巴基斯坦卡洛特水電站水輪發(fā)電機(jī)組參數(shù)選擇及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

代開鋒 何志鋒 桂紹波 何昌炎

摘要：巴基斯坦卡洛特水電站裝設(shè)4臺(tái)額定功率為180MW的立軸混流式水輪發(fā)電機(jī)組。在機(jī)組研究、開發(fā)和生產(chǎn)中，采用先進(jìn)、可靠的結(jié)構(gòu)，保障機(jī)組安全、穩(wěn)定、高效的運(yùn)行。詳細(xì)介紹了工程設(shè)計(jì)中論證確定的水輪機(jī)參數(shù)水平以及通過(guò)招標(biāo)采購(gòu)的水輪發(fā)電機(jī)組主要參數(shù)和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)?？逄厮娬景l(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)制造經(jīng)驗(yàn)可供類似的電站機(jī)組選型參考。

關(guān)鍵詞：水輪發(fā)電機(jī)組;混流式水輪發(fā)電機(jī);機(jī)組參數(shù);機(jī)組結(jié)構(gòu);卡洛特水電站;巴基斯坦

中圖法分類號(hào)：TM312 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2020.03.020

1 工程概況

卡洛特（Karot）水電站是吉拉姆河（Jhelum）規(guī)劃的5個(gè)梯級(jí)電站的第四級(jí)，上一級(jí)電站為阿扎德帕坦（Azad Pattan），下一級(jí)電站為曼格拉（Mangla）。

卡洛特水電站工程為單一發(fā)電任務(wù)的水電樞紐，電站裝機(jī)容量720 MW。水庫(kù)正常蓄水位461 m，死水位451 m，正常蓄水位以下庫(kù)容1.52億m3，調(diào)節(jié)庫(kù)容4 905萬(wàn)m3，庫(kù)容系數(shù)0.06%，為日調(diào)節(jié)水庫(kù)，電站設(shè)計(jì)引水流量1 248.4 m3/s。電站基本參數(shù)如下：

水庫(kù)正常蓄水位 461.0 m

水庫(kù)死水位 451.0 m

下游校核洪水位（P=0.2%） ????????418.08 m

最大水頭 79.34 m

最小水頭 50.0 m

額定水頭 ????????65.0 m

容量 ????????????????720 MW

臺(tái)數(shù) ????????????????4臺(tái)

2 水輪機(jī)型式參數(shù)

2.1 型 式

卡洛特水電站運(yùn)行水輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行水頭范圍在50.0～79.34 m之間，屬于中低水頭，為混流式水輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行的適合區(qū)域。

2.2 比轉(zhuǎn)速

比轉(zhuǎn)速和比速系數(shù)可以綜合反映水輪機(jī)技術(shù)水平。機(jī)組比轉(zhuǎn)速越高，機(jī)組尺寸相對(duì)越低，進(jìn)而機(jī)組重量減小，投資相應(yīng)減小，同時(shí)這兩個(gè)參數(shù)與效率、磨損、空蝕和穩(wěn)定性密切相關(guān)，需根據(jù)電站具體條件和機(jī)組生產(chǎn)水平統(tǒng)一考慮。

根據(jù)部分與卡洛特水電站水頭、機(jī)組容量相近的水輪機(jī)比轉(zhuǎn)速ns及比速系數(shù)K值統(tǒng)計(jì)資料表明：比轉(zhuǎn)速在217～235.6 m·kW之間，比速系數(shù)在1 750～1 900之間。結(jié)合卡洛特電站含沙量、水頭區(qū)間、轉(zhuǎn)輪能量特性、空化特性等要素，比速系數(shù)應(yīng)在1 850～1 900之間選擇，相應(yīng)的比轉(zhuǎn)速為229.5～235.6 m·kW。

2.3 單位參數(shù)

