燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)組節(jié)能型排水系統(tǒng)研究

鄧志紅

（廣東梅雁吉祥水電股份有限公司，廣東 梅州 514759）

燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)組節(jié)能型排水系統(tǒng)研究

鄧志紅

（廣東梅雁吉祥水電股份有限公司，廣東 梅州 514759）

介紹了燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)組尾水管排水問(wèn)題，探討了燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)組節(jié)能型排水系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成和實(shí)施方案，有效減少或避免了機(jī)組的汽蝕現(xiàn)象，可達(dá)到環(huán)保省電、提高機(jī)電設(shè)備耐久性和經(jīng)濟(jì)效益，可供水電站設(shè)計(jì)和運(yùn)行管理等單位人員參考。

燈泡貫流式；發(fā)電機(jī)；節(jié)能；排水；研究

1 燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)組尾水管排水問(wèn)題

目前的燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)組尾水管排水存在如下問(wèn)題：

（1）為了回收利用流過(guò)轉(zhuǎn)輪槳葉后流向尾水的水能，尾水管設(shè)計(jì)成喇叭狀的錐形直管，在水輪機(jī)槳葉區(qū)域及其下游的轉(zhuǎn)輪室及尾水錐管處會(huì)產(chǎn)生負(fù)壓，但是采用這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對(duì)槳葉背面和轉(zhuǎn)輪室等容易造成汽蝕，即低溫沸騰的汽泡破裂后其周圍的水團(tuán)不斷撞擊轉(zhuǎn)輪室、水輪機(jī)葉片及錐形尾水管處，使得這些位置的設(shè)備及結(jié)構(gòu)易受到損壞；

（2）現(xiàn)有技術(shù)為了解決汽蝕，將上述設(shè)備及結(jié)構(gòu)均采用不銹鋼材質(zhì)制造。雖然可以延長(zhǎng)使用的期限，但損壞問(wèn)題同樣存在；

（3）燈泡貫流式水電站機(jī)房底部設(shè)置有滲漏集水井和用于檢修的排水廊道及檢修集水井，滲漏集水井用于將廠房?jī)?nèi)各設(shè)備的滲漏水收集，排水廊道和檢修集水井則用于關(guān)閉機(jī)組檢修時(shí)將位于機(jī)組流道內(nèi)的水排出。目前，常用的解決方法，是在滲漏集水井和檢修集水井中安裝流量和揚(yáng)程較大的深井泵，將井內(nèi)的水抽至河道下游，采用這種結(jié)構(gòu)，如果全廠的滲漏量嚴(yán)重或檢修頻繁時(shí)，每天需要耗費(fèi)相當(dāng)大的電量用于支持深井泵的工作；

（4）由于考慮汽蝕的破壞，在燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)時(shí)，剩余能量的利用即機(jī)組吸出高度的確定，會(huì)受到汽蝕對(duì)機(jī)組葉片和轉(zhuǎn)輪室破壞的限制，不會(huì)取較大值。

為了解決上述問(wèn)題，有必要研究燈泡貫流式發(fā)電機(jī)組節(jié)能型排水系統(tǒng)。

2 節(jié)能型排水系統(tǒng)的組成

針對(duì)現(xiàn)有的燈泡貫流式機(jī)組尾水管排水系統(tǒng)和現(xiàn)有技術(shù)的不足，經(jīng)分析研究，提出一種結(jié)構(gòu)合理、使用方便且可以減少汽蝕、降低抽水用電的效果良好的排水系統(tǒng)。

燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)組節(jié)能型排水系統(tǒng)的組成：

（1）包括設(shè)置在各發(fā)電機(jī)組下方的流道層，其中所述流道層內(nèi)沿長(zhǎng)度方向設(shè)有暫存水槽，機(jī)房?jī)?nèi)各設(shè)備的滲漏水通過(guò)自流管路連接至?xí)捍嫠蹆?nèi)，在流道層下部設(shè)有滲漏集水井，暫存水槽通過(guò)溢流管道與滲漏集水井連接；在發(fā)電機(jī)組葉輪后側(cè)的轉(zhuǎn)輪室側(cè)壁上分別設(shè)有朝向尾水水流方向的第一錐形出水接頭，第一錐形出水接頭與設(shè)置在靠近機(jī)組水輪機(jī)槳葉后面真空度最大的地方；第一錐形出水接頭通過(guò)負(fù)壓吸管與暫存水槽連接，在負(fù)壓吸管上設(shè)有第一止回閥和第一電磁閥，第一電磁閥連接有第一壓力傳感器，第一壓力傳感器的檢測(cè)探頭設(shè)置在轉(zhuǎn)輪室內(nèi)壁上且與第一錐形出水接頭位于同一圓環(huán)上，當(dāng)負(fù)壓吸管導(dǎo)通時(shí)，暫存水槽內(nèi)的水在負(fù)壓吸力下從第一錐形出水接頭排出。負(fù)壓吸管由若干不同管徑的不銹鋼管組成，第一止回閥和第一電磁閥分別設(shè)置在各不銹鋼管上。在第一電磁閥和第一錐形出水接頭之間的負(fù)壓吸管上設(shè)有第一閘閥。

（2）滲漏集水井內(nèi)設(shè)有水泵，水泵出水口通過(guò)導(dǎo)管與最接近的發(fā)電機(jī)組葉輪后側(cè)的轉(zhuǎn)輪室導(dǎo)通；在導(dǎo)管上設(shè)有第二止回閥和第二閘閥。導(dǎo)管與轉(zhuǎn)輪室的接觸部設(shè)有第二錐形出水接頭，導(dǎo)管和轉(zhuǎn)輪室通過(guò)第二錐形出水接頭導(dǎo)通，所述第二錐形出水接頭的錐角為20～40°，在導(dǎo)管上設(shè)有第二電磁閥，第二電磁閥連接有第一水位開(kāi)關(guān)，第一水位開(kāi)關(guān)位于滲漏集水井的預(yù)設(shè)警戒水位處；第二電磁閥與水泵電路連接，在第二電磁閥與水泵之間的電路上設(shè)有第一液體流量傳感器。

（3）流道層側(cè)邊設(shè)有檢修排水廊道，排水廊道內(nèi)設(shè)有深井泵，深井泵通過(guò)負(fù)壓排水管與各發(fā)電機(jī)組葉輪后側(cè)的轉(zhuǎn)輪室導(dǎo)通；在負(fù)壓排水管上沿水流方向依序設(shè)有第三止回閥和第三閘閥。負(fù)壓排水管和對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)輪室通過(guò)第三錐形出水接頭導(dǎo)通，在第三止回閥和第三閘閥之間的負(fù)壓排水管上設(shè)有第三電磁閥，第三電磁閥連接有第二水位開(kāi)關(guān)，第二水位開(kāi)關(guān)位于檢修排水廊道的預(yù)設(shè)警戒水位處；所述第三電磁閥與深井泵電路連接，在第三電磁閥與深井泵之間的電路上設(shè)有第二液體流量傳感器。

燈泡貫流式發(fā)電機(jī)組節(jié)能型排水系統(tǒng)詳見(jiàn)圖1～圖4。

圖1節(jié)能型排水系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 圖1中B處的局部放大示意圖

圖4 圖1中C處的局部放大示意圖

圖1～圖4說(shuō)明：1-流道層；2-暫存水槽；3-滲漏集水井；3a-水泵；3b-導(dǎo)管；4-溢流道；5-轉(zhuǎn)輪室；6-第一錐形出水接頭；7-負(fù)壓吸管；7a-第一止回閥；7b-第一電磁閥；7c-第一壓力傳感器；7d-第一閘閥；8-第二錐形出水接頭；9-排水廊道；9a-負(fù)壓排水管；10-第三錐形出水接頭。

