巴基斯坦N-J水电站机电设计关键技术研究与应用

田 子 勤，邹 海 青，王 树 清，崔 磊

(长江勘测规划设计研究有限责任公司 机电工程设计研究院，湖北 武汉 430010)

Neelum-Jhelum水电站(以下简称N-J水电站)位于巴基斯坦克什米尔，是巴基斯坦目前最大的水电工程项目，也是中国企业迄今为止在境外承建的最大的水电工程。水电站最高水头为420 m，装设4台单机容量为243 MW的混流式水轮发电机组。N-J水电站水头高、泥沙含量大、引水系统超长、尾水系统长，机电工程设计具有显著特点和难点。本文介绍了该水电站机电总体设计、设备制造与检修、过渡过程计算、超长隧洞输水安全与检修排水、525 kV高压电缆敷设安装以及接地网计算等关键技术的研究和应用情况。

1 工程概况

N-J水电站主要由混凝土重力大坝、大型沉沙池、28.6 km引水隧洞、上下游调压室、地下厂房和尾水隧洞以及525 kV户外开关站等建筑物组成。该项目的业主是巴基斯坦水电能源署(WAPDA)，EPC总承包为中国葛洲坝集团股份有限公司和中国机械设备工程有限公司组成的联合体(CGGC-CMEC)，长江勘测规划设计研究有限责任公司承担项目的机电与金属结构的设计工作。工程于2008年1月30日正式开工，历经10 a多时间，首台机组于2018年4月13日投产发电；同年8月13日，4台机组全部投产运行，至2019年9月18日，完成了全部4台机组的移交工作。水电站年发电量约为51.5亿kW·h，占巴基斯坦水电发电量的12%，水电站的投运，解决了巴基斯坦全国15%人口的用电紧缺问题，经济和社会效益显著。N-J工程总体布置如图1所示。

图1 N-J工程总体布置Fig.1 General layout of N-J hydropower plant

N-J水电站主要设计参数如下：

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(仅靠河流径流)

最低尾水位 591.0 m

最高尾水位 598.0 m

最高/额定/最低水头 420 m/370 m/350 m

装机容量 969 MW

装机台数 4台

地震烈度 Ⅷ级

2 机电设计主要特点及难点

N-J机电工程设计具有以下显著特点和难点。

(1) 机组采用高水头、大容量混流式机型。该水电站水头运行范围为350～420 m，额定水头为370 m，属于典型的大容量高水头水电站。水轮机最大出力为270 MW，是目前国内外在该水头段已投运的最大容量的混流式水轮机。

(2) 水中泥沙含量大、硬度大。Neelum河中进入沉沙池的泥沙总量为3.3×106t/a，通过每台水轮机的悬移质总量为7.3×105t/a。预计通过水轮机最大含沙量为5.0 kg/m3，一般出现在5～8月，最大值出现在6月。55%～70%泥沙的莫式硬度大于等于5。约 40%～55%的泥沙由石英组成，剩余成分主要是长石和角闪石。软矿物主要是白云母和黑云母。水轮机过流部件的泥沙磨损问题十分突出，且转轮等部件需要频繁吊出进行检修。

(3) 枢纽布置复杂，为一洞四机超长引水隧洞，且带上下游非常规斜坡式调压隧洞(室)。该电站为地下电站，引水系统长约28.6 km，采用一洞四机带上游调压室布置的形式，受地质条件的影响，其中约19.6 km采用双管布置；尾水系统长约3.5 km，采用一洞四机带下游调压室布置的方式，并且上、下游调压室均由一个非常规的斜坡式隧洞构成。设计过程中，在调节保证计算、引水隧洞排水减压、尾水隧洞检修排水、压力钢管安全可靠性等诸多方面均有着较多的难题需要解决。

(4) 电站配置的4台525 kV主变压器布置在地下电站主厂房下游侧水平距离30 m的主变洞室内，电站525 kV开关站采用敞开式、布置在地面，主变压器高压侧至地面525 kV开关站的进线，采用4回525 kV高压电缆，经过路径长度1 000多m的电缆通道连接。在工程设计中，需适应长路径高压电缆敷设的苛刻条件的需求，并对大型开关站的安装均提出了较高的要求。

(5) N-J水电站的开发任务为发电，以促进地区经济社会发展，电站的运行方式主要是基荷运行，并承担调峰作用。电网薄弱、断电频繁，因局部故障扩大而导致整个电网出现运行故障或大范围停电的可能性较高。该电站在电网中具有举足轻重的作用，年发电量约为51.5亿kW·h，占巴基斯坦水电发电量的12%。设计中要求具有黑启动功能。

