巴基斯坦卡洛特水电站技术供水系统设计研究

陈笙 何昌炎 何志锋

摘要：巴基斯坦卡洛特水电站工作水头属于中低水头范围，为解决技术供水系统水源泥沙含量较大问题，结合电站水头运行范围，对电站技术供水系统自流减压供水方案与二次循环供水方案进行对比分析。综合考虑经济指标、后期运维以及供水可靠性，采用二机联合的自流减压供水方案，并针对技术供水回路防泥沙措施进行了讨论，为后续同类水电工程起到了参考借鉴作用。

关键词：技术供水系统;自流减压;二次循环供水;卡洛特水电站;巴基斯坦

中图法分类号：TV674文献标志码：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2021.11.020

文章编号：1006 - 0081（2021）11 - 0088 - 04

本文结合巴基斯坦卡洛特水电站工作水头范围及流域多泥沙特点，对比分析国内外在该水头段常用供水方式，選定电站技术供水方式及运行方案，并采用多种方式结合的措施减少技术供水中泥沙含量，确保技术供水系统安全运行，为大、中型多泥沙流域水电站技术供水系统设计提供参考。

1 工程概况

卡洛特水电站共装设4台单机容量18万kW（180 MW），总装机容量72万kW（720MW）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。电站运行水头范围为50.00～79.34 m，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。

电站机组技术供水系统主要供水对象包括发电机空气冷却器、推力轴承及导轴承油冷却器、水导轴承油冷却器等用户所需的冷却用水和主轴密封用水。在水温为25℃时，单台机组在额定出力下所需的冷却水总水量如下：

发电机空气冷却器 800 m3/h

推力轴承油冷却器 120 m3/h

上导轴承油冷却器 22.5 m3/h

下导轴承油冷却器 22.5 m3/h

水导轴承油冷却器 20 m3/h

水轮机主轴密封 15 m3/h

一台机总用水量 约1 000 m3/h

2 技术供水方案

卡洛特水电站水头运行范围为50.00～79.34 m，根据《水力发电厂水力机械辅助设备系统设计技术规定》，当水电站工作水头在15～70 m时，宜采用自流减压供水方式[1]。由于卡洛特水电站泥沙含量大，国内相近水头多泥沙电站普遍采用蜗壳或压力钢管自流减压取水，经过滤后供向各用户;国外同类型水电站普遍采用二次循环供水方式以保证技术供水水质，因此需对两种供水方式进行分析研究。

2.1 自流减压技术方案

自流减压方案设备布置简单，使用、操作和维护方便，且相较于其他方式更为节能。电站采用两机联合的自流减压供水方案，供水水源取自每台机组压力钢管，每套技术供水系统设置两台并联滤水器及水力旋流器，通过旋流器排除较粗粒径的泥沙和杂物，滤水器根据进出口压差式或定时器在线自动清污，排除水中的泥沙。主轴密封供水设有两路水源，厂内清洁水源为主水源，滤水器过滤后取水作为备用水源。

根据对水电站自流减压技术供水系统运行情况的调查和了解，该系统中，主要问题是减压阀质量可靠性和稳定运行问题。随着减压阀设计制造技术的不断进步，在控制减压比和选型计算正确的情况下，自流减压供水系统一般运行情况都良好。考虑卡洛特水电站水头范围与减压阀适应要求一致，通过正确选型，技术供水系统采用自流减压供水方案是可行的。

2.2 二次循环供水方案

目前，巴基斯坦已建水电站技术供水系统大多采用二次循环供水方式。考虑到卡洛特水电站泥沙含量大，机组技术供水系统也可采用二次循环供水方式。

二次循环供水由两套水泵供水回路组成，冷却水取自电站生活用水，经水泵加压后至机组各用户，再经热交换器将机组冷却水降温，在机组冷却水环路内循环使用，主轴密封供水需另外设置一套供水回路。整个二次循环供水水源可一次从生活供水取水，不受泥沙问题影响，可保证水质。

