巴基斯坦卡洛特水電站水輪發電機組參數選擇及結構特點

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4臺額定功率為180MW的立軸混流式水輪發電機組。在機組研究、開發和生產中，采用先進、可靠的結構，保障機組安全、穩定、高效的運行。詳細介紹了工程設計中論證確定的水輪機參數水平以及通過招標采購的水輪發電機組主要參數和結構特點。卡洛特水電站發電機組設計制造經驗可供類似的電站機組選型參考。

關鍵詞：水輪發電機組;混流式水輪發電機;機組參數;機組結構;卡洛特水電站;巴基斯坦

中圖法分類號：TM312 文獻標志碼：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）規劃的5個梯級電站的第四級，上一級電站為阿扎德帕坦（Azad Pattan），下一級電站為曼格拉（Mangla）。

卡洛特水電站工程為單一發電任務的水電樞紐，電站裝機容量720 MW。水庫正常蓄水位461 m，死水位451 m，正常蓄水位以下庫容1.52億m3，調節庫容4 905萬m3，庫容系數0.06%，為日調節水庫，電站設計引水流量1 248.4 m3/s。電站基本參數如下：

水庫正常蓄水位 461.0 m

水庫死水位 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

臺數 ????????????????4臺

2 水輪機型式參數

2.1 型 式

卡洛特水電站運行水輪發電機組運行水頭范圍在50.0～79.34 m之間，屬于中低水頭，為混流式水輪發電機組運行的適合區域。

2.2 比轉速

比轉速和比速系數可以綜合反映水輪機技術水平。機組比轉速越高，機組尺寸相對越低，進而機組重量減小，投資相應減小，同時這兩個參數與效率、磨損、空蝕和穩定性密切相關，需根據電站具體條件和機組生產水平統一考慮。

根據部分與卡洛特水電站水頭、機組容量相近的水輪機比轉速ns及比速系數K值統計資料表明：比轉速在217～235.6 m·kW之間，比速系數在1 750～1 900之間。結合卡洛特電站含沙量、水頭區間、轉輪能量特性、空化特性等要素，比速系數應在1 850～1 900之間選擇，相應的比轉速為229.5～235.6 m·kW。

2.3 單位參數

初步確定比轉速和比速系數的水平后，再根據工程特點，選擇合適的單位轉速n1′和單位流量Q1′，進行參數合理匹配。提高水輪機的n1′可以減小機組重量，但增加n1′會從空化、磨損、穩定性等方面對水輪機造成不利影響。加大水輪機的Q1′，在減小水輪機尺寸的同時，又降低廠房尺寸，進而節省工程投資，但增大Q1′會受到轉輪強度、空化、磨損等方面的約束。機組的運行經驗表明，n1′與Q1′需要匹配合適。

綜上，卡洛特水電站的比轉速宜在229.5～235.6 m·kW之間，其對應的單位轉速是74～76 r/min。

2.4 水輪機尾水管壓力脈動值

在一些運行工況下， 部分大、中型混流式機組出現了不穩定運行、機組振動、噪音較大，甚至引起廠房振動和機組出力擺動等情況。卡洛特電站水頭不高，因此壓力脈動需要引起足夠重視，對該電站水輪機的尾水管壓力脈動混頻雙振幅值指標要求見表1[1]。

2.5 水輪機主要參數水平

結合水輪機模型試驗成果和該電站運行特點，確定水輪機性能參數水平如下[1]：

比轉速ns ??????229.5～235.6m·kW

比速系數K ??????????????1850～1900

最優單位轉速n10′ ??????74～76 r/min

限制點單位流量Q1′ ??????0.95～1.0 m3/s

模型最高效率ηoptM ??????≥94.0 %

真機最高效率ηoptT ???????????≥95.5 %

限制工況點模型臨界

空化系數σm ??????????????????????????????????????????????????≤0.105

電站空化系數σp ??????≥0.193

2.6 水輪發電機組主要參數

水輪機模型驗收完成了水力開發預期的所有試驗，試驗結果表明，模型水輪機及換算得到的原型效率、出力、空化、壓力脈動等性能指標均滿足水力開發條件預期目標要求。卡洛特水電站機組主要參數見表2和表3。

3 水輪發電機組結構特點

3.1 水輪機

3.1.1 總體結構

水輪機采用常規立軸混流式，金屬蝸殼、彎肘尾水管結構形式。

3.1.2 轉輪

轉輪主要部件上冠、下環及葉片的材質為鑄鋼04Cr13Ni5Mo。葉片采用五軸數控機床進行加工，再與上冠、下環組焊成整體后精加工。在上冠上設間隙式止漏環，以減小頂蓋下腔壓力，進而減小主軸密封漏水量。在下環上也設置間隙式止漏環。在轉輪上冠上采用不開泄水孔的結構形式。

3.1.3 主軸

水輪機主軸材質采用鍛鋼20MnSX，分3段鍛造，廠內組焊加工。軸領直徑？2 135 mm，軸身外徑？1 600 mm，內徑？1 250 mm，長6 250 mm，法蘭直徑？2 300 mm。水輪機軸與發電機軸的連接采用銷釘螺栓聯接形式，與轉輪連接采用螺栓把合的結構形式。

