（中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司 云南昆明 650051）
摘要：排水系统是水电站安全运行的重要环节之一，对采用地下厂房的水电站，排水系统的安全可靠运行更加尤为重要。结合糯扎渡水电站巨型地下厂房的特点开展排水系统优化设计并配置了充足的设备，经实践证明，满足电站安全可靠运行要求。
关键词：地下厂房 排水系统 设计 糯扎渡水电站
Design of drainage system for the giant underground powerhouse of Nuozhadu Hydropower Station
Yao Jian-guo
（Powerchina Kunming Engineering Corporation Limited, Kunming, Yunnan, 650051)
Abstract：Drainage system is one of the important aspects in the safe operation of hydropower stations. It is especially important for the safe and reliable operation of the drainage system in hydropower stations with underground powerhouses. According to the characteristics of the giant underground powerhouse of Nuozhadu Hydropower Station, the drainage system is optimized and equipped with sufficent equipment. It has been proved by practice that it meets the requirements of safe and reliable operation of the power station.
Key Words：underground powerhouse, drainage system, design, Nuozhadu Hydropower Station
1引言
糯扎渡水电站位于云南省普洱市思茅区和澜沧县交界处的澜沧江下游干流上，系澜沧江中下游河段规划八个梯级中的第五级。电站厂房为地下式，厂内装设9台单机容量650MW混流式水轮发电机组及其附属设备。
糯扎渡水电站发电厂房布置在左岸溢洪道和泄洪隧洞之间的天然缓坡平台下方山体内，垂直埋深184～220m，水平埋深大于265m（沿轴线方向）。地下厂房系统主要由主副厂房、主变洞、尾闸洞、母线洞、出线竖井、进厂交通洞、排水廊道等组成，厂房洞、主变洞和尾闸洞三者平行布置。主副厂房总长418m，跨度29m，顺水流方向从右到左依次为副安装场、主机间、主安装场及地下副厂房。主变室布置于主厂房下游侧，两洞室净距45.75m，主变室总长348m，跨度19m，内设主变层、GIL层及GIS层。主变室上游设9条母线洞与主厂房相连。
排水系统是水电站比较容易发生故障的部位，若排水系统不可靠，就会引起水淹厂房的重大事故，严重威胁水电站的安全和可靠运行。本电站厂房及主要设备均位于尾水位以下，山体渗水、天然降水及生产生活用水等均可在厂房内形成积水，若不及时排出，将严重威胁电站的安全。
2机组检修排水系统设计
2.1排水对象及排水量
检修排水系统主要排出机组检修时留存在压力管道、蜗壳、尾水管和尾水支洞内的积水，及上、下游闸门漏水。为使蜗壳和压力管道内的积水能自流排出，在蜗壳进口段最低处设有排水阀及排水管与尾水管相通，使高于下游尾水位的大量积水能自流排走，所余水量再用水泵加以排出。
在主厂房右端副安装场段下游侧设有检修集水井，集水井底板高程为558.00m，在厂房560.00m高程设有一个1.5m×2.0m（宽×高）贯穿全厂的排水廊道直通检修集水井。检修排水总容积约23000m3，上、下游闸门漏水量约30m3/h。
2.2系统设计
检修排水系统设置3台20EHC/3型长轴深井泵，水泵房布置在593.00m高程。集水井内设有1套带4组节点的电缆浮球液位开关用于控制水泵启停及1套投入式水位计用于监视集水井水位。排水泵可手动操作或自动控制运行，排水泵的自动运行通过电缆浮球液位开关进行控制，液位开关共有4组接点（第一台泵启动水位、第二台泵启动水位、第三台泵启动并报警水位、停泵水位）。
机组停机检修时，首先关闭进水口闸门，确认所有机组尾水盘形阀处于关闭状态，确认检修集水井进人孔处于有效封闭状态，各深井泵运转情况良好，水位计和液位开关工作正常，抽干检修集水井内积水，然后打开待检修机组的蜗壳排水阀，使高于下游尾水位的大量积水自流排出，待流道内积水与下游尾水位齐平时，关闭尾水检修闸门，打开尾水盘形阀将水排至检修集水井，手动开启3台深井泵将水排到下游，首次排水时间约8小时。在机组检修期间，深井泵由电缆浮球液位开关控制自动运行，用于排除上、下游闸门漏水。集水井有效容积约800m3，能储存约1天的漏水量，工作泵启动后每次工作时间约50分钟。
