巴基斯坦卡洛特水電站技術(shù)供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

陳笙 何昌炎 何志鋒

摘要：巴基斯坦卡洛特水電站工作水頭屬于中低水頭范圍，為解決技術(shù)供水系統(tǒng)水源泥沙含量較大問題，結(jié)合電站水頭運(yùn)行范圍，對電站技術(shù)供水系統(tǒng)自流減壓供水方案與二次循環(huán)供水方案進(jìn)行對比分析。綜合考慮經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、后期運(yùn)維以及供水可靠性，采用二機(jī)聯(lián)合的自流減壓供水方案，并針對技術(shù)供水回路防泥沙措施進(jìn)行了討論，為后續(xù)同類水電工程起到了參考借鑒作用。

關(guān)鍵詞：技術(shù)供水系統(tǒng);自流減壓;二次循環(huán)供水;卡洛特水電站;巴基斯坦

中圖法分類號：TV674文獻(xiàn)標(biāo)志碼：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2021.11.020

文章編號：1006 - 0081（2021）11 - 0088 - 04

本文結(jié)合巴基斯坦卡洛特水電站工作水頭范圍及流域多泥沙特點(diǎn)，對比分析國內(nèi)外在該水頭段常用供水方式，選定電站技術(shù)供水方式及運(yùn)行方案，并采用多種方式結(jié)合的措施減少技術(shù)供水中泥沙含量，確保技術(shù)供水系統(tǒng)安全運(yùn)行，為大、中型多泥沙流域水電站技術(shù)供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考。

1 工程概況

卡洛特水電站共裝設(shè)4臺單機(jī)容量18萬kW（180 MW），總裝機(jī)容量72萬kW（720MW）的混流式水輪機(jī)，裝機(jī)年利用小時數(shù)4 452 h，多年平均發(fā)電量32.06億kW·h。電站運(yùn)行水頭范圍為50.00～79.34 m，水庫壩址以上流域年均懸移質(zhì)輸沙量為3 315萬t，多年平均含沙量為1.28 kg/m3。

電站機(jī)組技術(shù)供水系統(tǒng)主要供水對象包括發(fā)電機(jī)空氣冷卻器、推力軸承及導(dǎo)軸承油冷卻器、水導(dǎo)軸承油冷卻器等用戶所需的冷卻用水和主軸密封用水。在水溫為25℃時，單臺機(jī)組在額定出力下所需的冷卻水總水量如下：

發(fā)電機(jī)空氣冷卻器 800 m3/h

推力軸承油冷卻器 120 m3/h

上導(dǎo)軸承油冷卻器 22.5 m3/h

下導(dǎo)軸承油冷卻器 22.5 m3/h

水導(dǎo)軸承油冷卻器 20 m3/h

水輪機(jī)主軸密封 15 m3/h

一臺機(jī)總用水量 約1 000 m3/h

2 技術(shù)供水方案

卡洛特水電站水頭運(yùn)行范圍為50.00～79.34 m，根據(jù)《水力發(fā)電廠水力機(jī)械輔助設(shè)備系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》，當(dāng)水電站工作水頭在15～70 m時，宜采用自流減壓供水方式[1]。由于卡洛特水電站泥沙含量大，國內(nèi)相近水頭多泥沙電站普遍采用蝸殼或壓力鋼管自流減壓取水，經(jīng)過濾后供向各用戶;國外同類型水電站普遍采用二次循環(huán)供水方式以保證技術(shù)供水水質(zhì)，因此需對兩種供水方式進(jìn)行分析研究。

2.1 自流減壓技術(shù)方案

自流減壓方案設(shè)備布置簡單，使用、操作和維護(hù)方便，且相較于其他方式更為節(jié)能。電站采用兩機(jī)聯(lián)合的自流減壓供水方案，供水水源取自每臺機(jī)組壓力鋼管，每套技術(shù)供水系統(tǒng)設(shè)置兩臺并聯(lián)濾水器及水力旋流器，通過旋流器排除較粗粒徑的泥沙和雜物，濾水器根據(jù)進(jìn)出口壓差式或定時器在線自動清污，排除水中的泥沙。主軸密封供水設(shè)有兩路水源，廠內(nèi)清潔水源為主水源，濾水器過濾后取水作為備用水源。

根據(jù)對水電站自流減壓技術(shù)供水系統(tǒng)運(yùn)行情況的調(diào)查和了解，該系統(tǒng)中，主要問題是減壓閥質(zhì)量可靠性和穩(wěn)定運(yùn)行問題。隨著減壓閥設(shè)計(jì)制造技術(shù)的不斷進(jìn)步，在控制減壓比和選型計(jì)算正確的情況下，自流減壓供水系統(tǒng)一般運(yùn)行情況都良好。考慮卡洛特水電站水頭范圍與減壓閥適應(yīng)要求一致，通過正確選型，技術(shù)供水系統(tǒng)采用自流減壓供水方案是可行的。

2.2 二次循環(huán)供水方案

目前，巴基斯坦已建水電站技術(shù)供水系統(tǒng)大多采用二次循環(huán)供水方式?？紤]到卡洛特水電站泥沙含量大，機(jī)組技術(shù)供水系統(tǒng)也可采用二次循環(huán)供水方式。