3.1.4 水輪機導軸承

水輪機導軸承為稀油潤滑、非同心分瓦塊自潤滑軸承。油冷卻系統為內循環式，冷卻器布置在油箱內部。

軸承上布置有油位信號器和油混水報警裝置，軸瓦上均安裝了測溫裝置。

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

3.1.5 主軸密封

水輪機主軸密封分別由工作密封和檢修密封組成。

工作密封采用自補償端面密封，摩擦副為復合材料制成的密封塊和不銹鋼滑環，以清潔的壓力水作為密封的調節、潤滑和冷卻劑。

檢修密封采用傳統的空氣圍帶式，應經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

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

尾水管錐管段和肘管段設有金屬里襯，在工地拼焊成型。錐管段設有900×700 mm進人門。

3.1.7 座環、基礎環

座環采用平行式帶過渡板和導流環組焊結構。座環上、下環板采用帶縱向特性的抗層狀撕裂鋼板Q345B-Z25。固定導葉材料為鋼板Q345B。在座環上有4個固定導葉設置有直徑？60自流排水孔。

基礎環把合在座環上，底環與基礎環采用加墊工地配磨的方式安裝。

3.1.8 頂蓋與底環

頂蓋采用鋼板焊接結構，分兩瓣。在頂蓋過流面設置有不銹鋼抗磨板，采用塞焊方式固定。在轉輪上冠相對位置設有不銹鋼固定止漏環。

頂蓋上設置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，增強了排水管的剛度，可有效地保護排水管焊縫，以防因水力振動造成焊縫脫落而影響機組的安全運行。

底環采用厚鋼板焊接結構形式，底環過流面采用塞焊方式固定的不銹鋼抗磨板。在轉輪下環相對位置設有不銹鋼固定止漏環。

3.1.9 導水機構

導葉為整體鑄造形式，在導葉軸徑處設有3個軸承，分別安裝在頂蓋和底環上。導葉操作機構連接接力器和導葉，并配置了導葉保護裝置等。

水輪機設有2個雙作用直缸接力器，采用油壓操作來控制導葉的開啟。水輪機接力器布置在水輪機基坑的接力器坑襯內，接力器支座板與機坑里襯形成整體。

為確保機組運行維修安全，接力器設有液壓鎖錠、機械鎖錠兩個鎖錠裝置。

3.1.10 補氣裝置

在發電機主軸考慮了中心補氣措施，用以保證機組在部分負荷下能穩定運行，當轉輪下部出現真空時自動補氣。發電機軸和水輪機軸的？1250mm內孔設置DN400的補氣管，一直通過軸系內孔延伸至轉輪上冠出口。

補氣閥為浮球式彈簧液壓緩沖式結構，安全可靠。在補氣管進口處，設置有消音器，以消除補氣時的噪音。

3.1.11 排水系統

每臺機組設有直徑為？600的尾水管排水閥和一個直徑為？500的蝸殼排水閥，供機組停機排水時使用。兩個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的水排至尾水管中。

3.2 發電機

3.2.1 總體結構

水輪發電機采用常規的立軸半傘型結構， 采用密閉自循環空氣通風冷卻方式。推力軸承布置在下機架上，冷卻方式為內部循環冷卻;下導軸承和推力軸承共一個油槽。整個軸系由上端軸、中心體、發電機軸、水輪機軸和轉輪組成，由上、下導軸承和水導軸承提供支撐。

發電機的空氣冷卻系統采用固定擋風板端部回風的密閉循環，發電機勵磁采用靜止可控硅勵磁系統。

3.2.2 定子

發電機定子主要由鐵芯、機座及繞組組成。機座采用4瓣鋼板焊接結構，在工地組焊成整圓。

定子鐵心采用優質進口硅鋼片50W250沖制而成。鐵心軸向均勻設有通風溝。定子鐵心由上端設有蝶形彈簧的穿芯螺桿拉緊，鐵心收縮變形時，螺桿和碟簧就可起到補償作用，保證定子鐵心不發生松動。

發電機線棒在機坑內下線。定子線圈采用絕緣槽襯結構，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 轉子

轉子支架為圓盤式焊接結構。中心體和分瓣扇形支臂在工地焊成整體。

磁軛采用優質高強鋼疊壓而成，用高強度螺桿把合成整體。磁軛和支架連接方式采用熱打鍵[2]。

磁極鐵心采用高強鋼DCL350，并通過T尾結構與磁軛相連。磁極線圈由異型銅排制成。磁極托板采用高強度環氧玻璃坯布整體熱壓而成。

3.2.4 發電機軸承

發電機推力軸承共設有16塊瓦，推力瓦采用塑料瓦。推力軸承采用具有良好調節性能的彈性油箱支撐，以保證推力瓦受力均勻。推力軸承采用內循環的冷卻方式。

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

3.2.5 上、下機架

上下機架由中心體和支臂構成，均在工地焊接而成。上機架采用多邊形框架結構，具有足夠的支撐剛度，并可有效地改善發電機基礎的受力。下機架采用8條支臂，整個下機架能通過發電機定子整體吊出。

3.2.6 附屬系統

發電機采用機械制動系統。制動器能利用壓縮空氣進行自動復位，制動塊材料為非金屬無石棉。

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

發電機在滑環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溫度。

4 結 語

卡洛特水電站發電水頭不高，但變幅較大，且過機泥沙含量較大，因此在機組設計的過程中適當降低了機組的參數水平，采用成熟、可靠的結構形式，同時機組的主要過流部件也增加了抗磨涂層，這些措施為機組的安全穩定運行提供了有力保障。

參考文獻：

[1] 長江勘測規劃設計研究有限公司. 巴基斯坦Karot水電站可行性研究報告[R]. 武漢： 長江勘測規劃設計研究有限公司，2015.

[2] 代開鋒，柳飛，郭學洋，等. 沐若水電站水輪發電機組主要參數及結構選擇[J]. 人民長江，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