巴基斯坦卡洛特水電站水力機械輔助系統設計

何志鋒 代開鋒 何昌炎 桂紹波

摘要：巴基斯坦卡洛特水電站為單一發電任務的水電樞紐，裝設4臺立軸混流式水輪機組。結合卡洛特水電站設計條件及機電設備的具體要求，開展了輔助系統設計方案研究。介紹了技術供水系統、排水系統、 壓縮空氣系統、透平油和絕緣油系統、水力監視測量系統和機電設備消防系統的設計方案和技術參數。卡洛特水電站水力機械輔助系統配置合理、運維方便、運行經濟和安全可靠，可滿足電站長期安全穩定運行的需要。

關鍵詞：混流式水輪機;水力機械;機電設備;輔助系統設計;卡洛特水電站;巴基斯坦

中圖法分類號：TV734 文獻標志碼：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）規劃的5個梯級電站中的第四級。工程為單一發電任務的水電樞紐，電站總裝機容量720 MW，裝設4臺立軸混流式水輪機組，單機容量為180 MW，電站多年平均年發電量32.1億kW·h，年利用小時數4 452 h。工程建設將對所在地和供電區經濟社會的發展起到促進作用，可提高當地的供電保證率，并能帶動地方工業的發展，提高當地居民生活質量和就業率。卡洛特水電站動能參數如下：

最大水頭：79.34 m

最小水頭：50.00 m

加權平均水頭：68.86 m

額定水頭：65.00 m

裝機容量：720.0 MW

保證出力：116.1 MW

多年平均發電量：32.1億kW·h

裝機年利用小時數：4 452 h

2 水力機械輔助系統設計

2.1 技術供水系統

電站技術供水的對象主要包括空氣冷卻器、推力軸承、各導軸承冷卻器和調速器冷卻器。各用戶用水量需求見表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段。電站采用開式技術供水、單機單元自流減壓供水方案。技術供水水源取自各機組壓力鋼管，為增強供水可靠性，1號和2號機為一組，3號和4號機為一組，機組之間以手動閥門隔開，組內水源相互備用[1]。

考慮到電站水頭有一定變幅并且泥沙含量偏大，每臺機組均配備水力旋流器、全自動濾水器和四通換向閥，機組各冷卻器均可正反向供水。機組技術供水經供水總管、水力旋流器、濾水器、減壓閥和四通換向閥后向機組技術用戶供水。每臺機組技術供水系統設置兩套水力旋流器、濾水器、減壓閥，一套工作，一套備用。

2.2 排水系統

卡洛特水電站排水系統包括機組檢修排水系統、廠房滲漏排水系統和溢洪道滲漏排水系統。

2.2.1 機組檢修排水系統

機組檢修排水量由蝸殼、尾水管和壓力管道內的積水量以及上、下游閘門的漏水量決定。機組檢修時，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。

卡洛特水電站機組檢修排水系統采用間接排水方式，檢修積水由盤形閥排至排水廊道，再排至檢修集水井，然后以水泵抽至下游。機組檢修排水系統選用3臺流量Q=1 000 m3/h，揚程H=50 m的深井泵。同時，為方便檢修集水井清淤，井內配置一臺流量Q=160 m3/h，揚程H=65 m的潛水排污泵。

2.2.2 廠房滲漏排水系統

廠內的滲漏水主要來源于廠內水工建筑物的滲漏水、機組頂蓋與主軸密封漏水、鋼管伸縮節漏水、各供排水閥門和管件漏水、廠內的生產用水和廠內消防時所用消防水等。廠內的滲漏水經排水管和排水溝引至集水井，然后由滲漏排水泵排至下游。廠房內總滲漏排水量約為100 m3/h。經綜合計算比較，廠房滲漏排水系統選用3臺流量Q=300 m3/h，揚程H=65m的深井泵。同時，為方便檢修集水井清淤，井內配置1臺流量Q=160 m3/h，揚程H=65 m的潛水排污泵。

為防止進入集水井的油污直接排往電站下游，對下游環境造成影響，廠內增設了滲漏集水井油水分離子系統，見圖1。該系統主要由含油污水分離凈化裝置、浮油吸收機和收集油罐組成，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對含油廢水進行收集和分離處理，經處理的廢油排至廢油罐，經處理的達標水通過聯通孔進入排水池，由深井泵排至下游。

2.2.3 溢洪道滲漏排水系統

溢洪道壩體滲漏總量按150 m3/h設計，采用間接排水方式，即排水廊道-集水井-潛水泵排水。該系統配置2臺潛水排污泵（流量Q=400 m3/h，揚程H=20 m），水泵的啟停及報警根據集水井中的液位變送器所設定的水位自動控制。

2.3 壓縮空氣系統

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

（1）低壓壓縮空氣系統。需滿足機組制動和廠內工業供氣需求，空壓機容量按滿足最大的用氣需求選取。根據電站主接線方案，制動用氣量按2臺機組同時制動設計，工業用氣按1臺機組檢修考慮。經計算，電站低壓氣系統空壓機選用3臺生產率為3.0 ?m3/min、排氣壓力為0.85 MPa的風冷式低壓空壓機。設置2只4.0 m3制動貯氣罐和1只2.0 m3工業用氣儲氣罐。