二次循環(huán)供水由兩套水泵供水回路組成，冷卻水取自電站生活用水，經(jīng)水泵加壓后至機(jī)組各用戶，再經(jīng)熱交換器將機(jī)組冷卻水降溫，在機(jī)組冷卻水環(huán)路內(nèi)循環(huán)使用，主軸密封供水需另外設(shè)置一套供水回路。整個二次循環(huán)供水水源可一次從生活供水取水，不受泥沙問題影響，可保證水質(zhì)。

二次循環(huán)供水方案設(shè)備布置復(fù)雜，使用、操作和維護(hù)相對復(fù)雜，能耗較高，且需根據(jù)設(shè)備布置增設(shè)循環(huán)水池，占地面積大。目前，中國泥沙含量高的電站中較少采用，使用經(jīng)驗(yàn)少。

2.3 供水方案對比

自流減壓供水與二次循環(huán)供水方式經(jīng)濟(jì)綜合比較見表1。

兩種供水方案可靠度均滿足設(shè)計(jì)要求，通過對兩種方案節(jié)能指標(biāo)以及經(jīng)濟(jì)性比較可知，二次循環(huán)供水方案的設(shè)備投資較自流減壓供水方案高，且年消耗電能指標(biāo)比自流減壓方案高202萬kW·h，每年增加耗電成本40.4萬元。從設(shè)備布置及后期維護(hù)方面比較，二次循環(huán)供水設(shè)備占地較大，需設(shè)置中間循環(huán)水池，設(shè)備操作和維護(hù)復(fù)雜。根據(jù)規(guī)范要求，中間水池的有效容積不小于10～15 min的技術(shù)供水用水總量[1]?？逄厮娬締闻_機(jī)總用水量約1 000 m3/h，若采用二次循環(huán)供水，則需設(shè)置有效容積約為300 m3的循環(huán)水池，尾水冷卻器的布置需要能方便檢修，且布置位置的水流流速建議大于1 m/s[2]，結(jié)合卡洛特廠房布置，增設(shè)循環(huán)水池土建工程量顯著增加，且布置難度大。

綜上所述，自流減壓供水方案經(jīng)濟(jì)性、操作維護(hù)便捷性等均優(yōu)于二次循環(huán)供水，因此本文采用自流減壓供水方式?？紤]到電站泥沙含量大，為減少泥沙對設(shè)備的磨損，在技術(shù)供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)時需充分考慮泥沙問題。

3 技術(shù)供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 技術(shù)供水系統(tǒng)布置

技術(shù)供水系統(tǒng)采用兩機(jī)聯(lián)合的自流減壓供水方案，水源取自每臺機(jī)壓力鋼管，1號機(jī)和2號機(jī)為一組，3號機(jī)和4號機(jī)為一組，兩臺機(jī)取水管路相互連通，互為備用。每套技術(shù)供水系統(tǒng)設(shè)有兩臺并聯(lián)濾水器和水力旋流器，一用一備，濾水器根據(jù)進(jìn)出口壓差值或定時器在線自動清污。整個供水系統(tǒng)采用全自動清污，信號采集至中控室。

3.2 防泥沙措施

卡洛特水電站位于吉拉姆河流域，壩址以上流域年均懸移質(zhì)輸沙量為3 315萬t，多年平均含沙量為1.28 kg/m3，年輸沙量在4～8月高度集中，5個月輸沙量占年輸沙量的比重達(dá)88%以上;12月和1月輸沙量較小。壩址多年平均月輸沙量見表2。

由表2可知，卡洛特水電站泥沙含量大，采用自流減壓供水方案需考慮防泥沙措施，防止管路堵塞。電站采用運(yùn)行措施與優(yōu)化布置結(jié)合的方式減少技術(shù)供水的泥沙含量。

3.2.1 運(yùn)行方式選取

針對技術(shù)供水系統(tǒng)泥沙過多問題，目前常用處理方式有3種：雙向供水運(yùn)行方式，頂蓋取水方式以及二次循環(huán)供水系統(tǒng)。其中，二次循環(huán)供水方案成本較高、運(yùn)行維護(hù)相對復(fù)雜，國內(nèi)大中型水電站應(yīng)用實(shí)例較少，本文設(shè)計(jì)不考慮使用二次循環(huán)供水方案。

雙向供水方式即供水系統(tǒng)具有正反向運(yùn)行功能，機(jī)組冷卻系統(tǒng)可通過安裝在干管上的雙向供水轉(zhuǎn)閥實(shí)現(xiàn)反向沖洗，根據(jù)電站運(yùn)行的實(shí)際情況，進(jìn)行正反向運(yùn)行的切換[3]。多個電站的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，正反向運(yùn)行能夠有效防止泥沙淤堵和水生物的生長。