初步確定比轉(zhuǎn)速和比速系數(shù)的水平后，再根據(jù)工程特點(diǎn)，選擇合適的單位轉(zhuǎn)速n1′和單位流量Q1′，進(jìn)行參數(shù)合理匹配。提高水輪機(jī)的n1′可以減小機(jī)組重量，但增加n1′會(huì)從空化、磨損、穩(wěn)定性等方面對(duì)水輪機(jī)造成不利影響。加大水輪機(jī)的Q1′，在減小水輪機(jī)尺寸的同時(shí)，又降低廠房尺寸，進(jìn)而節(jié)省工程投資，但增大Q1′會(huì)受到轉(zhuǎn)輪強(qiáng)度、空化、磨損等方面的約束。機(jī)組的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，n1′與Q1′需要匹配合適。

綜上，卡洛特水電站的比轉(zhuǎn)速宜在229.5～235.6 m·kW之間，其對(duì)應(yīng)的單位轉(zhuǎn)速是74～76 r/min。

2.4 水輪機(jī)尾水管壓力脈動(dòng)值

在一些運(yùn)行工況下， 部分大、中型混流式機(jī)組出現(xiàn)了不穩(wěn)定運(yùn)行、機(jī)組振動(dòng)、噪音較大，甚至引起廠房振動(dòng)和機(jī)組出力擺動(dòng)等情況?？逄仉娬舅^不高，因此壓力脈動(dòng)需要引起足夠重視，對(duì)該電站水輪機(jī)的尾水管壓力脈動(dòng)混頻雙振幅值指標(biāo)要求見表1[1]。

2.5 水輪機(jī)主要參數(shù)水平

結(jié)合水輪機(jī)模型試驗(yàn)成果和該電站運(yùn)行特點(diǎn)，確定水輪機(jī)性能參數(shù)水平如下[1]：

比轉(zhuǎn)速ns ??????229.5～235.6m·kW

比速系數(shù)K ??????????????1850～1900

最優(yōu)單位轉(zhuǎn)速n10′ ??????74～76 r/min

限制點(diǎn)單位流量Q1′ ??????0.95～1.0 m3/s

模型最高效率ηoptM ??????≥94.0 %

真機(jī)最高效率ηoptT ???????????≥95.5 %

限制工況點(diǎn)模型臨界

空化系數(shù)σm ??????????????????????????????????????????????????≤0.105

電站空化系數(shù)σp ??????≥0.193

2.6 水輪發(fā)電機(jī)組主要參數(shù)

水輪機(jī)模型驗(yàn)收完成了水力開發(fā)預(yù)期的所有試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，模型水輪機(jī)及換算得到的原型效率、出力、空化、壓力脈動(dòng)等性能指標(biāo)均滿足水力開發(fā)條件預(yù)期目標(biāo)要求?？逄厮娬緳C(jī)組主要參數(shù)見表2和表3。

3 水輪發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

3.1 水輪機(jī)

3.1.1 總體結(jié)構(gòu)

水輪機(jī)采用常規(guī)立軸混流式，金屬蝸殼、彎肘尾水管結(jié)構(gòu)形式。

3.1.2 轉(zhuǎn)輪

轉(zhuǎn)輪主要部件上冠、下環(huán)及葉片的材質(zhì)為鑄鋼04Cr13Ni5Mo。葉片采用五軸數(shù)控機(jī)床進(jìn)行加工，再與上冠、下環(huán)組焊成整體后精加工。在上冠上設(shè)間隙式止漏環(huán)，以減小頂蓋下腔壓力，進(jìn)而減小主軸密封漏水量。在下環(huán)上也設(shè)置間隙式止漏環(huán)。在轉(zhuǎn)輪上冠上采用不開泄水孔的結(jié)構(gòu)形式。

3.1.3 主軸

水輪機(jī)主軸材質(zhì)采用鍛鋼20MnSX，分3段鍛造，廠內(nèi)組焊加工。軸領(lǐng)直徑？2 135 mm，軸身外徑？1 600 mm，內(nèi)徑？1 250 mm，長(zhǎng)6 250 mm，法蘭直徑？2 300 mm。水輪機(jī)軸與發(fā)電機(jī)軸的連接采用銷釘螺栓聯(lián)接形式，與轉(zhuǎn)輪連接采用螺栓把合的結(jié)構(gòu)形式。

