巴基斯坦卡洛特水电站机组选型设计研究

陈笙 何志锋 彭志远

摘要：巴基斯坦卡洛特水电站运行水头处于中、低水头范围，河流泥沙含量大，含沙硬度高，对过流部件磨损以及机组稳定运行影响较大。针对卡洛特水电站具体工程特点，参考国内外同类电站以及多泥沙流域电站运行经验，结合水轮机组制造商的设计制造水平，选定合适的机组运行参数。模型试验结果表明，机组参数选择是合适的。研究成果可为近似水头段多泥沙流域水轮发电机组选型设计提供参考。

关键词：混流式水轮发电机组;泥沙磨损;机组参数;选型设计;卡洛特水电站;巴基斯坦

中图法分类号：TV734.21文献标志码：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2021.11.017

文章编号：1006 - 0081（2021）11 - 0076 - 04

本文结合巴基斯坦卡洛特水电站运行特性以及水文特性，综合考虑电站调度运行灵活性经济效益以及大件设备运输方案，确定了该电站机组主要技术参数，并针对电站来流泥沙含量大、硬度高的特点，设置排沙措施以及机组构件抗磨措施，为机组安全稳定运行提供保障。

1 工程概况

卡洛特（Karot）水电站位于巴基斯坦旁遮普省境内吉拉姆河（Jhelum），工程等级为Ⅱ等大（2）型工程，工程任务为发电，具有日调节性能。电站共装设4台单机容量18万kW（180 MW）、总装机容量72万kW（720 MW）的混流式水轮机，装机年利用小时数4 452 h，多年平均发电量32.06亿kW·h。卡洛特水电站水头范围在50.00～79.34 m，调节库容1 587万m3，库容系数0.06%，调节库容小。水库坝址以上流域年均悬移质输沙量为3 315万t，多年平均含沙量为1.28 kg/m3，而且在汛期（4～8月）高度集中;泥沙中石英和长石成分含量较多（占37%），含沙硬度高。因此，该电站具有中低水头、调节库容小、多泥沙、泥沙硬度高的特点。

2 水轮发电机组设计

2.1 机组型式选择

卡洛特水电站水头变化范围为50.00～79.34 m，属中、低水头范围，适用的水轮机型式有轴流转桨式、混流式。

轴流转桨式水轮机多用于40 m水头以下。目前，在中国得到应用的轴流转桨式水轮机最高使用水头已达78 m，但已开发出的、适合于本电站高水头、大容量的转轮很少。如果电站采用轴流式水轮机，转轮叶片数超过8片，轮毂比在0.65以上，将使水轮机的引用单位流量较小，空化系数大，造成水轮机安装高程很低，土建工程量大增。

混流式水轮机效率较高、空化系数较小，水轮机安装高程高，厂房土建工程量小、投资较省。而且其结构简单，制造难度小，適用水头范围30～700 m。该电站水头变化范围在混流式水轮机理想运行范围内，综合比较应选用混流式水轮机。

2.2 额定水头选择

水轮机额定水头的选择应根据水电站运行水头范围、水头变幅及运行特点，结合水轮机安全运行稳定性、电站动能经济性等方面的要求，经技术经济比较后选定。经过对电站不同水头下的电量分布、受阻容量、经济性以及机组运行稳定性进行计算分析，结合近年投运的大型电站运行水头特性，选定水轮机额定水头为65 m，相应水头保证率为93.86%，与电站全年加权平均水头的比值为0.94。

2.3 水轮机比转速及比速系数

水轮机比转速ns及比速系数K是表征水轮机综合技术经济水平的重要特征参数之一，比转速的选取应综合考虑机组效率、空蚀情况、泥沙磨损及运行稳定性等因素。

2.3.1 统计分析

根据与卡洛特电站水头、机组容量相近的水轮机比转速ns及比速系数K值统计分析表明，相近参数水轮机比转速在233～295 m·kW之间，比速系数在1 810～2 224之间。根据电站的特征水头，利用统计公式计算的水轮机额定工况比转速、比速系数见表1。

由表1可见，利用统计公式计算水电站水轮机额定工况比转速ns值在246～283 m·kW之间，相应比速系数K值在1 983.0～2 281.5之间。

由于该电站处于多泥沙流域，泥沙中石英及长石成分含量较多，含沙硬度高。根据黄河等多泥沙流域水电站的运行实践表明，多泥沙河流电站水轮机参数宜选择低于清水条件下的机组参数水平[1]，综合分析已运行的黄河小浪底、西霞院、万家寨等多泥沙电站水轮机参数，本文取15%～30%左右。统计的运行水头和该电站相近含沙量大的部分电站的机组参数见表2。

综合考虑到该电站泥沙特性、枢纽布置等因素，并兼顾技术经济要求，推荐该电站水轮机比速系数范围1 750～1 900，相应额定工况的比转速为217.0～235.6 m·kW。

