巴基斯坦卡洛特水電站機組選型設(shè)計研究

陳笙 何志鋒 彭志遠

摘要：巴基斯坦卡洛特水電站運行水頭處于中、低水頭范圍，河流泥沙含量大，含沙硬度高，對過流部件磨損以及機組穩(wěn)定運行影響較大。針對卡洛特水電站具體工程特點，參考國內(nèi)外同類電站以及多泥沙流域電站運行經(jīng)驗，結(jié)合水輪機組制造商的設(shè)計制造水平，選定合適的機組運行參數(shù)。模型試驗結(jié)果表明，機組參數(shù)選擇是合適的。研究成果可為近似水頭段多泥沙流域水輪發(fā)電機組選型設(shè)計提供參考。

關(guān)鍵詞：混流式水輪發(fā)電機組;泥沙磨損;機組參數(shù);選型設(shè)計;卡洛特水電站;巴基斯坦

中圖法分類號：TV734.21文獻標志碼：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2021.11.017

文章編號：1006 - 0081（2021）11 - 0076 - 04

本文結(jié)合巴基斯坦卡洛特水電站運行特性以及水文特性，綜合考慮電站調(diào)度運行靈活性經(jīng)濟效益以及大件設(shè)備運輸方案，確定了該電站機組主要技術(shù)參數(shù)，并針對電站來流泥沙含量大、硬度高的特點，設(shè)置排沙措施以及機組構(gòu)件抗磨措施，為機組安全穩(wěn)定運行提供保障。

1 工程概況

卡洛特（Karot）水電站位于巴基斯坦旁遮普省境內(nèi)吉拉姆河（Jhelum），工程等級為Ⅱ等大（2）型工程，工程任務(wù)為發(fā)電，具有日調(diào)節(jié)性能。電站共裝設(shè)4臺單機容量18萬kW（180 MW）、總裝機容量72萬kW（720 MW）的混流式水輪機，裝機年利用小時數(shù)4 452 h，多年平均發(fā)電量32.06億kW·h。卡洛特水電站水頭范圍在50.00～79.34 m，調(diào)節(jié)庫容1 587萬m3，庫容系數(shù)0.06%，調(diào)節(jié)庫容小。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，而且在汛期（4～8月）高度集中;泥沙中石英和長石成分含量較多（占37%），含沙硬度高。因此，該電站具有中低水頭、調(diào)節(jié)庫容小、多泥沙、泥沙硬度高的特點。

2 水輪發(fā)電機組設(shè)計

2.1 機組型式選擇

卡洛特水電站水頭變化范圍為50.00～79.34 m，屬中、低水頭范圍，適用的水輪機型式有軸流轉(zhuǎn)槳式、混流式。

軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機多用于40 m水頭以下。目前，在中國得到應用的軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機最高使用水頭已達78 m，但已開發(fā)出的、適合于本電站高水頭、大容量的轉(zhuǎn)輪很少。如果電站采用軸流式水輪機，轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)超過8片，輪轂比在0.65以上，將使水輪機的引用單位流量較小，空化系數(shù)大，造成水輪機安裝高程很低，土建工程量大增。

混流式水輪機效率較高、空化系數(shù)較小，水輪機安裝高程高，廠房土建工程量小、投資較省。而且其結(jié)構(gòu)簡單，制造難度小，適用水頭范圍30～700 m。該電站水頭變化范圍在混流式水輪機理想運行范圍內(nèi)，綜合比較應選用混流式水輪機。

2.2 額定水頭選擇

水輪機額定水頭的選擇應根據(jù)水電站運行水頭范圍、水頭變幅及運行特點，結(jié)合水輪機安全運行穩(wěn)定性、電站動能經(jīng)濟性等方面的要求，經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟比較后選定。經(jīng)過對電站不同水頭下的電量分布、受阻容量、經(jīng)濟性以及機組運行穩(wěn)定性進行計算分析，結(jié)合近年投運的大型電站運行水頭特性，選定水輪機額定水頭為65 m，相應水頭保證率為93.86%，與電站全年加權(quán)平均水頭的比值為0.94。

2.3 水輪機比轉(zhuǎn)速及比速系數(shù)

水輪機比轉(zhuǎn)速ns及比速系數(shù)K是表征水輪機綜合技術(shù)經(jīng)濟水平的重要特征參數(shù)之一，比轉(zhuǎn)速的選取應綜合考慮機組效率、空蝕情況、泥沙磨損及運行穩(wěn)定性等因素。

2.3.1 統(tǒng)計分析

根據(jù)與卡洛特電站水頭、機組容量相近的水輪機比轉(zhuǎn)速ns及比速系數(shù)K值統(tǒng)計分析表明，相近參數(shù)水輪機比轉(zhuǎn)速在233～295 m·kW之間，比速系數(shù)在1 810～2 224之間。根據(jù)電站的特征水頭，利用統(tǒng)計公式計算的水輪機額定工況比轉(zhuǎn)速、比速系數(shù)見表1。