3 節(jié)能型排水系統(tǒng)在電站中的實(shí)施方案

按照?qǐng)D1所示，在本系統(tǒng)中第一錐形出水接頭6的錐角為20～40°，長(zhǎng)度為10～30 cm，合理的錐角及長(zhǎng)度，可以有效生成負(fù)壓進(jìn)行取水，第一錐形出水接頭位于轉(zhuǎn)輪槳葉后側(cè)汽蝕最嚴(yán)重的區(qū)域，也即負(fù)壓最大的區(qū)域，在這個(gè)區(qū)域進(jìn)行加壓，其效果最好；第一錐形出水接頭6通過(guò)負(fù)壓吸管7與暫存水槽2連接，在負(fù)壓吸管7上沿水流方向依序設(shè)有第一止回閥7a、第一電磁閥7b和第一閘閥7d，所述第一電磁閥7b連接有第一壓力傳感器7c，第一壓力傳感器7c的檢測(cè)探頭設(shè)置在轉(zhuǎn)輪室5內(nèi)壁上且與第一錐形出水接頭6位于同一圓環(huán)上，當(dāng)負(fù)壓吸管7導(dǎo)通時(shí)，暫存水槽2內(nèi)的水在負(fù)壓吸力下從第一錐形出水接頭6排出。

在本實(shí)施方案中，負(fù)壓吸管7由若干不同管徑的不銹鋼管組成，采用不同管徑的不銹鋼管，一是為了防止汽蝕的損壞，二是為了在不同壓力值下都可以對(duì)暫存水槽2內(nèi)的水進(jìn)行自然吸取排出，當(dāng)負(fù)壓較大時(shí)，各種管徑的不銹鋼管都可以排水，當(dāng)負(fù)壓較小時(shí)，則小管徑的不銹鋼管可以排水，保證在預(yù)設(shè)的負(fù)壓下限內(nèi)，可以有不銹鋼管進(jìn)行取水，使用更加靈活。

在滲漏集水井3內(nèi)設(shè)有水泵3a，水泵3a出水口通過(guò)導(dǎo)管3b與最接近的發(fā)電機(jī)組葉輪后側(cè)的轉(zhuǎn)輪室5導(dǎo)通；在導(dǎo)管3b上沿水流方向依序設(shè)有第二止回閥和第二閘閥。導(dǎo)管3b與轉(zhuǎn)輪室5的接觸部設(shè)有第二錐形出水接頭8，導(dǎo)管3b和轉(zhuǎn)輪室5通過(guò)第二錐形出水接頭8導(dǎo)通，在第二止回閥和第二閘閥之間的導(dǎo)管3b上設(shè)有第二電磁閥，第二電磁閥連接有第一水位開(kāi)關(guān)，第一水位開(kāi)關(guān)位于滲漏集水井的預(yù)設(shè)警戒水位處。同時(shí)，第二電磁閥與水泵3a電路連接，在第二電磁閥與水泵3a之間的電路上設(shè)有第一液體流量傳感器。這種結(jié)構(gòu)，當(dāng)水位到達(dá)第一水位開(kāi)關(guān)預(yù)設(shè)位置時(shí)，第一水位開(kāi)關(guān)發(fā)出信號(hào)給第二電磁閥，控制其導(dǎo)通導(dǎo)管3b；當(dāng)負(fù)壓足夠，則滲漏集水井3中的水可以通過(guò)負(fù)壓吸出，第一液體流量傳感器檢測(cè)到水流量；當(dāng)負(fù)壓不足時(shí)，第一液體流量傳感器檢測(cè)到導(dǎo)管3b中的水流不夠或沒(méi)有水流時(shí)，則給出信號(hào)控制水泵3a進(jìn)行抽水，水泵3a的停止時(shí)間，可以通過(guò)第一液體流量傳感器計(jì)算水流總量，也可以通過(guò)設(shè)置下限水位開(kāi)關(guān)進(jìn)行控制。

第二止回閥、第二閘閥和第二電磁閥及第二壓力傳感器的安裝方式，與前述第一止回閥7a、第一閘閥7d和第一電磁閥7b的安裝方式相同。采用這種結(jié)構(gòu)，正常情況下，滲漏集水井3中的水可以通過(guò)負(fù)壓進(jìn)行吸取，當(dāng)遇到特殊情況時(shí)，可以采用水泵3a進(jìn)行排水。