3.1.4 水輪機(jī)導(dǎo)軸承

水輪機(jī)導(dǎo)軸承為稀油潤(rùn)滑、非同心分瓦塊自潤(rùn)滑軸承。油冷卻系統(tǒng)為內(nèi)循環(huán)式，冷卻器布置在油箱內(nèi)部。

軸承上布置有油位信號(hào)器和油混水報(bào)警裝置，軸瓦上均安裝了測(cè)溫裝置。

軸承冷卻器為箱型，冷卻水管采用翅片式銅管，為雙向進(jìn)水式，并能正、反向工作。軸瓦工地不需刮瓦，軸瓦間隙調(diào)節(jié)靠楔塊完成，易調(diào)整且可靠。

3.1.5 主軸密封

水輪機(jī)主軸密封分別由工作密封和檢修密封組成。

工作密封采用自補(bǔ)償端面密封，摩擦副為復(fù)合材料制成的密封塊和不銹鋼滑環(huán)，以清潔的壓力水作為密封的調(diào)節(jié)、潤(rùn)滑和冷卻劑。

檢修密封采用傳統(tǒng)的空氣圍帶式，應(yīng)經(jīng)常檢查其氣密性和封水性，定期檢查橡膠圈的磨損情況。

3.1.6 蝸殼、尾水管

蝸殼為鋼板焊接結(jié)構(gòu)，材料選用高強(qiáng)度鋼板B610CF。為防止水擊壓力對(duì)蝸殼的影響，在蝸殼延伸段布置了止推環(huán)。蝸殼流道尺寸與模型全模擬。

尾水管錐管段和肘管段設(shè)有金屬里襯，在工地拼焊成型。錐管段設(shè)有900×700 mm進(jìn)人門。

3.1.7 座環(huán)、基礎(chǔ)環(huán)

座環(huán)采用平行式帶過(guò)渡板和導(dǎo)流環(huán)組焊結(jié)構(gòu)。座環(huán)上、下環(huán)板采用帶縱向特性的抗層狀撕裂鋼板Q345B-Z25。固定導(dǎo)葉材料為鋼板Q345B。在座環(huán)上有4個(gè)固定導(dǎo)葉設(shè)置有直徑？60自流排水孔。

基礎(chǔ)環(huán)把合在座環(huán)上，底環(huán)與基礎(chǔ)環(huán)采用加墊工地配磨的方式安裝。

3.1.8 頂蓋與底環(huán)

頂蓋采用鋼板焊接結(jié)構(gòu)，分兩瓣。在頂蓋過(guò)流面設(shè)置有不銹鋼抗磨板，采用塞焊方式固定。在轉(zhuǎn)輪上冠相對(duì)位置設(shè)有不銹鋼固定止漏環(huán)。

頂蓋上設(shè)置8根頂蓋平壓管，將泄漏水引至尾水管。頂蓋排水管延頂蓋徑向短筋板布置，增強(qiáng)了排水管的剛度，可有效地保護(hù)排水管焊縫，以防因水力振動(dòng)造成焊縫脫落而影響機(jī)組的安全運(yùn)行。

底環(huán)采用厚鋼板焊接結(jié)構(gòu)形式，底環(huán)過(guò)流面采用塞焊方式固定的不銹鋼抗磨板。在轉(zhuǎn)輪下環(huán)相對(duì)位置設(shè)有不銹鋼固定止漏環(huán)。

3.1.9 導(dǎo)水機(jī)構(gòu)

導(dǎo)葉為整體鑄造形式，在導(dǎo)葉軸徑處設(shè)有3個(gè)軸承，分別安裝在頂蓋和底環(huán)上。導(dǎo)葉操作機(jī)構(gòu)連接接力器和導(dǎo)葉，并配置了導(dǎo)葉保護(hù)裝置等。

