运行时的尾水位来考虑。在实际设计过程中，机组检修时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，避免下游尾水通过排水管路倒灌厂房。苏迪巴Ⅱ水电站项目下游最高尾水位为EL.317.00 m，排水总管管路出口高程定为EL.317.30 m。检修排水量的大小为1 台水轮机通流部件内的积水和检修期间上、下游闸门的漏水。根据水轮发电机组供货厂家估算，1 台机组检修时，水轮机通流部件内的积水约为825 m3。检修期间上、下游闸门的漏水量按下式计算：

式中：Q2为上、下游闸门漏水量，m3/s；q2为闸门水封每米长的单位时间漏水量，m3/s·m；它与闸门止水装置的构造形式及闸门制造安装质量等有关，根据业主要求，取0.1×10-3m3/s·m；L为闸门水封长度，m。

本电站每台机组上游闸门均为叠梁检修门，共分4 节，单台机组上游闸门水封长度共计34.35 m；每台机组下游闸门均为平板闸门，单台机组下游闸门水封长度共计21.118 m。故单台机组检修期间上、下游闸门的漏水量为：Q2=0.1×10-3×（34.35+21.118）=5.55×10-3m3/s=19.98 m3/h

4.2 检修排水泵流量及水泵出口管路口径的选择

检修排水泵所需的流量可按下式计算：

式中：Q3为检修排水泵所需的流量，m3/h；V2为水轮机通流部件内的积水总容积，m3；T为检修排水时间，一般取4～6 h，按照业主要求取4 h。

根据NB/T 35035-2014《水力发电厂水力机械辅助设备系统设计技术规定》[2]，检修排水泵的台数应不少于2 台，不设备用泵，每1 台泵的生产率应为总生产率的一半。但根据业主要求，苏迪巴Ⅱ水电站项目设2 台检修排水泵，1 台工作，另1 台备用。按照业主的要求，根据水泵产品样本，选择检修排水泵的流量为250 m3/h（ 0.069 4 m3/s）。

根据检修排水泵的流量，结合排水管路经济流速范围，计算后选取检修排水泵出水管路规格为Φ219×7（DN200）。根据施工图中管路和阀门的布置及数量，经计算，单台检修排水泵至排水总管总的水力损失为1.662 m。

5 排水总管口径、渗漏排水泵和检修排水泵扬程的确定

苏迪巴Ⅱ水电站设置两台流量均为130 m3/h 的潜水排污泵作为渗漏排水泵，1 台工作，1 台备用；设置2 台流量均为250 m3/h 的潜水排污泵作为检修排水泵，1 台工作，1 台备用；为了便于集水井的运行维护，根据业主要求，另配备1 台流量为25 m3/h 的潜水排污泵作为清污泵用于集水井清污。检修排水泵、渗漏排水泵、清污泵的出口管路均连接至排水总管，管路中的水经排水总管排向下游。清污泵采取手动操作，集水井的清污避开检修排水泵和渗漏排水泵的运行时段。由图1 可知，在机组检修时，检修排水工作泵工作的同时，2 台渗漏排水泵也在工作。此时排水总管中的流量最大，管路损失最大，此时总管中的流量为510 m3/h，即0.141 67 m3/s，根据排水管路经济流速范围，经计算，取排水总管规格为Φ273×8（DN250）。根据施工图中的管路布置，计算得出排水总管上的水力损失共计为2.26 m。

由图1 可知，从排水总管出口至停泵水位的高程差均约为△h=317.3-295.8=21.5 m。渗漏排水泵所需的扬程为：H1=3.595+2.26+21.5=27.355 m，检修排水泵所需的扬程为：H2=1.662+2.26+21.5=25.422 m，查阅水泵样本，选取渗漏排水泵和检修排水泵的扬程均为30 m。

6 清污泵的扬程及水泵出口管路规格的确定

所配备的1 台清污泵的流量为25 m3/h（0.006 94 m3/s），根据排水管路经济流速范围，经计算，选取清污泵出水管路规格为Φ76×4（DN65）。根据施工图中管路和阀门的布置及数量，计算得出清污泵至排水总管出口总的水力损失为2.391 m。排水总管出口至清污泵进口的高程差约为23.55 m，故清污泵所需的扬程为：H3=2.391+23.55=25.941 m。查阅水泵样本，选取清污泵的扬程为30 m。

