巴基斯坦卡洛特水電站水力機(jī)械輔助系統(tǒng)設(shè)計(jì)

何志鋒 代開(kāi)鋒 何昌炎 桂紹波

摘要：巴基斯坦卡洛特水電站為單一發(fā)電任務(wù)的水電樞紐，裝設(shè)4臺(tái)立軸混流式水輪機(jī)組。結(jié)合卡洛特水電站設(shè)計(jì)條件及機(jī)電設(shè)備的具體要求，開(kāi)展了輔助系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案研究。介紹了技術(shù)供水系統(tǒng)、排水系統(tǒng)、 壓縮空氣系統(tǒng)、透平油和絕緣油系統(tǒng)、水力監(jiān)視測(cè)量系統(tǒng)和機(jī)電設(shè)備消防系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案和技術(shù)參數(shù)。卡洛特水電站水力機(jī)械輔助系統(tǒng)配置合理、運(yùn)維方便、運(yùn)行經(jīng)濟(jì)和安全可靠，可滿足電站長(zhǎng)期安全穩(wěn)定運(yùn)行的需要。

關(guān)鍵詞：混流式水輪機(jī);水力機(jī)械;機(jī)電設(shè)備;輔助系統(tǒng)設(shè)計(jì);卡洛特水電站;巴基斯坦

中圖法分類號(hào)：TV734 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2020.03.021

1 工程背景

巴基斯坦卡洛特水電站是吉拉姆河（Jhelum）規(guī)劃的5個(gè)梯級(jí)電站中的第四級(jí)。工程為單一發(fā)電任務(wù)的水電樞紐，電站總裝機(jī)容量720 MW，裝設(shè)4臺(tái)立軸混流式水輪機(jī)組，單機(jī)容量為180 MW，電站多年平均年發(fā)電量32.1億kW·h，年利用小時(shí)數(shù)4 452 h。工程建設(shè)將對(duì)所在地和供電區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展起到促進(jìn)作用，可提高當(dāng)?shù)氐墓╇姳ＷC率，并能帶動(dòng)地方工業(yè)的發(fā)展，提高當(dāng)?shù)鼐用裆钯|(zhì)量和就業(yè)率。卡洛特水電站動(dòng)能參數(shù)如下：

最大水頭：79.34 m

最小水頭：50.00 m

加權(quán)平均水頭：68.86 m

額定水頭：65.00 m

裝機(jī)容量：720.0 MW

保證出力：116.1 MW

多年平均發(fā)電量：32.1億kW·h

裝機(jī)年利用小時(shí)數(shù)：4 452 h

2 水力機(jī)械輔助系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 技術(shù)供水系統(tǒng)

電站技術(shù)供水的對(duì)象主要包括空氣冷卻器、推力軸承、各導(dǎo)軸承冷卻器和調(diào)速器冷卻器。各用戶用水量需求見(jiàn)表1。

卡洛特水電站工作水頭范圍為50～79.34 m，是自流減壓供水方式的理想壓力區(qū)段。電站采用開(kāi)式技術(shù)供水、單機(jī)單元自流減壓供水方案。技術(shù)供水水源取自各機(jī)組壓力鋼管，為增強(qiáng)供水可靠性，1號(hào)和2號(hào)機(jī)為一組，3號(hào)和4號(hào)機(jī)為一組，機(jī)組之間以手動(dòng)閥門(mén)隔開(kāi)，組內(nèi)水源相互備用[1]。

考慮到電站水頭有一定變幅并且泥沙含量偏大，每臺(tái)機(jī)組均配備水力旋流器、全自動(dòng)濾水器和四通換向閥，機(jī)組各冷卻器均可正反向供水。機(jī)組技術(shù)供水經(jīng)供水總管、水力旋流器、濾水器、減壓閥和四通換向閥后向機(jī)組技術(shù)用戶供水。每臺(tái)機(jī)組技術(shù)供水系統(tǒng)設(shè)置兩套水力旋流器、濾水器、減壓閥，一套工作，一套備用。

2.2 排水系統(tǒng)

卡洛特水電站排水系統(tǒng)包括機(jī)組檢修排水系統(tǒng)、廠房滲漏排水系統(tǒng)和溢洪道滲漏排水系統(tǒng)。

2.2.1 機(jī)組檢修排水系統(tǒng)

