邓志红

（广东梅雁吉祥水电股份有限公司，广东 梅州 514759）

灯泡贯流式水轮发电机组节能型排水系统研究

邓志红

（广东梅雁吉祥水电股份有限公司，广东 梅州 514759）

介绍了灯泡贯流式水轮发电机组尾水管排水问题，探讨了灯泡贯流式水轮发电机组节能型排水系统的结构组成和实施方案，有效减少或避免了机组的汽蚀现象，可达到环保省电、提高机电设备耐久性和经济效益，可供水电站设计和运行管理等单位人员参考。

灯泡贯流式；发电机；节能；排水；研究

1 灯泡贯流式水轮发电机组尾水管排水问题

目前的灯泡贯流式水轮发电机组尾水管排水存在如下问题：

（1）为了回收利用流过转轮桨叶后流向尾水的水能，尾水管设计成喇叭状的锥形直管，在水轮机桨叶区域及其下游的转轮室及尾水锥管处会产生负压，但是采用这种结构设计，对桨叶背面和转轮室等容易造成汽蚀，即低温沸腾的汽泡破裂后其周围的水团不断撞击转轮室、水轮机叶片及锥形尾水管处，使得这些位置的设备及结构易受到损坏；

（2）现有技术为了解决汽蚀，将上述设备及结构均采用不锈钢材质制造。虽然可以延长使用的期限，但损坏问题同样存在；

（3）灯泡贯流式水电站机房底部设置有渗漏集水井和用于检修的排水廊道及检修集水井，渗漏集水井用于将厂房内各设备的渗漏水收集，排水廊道和检修集水井则用于关闭机组检修时将位于机组流道内的水排出。目前，常用的解决方法，是在渗漏集水井和检修集水井中安装流量和扬程较大的深井泵，将井内的水抽至河道下游，采用这种结构，如果全厂的渗漏量严重或检修频繁时，每天需要耗费相当大的电量用于支持深井泵的工作；

（4）由于考虑汽蚀的破坏，在灯泡贯流式水轮发电机组设计时，剩余能量的利用即机组吸出高度的确定，会受到汽蚀对机组叶片和转轮室破坏的限制，不会取较大值。

为了解决上述问题，有必要研究灯泡贯流式发电机组节能型排水系统。

2 节能型排水系统的组成

针对现有的灯泡贯流式机组尾水管排水系统和现有技术的不足，经分析研究，提出一种结构合理、使用方便且可以减少汽蚀、降低抽水用电的效果良好的排水系统。

灯泡贯流式水轮发电机组节能型排水系统的组成：

（1）包括设置在各发电机组下方的流道层，其中所述流道层内沿长度方向设有暂存水槽，机房内各设备的渗漏水通过自流管路连接至暂存水槽内，在流道层下部设有渗漏集水井，暂存水槽通过溢流管道与渗漏集水井连接；在发电机组叶轮后侧的转轮室侧壁上分别设有朝向尾水水流方向的第一锥形出水接头，第一锥形出水接头与设置在靠近机组水轮机桨叶后面真空度最大的地方；第一锥形出水接头通过负压吸管与暂存水槽连接，在负压吸管上设有第一止回阀和第一电磁阀，第一电磁阀连接有第一压力传感器，第一压力传感器的检测探头设置在转轮室内壁上且与第一锥形出水接头位于同一圆环上，当负压吸管导通时，暂存水槽内的水在负压吸力下从第一锥形出水接头排出。负压吸管由若干不同管径的不锈钢管组成，第一止回阀和第一电磁阀分别设置在各不锈钢管上。在第一电磁阀和第一锥形出水接头之间的负压吸管上设有第一闸阀。

（2）渗漏集水井内设有水泵，水泵出水口通过导管与最接近的发电机组叶轮后侧的转轮室导通；在导管上设有第二止回阀和第二闸阀。导管与转轮室的接触部设有第二锥形出水接头，导管和转轮室通过第二锥形出水接头导通，所述第二锥形出水接头的锥角为20～40°，在导管上设有第二电磁阀，第二电磁阀连接有第一水位开关，第一水位开关位于渗漏集水井的预设警戒水位处；第二电磁阀与水泵电路连接，在第二电磁阀与水泵之间的电路上设有第一液体流量传感器。

（3）流道层侧边设有检修排水廊道，排水廊道内设有深井泵，深井泵通过负压排水管与各发电机组叶轮后侧的转轮室导通；在负压排水管上沿水流方向依序设有第三止回阀和第三闸阀。负压排水管和对应的转轮室通过第三锥形出水接头导通，在第三止回阀和第三闸阀之间的负压排水管上设有第三电磁阀，第三电磁阀连接有第二水位开关，第二水位开关位于检修排水廊道的预设警戒水位处；所述第三电磁阀与深井泵电路连接，在第三电磁阀与深井泵之间的电路上设有第二液体流量传感器。

灯泡贯流式发电机组节能型排水系统详见图1～图4。

图1节能型排水系统的结构示意图

图3 图1中B处的局部放大示意图

图4 图1中C处的局部放大示意图

图1～图4说明：1-流道层；2-暂存水槽；3-渗漏集水井；3a-水泵；3b-导管；4-溢流道；5-转轮室；6-第一锥形出水接头；7-负压吸管；7a-第一止回阀；7b-第一电磁阀；7c-第一压力传感器；7d-第一闸阀；8-第二锥形出水接头；9-排水廊道；9a-负压排水管；10-第三锥形出水接头。