深井泵为预润滑水型，润滑水压为0.2～0.6MPa，水泵启动前发送信号打开润滑供水管上的电磁阀充水，判断润滑供水管路上的流量传感器是否有水流，有水流再经延时2.5分钟后发水泵启动指令，水泵启动后延时30s～60s关闭电磁阀切断润滑水。
机组检修排水系统设计见图1。
2.3排水管路布置
检修排水深井泵出口管径为DN400，三台排水泵排水管合为一根DN600排水总管，并分两路引至1号、2号尾水调压井，以满足尾水调压井和尾水隧洞检修时的排水需要。在1号尾水调压井或1号尾水隧洞检修时，检修排水排入2号尾水调压井；在2号尾水调压井或2号尾水隧洞检修时，检修排水排入1号尾水调压井。排水管出口设置在610.00m高程，高于九台机组发电运行尾水位（609.00m）。
2.4控制系统
检修排水系统设有1面排水泵控制屏及3面启动屏，控制屏采用PLC控制，电机启动装置采用软启动方式。PLC选用施耐德公司Modicon Premium系列 TSXP57104M模块。启动屏上设有排水泵手动/自动/切除三种选择开关，方式选择开关位置上送电站计算机监控系统。控制屏采用交直流双回路供电，一路交流电源（来自电站逆变电源，逆变电源为交直流双供电）、一路直流电源。
在手动控制方式下，排水泵的控制独立于PLC，每面水泵启动屏设有一组“启、停”手动操作按钮，由操作人员以手动方式经软启动器直接控制水泵启停。在自动控制方式下，控制屏内PLC可通过浮球液位开关信号和水位计输出的模拟量信号进行水泵启、停控制。PLC能统计各水泵的运行时间、启动次数，完成对各水泵的逻辑控制。
水泵控制系统配备重载起动的软启动器及相应的保护装置，具有过载、缺相、漏电、欠压、短路等保护功能。控制屏上能显示水泵的电源电压信号，还向电站监控系统提供DC4～20mA的水泵电机电流信号。
2.5检修集水井密封及防气锤措施
为保证排水系统和厂房安全，检修集水井按承压密封设计，进人孔处设置承压密封盖板。排水泵泵座及基础垫板之间设有密封圈，能承受集水井内不高于0.8MPa的内水压力。
为消除集水井内气锤，检修集水井顶部593.00m高程设有2个DN300复合式补排气阀，用于在尾水盘形阀打开向集水井排水时排出井内空气、排水泵排水过程中向井内补入空气。每个补排气阀下面设有一个DN300检修闸阀。
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3厂房渗漏排水系统设计
3.1排水对象及排水量
渗漏排水系统主要是排出地下厂房系统水工建筑物渗漏水、主轴密封漏水、各部位供排水阀门管件漏水、生活用水排水等。在主厂房右端副安装场段上游侧设有渗漏集水井，集水井底板高程558.00m。在厂房560.00m高程设有一个1.5m×2.0m（宽×高）贯穿全厂的排水廊道直通渗漏集水井。水工建筑物渗漏水量约160m3/h。考虑机电设备渗漏排水，本电站渗漏水量以300m3/h作为设计依据。渗漏集水井有效容积约500m3，能储存约1.5小时的渗漏水量。
3.2系统设计
渗漏排水系统设置4台18BHC/3型井用潜水泵，两主两备，水泵房布置在588.00m高程。渗漏集水井内设有1套带4组节点的电缆浮球液位开关用于控制水泵启停及1套投入式水位计用于水位监视。排水泵可手动操作或自动运行，自动运行通过电缆浮球液位开关控制，液位开关共有4组接点（2台工作泵启动水位、2台备用泵启动、报警水位、停泵水位）。2台工作泵启动后每次工作时间约30分钟。
渗漏集水井内另设有2台射流泵，用于排出集水井内淤泥和配合井用潜水泵排水。射流泵驱动水源取自1号、2号水轮机蜗壳进口段，由布置在588.00m高程处驱动供水管上的电动阀控制启停。
每台水轮机由水轮机厂家配套提供2台潜水排污泵及水位报警信号器，安装布置在水轮机机坑内，用于将顶盖上的积水排至下游尾水，潜水排污泵的运行由水位报警信号器自动控制。
厂房渗漏排水系统设计见图2。
3.3排水管路布置
渗漏排水井用潜水泵出口管径为DN300，四台排水泵分为两组，每两台排水泵为一组，两根排水管合为一根DN500排水总管。射流泵出口管径为DN200，两台射流泵排水管合为一根DN300排水总管。
每组井用潜水泵排水总管、射流泵排水总管均分为两路引至1号、2号尾水调压井，以满足尾水调压井和尾水隧洞检修时的排水需要。在1号尾水调压井或1号尾水隧洞检修时，渗漏排水排入2号尾水调压井；在2号尾水调压井或2号尾水隧洞检修时，渗漏排水排入1号尾水调压井。排水管出口设置在637.50m高程，高于下游最高尾水位（634.54m）。
3.4控制系统