水輪機(jī)設(shè)有2個(gè)雙作用直缸接力器，采用油壓操作來(lái)控制導(dǎo)葉的開啟。水輪機(jī)接力器布置在水輪機(jī)基坑的接力器坑襯內(nèi)，接力器支座板與機(jī)坑里襯形成整體。

為確保機(jī)組運(yùn)行維修安全，接力器設(shè)有液壓鎖錠、機(jī)械鎖錠兩個(gè)鎖錠裝置。

3.1.10 補(bǔ)氣裝置

在發(fā)電機(jī)主軸考慮了中心補(bǔ)氣措施，用以保證機(jī)組在部分負(fù)荷下能穩(wěn)定運(yùn)行，當(dāng)轉(zhuǎn)輪下部出現(xiàn)真空時(shí)自動(dòng)補(bǔ)氣。發(fā)電機(jī)軸和水輪機(jī)軸的？1250mm內(nèi)孔設(shè)置DN400的補(bǔ)氣管，一直通過(guò)軸系內(nèi)孔延伸至轉(zhuǎn)輪上冠出口。

補(bǔ)氣閥為浮球式彈簧液壓緩沖式結(jié)構(gòu)，安全可靠。在補(bǔ)氣管進(jìn)口處，設(shè)置有消音器，以消除補(bǔ)氣時(shí)的噪音。

3.1.11 排水系統(tǒng)

每臺(tái)機(jī)組設(shè)有直徑為？600的尾水管排水閥和一個(gè)直徑為？500的蝸殼排水閥，供機(jī)組停機(jī)排水時(shí)使用。兩個(gè)排水閥均采用液壓操作，尾水管排水閥將尾水管中的水排至檢修排水廊道中，蝸殼排水閥將蝸殼內(nèi)的水排至尾水管中。

3.2 發(fā)電機(jī)

3.2.1 總體結(jié)構(gòu)

水輪發(fā)電機(jī)采用常規(guī)的立軸半傘型結(jié)構(gòu)， 采用密閉自循環(huán)空氣通風(fēng)冷卻方式。推力軸承布置在下機(jī)架上，冷卻方式為內(nèi)部循環(huán)冷卻;下導(dǎo)軸承和推力軸承共一個(gè)油槽。整個(gè)軸系由上端軸、中心體、發(fā)電機(jī)軸、水輪機(jī)軸和轉(zhuǎn)輪組成，由上、下導(dǎo)軸承和水導(dǎo)軸承提供支撐。

發(fā)電機(jī)的空氣冷卻系統(tǒng)采用固定擋風(fēng)板端部回風(fēng)的密閉循環(huán)，發(fā)電機(jī)勵(lì)磁采用靜止可控硅勵(lì)磁系統(tǒng)。

3.2.2 定子

發(fā)電機(jī)定子主要由鐵芯、機(jī)座及繞組組成。機(jī)座采用4瓣鋼板焊接結(jié)構(gòu)，在工地組焊成整圓。

定子鐵心采用優(yōu)質(zhì)進(jìn)口硅鋼片50W250沖制而成。鐵心軸向均勻設(shè)有通風(fēng)溝。定子鐵心由上端設(shè)有蝶形彈簧的穿芯螺桿拉緊，鐵心收縮變形時(shí)，螺桿和碟簧就可起到補(bǔ)償作用，保證定子鐵心不發(fā)生松動(dòng)。

發(fā)電機(jī)線棒在機(jī)坑內(nèi)下線。定子線圈采用絕緣槽襯結(jié)構(gòu)，定子線棒采用小于360線換位。定子線圈固定采用槽楔下墊彈性波紋板。