在流道層1側(cè)邊設(shè)有排水廊道9，排水廊道9內(nèi)設(shè)有深井泵，深井泵通過(guò)負(fù)壓排水管9a與各發(fā)電機(jī)組葉輪后側(cè)的轉(zhuǎn)輪室5導(dǎo)通；在負(fù)壓排水管9a上設(shè)有第三止回閥和第三閘閥；在負(fù)壓排水管9a和對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)輪室5通過(guò)第三錐形出水接頭10導(dǎo)通，在第三止回閥和第三閘閥之間的負(fù)壓排水管9a上設(shè)有第三電磁閥，第三電磁閥連接有第二水位開(kāi)關(guān)，第二水位開(kāi)關(guān)位于排水廊道9的預(yù)設(shè)警戒水位處；所述第三電磁閥與深井泵電路連接，在第三電磁閥與深井泵之間的電路上設(shè)有第二液體流量傳感器。這種結(jié)構(gòu)，當(dāng)水位到達(dá)第二水位開(kāi)關(guān)預(yù)設(shè)位置時(shí)，第二水位開(kāi)關(guān)發(fā)出信號(hào)給第二電磁閥，控制其導(dǎo)通負(fù)壓排水管9a；當(dāng)負(fù)壓足夠，則排水廊道9中的水可以通過(guò)負(fù)壓吸出，第二液體流量傳感器檢測(cè)到水流量；當(dāng)負(fù)壓不足時(shí)，第二液體流量傳感器檢測(cè)到負(fù)壓排水管9a中的水流不夠或沒(méi)有水流時(shí)，則給出信號(hào)控制深井泵進(jìn)行抽水，深井泵的停止時(shí)間，可以通過(guò)第二液體流量傳感器計(jì)算水流總量，也可以通過(guò)設(shè)置下限水位開(kāi)關(guān)進(jìn)行控制。

第三止回閥、第三閘閥和第三電磁閥及第三壓力傳感器的安裝方式，與前述第一止回閥7a、第一閘閥7d和第一電磁閥7b及第一壓力傳感器7c的安裝方式相同，圖紙省略。

當(dāng)需要檢修某個(gè)發(fā)電機(jī)組時(shí)，則關(guān)閉該發(fā)電機(jī)組對(duì)應(yīng)的第三閘閥，排入排水廊道9內(nèi)的水通過(guò)其他發(fā)電機(jī)組的負(fù)壓排水管9a或深井泵排出。

4 節(jié)能型排水系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)

燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)組，實(shí)施節(jié)能型排水系統(tǒng)具有如下優(yōu)點(diǎn)：

（1）不僅可以降低轉(zhuǎn)輪室處的負(fù)壓，優(yōu)化機(jī)組的運(yùn)行工況，可以有效控制槳葉、轉(zhuǎn)輪室和尾水錐管處的真空度，減少由于負(fù)壓造成的汽蝕對(duì)槳葉、轉(zhuǎn)輪室等的破壞，延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命；

（2）可以將暫存水槽中的滲漏水吸走，實(shí)現(xiàn)滲漏水在不耗電能的情況下排水，顯著降低電能消耗；

（3）通過(guò)合理設(shè)備管徑及管的數(shù)量，可以實(shí)現(xiàn)集水井在不消耗電能的情況下進(jìn)行排水；

（4）為了更有效的利用水能，在設(shè)計(jì)時(shí)，可以提高水輪機(jī)的吸出高度，達(dá)到進(jìn)一步節(jié)約廠用電而又不至于導(dǎo)致機(jī)組的汽蝕破壞的效果。

5 結(jié)束語(yǔ)

燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)組，通過(guò)實(shí)施節(jié)能型排水系統(tǒng)，經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比選和運(yùn)行管理論證，解決了燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)組尾水管問(wèn)題，有效減少或避免機(jī)組的汽蝕現(xiàn)象，可達(dá)到環(huán)保省電、提高機(jī)電設(shè)備耐久性和經(jīng)濟(jì)效益，可供水電站設(shè)計(jì)和運(yùn)行管理等單位人員參考、借鑒。該節(jié)能型排水系統(tǒng)于2016年1月獲得國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局國(guó)家技術(shù)發(fā)明專利，專利號(hào)：ZL2014 1 0392838.X。目前該節(jié)能型排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖紙正在優(yōu)化，并試用于某水電。

TK733+.8

B

1672-5387（2017）06-0007-03

10.13599/j.cnki.11-5130.2017.06.003

2017-04-20

鄧志紅（1976-），男，高級(jí)工程師，從事水電站機(jī)電技術(shù)管理工作。