3 节能型排水系统在电站中的实施方案

按照图1所示，在本系统中第一锥形出水接头6的锥角为20～40°，长度为10～30 cm，合理的锥角及长度，可以有效生成负压进行取水，第一锥形出水接头位于转轮桨叶后侧汽蚀最严重的区域，也即负压最大的区域，在这个区域进行加压，其效果最好；第一锥形出水接头6通过负压吸管7与暂存水槽2连接，在负压吸管7上沿水流方向依序设有第一止回阀7a、第一电磁阀7b和第一闸阀7d，所述第一电磁阀7b连接有第一压力传感器7c，第一压力传感器7c的检测探头设置在转轮室5内壁上且与第一锥形出水接头6位于同一圆环上，当负压吸管7导通时，暂存水槽2内的水在负压吸力下从第一锥形出水接头6排出。

在本实施方案中，负压吸管7由若干不同管径的不锈钢管组成，采用不同管径的不锈钢管，一是为了防止汽蚀的损坏，二是为了在不同压力值下都可以对暂存水槽2内的水进行自然吸取排出，当负压较大时，各种管径的不锈钢管都可以排水，当负压较小时，则小管径的不锈钢管可以排水，保证在预设的负压下限内，可以有不锈钢管进行取水，使用更加灵活。

在渗漏集水井3内设有水泵3a，水泵3a出水口通过导管3b与最接近的发电机组叶轮后侧的转轮室5导通；在导管3b上沿水流方向依序设有第二止回阀和第二闸阀。导管3b与转轮室5的接触部设有第二锥形出水接头8，导管3b和转轮室5通过第二锥形出水接头8导通，在第二止回阀和第二闸阀之间的导管3b上设有第二电磁阀，第二电磁阀连接有第一水位开关，第一水位开关位于渗漏集水井的预设警戒水位处。同时，第二电磁阀与水泵3a电路连接，在第二电磁阀与水泵3a之间的电路上设有第一液体流量传感器。这种结构，当水位到达第一水位开关预设位置时，第一水位开关发出信号给第二电磁阀，控制其导通导管3b；当负压足够，则渗漏集水井3中的水可以通过负压吸出，第一液体流量传感器检测到水流量；当负压不足时，第一液体流量传感器检测到导管3b中的水流不够或没有水流时，则给出信号控制水泵3a进行抽水，水泵3a的停止时间，可以通过第一液体流量传感器计算水流总量，也可以通过设置下限水位开关进行控制。

第二止回阀、第二闸阀和第二电磁阀及第二压力传感器的安装方式，与前述第一止回阀7a、第一闸阀7d和第一电磁阀7b的安装方式相同。采用这种结构，正常情况下，渗漏集水井3中的水可以通过负压进行吸取，当遇到特殊情况时，可以采用水泵3a进行排水。

在流道层1侧边设有排水廊道9，排水廊道9内设有深井泵，深井泵通过负压排水管9a与各发电机组叶轮后侧的转轮室5导通；在负压排水管9a上设有第三止回阀和第三闸阀；在负压排水管9a和对应的转轮室5通过第三锥形出水接头10导通，在第三止回阀和第三闸阀之间的负压排水管9a上设有第三电磁阀，第三电磁阀连接有第二水位开关，第二水位开关位于排水廊道9的预设警戒水位处；所述第三电磁阀与深井泵电路连接，在第三电磁阀与深井泵之间的电路上设有第二液体流量传感器。这种结构，当水位到达第二水位开关预设位置时，第二水位开关发出信号给第二电磁阀，控制其导通负压排水管9a；当负压足够，则排水廊道9中的水可以通过负压吸出，第二液体流量传感器检测到水流量；当负压不足时，第二液体流量传感器检测到负压排水管9a中的水流不够或没有水流时，则给出信号控制深井泵进行抽水，深井泵的停止时间，可以通过第二液体流量传感器计算水流总量，也可以通过设置下限水位开关进行控制。

第三止回阀、第三闸阀和第三电磁阀及第三压力传感器的安装方式，与前述第一止回阀7a、第一闸阀7d和第一电磁阀7b及第一压力传感器7c的安装方式相同，图纸省略。

当需要检修某个发电机组时，则关闭该发电机组对应的第三闸阀，排入排水廊道9内的水通过其他发电机组的负压排水管9a或深井泵排出。

4 节能型排水系统的优点

灯泡贯流式水轮发电机组，实施节能型排水系统具有如下优点：

（1）不仅可以降低转轮室处的负压，优化机组的运行工况，可以有效控制桨叶、转轮室和尾水锥管处的真空度，减少由于负压造成的汽蚀对桨叶、转轮室等的破坏，延长设备的使用寿命；

（2）可以将暂存水槽中的渗漏水吸走，实现渗漏水在不耗电能的情况下排水，显著降低电能消耗；

（3）通过合理设备管径及管的数量，可以实现集水井在不消耗电能的情况下进行排水；

（4）为了更有效的利用水能，在设计时，可以提高水轮机的吸出高度，达到进一步节约厂用电而又不至于导致机组的汽蚀破坏的效果。

5 结束语

灯泡贯流式水轮发电机组，通过实施节能型排水系统，经技术经济比选和运行管理论证，解决了灯泡贯流式水轮发电机组尾水管问题，有效减少或避免机组的汽蚀现象，可达到环保省电、提高机电设备耐久性和经济效益，可供水电站设计和运行管理等单位人员参考、借鉴。该节能型排水系统于2016年1月获得国家知识产权局国家技术发明专利，专利号：ZL2014 1 0392838.X。目前该节能型排水系统设计图纸正在优化，并试用于某水电。

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1672-5387（2017）06-0007-03

10.13599/j.cnki.11-5130.2017.06.003

2017-04-20

邓志红（1976-），男，高级工程师，从事水电站机电技术管理工作。