渗漏排水系统设有1面渗漏排水控制屏、4面启动屏、4个现地手动控制箱。控制屏采用PLC控制，电机启动装置采用软启动方式。PLC选用施耐德公司Modicon Premium系列TSXP57104M模块。各启动屏上设有排水泵手动/自动/切除三种选择开关，方式选择开关位置上送电站计算机监控系统。控制屏上还设置有射流泵驱动供水电动阀手动启停控制按钮。控制屏采用交直流双回路供电，一路交流电源（来自电站逆变电源，逆变电源为交直流双供电）、一路直流电源。
在手动控制方式下，排水泵的控制独立于PLC，每面水泵启动屏设有一组“启、停”手动操作按钮，由操作人员以手动方式经软启动器直接控制水泵启停。在自动控制方式下，控制屏内PLC可通过液位开关信号和液位变送器输出的模拟量信号进行水泵启、停控制。PLC能统计各水泵的运行时间、启动次数，完成对各水泵的逻辑控制。
水泵控制系统配备重载起动的软启动器及相应的保护装置，具有过载、缺相、漏电、欠压、短路等保护功能。控制屏上能显示水泵的电源电压信号，还向电站监控系统提供DC4～20mA的水泵电机电流信号。
4排水系统主要设备配置
4.1长轴深井泵
检修排水系统设置3台长轴深井泵，主要性能参数为：型号20EHC/3，额定流量1000m3/h，扬程72m，额定效率82%，电机功率335.7 kW，电压AC380V，转速1475r/min。
长轴深井泵主要由泵壳、叶轮、滤网、扬水管、泵座和电机等组成，电机通过传动轴和联轴器与泵头叶轮连接。扬水管分节并采用法兰连接，每节长度2.5m。电机采用艾默生深井泵专用电机，干式安装，风冷冷却，布置在泵房地面上，防护等级为IP54，采用F级绝缘。电机配有止逆盘（40Cr销、QT450-10止逆盘），以防停泵时叶轮和电机倒转。
水泵叶轮材质采用2Cr13不锈钢材料，叶轮轴、传动轴材质采用2Cr13不锈钢材料，叶轮与叶轮轴之间的连接螺栓采用304不锈钢材料，叶轮下方配有不锈钢滤水管。扬水管及法兰材质为0Cr18Ni9。
4.2井用潜水泵
渗漏排水系统设置4台井用潜水泵，主要性能参数为：型号18BHC/3，额定流量650 m3/h，扬程90 m，额定效率80%，电机功率260 kW，电压AC380 V，转速1475 r/min。
井用潜水泵主要由泵壳、叶轮、滤网、导流罩、扬水管、泵座、潜水电机等组成，电机与泵头叶轮直接连接。扬水管分节并采用法兰连接，每节长度2.5m。电机采用为井用潜水泵专用电机，淹没在水面以下，采用水冷冷却，其防护等级为IP68，采用F级绝缘。排水泵与电机能在淹没状态下连续运行，可处理最高温度为40℃的介质。水泵出口设有止回阀，以防止水泵停泵时水倒流。
水泵叶轮材质采用2Cr13不锈钢材料，叶轮轴、传动轴材质采用0Cr18Ni9不锈钢材料，叶轮与叶轮轴之间的连接螺栓采用304不锈钢材料。扬水管及法兰材质为0Cr18Ni9。
4.3射流泵
渗漏集水井内另设有2台射流泵，用于排出集水井内淤泥和配合井用潜水泵排水。射流泵主要性能参数为：扬程范围69.89～86.07m，吸上流量范围48.62～114.77m3/h，进口公称直径DN150mm，出口公称直径DN200mm，喷嘴直径40mm，混合管直径75mm，喷嘴距离48mm，喷嘴平直段长度20mm，混合管长度538mm，扩散管长度930mm，扩散管锥角8°。
射流泵喷嘴材料为2Cr13不锈钢，其他整体为0Cr18Ni9不锈钢材料。吸水方式为泵体周边吸水式。
4.4电缆浮球液位开关
检修集水井、渗漏集水井内各设置一套电缆浮球液位开关用于控制排水泵自动运行。每套液位开关均提供4个水位位置（每个水位设2个浮球开关）的开关量信号。浮球液位开关型号为KEY-4，接点容量为AC 250 V/3 A，信号输出为开关量，浮球材质为聚丙烯。
4.5投入式水位计
检修集水井、渗漏集水井内各设置一套投入式水位计用于监视集水井水位。水位计由防水电缆、接线盒及装入一个不锈钢壳体的传感器和变送器专用电路组成，采用干式陶瓷电容式传感器。水位计供电电源为DC24V，输出信号为DC4～20mA，传输方式为两线制。探头外壳和膜片采用不锈钢制成，接线盒外壳采用压铸铝合金材料。
5渗漏排水系统抽排能力复核
根据现场实测结果，地下厂房实测渗流量为1182m3/天（约50m3/h），远小于原设计考虑的渗漏水量，排水泵约每10小时抽排一次，2台工作泵启动后每次工作时间约30分钟，厂房渗漏排水系统排水能力满足要求。
6结束语
对于糯扎渡水电站这样的不具备自流排水条件的巨型地下厂房而言，为保证电站、机电设备的正常运行及运行人员的安全，设计一套安全可靠的排水系统尤为重要。本电站检修排水系统与渗漏排水系统分开设置，配置了充足的排水设备，并根据水位信号控制排水泵自动运行。经电站实际运行证明，排水系统设备配置完善，运行情况稳定，满足电站安全稳定运行要求。
参考文献
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作者简介：姚建国（1970.10-），男，云南师宗人，教授级高级工程师，主要从事水电站水力机械设计研究工作，电子邮箱：1085176565@qq.com
论文作者:姚建国
论文发表刊物:《电力设备》2019年第23期
论文发表时间:2020/4/30