巴基斯坦N-J水電站機電設計關鍵技術研究與應用

田 子 勤，鄒 海 青，王 樹 清，崔 磊

(長江勘測規劃設計研究有限責任公司 機電工程設計研究院，湖北 武漢 430010)

Neelum-Jhelum水電站(以下簡稱N-J水電站)位于巴基斯坦克什米爾，是巴基斯坦目前最大的水電工程項目，也是中國企業迄今為止在境外承建的最大的水電工程。水電站最高水頭為420 m，裝設4臺單機容量為243 MW的混流式水輪發電機組。N-J水電站水頭高、泥沙含量大、引水系統超長、尾水系統長，機電工程設計具有顯著特點和難點。本文介紹了該水電站機電總體設計、設備制造與檢修、過渡過程計算、超長隧洞輸水安全與檢修排水、525 kV高壓電纜敷設安裝以及接地網計算等關鍵技術的研究和應用情況。

1 工程概況

N-J水電站主要由混凝土重力大壩、大型沉沙池、28.6 km引水隧洞、上下游調壓室、地下廠房和尾水隧洞以及525 kV戶外開關站等建筑物組成。該項目的業主是巴基斯坦水電能源署(WAPDA)，EPC總承包為中國葛洲壩集團股份有限公司和中國機械設備工程有限公司組成的聯合體(CGGC-CMEC)，長江勘測規劃設計研究有限責任公司承擔項目的機電與金屬結構的設計工作。工程于2008年1月30日正式開工，歷經10 a多時間，首臺機組于2018年4月13日投產發電；同年8月13日，4臺機組全部投產運行，至2019年9月18日，完成了全部4臺機組的移交工作。水電站年發電量約為51.5億kW·h，占巴基斯坦水電發電量的12%，水電站的投運，解決了巴基斯坦全國15%人口的用電緊缺問題，經濟和社會效益顯著。N-J工程總體布置如圖1所示。

圖1 N-J工程總體布置Fig.1 General layout of N-J hydropower plant

N-J水電站主要設計參數如下：

正常蓄水位 1 012.5 m

最低水位 1 006.0 m(雨季水位)

死水位 1 000.5 m(僅靠河流徑流)

最低尾水位 591.0 m

最高尾水位 598.0 m

最高/額定/最低水頭 420 m/370 m/350 m

裝機容量 969 MW

裝機臺數 4臺

地震烈度 Ⅷ級

2 機電設計主要特點及難點

N-J機電工程設計具有以下顯著特點和難點。

(1) 機組采用高水頭、大容量混流式機型。該水電站水頭運行范圍為350～420 m，額定水頭為370 m，屬于典型的大容量高水頭水電站。水輪機最大出力為270 MW，是目前國內外在該水頭段已投運的最大容量的混流式水輪機。

(2) 水中泥沙含量大、硬度大。Neelum河中進入沉沙池的泥沙總量為3.3×106t/a，通過每臺水輪機的懸移質總量為7.3×105t/a。預計通過水輪機最大含沙量為5.0 kg/m3，一般出現在5～8月，最大值出現在6月。55%～70%泥沙的莫式硬度大于等于5。約 40%～55%的泥沙由石英組成，剩余成分主要是長石和角閃石。軟礦物主要是白云母和黑云母。水輪機過流部件的泥沙磨損問題十分突出，且轉輪等部件需要頻繁吊出進行檢修。

(3) 樞紐布置復雜，為一洞四機超長引水隧洞，且帶上下游非常規斜坡式調壓隧洞(室)。該電站為地下電站，引水系統長約28.6 km，采用一洞四機帶上游調壓室布置的形式，受地質條件的影響，其中約19.6 km采用雙管布置；尾水系統長約3.5 km，采用一洞四機帶下游調壓室布置的方式，并且上、下游調壓室均由一個非常規的斜坡式隧洞構成。設計過程中，在調節保證計算、引水隧洞排水減壓、尾水隧洞檢修排水、壓力鋼管安全可靠性等諸多方面均有著較多的難題需要解決。