鉴于上述特点和难点，N-J水电站的机电设计具有较大的挑战性，特别是水电站运行后水轮机的泥沙磨损、超长隧洞的输水安全及其检修问题引起了参建各方的广泛关注。

3 关键技术研究及主要成果

3.1 高水头含沙水流条件下水轮机抗磨措施及检修方案

N-J水电站属于高泥沙含量电站，由于水头很高，水流流速大，水中的泥沙会对水轮机过流部件造成比较严重的磨损破坏，需要采用措施提高水轮机的抗泥沙磨损能力，同时还需考虑到部件磨损后相应的检修拆卸方案。因此，从以下方面进行了研究。

(1) 优化水力设计。首先，通过合理选择水轮机参数水平并正确确定水轮机的安装高程，减小发生空化的概率，避免产生空蚀与泥沙磨损联合破坏[1]。另外，良好的水力设计可以保证水轮机流道中压力和流速分布均匀，有利于避免脱流与旋涡的产生、避免发生压力和流速的急剧变化、减少过流损失，以及防止或减缓过流部件的泥沙磨损，因此，借助于水力优化设计软件CFD，对转轮、蜗壳、尾水管等部件进行水力优化设计并对多方案进行比选；选定方案后，再通过模型试验予以验证，以获得良好的水力性能。

(2) 表面防护。材料表面的硬度越高，抗切向冲击磨损的能力越强。因此，对于含沙量较多的水电站，为了提高水轮机主要过流部件的抗磨能力，除母材采用不锈钢材料外，还对其表面采用硬化防护。目前，针对水轮机泥沙磨损效果较好的表面保护措施是采用高速火焰喷涂碳化钨技术(HVOF)进行喷焊[2-3]，但成本较高。为此，对N-J水电站研究提出了应根据不同流速，对水轮机过流部件表面进行“硬软结合、分区喷涂”的方案，即：对水轮机转轮、导叶、顶盖与底环抗磨板以及尾水锥管进口等流速高、且易磨损的表面，进行了HVOF硬喷涂；而对流速相对低一些的座环固定导叶表面则进行了软喷涂，喷涂层材料为聚氨酯，这样，既提高了抗磨能力，又大大节约了成本。

(3) 检修拆卸方案。考虑到水轮机过流部件因泥沙磨损导致检修频繁，预计转轮需要2～3 a进行一次吊出修补。为了实现在不拆卸发电机的情况下拆除水轮机转轮、导叶、底环、止漏环等过流易磨损部件进行检修，对水轮机采用了下拆设计结构，也就是不用拆除发电机，即可将尾水锥管、底环、转轮下拆至廊道吊出进行检修，这样就大大节省了检修时间和拆卸、安装工作量[4-5]，如图2所示。

图2 转轮下拆结构示意Fig.2 Structure of disassembled runner bottom

3.2 超长有压引水隧洞输水安全研究

3.2.1防止压力钢管共振研究

N-J水电站为一洞四机，共用一条长为28.6 km的引水隧洞，每台机组前均设置有1台DN2000进水球阀。对这种超长有压引水隧洞，由于水体的惯性力和摩阻力的作用可能引起水体振荡，特别是进水球阀工作密封由于漏水而密封不牢引起来回振动，球阀上游压力随着密封环的振动而不断波动，水压的波动幅值会越来越大，并在与下游密封相互作用中产生自激振荡，极易引起其他机组的压力钢管共振，从而对机组及电站的安全稳定运行造成危害。压力钢管的振动与机组甩负荷时引起的反水锤激荡不同，上游侧的调压井将无法起到抑制作用。

国内外很多大型水电站，尤其是高水头引水系统的电站都发生过进水球阀自激振荡或者与压力钢管共振事故，比如，加拿大贝斯米电站、广州抽水蓄能电站等[6-7]。为此，在工程设计中采取了压力动态监测与泄压装置相结合的方式，发明了“动态监测、智能释放”的高水头水电站压力钢管共振消除装置，如图3所示。由监控系统监测压力钢管中的水压，当压力钢管中的压力大于4.7 MPa时，发送开启电动球阀60 s的命令，实现压力钢管泄压并改变压力钢管的运行振动频率，达到防止进水球阀与压力钢管共振的目的。

图3 防止压力钢管共振装置示意Fig.3 Resonance eliminating system for penstock

3.2.2长引水隧洞消能减压排水系统设计

N-J水电站引水隧洞长达28.6 km，在电站首次充水试验后或运行多年后，需要对引水隧洞进行检查和维护，此时需要将引水系统内的积水排空，以方便检修维护。长引水、高水头电站引水系统排水量大、排水压力高，如何有效予以消能，安全快速地排水将对电站的安全稳定经济运行具有重大意义。通过对常规的引水系统排水方案进行比选，针对N-J水电站高水头、大含沙量的特点，设计采用了高水头大流量消能减压排水系统的方案，系统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、液控球阀、液控针阀、偏心旋流装置、补气管和液控刀阀，如图4所示。该系统具有如下优点：