根据选取的水泵的扬程、流量可查得水泵对应的电机功率，苏迪巴Ⅱ水电站最终选取的排水设备规格如表1 所示。由表1 可知，渗漏排水潜水排污泵出口口径与水泵出口所连接管路的规格不一致；清污排水潜水排污泵出口口径与水泵出口所连接的管路规格也不一致。由于水泵为定型产品，因此，在实际设计过程中需要分别在渗漏排水潜水排污泵出口和清污潜水排污泵出口各添加1 个规格为DN150/DN125 的异径管和1 个DN50/DN65 的异径管。

表1 排水设备及管路规格

7 水泵选型中配套电机功率的相关问题

在对水泵选型计算过程中，确定水泵的流量、扬程之后，按照样本会直接对应一个水泵配套电机的功率。在选型时，参考的水泵产品样本不同，选取的同类型的水泵参数（流量、扬程、效率、配套电机功率等）也可能会有一定的差别，这是由水泵厂家的制造水平所决定的。在选择水泵时，计算的是额定工况下的运行参数（流量和扬程），水泵在实际运行时，真正的工作点是整个管路的阻力特性曲线与水泵Q-H曲线的交点，也就是说水泵的工作点实际上是由外接管路的阻力特性曲线决定的。

某台潜水排污泵的Q-H曲线如图2 所示。由图2 可以看出，随着流量的增大，水泵的轴功率不断增大，水泵的扬程不断减小。对于所有的水泵，除了设计点为最佳运行点外，还规定了一个最小流量点和一个最大流量点，水泵的运行范围最好是在最小流量点和最大流量点之间，通常而言，这个范围是水泵额定流量的0.3～1.2 倍。当水泵运行时的流量小于最小流量时，水泵的轴功率远低于配套电机的额定功率，水泵-电机整套设备总的效率很低，在这种情况下用泵是十分不经济的；当水泵运行时的流量大于最大流量时，水泵的轴功率可能超过电机的额定功率，当介质温度较高或者电机得不到充分冷却时，电机就不能长时间工作。

水泵产品样本中配套的电机功率指的是电机的输出功率，一般而言，电机与水泵之间是直联传动，传动效率为1。水泵配套电机的功率可用下式计算[3]：

其中：Q为水泵的流量，m3/s；H为水泵的扬程，m；η为水泵的效率；ηm为传动效率，取1；Kb为备用系数，1.05～2.0，水泵轴功率越大，所取的备用系数越小。

图2 某水泵性能曲线图

由于水泵配套的电机都已标准化，最终水泵配套电机的功率是在式（8）计算结果的基础上留有一定的裕量，按照相关国家标准[4]选取的标准电机功率。

在水泵招标过程中，除了对水泵的流量、扬程进行规定外，还需根据相关国家标准[5]对水泵的效率最小值做出要求。由于不同的水泵特性曲线不同，按照式（8）的计算结果选择出来的电机功率，可能存在并不能完全覆盖水泵允许运行范围内的最大轴功率的情况，如果水泵实际在大流量工况点附近运行，水泵的轴功率很可能超过电机的额定功率，造成电机发热严重，不能长时间工作。因此，建议在招标过程中对水泵配套的电机功率也做出一定的要求，水泵配套电机的功率尽量在水泵运行范围内最大轴功率的1.05～1.10 倍范围内选取，这样在水泵配套电机成本增加不多的基础上，可以有效避免水泵在允许运行范围内的大流量工况点运行时电机过度发热的情况。

8 小结

（1）对于水泵选型，选的是流量和扬程，与水泵本身出口口径无关，《水电站机电设计手册-水力机械》中建议，排水系统出水管路流速采用2～3 m/s，水泵出口连接管路的口径要根据水泵流量和建议流速进行计算，如最终计算得出的管路口径与水泵出口口径不一致，需在水泵出口添加异径管。

（2）计算出相对准确的水泵扬程对于水泵的选型和招标非常重要，如果根据计算结果选择的水泵扬程偏大，那么水泵在实际运行的过程中其工作点就会向大流量方向偏移，从而导致水泵的轴功率增大，如果此时水泵配套的电机功率并没有完全覆盖在水泵允许运行范围内的最大轴功率，电机就会发热严重，不能长时间工作。而在计算水泵扬程时，所取的水力损失系数都是经验值，再考虑到根据计算结果留有一定裕量，一般很难保证选取的水泵扬程恰好在水泵的额定工作点。为了避免水泵在实际运行过程中因工作点偏离额定工况较远而造成电机发热严重的情况，对水泵招标时，可以在水泵扬程计算相对准确的前提下，建议水泵配套电机的功率尽量在水泵运行范围内最大轴功率的1.05～1.10 倍范围内选取。