(4) 電站配置的4臺525 kV主變壓器布置在地下電站主廠房下游側水平距離30 m的主變洞室內，電站525 kV開關站采用敞開式、布置在地面，主變壓器高壓側至地面525 kV開關站的進線，采用4回525 kV高壓電纜，經過路徑長度1 000多m的電纜通道連接。在工程設計中，需適應長路徑高壓電纜敷設的苛刻條件的需求，并對大型開關站的安裝均提出了較高的要求。

(5) N-J水電站的開發任務為發電，以促進地區經濟社會發展，電站的運行方式主要是基荷運行，并承擔調峰作用。電網薄弱、斷電頻繁，因局部故障擴大而導致整個電網出現運行故障或大范圍停電的可能性較高。該電站在電網中具有舉足輕重的作用，年發電量約為51.5億kW·h，占巴基斯坦水電發電量的12%。設計中要求具有黑啟動功能。

鑒于上述特點和難點，N-J水電站的機電設計具有較大的挑戰性，特別是水電站運行后水輪機的泥沙磨損、超長隧洞的輸水安全及其檢修問題引起了參建各方的廣泛關注。

3 關鍵技術研究及主要成果

3.1 高水頭含沙水流條件下水輪機抗磨措施及檢修方案

N-J水電站屬于高泥沙含量電站，由于水頭很高，水流流速大，水中的泥沙會對水輪機過流部件造成比較嚴重的磨損破壞，需要采用措施提高水輪機的抗泥沙磨損能力，同時還需考慮到部件磨損后相應的檢修拆卸方案。因此，從以下方面進行了研究。

(1) 優化水力設計。首先，通過合理選擇水輪機參數水平并正確確定水輪機的安裝高程，減小發生空化的概率，避免產生空蝕與泥沙磨損聯合破壞[1]。另外，良好的水力設計可以保證水輪機流道中壓力和流速分布均勻，有利于避免脫流與旋渦的產生、避免發生壓力和流速的急劇變化、減少過流損失，以及防止或減緩過流部件的泥沙磨損，因此，借助于水力優化設計軟件CFD，對轉輪、蝸殼、尾水管等部件進行水力優化設計并對多方案進行比選；選定方案后，再通過模型試驗予以驗證，以獲得良好的水力性能。

(2) 表面防護。材料表面的硬度越高，抗切向沖擊磨損的能力越強。因此，對于含沙量較多的水電站，為了提高水輪機主要過流部件的抗磨能力，除母材采用不銹鋼材料外，還對其表面采用硬化防護。目前，針對水輪機泥沙磨損效果較好的表面保護措施是采用高速火焰噴涂碳化鎢技術(HVOF)進行噴焊[2-3]，但成本較高。為此，對N-J水電站研究提出了應根據不同流速，對水輪機過流部件表面進行“硬軟結合、分區噴涂”的方案，即：對水輪機轉輪、導葉、頂蓋與底環抗磨板以及尾水錐管進口等流速高、且易磨損的表面，進行了HVOF硬噴涂；而對流速相對低一些的座環固定導葉表面則進行了軟噴涂，噴涂層材料為聚氨酯，這樣，既提高了抗磨能力，又大大節約了成本。

(3) 檢修拆卸方案。考慮到水輪機過流部件因泥沙磨損導致檢修頻繁，預計轉輪需要2～3 a進行一次吊出修補。為了實現在不拆卸發電機的情況下拆除水輪機轉輪、導葉、底環、止漏環等過流易磨損部件進行檢修，對水輪機采用了下拆設計結構，也就是不用拆除發電機，即可將尾水錐管、底環、轉輪下拆至廊道吊出進行檢修，這樣就大大節省了檢修時間和拆卸、安裝工作量[4-5]，如圖2所示。