機(jī)組檢修排水量由蝸殼、尾水管和壓力管道內(nèi)的積水量以及上、下游閘門(mén)的漏水量決定。機(jī)組檢修時(shí)，高于下游尾水位的積水自流排出，所剩積水由水泵排至下游。

卡洛特水電站機(jī)組檢修排水系統(tǒng)采用間接排水方式，檢修積水由盤(pán)形閥排至排水廊道，再排至檢修集水井，然后以水泵抽至下游。機(jī)組檢修排水系統(tǒng)選用3臺(tái)流量Q=1 000 m3/h，揚(yáng)程H=50 m的深井泵。同時(shí)，為方便檢修集水井清淤，井內(nèi)配置一臺(tái)流量Q=160 m3/h，揚(yáng)程H=65 m的潛水排污泵。

2.2.2 廠房滲漏排水系統(tǒng)

廠內(nèi)的滲漏水主要來(lái)源于廠內(nèi)水工建筑物的滲漏水、機(jī)組頂蓋與主軸密封漏水、鋼管伸縮節(jié)漏水、各供排水閥門(mén)和管件漏水、廠內(nèi)的生產(chǎn)用水和廠內(nèi)消防時(shí)所用消防水等。廠內(nèi)的滲漏水經(jīng)排水管和排水溝引至集水井，然后由滲漏排水泵排至下游。廠房?jī)?nèi)總滲漏排水量約為100 m3/h。經(jīng)綜合計(jì)算比較，廠房滲漏排水系統(tǒng)選用3臺(tái)流量Q=300 m3/h，揚(yáng)程H=65m的深井泵。同時(shí)，為方便檢修集水井清淤，井內(nèi)配置1臺(tái)流量Q=160 m3/h，揚(yáng)程H=65 m的潛水排污泵。

為防止進(jìn)入集水井的油污直接排往電站下游，對(duì)下游環(huán)境造成影響，廠內(nèi)增設(shè)了滲漏集水井油水分離子系統(tǒng)，見(jiàn)圖1。該系統(tǒng)主要由含油污水分離凈化裝置、浮油吸收機(jī)和收集油罐組成，污水分離凈化裝置處理能力為10 m3/h，處理后的水中含油量小于5 mg/L。

含油污水分離凈化裝置和浮油吸收機(jī)對(duì)含油廢水進(jìn)行收集和分離處理，經(jīng)處理的廢油排至廢油罐，經(jīng)處理的達(dá)標(biāo)水通過(guò)聯(lián)通孔進(jìn)入排水池，由深井泵排至下游。

2.2.3 溢洪道滲漏排水系統(tǒng)

溢洪道壩體滲漏總量按150 m3/h設(shè)計(jì)，采用間接排水方式，即排水廊道-集水井-潛水泵排水。該系統(tǒng)配置2臺(tái)潛水排污泵（流量Q=400 m3/h，揚(yáng)程H=20 m），水泵的啟停及報(bào)警根據(jù)集水井中的液位變送器所設(shè)定的水位自動(dòng)控制。

2.3 壓縮空氣系統(tǒng)

卡洛特水電站壓縮空氣系統(tǒng)由低壓壓縮空氣、中壓壓縮空氣和IPB微正壓壓縮空氣等系統(tǒng)組成。

（1）低壓壓縮空氣系統(tǒng)。需滿足機(jī)組制動(dòng)和廠內(nèi)工業(yè)供氣需求，空壓機(jī)容量按滿足最大的用氣需求選取。根據(jù)電站主接線方案，制動(dòng)用氣量按2臺(tái)機(jī)組同時(shí)制動(dòng)設(shè)計(jì)，工業(yè)用氣按1臺(tái)機(jī)組檢修考慮。經(jīng)計(jì)算，電站低壓氣系統(tǒng)空壓機(jī)選用3臺(tái)生產(chǎn)率為3.0 ?m3/min、排氣壓力為0.85 MPa的風(fēng)冷式低壓空壓機(jī)。設(shè)置2只4.0 m3制動(dòng)貯氣罐和1只2.0 m3工業(yè)用氣儲(chǔ)氣罐。