由表1可見，利用統(tǒng)計公式計算水電站水輪機額定工況比轉(zhuǎn)速ns值在246～283 m·kW之間，相應比速系數(shù)K值在1 983.0～2 281.5之間。

由于該電站處于多泥沙流域，泥沙中石英及長石成分含量較多，含沙硬度高。根據(jù)黃河等多泥沙流域水電站的運行實踐表明，多泥沙河流電站水輪機參數(shù)宜選擇低于清水條件下的機組參數(shù)水平[1]，綜合分析已運行的黃河小浪底、西霞院、萬家寨等多泥沙電站水輪機參數(shù)，本文取15%～30%左右。統(tǒng)計的運行水頭和該電站相近含沙量大的部分電站的機組參數(shù)見表2。

綜合考慮到該電站泥沙特性、樞紐布置等因素，并兼顧技術(shù)經(jīng)濟要求，推薦該電站水輪機比速系數(shù)范圍1 750～1 900，相應額定工況的比轉(zhuǎn)速為217.0～235.6 m·kW。

2.3.2 轉(zhuǎn)輪出口相對流速分析

混流式水輪機磨損的部位及嚴重程度與水頭相關(guān)，研究和實驗表明，水輪機過流表面的磨蝕與流速的n次方成正比，對于轉(zhuǎn)輪葉片，一般n≥3.0～3.3，即流速增加10%，則磨蝕可加劇約33%（按n=3計算）因此需降低轉(zhuǎn)輪出口相對流速[2]。

根據(jù)對A3鋼、20SiMn、0Cr13Ni4Mo、0Cr13Ni6Mo等材料的試驗成果及參照已運行電站磨蝕破壞的現(xiàn)狀，建議轉(zhuǎn)輪出口圓周速度U2不超過34～38 m/s。與該電站類似的小浪底水電站，實際最終投產(chǎn)運行水輪機的轉(zhuǎn)輪出口最大相對流速為35 m/s。因此通過推薦轉(zhuǎn)輪出口圓周速度和已投入運行電站轉(zhuǎn)輪出口相對流速值，最終推薦該電站轉(zhuǎn)輪出口相對流速不大于35 m/s。

2.3.3 推薦的水輪機比轉(zhuǎn)速及比速系數(shù)

綜合考慮多泥沙條件下已建成類似電站參數(shù)，以及轉(zhuǎn)輪出口圓周速度U2和轉(zhuǎn)輪出口相對流速要求，兼顧電站的經(jīng)濟性，卡洛特水輪機比速系數(shù)最終推薦在1 850～1 900之間，相應額定工況的比轉(zhuǎn)速為229.5～235.6 m·kW。

2.4 空化系數(shù)

水輪機的空蝕破壞現(xiàn)象會引起過流部件的破壞，降低水輪機的出力和效率，影響機組穩(wěn)定運行。多泥沙電站運行過程中，泥沙磨損與水輪機的空蝕破壞相互影響，進一步加劇過流部件的磨蝕，嚴重影響機組的安全穩(wěn)定運行。根據(jù)《水力發(fā)電廠機電設(shè)計規(guī)范》中“對清水條件下運行的水輪機空化安全系數(shù)為1.1～1.6;對于多泥沙水流條件下運行的水輪機空化安全系數(shù)為1.3～1.8”[3]的要求。水輪機模型空化系數(shù)取用上限值，模型水輪機臨界空化系數(shù)控制在不大于0.105，電站空化系數(shù)控制在不小于0.193，電站空化系數(shù)與模型水輪機臨界空化系數(shù)比值不低于1.8。

水輪機各效率保證應在電站空化系數(shù)條件下作出，同時要求水輪機在規(guī)定的水頭范圍和導葉開度較寬廣的范圍內(nèi)有較高的效率，且效率曲線變化平緩，合理選擇最優(yōu)效率點，兼顧水輪機的穩(wěn)定性， 水輪機模型最高效率應不低于94.0%，模型額定點效率應不低于91.4%。

水輪機模型試驗結(jié)果表明，模型水輪機最優(yōu)點效率為95.05%，加權(quán)平均效率為93.15%，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(fā)條件預期目標要求。

3 抗泥沙磨損問題探討

3.1 泥沙磨損的主要危害

水電站來流泥沙含量大對水輪機通流部件損壞會造成以下后果。

（1）水輪機的效率和出力大幅度降低，造成巨大經(jīng)濟效益損失，如黃河三門峽水電站水輪機運行15 000 h必須擴修，其中4號機運行兩年過流部件嚴重損壞，效率下降8.7%;青銅峽水電站根據(jù)運行歷史記錄，機組初期運行5 a，效率降低16%，即平均每年降低3.2%，單臺機組5 a中損失發(fā)電量2 016萬kW·h。