圖2 轉輪下拆結構示意Fig.2 Structure of disassembled runner bottom

3.2 超長有壓引水隧洞輸水安全研究

3.2.1防止壓力鋼管共振研究

N-J水電站為一洞四機，共用一條長為28.6 km的引水隧洞，每臺機組前均設置有1臺DN2000進水球閥。對這種超長有壓引水隧洞，由于水體的慣性力和摩阻力的作用可能引起水體振蕩，特別是進水球閥工作密封由于漏水而密封不牢引起來回振動，球閥上游壓力隨著密封環的振動而不斷波動，水壓的波動幅值會越來越大，并在與下游密封相互作用中產生自激振蕩，極易引起其他機組的壓力鋼管共振，從而對機組及電站的安全穩定運行造成危害。壓力鋼管的振動與機組甩負荷時引起的反水錘激蕩不同，上游側的調壓井將無法起到抑制作用。

國內外很多大型水電站，尤其是高水頭引水系統的電站都發生過進水球閥自激振蕩或者與壓力鋼管共振事故，比如，加拿大貝斯米電站、廣州抽水蓄能電站等[6-7]。為此，在工程設計中采取了壓力動態監測與泄壓裝置相結合的方式，發明了“動態監測、智能釋放”的高水頭水電站壓力鋼管共振消除裝置，如圖3所示。由監控系統監測壓力鋼管中的水壓，當壓力鋼管中的壓力大于4.7 MPa時，發送開啟電動球閥60 s的命令，實現壓力鋼管泄壓并改變壓力鋼管的運行振動頻率，達到防止進水球閥與壓力鋼管共振的目的。

圖3 防止壓力鋼管共振裝置示意Fig.3 Resonance eliminating system for penstock

3.2.2長引水隧洞消能減壓排水系統設計

N-J水電站引水隧洞長達28.6 km，在電站首次充水試驗后或運行多年后，需要對引水隧洞進行檢查和維護，此時需要將引水系統內的積水排空，以方便檢修維護。長引水、高水頭電站引水系統排水量大、排水壓力高，如何有效予以消能，安全快速地排水將對電站的安全穩定經濟運行具有重大意義。通過對常規的引水系統排水方案進行比選，針對N-J水電站高水頭、大含沙量的特點，設計采用了高水頭大流量消能減壓排水系統的方案，系統主要包括沿引水隧洞末端布置至下游尾水隧洞的排水管道、液控球閥、液控針閥、偏心旋流裝置、補氣管和液控刀閥，如圖4所示。該系統具有如下優點：

(1) 通過監控液控針閥前后壓力差實時調節開度，實現流量和壓力的自動調控；

(2) 排水流量大，可達6～8 m3/s；

(3) 創造性地設計了偏心旋流裝置，減壓效果好，出口水流對尾水隧洞基本無沖刷。

圖4 消能減壓排水系統Fig.4 Energy dissipation and pressure reducing system

3.3 尾水洞檢修排水設計

N-J水電站尾水隧洞全長約3.5 km，尾水直通吉拉姆(Jhelum)河，尾水隧洞出口底板高程為591.0 m，而機組安裝高程為579.5 m。當電站檢修時，隧洞內的積水約41萬m3，尾水洞結構如圖5所示，需要在規定時間內(業主要求14 d內)將尾水隧洞的積水排出洞外。如采用固定排水裝置，需在尾水隧洞的最低點旁布置檢修集水井和排水泵房，不僅土建工程量大，且其供電、通風、維護保養等方面均存在較大困難[8-10]。為此，根據工程實際情況，采用“分級移動排水車、分段固定排水點”的設計方案，創新性地提出了由集成排水車和預埋管路組成的移動排水系統，移動排水裝置采用子母車配置，即由一臺三軸消防車底盤改裝的母車和橡膠履帶排水車組成，母車配有一臺加壓泵(固定在母車上運行)，子車配有一臺排水泵(隨子車移動運行)，隨著積水排出水位降低，排水車前進并沿途更換排水節點，直至將隧洞內積水排凈，如圖6所示。相對于常規排水方案，這種長尾水隧洞系統移動檢修排水系統方案能顯著提高尾水洞排水系統的可靠性，并能降低土建工程量，節約投資，解決了長尾水隧洞排水檢修的難題。