頂蓋取水方式水源取自頂蓋與轉(zhuǎn)輪迷宮環(huán)之間的間隙漏水，通過加壓后經(jīng)由頂蓋取水管送至各用水部位，由于迷宮環(huán)構(gòu)造間隙小，因此水源含沙量低，無需過濾即可滿足技術(shù)供水水質(zhì)要求。頂蓋取水方式由于頂蓋漏水量及水壓存在一定的不確定性，其供水可靠性低于自流減壓供水，且會影響水輪機(jī)效率[4]。

綜合考慮供水可靠性以及經(jīng)濟(jì)性，本文技術(shù)供水系統(tǒng)采取雙向供水方案，以減輕泥沙及水生物對技術(shù)供水系統(tǒng)的影響。

3.2.2 技術(shù)供水系統(tǒng)布置

通過在過濾器前設(shè)置水力旋流器，并結(jié)合物理方法減少技術(shù)供水系統(tǒng)中的泥沙含量。即在取水口的水源進(jìn)入設(shè)備之前，采用自然沉降的方法，將粗大顆粒的泥沙排除。通過增大取水總管管徑，降低管內(nèi)流速至1.5 m/s以下，同時將供水總管升至一定高度，再降至技術(shù)供水層，通過升高供水總管的垂直高度和降低流速的方法，自然沉降粗大顆粒泥沙，減少大顆粒泥沙進(jìn)入技術(shù)供水系統(tǒng)。

機(jī)組技術(shù)供水從濾水器后取水，設(shè)2臺DN350機(jī)組供水減壓閥、2臺DN350電動半球閥，減壓閥、電動半球閥可互為備用，電動半球閥出口設(shè)有1臺電動四通轉(zhuǎn)換閥門，用于機(jī)組供水正反向運(yùn)行，以降低泥沙堵塞和藻類生長。機(jī)組各冷卻器供、排水管道上均設(shè)置電磁流量計(jì)、溫度信號器，進(jìn)、出口總管設(shè)置電磁流量計(jì)和壓力變送器等。

減壓閥采用壓差控制方式，根據(jù)閥門出口與電站尾水的壓力差值控制減壓閥開度，從而保證流量穩(wěn)定。減壓閥水力控制回路設(shè)置兩套過濾裝置，在減壓閥連續(xù)工作的前提下，按設(shè)定時間自動切換，自動排污。

水輪機(jī)主軸密封供水以廠內(nèi)清潔水為主水源，蝸殼取水經(jīng)濾水器過濾、減壓閥減壓后作為備用水源，當(dāng)主水源消失或壓力不能滿足要求時，備用水源自動投入。

3.2.3 供水回路設(shè)計(jì)

通過選取合適取水及供水管路管徑，從源頭降低粗大顆粒泥沙，經(jīng)計(jì)算，取水總管直徑為DN500，二臺機(jī)組聯(lián)合供水總管管徑為Φ426×9，取水口攔污柵條間距約為30～50 mm。

各供水管內(nèi)徑計(jì)算公式如下：

d=1.13（Qj / Vj）0.5

式中：d為水管計(jì)算內(nèi)徑，m;Qj為計(jì)算流量，m3/s;Vj為計(jì)算流速，m/s。

結(jié)合各管路工作特性以及計(jì)算結(jié)果，選取合適管徑，各回路管徑見表3。

4 結(jié) 論

本文結(jié)合巴基斯坦卡洛特水電站運(yùn)行特性，分析比較國內(nèi)外技術(shù)供水系統(tǒng)常用方案，選定自流減壓供水方案。同時，提出多種降低技術(shù)供水系統(tǒng)中泥沙含量措施，保障機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行，可為多泥沙流域大、中型水電站技術(shù)供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考。

參考文獻(xiàn)：

[1] NB/T35035-2014水力發(fā)電廠水力機(jī)械輔助設(shè)備系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定[S].

[2] 周淼汛，丁麗香，錢瑭. 苗尾水電站技術(shù)供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 云南水力發(fā)電，2017，33（增1）：72-74.

[3] 李天智， 張英. 溪洛渡水電站技術(shù)供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)與改進(jìn)[J]. 云南水力發(fā)電， 2013，29（4）：42-44，92.

[4] 孫萬慶，黃慶. 中廣核玉田水電站技術(shù)供水系統(tǒng)項(xiàng)目技改探索[J]. 水電站機(jī)電技術(shù)，2017，40（2）：18-22.

（編輯：李 晗）

Design and research of technical water supply system for

Karot Hydropower Station

CHEN Sheng，HE Changyan，HE Zhifeng

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

Abstract： The water head of Karot Hydropower Station is within the range of medium and low head. In order to solve the problem of high sediment content in the water source of the technical water supply system， according to? the characteristics of Karot Hydropower Station， such as the operation range of water head ，this paper makes a comparative analysis on the gravity decompression water supply scheme and the secondary circulating water supply scheme of the technical water supply system for the power station. Considering the economic index， late-stage operation and maintenance， and water supply reliability， the scheme of two units combined gravity decompression water supply is adopted， and the sediment prevention measures of technical water supply pipeline are discussed， which can be used as reference for similar hydropower projects

Key words：technical water supply system;gravity decompression water supply;secondary circulating water supply system;Karot Hydropower Station; Pakistan