2.3.2 转轮出口相对流速分析

混流式水轮机磨损的部位及严重程度与水头相关，研究和实验表明，水轮机过流表面的磨蚀与流速的n次方成正比，对于转轮叶片，一般n≥3.0～3.3，即流速增加10%，则磨蚀可加剧约33%（按n=3计算）因此需降低转轮出口相对流速[2]。

根据对A3钢、20SiMn、0Cr13Ni4Mo、0Cr13Ni6Mo等材料的试验成果及参照已运行电站磨蚀破坏的现状，建议转轮出口圆周速度U2不超过34～38 m/s。与该电站类似的小浪底水电站，实际最终投产运行水轮机的转轮出口最大相对流速为35 m/s。因此通过推荐转轮出口圆周速度和已投入运行电站转轮出口相对流速值，最终推荐该电站转轮出口相对流速不大于35 m/s。

2.3.3 推荐的水轮机比转速及比速系数

综合考虑多泥沙条件下已建成类似电站参数，以及转轮出口圆周速度U2和转轮出口相对流速要求，兼顾电站的经济性，卡洛特水轮机比速系数最终推荐在1 850～1 900之间，相应额定工况的比转速为229.5～235.6 m·kW。

2.4 空化系数

水轮机的空蚀破坏现象会引起过流部件的破坏，降低水轮机的出力和效率，影响机组稳定运行。多泥沙电站运行过程中，泥沙磨损与水轮机的空蚀破坏相互影响，进一步加剧过流部件的磨蚀，严重影响机组的安全稳定运行。根据《水力发电厂机电设计规范》中“对清水条件下运行的水轮机空化安全系数为1.1～1.6;对于多泥沙水流条件下运行的水轮机空化安全系数为1.3～1.8”[3]的要求。水轮机模型空化系数取用上限值，模型水轮机临界空化系数控制在不大于0.105，电站空化系数控制在不小于0.193，电站空化系数与模型水轮机临界空化系数比值不低于1.8。

水轮机各效率保证应在电站空化系数条件下作出，同时要求水轮机在规定的水头范围和导叶开度较宽广的范围内有较高的效率，且效率曲线变化平缓，合理选择最优效率点，兼顾水轮机的稳定性， 水轮机模型最高效率应不低于94.0%，模型额定点效率应不低于91.4%。

水轮机模型试验结果表明，模型水轮机最优点效率为95.05%，加权平均效率为93.15%，模型水轮机及换算得到的原型效率、出力、空化、压力脉动等性能指标均满足水力开发条件预期目标要求。

3 抗泥沙磨损问题探讨

3.1 泥沙磨损的主要危害

水电站来流泥沙含量大对水轮机通流部件损坏会造成以下后果。

（1）水轮机的效率和出力大幅度降低，造成巨大经济效益损失，如黄河三门峡水电站水轮机运行15 000 h必须扩修，其中4号机运行两年过流部件严重损坏，效率下降8.7%;青铜峡水电站根据运行历史记录，机组初期运行5 a，效率降低16%，即平均每年降低3.2%，单台机组5 a中损失发电量2 016万kW·h。

（2）缩短了水轮机大修周期，增加了大修时间和费用。例如中国云南省的大盈江水电站，电站多年平均含沙量为0.427 kg/m3，电站机组投运3 a左右，过流部件转轮根部、底环抗磨板磨蚀严重，大部分抗磨环不锈钢层已被冲刷完;四川姚河坝、石棉、冷竹关电站经过一个大修周期，不锈钢底环抗磨板被磨穿，导叶高度平均值减小2～3 mm[4]。磨蚀现象导致机组振动加大，影响机组出力，已经威胁到机组运行安全，增加了维修工作量和费用。

（3）增加机组发生故障的几率，降低了运行灵活性和可靠性。

为减轻泥沙磨损带来的各类问题，通过采取排沙运行与优化水力设计相结合的方式，保障电站安全稳定运行。

3.2 水工建筑物排沙措施

3.2.1 电站排沙运行方式

卡洛特水电站来沙时间主要集中在汛期（4～8月），坝址多年平均月输沙量见表3。结合入库流量规律，通过调节库容加大排沙量。当入库流量在1 400～2 100 m3/s时，通过加大泄流量排沙;当入库流量大于2 100 m3/s，水库通过降低水位的方式排沙，每天的水位降幅应小于5 m，直至排沙运行水位446 m。当水库水位降至451 m后，电站停机;当入库流量小于2 100 m3/s后，水库水位逐步回蓄至正常蓄水位461 m，回蓄期间每天的水位上涨初步按不超过10 m控制。