（2）中壓壓縮空氣系統。電站調速器油壓裝置型號為YZ-8.0-6.3，額定壓力為6.3 MPa，采用一級壓力供氣方式，貯氣罐壓力為7 MPa，中壓壓縮空氣系統提供中壓氣源，經空氣干燥機干燥后供給油壓裝置。為保證用氣質量，中壓壓縮空氣系統選用2臺螺桿式空壓機（Q=2.0 m3/min，P=8MPa），2臺空氣干燥機（Q=2.5 m3/min，P=8 MPa）和2臺4 m3中壓貯氣罐。

（3）IPB微正壓壓縮空氣系統。電站離相封閉母線微正壓裝置補氣量為32 m3/h，補氣壓力300 Pa。按照不啟動空壓機，儲氣罐向封閉母線連續進行供氣45 min，每次供氣量為32 m3，儲氣罐按12 min恢復氣壓設計，選用2臺空壓機（Q=3.0 m3/min， P=0.85 MPa）和2只壓力等級為0.8 MPa、容積為5 m3的儲氣罐，并配套選用2臺空氣干燥機（Q=4.0 m3/min，P=0.85 MPa）。

2.4 透平油和絕緣油系統

透平油系統用于機組各軸承的用油、調速系統操作用油的儲存以及供排油及油質處理。電站采用集中式供排油和油處理方式，油罐及油處理設備集中布置在安裝場段油處理室，以貫穿全廠的供、排油總管連接各機組段。透平油系統選用2個20 m3凈油罐和2個20 m3運行油罐，2臺Q=12 m3/h，P=0.6 MPa齒輪油泵，并配備1臺Q=6 m3/h，P=0.5 MPa透平油過濾機，2臺Q=6 m3/h，P=0.5 MPa精密過濾機，為方便設備加油，增配1臺0.5 m3移動式油車。

絕緣油系統用于主變壓器油的儲存、供排油及油質的處理。卡洛特水電站每臺機組配備3臺容量67 MVA的單相主變壓器，每臺單相變壓器的用油量約為20 t。電站絕緣油系統選用容積為15 m3的運行油罐和凈油罐各2個。選擇2臺Q=6 m3/h，P=0.6 MPa齒輪油泵，1臺Q=3 m3/h，P=0.5 MPa真空濾油機，1臺Q=3 m3/h，P=0.5 MPa高真空濾油機，1臺Q=3 m3/h，P=0.5 MPa精密過濾機，布置在主廠房外絕緣油處理室。

2.5 水力監視測量系統

電站水力監視測量系統的項目設置分全電站性測量和機組段測量兩個部分。全電站性測量項目包括上游庫水位、下游尾水位、電站水頭、攔污柵前后壓差、水庫水溫測量和廠房防水淹信號等。機組測量項目包括工作門平壓、水輪機流量、蝸殼進口壓力、蝸殼末端壓力、尾水管進口和出口壓力、尾水管錐管壓力脈動、發電機層噪音、主軸擺度、機組振動等。

2.6 機電設備消防系統

卡洛特水電站機電設備消防系統包括水消防系統和氣體滅火系統。水消防系統防護對象為電站主廠房、電站副廠房、并聯電抗器和主變壓器;氣體滅火系統防護對象為發電機、中央控制室、開關站蓄電池室[2]。水消防系統按照NFPA標準設計，選用II類消防栓系統，氣體滅火系統按照NFPA標準選用CO2氣體滅火系統和FM200氣體滅火系統。

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、廠房內消防栓系統和并聯電抗器水噴霧系統供水。廠房內機電設備水消防備用水源采用壓力鋼管自流供水[3]。

水輪發電機組按合同要求采用CO2消防系統，每臺機組配置1套CO2消防設備。中控室和開關站蓄電池室各配備1套無管網式七氟丙烷滅火系統。

電站內根據機電設備布置狀況和廠房結構，按照NFPA的要求，評估各區域火災風險等級和可能的火災類型，配置相應能效和合適種類的便攜式滅火器和推車式滅火器。

3 機電設備布置

卡洛特水電站為地面廠房。廠房布置了4臺立軸混流式水輪發電機組，從右至左依次布置有安裝場、1～4號機組段。調速器及油壓裝置布置在水輪機層（391.0 m）第一象限;滲漏集水井、檢修排水泵房設在安裝場Ⅱ段水輪機層;技術供水主要設備布置在下游副廠房水輪機層;空壓機室布置在安裝場Ⅱ段上游副廠房水輪機層的專用房間內;機組透平油系統布置在安裝場Ⅱ段下部水輪機層專用房間內。絕緣油系統布置在廠外;溢洪道滲漏排水泵房布置在泄洪壩段廊道內，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 語

根據卡洛特水電站的具體條件和機電設備要求，分別對水力機械各輔助子系統進行分析研究，確定了輔助系統設備參數，可確保各系統滿足電站長期穩定安全運行需要。

參考文獻：

[1] 水電站機電設計手冊編寫組.水電站機電設計手冊-水力機械[M].北京：水利電力出版社，1982.

[2] GB 50872-2014水電工程設計防火規范[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