(1) 通过监控液控针阀前后压力差实时调节开度，实现流量和压力的自动调控；

(2) 排水流量大，可达6～8 m3/s；

(3) 创造性地设计了偏心旋流装置，减压效果好，出口水流对尾水隧洞基本无冲刷。

图4 消能减压排水系统Fig.4 Energy dissipation and pressure reducing system

3.3 尾水洞检修排水设计

N-J水电站尾水隧洞全长约3.5 km，尾水直通吉拉姆(Jhelum)河，尾水隧洞出口底板高程为591.0 m，而机组安装高程为579.5 m。当电站检修时，隧洞内的积水约41万m3，尾水洞结构如图5所示，需要在规定时间内(业主要求14 d内)将尾水隧洞的积水排出洞外。如采用固定排水装置，需在尾水隧洞的最低点旁布置检修集水井和排水泵房，不仅土建工程量大，且其供电、通风、维护保养等方面均存在较大困难[8-10]。为此，根据工程实际情况，采用“分级移动排水车、分段固定排水点”的设计方案，创新性地提出了由集成排水车和预埋管路组成的移动排水系统，移动排水装置采用子母车配置，即由一台三轴消防车底盘改装的母车和橡胶履带排水车组成，母车配有一台加压泵(固定在母车上运行)，子车配有一台排水泵(随子车移动运行)，随着积水排出水位降低，排水车前进并沿途更换排水节点，直至将隧洞内积水排净，如图6所示。相对于常规排水方案，这种长尾水隧洞系统移动检修排水系统方案能显著提高尾水洞排水系统的可靠性，并能降低土建工程量，节约投资，解决了长尾水隧洞排水检修的难题。

图5 N-J水电站尾水洞淹没示意(单位：km)Fig.5 Tailrace tunnel of N-J hydropower plant

图6 长尾水隧洞移动排水系统Fig.6 Mobile dewatering system for long tailrace tunnel

3.4 高土壤电阻率水电站接地网计算和设计

N-J水电站地处山区，整个接地网设计及施工区域存在如下难点：

(1) N-J水电站作为引水式电站，建筑物多、布置分散。电站主要建筑物由大坝及进水口、沉沙池、引水隧洞、调压室、地下厂房和尾水隧洞等组成，其中，引水隧洞总长为28.6 km。地下厂房长约132 m、宽为20.1 m、高约52.50 m，变压器洞室长142 m，高压电缆隧洞长约700 m，该隧洞作为到变压器洞室和GIS及高压电缆层到地面开关站的连接隧洞，地面525 kV敞开式开关站设置在电缆隧洞的入口处，面积为262 m×121 m(长×宽)。尾水隧洞长约3.5 km。

(2) 山区及地下洞室群土壤电阻率高，电流泄散条件恶劣；较高的土壤电阻率意味着设计的地网面积更大，增加施工成本。

(3) 地形条件复杂，山体的起伏给接地网敷设的施工带来了极大的不便。

为了降低接地电阻，充分利用了大坝、进水口、引水隧洞、压力钢管、地下厂房和尾水洞等水工建筑物水下部分的钢筋网或金属构件，即自然接地体作为接地装置。电站接地网分为两部分：大坝区接地网C1以及地下厂房和地面开关站系统接地网C3，两部分地网相互独立。N-J水电站接地网导体全部采用铜导体，主干接地网采用铜绞线，弱电设备室内设置眀敷环形接地铜排作为等电位连接，C1区(大坝及进水口)接地导体采用铜绞线TJ-150 mm2、 C3区(地下电站及525 kV开关站)接地导体采用铜绞线TJ-185 mm2，满足热稳定的要求。

该项目采用全数值分析技术，基于EMTP电磁暂态分析软件，针对水电站出线进行精准建模，分析站内及站外不同杆塔处的散流特性及接地故障电流大小，精准计算入地短路电流。针对山区水电站接地网，采用CDEGS构建了水电站三维地网模型并进行数值分析计算。全数值仿真技术的应用，避免了常规经验公式设计裕度偏大、误差偏大导致的高土壤电阻率水电站工程接地网敷设面积过大的问题，既降低了接地网施工难度，同时也有效节省了工程投资[11-13]。

根据IEEE标准，水电站接地网的接地电阻值按不大于1 Ω设计[14]。通过计算，未蓄水时，C1接地阻抗为0.299∠4.95° Ω；由于C3区的接地网面积较大，分布广，短路电流从不同点注入地网时接地阻抗将差别比较明显，经计算，当短路电流从开关站注入地网时，C3区的接地阻抗为0.140∠23.39° Ω，当短路电流从主变室注入地网时，C3区的接地阻抗为0.117∠17.42° Ω。