（2）中壓壓縮空氣系統(tǒng)。電站調(diào)速器油壓裝置型號(hào)為YZ-8.0-6.3，額定壓力為6.3 MPa，采用一級(jí)壓力供氣方式，貯氣罐壓力為7 MPa，中壓壓縮空氣系統(tǒng)提供中壓氣源，經(jīng)空氣干燥機(jī)干燥后供給油壓裝置。為保證用氣質(zhì)量，中壓壓縮空氣系統(tǒng)選用2臺(tái)螺桿式空壓機(jī)（Q=2.0 m3/min，P=8MPa），2臺(tái)空氣干燥機(jī)（Q=2.5 m3/min，P=8 MPa）和2臺(tái)4 m3中壓貯氣罐。

（3）IPB微正壓壓縮空氣系統(tǒng)。電站離相封閉母線微正壓裝置補(bǔ)氣量為32 m3/h，補(bǔ)氣壓力300 Pa。按照不啟動(dòng)空壓機(jī)，儲(chǔ)氣罐向封閉母線連續(xù)進(jìn)行供氣45 min，每次供氣量為32 m3，儲(chǔ)氣罐按12 min恢復(fù)氣壓設(shè)計(jì)，選用2臺(tái)空壓機(jī)（Q=3.0 m3/min， P=0.85 MPa）和2只壓力等級(jí)為0.8 MPa、容積為5 m3的儲(chǔ)氣罐，并配套選用2臺(tái)空氣干燥機(jī)（Q=4.0 m3/min，P=0.85 MPa）。

2.4 透平油和絕緣油系統(tǒng)

透平油系統(tǒng)用于機(jī)組各軸承的用油、調(diào)速系統(tǒng)操作用油的儲(chǔ)存以及供排油及油質(zhì)處理。電站采用集中式供排油和油處理方式，油罐及油處理設(shè)備集中布置在安裝場(chǎng)段油處理室，以貫穿全廠的供、排油總管連接各機(jī)組段。透平油系統(tǒng)選用2個(gè)20 m3凈油罐和2個(gè)20 m3運(yùn)行油罐，2臺(tái)Q=12 m3/h，P=0.6 MPa齒輪油泵，并配備1臺(tái)Q=6 m3/h，P=0.5 MPa透平油過(guò)濾機(jī)，2臺(tái)Q=6 m3/h，P=0.5 MPa精密過(guò)濾機(jī)，為方便設(shè)備加油，增配1臺(tái)0.5 m3移動(dòng)式油車。

絕緣油系統(tǒng)用于主變壓器油的儲(chǔ)存、供排油及油質(zhì)的處理?？逄厮娬久颗_(tái)機(jī)組配備3臺(tái)容量67 MVA的單相主變壓器，每臺(tái)單相變壓器的用油量約為20 t。電站絕緣油系統(tǒng)選用容積為15 m3的運(yùn)行油罐和凈油罐各2個(gè)。選擇2臺(tái)Q=6 m3/h，P=0.6 MPa齒輪油泵，1臺(tái)Q=3 m3/h，P=0.5 MPa真空濾油機(jī)，1臺(tái)Q=3 m3/h，P=0.5 MPa高真空濾油機(jī)，1臺(tái)Q=3 m3/h，P=0.5 MPa精密過(guò)濾機(jī)，布置在主廠房外絕緣油處理室。

2.5 水力監(jiān)視測(cè)量系統(tǒng)

電站水力監(jiān)視測(cè)量系統(tǒng)的項(xiàng)目設(shè)置分全電站性測(cè)量和機(jī)組段測(cè)量?jī)蓚€(gè)部分。全電站性測(cè)量項(xiàng)目包括上游庫(kù)水位、下游尾水位、電站水頭、攔污柵前后壓差、水庫(kù)水溫測(cè)量和廠房防水淹信號(hào)等。機(jī)組測(cè)量項(xiàng)目包括工作門(mén)平壓、水輪機(jī)流量、蝸殼進(jìn)口壓力、蝸殼末端壓力、尾水管進(jìn)口和出口壓力、尾水管錐管壓力脈動(dòng)、發(fā)電機(jī)層噪音、主軸擺度、機(jī)組振動(dòng)等。

2.6 機(jī)電設(shè)備消防系統(tǒng)