3.2.2 枢纽布置排沙措施

卡洛特水电站库沙比为4.2，水库排沙运行水位446 m。溢洪道控制段左端设置2个中孔，中孔前布置冲沙槽，宽28.4 m，底高程为423.00 m。

为保证电站最低引水高程高于水库冲淤平衡高程，并在各运行条件下减少大粒径泥沙进入引水流道，进水口布置在溢洪道控制段前沿，利用中孔排沙。同时，在进水口引渠前沿溢洪道引渠开挖边线设拦沙坎，增强中孔冲沙效果，坎顶最大流速按在非常运行工况（451.00 m高程水位）下1 m/s控制，高程为440.00 m，为电站最低引水高程。按照水工模型试验成果及参考相关的泥沙设计经验，电站进水渠前缘均在溢洪道中孔拉沙漏斗之内。在水库达到冲淤平衡后，如监测发现坎前泥沙淤积到一定高程，立即開启中孔排沙，排走进水口前淤积的泥沙。根据坝址河段泥沙粒径分析成果，小于0.25 mm粒径的泥沙占悬移质比例约为92%，电站最低引水高程为440.00 m，取渠内表层水引水发电，可明显减少大粒径泥沙过机。

水工试验成果表明，各工况下进水口流态较好，未发现有漩涡漏斗，泄洪冲沙孔运行时，能保证进水口“门前清”。泥沙模型试验成果表明，枢纽运行5 a后进水口拦沙坎内淤积基本达到平衡状态，淤积高程小于0.5 m，不影响电站引水发电。

3.3 水轮机水力设计

综合考虑水电站运行水头范围、电站运行特点以及过机泥沙特性，水轮机水力设计应满足以下要求。

（1）流道内的水流速度应分布均匀，在汛期运行工况下，不产生局部高流速。

（2）在电站运行水头范围内，流道内流态应相对稳定，避免产生漩涡、脱流等流态。

（3）流道内流速不宜过高，需控制转轮出口相对流速，结合电站运行特点及水文情况，建议转轮出口圆周速度不大于34 m/s，转轮出口相对流速不大于35 m/s。

（4）水轮机吸出高度的计算应加入修正系数，相较于清水条件，应留出更大的安全裕度，适当降低水轮机安装高程。

综合考虑以上因素，结合运行实际情况，推荐水轮机比速系数为1 870，对应比转速为232 m·kW，相应转轮出口圆周速度为33.5 m/s，转轮出口相对流速为34.6 m/s。根据推荐比转速，电站水轮机模型临界空化系数取0.105，电站空化系数取0.193，空化安全系数为1.838，计算吸出高度为-3.0 m，相应的水轮机安装高程约为383.5 m，考虑尾水冲刷和为有效降低空蚀及磨损的联合作用，初步确定水轮机安装高程为382.5 m。

3.4 结构设计及加工工艺

多泥沙电站水轮机结构设计应尽量减少高速含沙水流与部件接触面积，避免水流持续冲刷、急剧变化或方向突变，结合CFD分析进行磨损预测分析，优化转轮叶片形式，并对易磨损部件进行局部加强，且设计安装应便于检修和更换。

3.4.1 过流部件的材料选择

易磨損部件可采用抗泥沙磨损的不锈钢制造并严格控制材料的质量。

（1） 上冠、叶片和下环采用抗空蚀、抗磨性能良好和焊接性能好的马氏体不锈钢。

（2） 导叶采用抗磨蚀性能良好的不锈钢铸造。

（3） 顶盖和底环抗磨板采用抗空蚀性能优良的不锈钢板，采用塞焊方式。

（4） 顶盖与上冠和底环对应处宜设置不锈钢止漏环。

（5） 锥管进口段采用抗空蚀性能良好不锈钢板。

3.4.2 壁厚选择

对不影响效率的结构件，通过增加易磨损部位壁厚延长大修周期，同时可避免磨损后出现高应力的问题。对于埋设部件应留有足够的壁厚，如顶盖平压管、顶盖止漏环拐角焊缝，顶板和导叶轴头圆角，转轮叶片、导叶出水边等。

3.4.3 抗磨涂层

在过流部件的关键部位，采用高速氧燃料（HVOF）火焰喷射涂层，主要部位包括：转轮出水边下部（正面）靠下环区、下环内表面下部及叶片根部和下止漏环，以及局部的叶片进水边下根部（背面）;活动导叶出水边及导叶轴头密封环;顶盖、底环的止漏环和不锈钢抗磨板。

水轮机各项抗磨蚀措施实施后，在保证期内预期因磨蚀导致的效率降低不高于2%，普遍磨损最大深度不超过4 mm[5]，保证电站安全稳定运行。

4结 论

本文针对卡洛特水电站运行特性，结合水流泥沙含量高、硬度高的特点，对多泥沙流域混流式水轮机组选型设计中参数选取以及抗泥沙磨损措施进行了分析讨论，并提出相应解决对策，为同类型大中型水电站机组设计提供参考。

参考文献：

[1] GB 50071—2014 小型水力发电站设计规范[S].

[2] 李国梁. 水轮机泥砂磨损防护的技术进展[C]//水机磨蚀 1999—2000论文集. 天津：2003.

[3] DL/T 5186—2018 水力发电厂机电设计规范[S].

[4] 姚启鹏.  涉及水轮机磨损评定的几个问题[C]// 中国水电设备学术讨论会. 第十六次中国水电设备学术讨论会论文集. 哈尔滨：黑龙江科学技术出版社， 2007.

[5] GB/T 29403—2012 反击式水轮机泥沙磨损技术导则[S].

（编辑：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