（2）縮短了水輪機大修周期，增加了大修時間和費用。例如中國云南省的大盈江水電站，電站多年平均含沙量為0.427 kg/m3，電站機組投運3 a左右，過流部件轉(zhuǎn)輪根部、底環(huán)抗磨板磨蝕嚴重，大部分抗磨環(huán)不銹鋼層已被沖刷完;四川姚河壩、石棉、冷竹關(guān)電站經(jīng)過一個大修周期，不銹鋼底環(huán)抗磨板被磨穿，導葉高度平均值減小2～3 mm[4]。磨蝕現(xiàn)象導致機組振動加大，影響機組出力，已經(jīng)威脅到機組運行安全，增加了維修工作量和費用。

（3）增加機組發(fā)生故障的幾率，降低了運行靈活性和可靠性。

為減輕泥沙磨損帶來的各類問題，通過采取排沙運行與優(yōu)化水力設(shè)計相結(jié)合的方式，保障電站安全穩(wěn)定運行。

3.2 水工建筑物排沙措施

3.2.1 電站排沙運行方式

卡洛特水電站來沙時間主要集中在汛期（4～8月），壩址多年平均月輸沙量見表3。結(jié)合入庫流量規(guī)律，通過調(diào)節(jié)庫容加大排沙量。當入庫流量在1 400～2 100 m3/s時，通過加大泄流量排沙;當入庫流量大于2 100 m3/s，水庫通過降低水位的方式排沙，每天的水位降幅應小于5 m，直至排沙運行水位446 m。當水庫水位降至451 m后，電站停機;當入庫流量小于2 100 m3/s后，水庫水位逐步回蓄至正常蓄水位461 m，回蓄期間每天的水位上漲初步按不超過10 m控制。

3.2.2 樞紐布置排沙措施

卡洛特水電站庫沙比為4.2，水庫排沙運行水位446 m。溢洪道控制段左端設(shè)置2個中孔，中孔前布置沖沙槽，寬28.4 m，底高程為423.00 m。

為保證電站最低引水高程高于水庫沖淤平衡高程，并在各運行條件下減少大粒徑泥沙進入引水流道，進水口布置在溢洪道控制段前沿，利用中孔排沙。同時，在進水口引渠前沿溢洪道引渠開挖邊線設(shè)攔沙坎，增強中孔沖沙效果，坎頂最大流速按在非常運行工況（451.00 m高程水位）下1 m/s控制，高程為440.00 m，為電站最低引水高程。按照水工模型試驗成果及參考相關(guān)的泥沙設(shè)計經(jīng)驗，電站進水渠前緣均在溢洪道中孔拉沙漏斗之內(nèi)。在水庫達到?jīng)_淤平衡后，如監(jiān)測發(fā)現(xiàn)坎前泥沙淤積到一定高程，立即開啟中孔排沙，排走進水口前淤積的泥沙。根據(jù)壩址河段泥沙粒徑分析成果，小于0.25 mm粒徑的泥沙占懸移質(zhì)比例約為92%，電站最低引水高程為440.00 m，取渠內(nèi)表層水引水發(fā)電，可明顯減少大粒徑泥沙過機。

水工試驗成果表明，各工況下進水口流態(tài)較好，未發(fā)現(xiàn)有漩渦漏斗，泄洪沖沙孔運行時，能保證進水口“門前清”。泥沙模型試驗成果表明，樞紐運行5 a后進水口攔沙坎內(nèi)淤積基本達到平衡狀態(tài)，淤積高程小于0.5 m，不影響電站引水發(fā)電。

3.3 水輪機水力設(shè)計

綜合考慮水電站運行水頭范圍、電站運行特點以及過機泥沙特性，水輪機水力設(shè)計應滿足以下要求。

（1）流道內(nèi)的水流速度應分布均勻，在汛期運行工況下，不產(chǎn)生局部高流速。

（2）在電站運行水頭范圍內(nèi)，流道內(nèi)流態(tài)應相對穩(wěn)定，避免產(chǎn)生漩渦、脫流等流態(tài)。

（3）流道內(nèi)流速不宜過高，需控制轉(zhuǎn)輪出口相對流速，結(jié)合電站運行特點及水文情況，建議轉(zhuǎn)輪出口圓周速度不大于34 m/s，轉(zhuǎn)輪出口相對流速不大于35 m/s。