圖5 N-J水電站尾水洞淹沒示意(單位：km)Fig.5 Tailrace tunnel of N-J hydropower plant

圖6 長尾水隧洞移動排水系統Fig.6 Mobile dewatering system for long tailrace tunnel

3.4 高土壤電阻率水電站接地網計算和設計

N-J水電站地處山區，整個接地網設計及施工區域存在如下難點：

(1) N-J水電站作為引水式電站，建筑物多、布置分散。電站主要建筑物由大壩及進水口、沉沙池、引水隧洞、調壓室、地下廠房和尾水隧洞等組成，其中，引水隧洞總長為28.6 km。地下廠房長約132 m、寬為20.1 m、高約52.50 m，變壓器洞室長142 m，高壓電纜隧洞長約700 m，該隧洞作為到變壓器洞室和GIS及高壓電纜層到地面開關站的連接隧洞，地面525 kV敞開式開關站設置在電纜隧洞的入口處，面積為262 m×121 m(長×寬)。尾水隧洞長約3.5 km。

(2) 山區及地下洞室群土壤電阻率高，電流泄散條件惡劣；較高的土壤電阻率意味著設計的地網面積更大，增加施工成本。

(3) 地形條件復雜，山體的起伏給接地網敷設的施工帶來了極大的不便。

為了降低接地電阻，充分利用了大壩、進水口、引水隧洞、壓力鋼管、地下廠房和尾水洞等水工建筑物水下部分的鋼筋網或金屬構件，即自然接地體作為接地裝置。電站接地網分為兩部分：大壩區接地網C1以及地下廠房和地面開關站系統接地網C3，兩部分地網相互獨立。N-J水電站接地網導體全部采用銅導體，主干接地網采用銅絞線，弱電設備室內設置眀敷環形接地銅排作為等電位連接，C1區(大壩及進水口)接地導體采用銅絞線TJ-150 mm2、 C3區(地下電站及525 kV開關站)接地導體采用銅絞線TJ-185 mm2，滿足熱穩定的要求。

該項目采用全數值分析技術，基于EMTP電磁暫態分析軟件，針對水電站出線進行精準建模，分析站內及站外不同桿塔處的散流特性及接地故障電流大小，精準計算入地短路電流。針對山區水電站接地網，采用CDEGS構建了水電站三維地網模型并進行數值分析計算。全數值仿真技術的應用，避免了常規經驗公式設計裕度偏大、誤差偏大導致的高土壤電阻率水電站工程接地網敷設面積過大的問題，既降低了接地網施工難度，同時也有效節省了工程投資[11-13]。

根據IEEE標準，水電站接地網的接地電阻值按不大于1 Ω設計[14]。通過計算，未蓄水時，C1接地阻抗為0.299∠4.95° Ω；由于C3區的接地網面積較大，分布廣，短路電流從不同點注入地網時接地阻抗將差別比較明顯，經計算，當短路電流從開關站注入地網時，C3區的接地阻抗為0.140∠23.39° Ω，當短路電流從主變室注入地網時，C3區的接地阻抗為0.117∠17.42° Ω。

N-J水電站高壓電纜廊道、主變室和高壓電纜室的均壓網孔分別采用3.0 m×(5.0～6.0) m、5.1 m×4.8 m和4.6 m×4.8 m的等間距布置；戶外開關站中間主網孔取9 m、邊緣網孔1.0～5.0 m，在地網最外沿一周邊角處布置成圓弧形。在這種布置方案下，高壓區域最大的接觸電位差為231.54 V，最大跨步電位差為60.93 V，均能滿足IEEE規定的人身安全的要求。

3.5 525 kV敞開式開關站設計

N-J水電站工程在地形及地質條件、場地面積允許的情況下，考慮到當地設備應用和檢修習慣，經多方案技術經濟比較，推薦選擇AIS(戶外敞開式)布置方案。525 kV開關站采用了一倍半斷路器接線方式，該方式具有安全可靠性高、運行調度靈活、操作檢修方便等優點，大大提高了N-J電站的運行安全可靠性，作為骨干電源，有力支撐了巴基斯坦電網的安全穩定運行。