3.2.3 轉(zhuǎn)子

轉(zhuǎn)子支架為圓盤式焊接結(jié)構(gòu)。中心體和分瓣扇形支臂在工地焊成整體。

磁軛采用優(yōu)質(zhì)高強(qiáng)鋼疊壓而成，用高強(qiáng)度螺桿把合成整體。磁軛和支架連接方式采用熱打鍵[2]。

磁極鐵心采用高強(qiáng)鋼DCL350，并通過(guò)T尾結(jié)構(gòu)與磁軛相連。磁極線圈由異型銅排制成。磁極托板采用高強(qiáng)度環(huán)氧玻璃坯布整體熱壓而成。

3.2.4 發(fā)電機(jī)軸承

發(fā)電機(jī)推力軸承共設(shè)有16塊瓦，推力瓦采用塑料瓦。推力軸承采用具有良好調(diào)節(jié)性能的彈性油箱支撐，以保證推力瓦受力均勻。推力軸承采用內(nèi)循環(huán)的冷卻方式。

上、下導(dǎo)軸承均為分塊瓦，且為楔子板支撐，上導(dǎo)軸承共12塊鎢金瓦，下導(dǎo)軸承共18塊鎢金瓦。下導(dǎo)軸承和推力軸承采用合油槽結(jié)構(gòu)。

3.2.5 上、下機(jī)架

上下機(jī)架由中心體和支臂構(gòu)成，均在工地焊接而成。上機(jī)架采用多邊形框架結(jié)構(gòu)，具有足夠的支撐剛度，并可有效地改善發(fā)電機(jī)基礎(chǔ)的受力。下機(jī)架采用8條支臂，整個(gè)下機(jī)架能通過(guò)發(fā)電機(jī)定子整體吊出。

3.2.6 附屬系統(tǒng)

發(fā)電機(jī)采用機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)。制動(dòng)器能利用壓縮空氣進(jìn)行自動(dòng)復(fù)位，制動(dòng)塊材料為非金屬無(wú)石棉。

發(fā)電機(jī)分別在上導(dǎo)軸承油槽和組合軸承（推力軸承和下導(dǎo)軸承）油槽設(shè)置了防油霧裝置，將有效防止油霧污染發(fā)電機(jī)。

發(fā)電機(jī)在滑環(huán)室布置有碳粉收集裝置，既能避免碳粉污染，又能有效降低集電環(huán)溫度。

4 結(jié) 語(yǔ)

卡洛特水電站發(fā)電水頭不高，但變幅較大，且過(guò)機(jī)泥沙含量較大，因此在機(jī)組設(shè)計(jì)的過(guò)程中適當(dāng)降低了機(jī)組的參數(shù)水平，采用成熟、可靠的結(jié)構(gòu)形式，同時(shí)機(jī)組的主要過(guò)流部件也增加了抗磨涂層，這些措施為機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行提供了有力保障。

參考文獻(xiàn)：

[1] 長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限公司. 巴基斯坦Karot水電站可行性研究報(bào)告[R]. 武漢： 長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限公司，2015.

[2] 代開鋒，柳飛，郭學(xué)洋，等. 沐若水電站水輪發(fā)電機(jī)組主要參數(shù)及結(jié)構(gòu)選擇[J]. 人民長(zhǎng)江，2013，44（8）： 64-67.

（編輯：唐湘茜）

Parameters selection and structure characteristics of hydro generator set of Karot Hydropower Station in Pakistan

DAI Kaifeng，HE Zhifeng，GUI Shaobo，HE Changyan

（Changjiang Survey，Planning，Design and Research Co.，Ltd.，Wuhan 430010， China）

Abstract：Four vertical shaft turbines with rated power of 180 MW will be installed in Karot Hydropower Station. During the process of research， design and manufacture， the advanced and reliable scheme and structure of the turbines were designed to ensure safe， stable and effective operation of turbine units. This paper introduces the parameters of hydraulic turbine determined in design and the main parameters and structural features of the turbine units procured by bidding in detail.

Key words：hydro generator set; Francis turbine; unit parameter; unit structure; Karot Hydropower Station; Pakistan