N-J水电站高压电缆廊道、主变室和高压电缆室的均压网孔分别采用3.0 m×(5.0～6.0) m、5.1 m×4.8 m和4.6 m×4.8 m的等间距布置；户外开关站中间主网孔取9 m、边缘网孔1.0～5.0 m，在地网最外沿一周边角处布置成圆弧形。在这种布置方案下，高压区域最大的接触电位差为231.54 V，最大跨步电位差为60.93 V，均能满足IEEE规定的人身安全的要求。

3.5 525 kV敞开式开关站设计

N-J水电站工程在地形及地质条件、场地面积允许的情况下，考虑到当地设备应用和检修习惯，经多方案技术经济比较，推荐选择AIS(户外敞开式)布置方案。525 kV开关站采用了一倍半断路器接线方式，该方式具有安全可靠性高、运行调度灵活、操作检修方便等优点，大大提高了N-J电站的运行安全可靠性，作为骨干电源，有力支撑了巴基斯坦电网的安全稳定运行。

525 kV开关站位于进入地下厂房的必经之路——进厂交通洞的入口处，十分有利于电站和开关站的一体式运行和维护，开关站呈长方形，占地面积约为262 m×121 m，规模较大，布置整齐划一，如图7所示。

图7 525 kV敞开式开关站布置Fig.7 Layout of outdoor 525 kV switchyard

3.6 长距离高压电缆布置适应敷设、安全运行和检修需要的设计

N-J水电站4台525 kV主变压器布置在地下电站主厂房下游侧水平距离30 m的主变洞室内，电站525 kV开关站采用敞开式、布置在地面。主变压器高压侧至地面525 kV开关站的进线，采用4回525 kV高压电缆，敷设路径大于1 000 m，在工程方案设计中需满足安全性、可靠性、易维护、满足预留长度的要求。

N-J水电站工程电缆的最大工作电流为324 A，考虑到工程投资，采用了800 mm2铝芯电缆，单根电缆长度最长达1 277 m，无中间接头。以此提高了电缆运行的安全可靠性，节省了工程投资。为了满足防火要求，研究提出了525 kV电缆在电缆沟中采用埋沙敷设方式，这样可以避免因其中一根电缆起火燃烧而波及其他电缆，较好地满足了防火要求[15]。

由于N-J水电站在巴基斯坦电网中的特殊重要性，为了缩短电缆故障时的停电时间，设计方案采用了“故障电缆与备用电缆快速切换”的电缆布置方式，即在每回电缆沟内敷设1根备用电缆，4根电缆单独敷设在一条电缆沟内采用正方形排列布置，备用电缆的两端安装电缆终端。与通常的4回电缆共用一根备用电缆的方案相比，采用该方案，无论哪根工作电缆发生故障，备用电缆均不用挪动，直接在电缆终端快速切换连接，大幅缩短了电缆故障时的停电检修时间。

525 kV电缆进入户外敞开式开关站前，设置19 m×15 m的户外敞开式大沙坑，电缆在沙坑中为“S”型敷设，以实现电缆预留，并在电缆连接户外电缆终端之前，在电缆沟内放大电缆的转弯半径，以增加预留长度，如图8所示。在GIS室，在电缆连接GIS电缆终端之前，采用半圆形敷设方式设置预留段。

图8 户外大沙坑“S”型敷设Fig.8 S-type cable laying in wide outdoor sand pit

4 结 语

N-J水电站机电设计面临着复杂的水能、水质和运行条件，并且作为EPC项目，既要考虑到技术可行性，还需要综合考虑工程的经济性，这对设计单位是一个严峻的挑战。本文结合项目实际，针对项目的特点和难点，通过深入分析研究，提出了适宜的解决方案。

(1) 研究提出了在高水头、大泥沙含量、一洞四机带上下游非常规斜坡式调压隧洞等多重复杂条件下，能够保障超长输水系统和机组安全运行及设备检修的总体设计方案。

(2) 创新了高水头、超长引水隧洞排水、排沙、消能及安全保障技术，以及创新了长距离高压电缆布置设计适应敷设和检修需要的关键技术。

(3) 发明了“动态监测、智能释放”的高水头水电站压力钢管共振消除装置，极大地提高了超长隧洞输水系统的运行安全性。

(4) 提出了一种长引水电站高水头大流量自适应调控消能减压排水排沙系统，解决了超长隧洞排水排沙难题。

(5) 创新地提出了故障电缆与备用电缆快速切换的电缆布置方式，有效缩短了电缆故障时的停电检修时间。

本文研究成果在N-J水电站得到了成功应用，可为同类工程的机电设计提供参考和借鉴。