525 kV開關站位于進入地下廠房的必經之路——進廠交通洞的入口處，十分有利于電站和開關站的一體式運行和維護，開關站呈長方形，占地面積約為262 m×121 m，規模較大，布置整齊劃一，如圖7所示。

圖7 525 kV敞開式開關站布置Fig.7 Layout of outdoor 525 kV switchyard

3.6 長距離高壓電纜布置適應敷設、安全運行和檢修需要的設計

N-J水電站4臺525 kV主變壓器布置在地下電站主廠房下游側水平距離30 m的主變洞室內，電站525 kV開關站采用敞開式、布置在地面。主變壓器高壓側至地面525 kV開關站的進線，采用4回525 kV高壓電纜，敷設路徑大于1 000 m，在工程方案設計中需滿足安全性、可靠性、易維護、滿足預留長度的要求。

N-J水電站工程電纜的最大工作電流為324 A，考慮到工程投資，采用了800 mm2鋁芯電纜，單根電纜長度最長達1 277 m，無中間接頭。以此提高了電纜運行的安全可靠性，節省了工程投資。為了滿足防火要求，研究提出了525 kV電纜在電纜溝中采用埋沙敷設方式，這樣可以避免因其中一根電纜起火燃燒而波及其他電纜，較好地滿足了防火要求[15]。

由于N-J水電站在巴基斯坦電網中的特殊重要性，為了縮短電纜故障時的停電時間，設計方案采用了“故障電纜與備用電纜快速切換”的電纜布置方式，即在每回電纜溝內敷設1根備用電纜，4根電纜單獨敷設在一條電纜溝內采用正方形排列布置，備用電纜的兩端安裝電纜終端。與通常的4回電纜共用一根備用電纜的方案相比，采用該方案，無論哪根工作電纜發生故障，備用電纜均不用挪動，直接在電纜終端快速切換連接，大幅縮短了電纜故障時的停電檢修時間。

525 kV電纜進入戶外敞開式開關站前，設置19 m×15 m的戶外敞開式大沙坑，電纜在沙坑中為“S”型敷設，以實現電纜預留，并在電纜連接戶外電纜終端之前，在電纜溝內放大電纜的轉彎半徑，以增加預留長度，如圖8所示。在GIS室，在電纜連接GIS電纜終端之前，采用半圓形敷設方式設置預留段。

圖8 戶外大沙坑“S”型敷設Fig.8 S-type cable laying in wide outdoor sand pit

4 結 語

N-J水電站機電設計面臨著復雜的水能、水質和運行條件，并且作為EPC項目，既要考慮到技術可行性，還需要綜合考慮工程的經濟性，這對設計單位是一個嚴峻的挑戰。本文結合項目實際，針對項目的特點和難點，通過深入分析研究，提出了適宜的解決方案。

(1) 研究提出了在高水頭、大泥沙含量、一洞四機帶上下游非常規斜坡式調壓隧洞等多重復雜條件下，能夠保障超長輸水系統和機組安全運行及設備檢修的總體設計方案。

(2) 創新了高水頭、超長引水隧洞排水、排沙、消能及安全保障技術，以及創新了長距離高壓電纜布置設計適應敷設和檢修需要的關鍵技術。

(3) 發明了“動態監測、智能釋放”的高水頭水電站壓力鋼管共振消除裝置，極大地提高了超長隧洞輸水系統的運行安全性。

(4) 提出了一種長引水電站高水頭大流量自適應調控消能減壓排水排沙系統，解決了超長隧洞排水排沙難題。

(5) 創新地提出了故障電纜與備用電纜快速切換的電纜布置方式，有效縮短了電纜故障時的停電檢修時間。

本文研究成果在N-J水電站得到了成功應用，可為同類工程的機電設計提供參考和借鑒。