（4）水輪機吸出高度的計算應加入修正系數(shù)，相較于清水條件，應留出更大的安全裕度，適當降低水輪機安裝高程。

綜合考慮以上因素，結(jié)合運行實際情況，推薦水輪機比速系數(shù)為1 870，對應比轉(zhuǎn)速為232 m·kW，相應轉(zhuǎn)輪出口圓周速度為33.5 m/s，轉(zhuǎn)輪出口相對流速為34.6 m/s。根據(jù)推薦比轉(zhuǎn)速，電站水輪機模型臨界空化系數(shù)取0.105，電站空化系數(shù)取0.193，空化安全系數(shù)為1.838，計算吸出高度為-3.0 m，相應的水輪機安裝高程約為383.5 m，考慮尾水沖刷和為有效降低空蝕及磨損的聯(lián)合作用，初步確定水輪機安裝高程為382.5 m。

3.4 結(jié)構(gòu)設(shè)計及加工工藝

多泥沙電站水輪機結(jié)構(gòu)設(shè)計應盡量減少高速含沙水流與部件接觸面積，避免水流持續(xù)沖刷、急劇變化或方向突變，結(jié)合CFD分析進行磨損預測分析，優(yōu)化轉(zhuǎn)輪葉片形式，并對易磨損部件進行局部加強，且設(shè)計安裝應便于檢修和更換。

3.4.1 過流部件的材料選擇

易磨損部件可采用抗泥沙磨損的不銹鋼制造并嚴格控制材料的質(zhì)量。

（1） 上冠、葉片和下環(huán)采用抗空蝕、抗磨性能良好和焊接性能好的馬氏體不銹鋼。

（2） 導葉采用抗磨蝕性能良好的不銹鋼鑄造。

（3） 頂蓋和底環(huán)抗磨板采用抗空蝕性能優(yōu)良的不銹鋼板，采用塞焊方式。

（4） 頂蓋與上冠和底環(huán)對應處宜設(shè)置不銹鋼止漏環(huán)。

（5） 錐管進口段采用抗空蝕性能良好不銹鋼板。

3.4.2 壁厚選擇

對不影響效率的結(jié)構(gòu)件，通過增加易磨損部位壁厚延長大修周期，同時可避免磨損后出現(xiàn)高應力的問題。對于埋設(shè)部件應留有足夠的壁厚，如頂蓋平壓管、頂蓋止漏環(huán)拐角焊縫，頂板和導葉軸頭圓角，轉(zhuǎn)輪葉片、導葉出水邊等。

3.4.3 抗磨涂層

在過流部件的關(guān)鍵部位，采用高速氧燃料（HVOF）火焰噴射涂層，主要部位包括：轉(zhuǎn)輪出水邊下部（正面）靠下環(huán)區(qū)、下環(huán)內(nèi)表面下部及葉片根部和下止漏環(huán)，以及局部的葉片進水邊下根部（背面）;活動導葉出水邊及導葉軸頭密封環(huán);頂蓋、底環(huán)的止漏環(huán)和不銹鋼抗磨板。

水輪機各項抗磨蝕措施實施后，在保證期內(nèi)預期因磨蝕導致的效率降低不高于2%，普遍磨損最大深度不超過4 mm[5]，保證電站安全穩(wěn)定運行。

4結(jié) 論

本文針對卡洛特水電站運行特性，結(jié)合水流泥沙含量高、硬度高的特點，對多泥沙流域混流式水輪機組選型設(shè)計中參數(shù)選取以及抗泥沙磨損措施進行了分析討論，并提出相應解決對策，為同類型大中型水電站機組設(shè)計提供參考。

參考文獻：

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[2] 李國梁. 水輪機泥砂磨損防護的技術(shù)進展[C]//水機磨蝕 1999—2000論文集. 天津：2003.

[3] DL/T 5186—2018 水力發(fā)電廠機電設(shè)計規(guī)范[S].

[4] 姚啟鵬.? 涉及水輪機磨損評定的幾個問題[C]// 中國水電設(shè)備學術(shù)討論會. 第十六次中國水電設(shè)備學術(shù)討論會論文集. 哈爾濱：黑龍江科學技術(shù)出版社， 2007.

[5] GB/T 29403—2012 反擊式水輪機泥沙磨損技術(shù)導則[S].

（編輯：李 晗）

Unit parameters selection of Karot Hydropower Station in Pakistan

CHEN Sheng，HE Zhifeng， PENG Zhiyuan

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

Abstract： The operation head of Karot hydropower station in Pakistan is in the range of medium and low head. The sediment content in the incoming flow of the hydropower station is quite high and the hardness of the sediment is high， which can give a great impact on the flow passage parts and the stable operation of the unit. According to the specific engineering characteristics of Karot Hydropower Station， referring to the operation experience of similar hydropower stations in China and abroad， and with combination of the design and manufacturing level of turbine unit manufacturer， the appropriate unit operation parameters were selected. The model test results showed that the selection of unit parameters is appropriate，which can provide reference for the selection and design of turbine units in sediment laden basin at approximate head section.

Key words：Francis turbine; sediment abrasion; unit parameter;unit type selection;Karot Hydropower Station; Pakistan