卡洛特水電站機(jī)電設(shè)備消防系統(tǒng)包括水消防系統(tǒng)和氣體滅火系統(tǒng)。水消防系統(tǒng)防護(hù)對(duì)象為電站主廠房、電站副廠房、并聯(lián)電抗器和主變壓器;氣體滅火系統(tǒng)防護(hù)對(duì)象為發(fā)電機(jī)、中央控制室、開(kāi)關(guān)站蓄電池室[2]。水消防系統(tǒng)按照NFPA標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，選用II類消防栓系統(tǒng)，氣體滅火系統(tǒng)按照NFPA標(biāo)準(zhǔn)選用CO2氣體滅火系統(tǒng)和FM200氣體滅火系統(tǒng)。

卡洛特水消防主水源采用高位水池減壓供水，分別向變壓器水噴霧系統(tǒng)、廠房?jī)?nèi)消防栓系統(tǒng)和并聯(lián)電抗器水噴霧系統(tǒng)供水。廠房?jī)?nèi)機(jī)電設(shè)備水消防備用水源采用壓力鋼管自流供水[3]。

水輪發(fā)電機(jī)組按合同要求采用CO2消防系統(tǒng)，每臺(tái)機(jī)組配置1套CO2消防設(shè)備。中控室和開(kāi)關(guān)站蓄電池室各配備1套無(wú)管網(wǎng)式七氟丙烷滅火系統(tǒng)。

電站內(nèi)根據(jù)機(jī)電設(shè)備布置狀況和廠房結(jié)構(gòu)，按照NFPA的要求，評(píng)估各區(qū)域火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)和可能的火災(zāi)類型，配置相應(yīng)能效和合適種類的便攜式滅火器和推車式滅火器。

3 機(jī)電設(shè)備布置

卡洛特水電站為地面廠房。廠房布置了4臺(tái)立軸混流式水輪發(fā)電機(jī)組，從右至左依次布置有安裝場(chǎng)、1～4號(hào)機(jī)組段。調(diào)速器及油壓裝置布置在水輪機(jī)層（391.0 m）第一象限;滲漏集水井、檢修排水泵房設(shè)在安裝場(chǎng)Ⅱ段水輪機(jī)層;技術(shù)供水主要設(shè)備布置在下游副廠房水輪機(jī)層;空壓機(jī)室布置在安裝場(chǎng)Ⅱ段上游副廠房水輪機(jī)層的專用房間內(nèi);機(jī)組透平油系統(tǒng)布置在安裝場(chǎng)Ⅱ段下部水輪機(jī)層專用房間內(nèi)。絕緣油系統(tǒng)布置在廠外;溢洪道滲漏排水泵房布置在泄洪壩段廊道內(nèi)，泵房地面高程為404.75 m。

全廠油、氣、水管路布置在主廠房上游墻上，部分消防水管布置在主廠房下游墻上。

4 結(jié) 語(yǔ)

根據(jù)卡洛特水電站的具體條件和機(jī)電設(shè)備要求，分別對(duì)水力機(jī)械各輔助子系統(tǒng)進(jìn)行分析研究，確定了輔助系統(tǒng)設(shè)備參數(shù)，可確保各系統(tǒng)滿足電站長(zhǎng)期穩(wěn)定安全運(yùn)行需要。

參考文獻(xiàn)：

[1] 水電站機(jī)電設(shè)計(jì)手冊(cè)編寫(xiě)組.水電站機(jī)電設(shè)計(jì)手冊(cè)-水力機(jī)械[M].北京：水利電力出版社，1982.

[2] GB 50872-2014水電工程設(shè)計(jì)防火規(guī)范[S].

[3] NFPA 15-2017 Standard for Water Spray Fixed Systems for Fire Protection[S].

（編輯：李 慧）

Design of hydraulic machinery auxiliary system for Karot Hydropower Station in Pakistan

HE Zhifeng，DAI Kaifeng，HE Changyan，GUI Shaobo

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

Abstract： Karot Hydropower Station in Pakistan is specially built for power generation with 4 vertical shaft turbines. Considering the conditions of Karot Hydropower Station and requirements of M&E equipment， the research on the hydraulic machinery auxiliary system design is carried out. The design scheme and technical parameters of water supply system， drainage system， air compression system， turbine oil and insulating oil system， hydraulic monitoring and measuring system and fire fighting system for machinery equipment are introduced. The hydraulic machinery auxiliary system is well-equipped， convenient in operation and maintenance， economical， safe and reliable， and can meet the requirement for the long-term stability and safe operation of the power station.

Key words： vertical shaft turbines; hydraulic machinery; M&E equipment; auxiliary system design; Karot Hydropower Station; Pakistan