二次循环供水方案设备布置复杂，使用、操作和维护相对复杂，能耗较高，且需根据设备布置增设循环水池，占地面积大。目前，中国泥沙含量高的电站中较少采用，使用经验少。

2.3 供水方案对比

自流减压供水与二次循环供水方式经济综合比较见表1。

两种供水方案可靠度均满足设计要求，通过对两种方案节能指标以及经济性比较可知，二次循环供水方案的设备投资较自流减压供水方案高，且年消耗电能指标比自流减压方案高202万kW·h，每年增加耗电成本40.4万元。从设备布置及后期维护方面比较，二次循环供水设备占地较大，需设置中间循环水池，设备操作和维护复杂。根据规范要求，中间水池的有效容积不小于10～15 min的技术供水用水总量[1]。卡洛特水电站单台机总用水量约1 000 m3/h，若采用二次循环供水，则需设置有效容积约为300 m3的循环水池，尾水冷却器的布置需要能方便检修，且布置位置的水流流速建议大于1 m/s[2]，结合卡洛特厂房布置，增设循环水池土建工程量显著增加，且布置难度大。

综上所述，自流减压供水方案经济性、操作维护便捷性等均优于二次循环供水，因此本文采用自流减压供水方式。考虑到电站泥沙含量大，为减少泥沙对设备的磨损，在技术供水系统设计时需充分考虑泥沙问题。

3 技术供水系统设计

3.1 技术供水系统布置

技术供水系统采用两机联合的自流减压供水方案，水源取自每台机压力钢管，1号机和2号机为一组，3号机和4号机为一组，两台机取水管路相互连通，互为备用。每套技术供水系统设有两台并联滤水器和水力旋流器，一用一备，滤水器根据进出口压差值或定时器在线自动清污。整个供水系统采用全自动清污，信号采集至中控室。

3.2 防泥沙措施

卡洛特水电站位于吉拉姆河流域，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，年输沙量在4～8月高度集中，5个月输沙量占年输沙量的比重达88%以上;12月和1月输沙量较小。坝址多年平均月输沙量见表2。

由表2可知，卡洛特水电站泥沙含量大，采用自流减压供水方案需考虑防泥沙措施，防止管路堵塞。电站采用运行措施与优化布置结合的方式减少技术供水的泥沙含量。

3.2.1 运行方式选取

针对技术供水系统泥沙过多问题，目前常用处理方式有3种：双向供水运行方式，顶盖取水方式以及二次循环供水系统。其中，二次循环供水方案成本较高、运行维护相对复杂，国内大中型水电站应用实例较少，本文设计不考虑使用二次循环供水方案。

双向供水方式即供水系统具有正反向运行功能，机组冷却系统可通过安装在干管上的双向供水转阀实现反向冲洗，根据电站运行的实际情况，进行正反向运行的切换[3]。多个电站的运行经验表明，正反向运行能够有效防止泥沙淤堵和水生物的生长。

顶盖取水方式水源取自顶盖与转轮迷宫环之间的间隙漏水，通过加压后经由顶盖取水管送至各用水部位，由于迷宫环构造间隙小，因此水源含沙量低，无需过滤即可满足技术供水水质要求。顶盖取水方式由于顶盖漏水量及水压存在一定的不确定性，其供水可靠性低于自流减压供水，且会影响水轮机效率[4]。

综合考虑供水可靠性以及经济性，本文技术供水系统采取双向供水方案，以减轻泥沙及水生物对技术供水系统的影响。

3.2.2 技术供水系统布置

通过在过滤器前设置水力旋流器，并结合物理方法减少技术供水系统中的泥沙含量。即在取水口的水源进入设备之前，采用自然沉降的方法，将粗大颗粒的泥沙排除。通过增大取水总管管径，降低管内流速至1.5 m/s以下，同时将供水总管升至一定高度，再降至技术供水层，通过升高供水总管的垂直高度和降低流速的方法，自然沉降粗大颗粒泥沙，减少大颗粒泥沙进入技术供水系统。

机组技术供水从滤水器后取水，设2台DN350机组供水减压阀、2台DN350电动半球阀，减压阀、电动半球阀可互为备用，电动半球阀出口设有1台电动四通转换阀门，用于机组供水正反向运行，以降低泥沙堵塞和藻类生长。机组各冷却器供、排水管道上均设置电磁流量计、温度信号器，进、出口总管设置电磁流量计和压力变送器等。

减压阀采用压差控制方式，根据阀门出口与电站尾水的压力差值控制减压阀开度，从而保证流量稳定。减压阀水力控制回路设置两套过滤装置，在减压阀连续工作的前提下，按设定时间自动切换，自动排污。

水轮机主轴密封供水以厂内清洁水为主水源，蜗壳取水经滤水器过滤、减压阀减压后作为备用水源，当主水源消失或压力不能满足要求时，备用水源自动投入。

3.2.3 供水回路设计

通过选取合适取水及供水管路管径，从源头降低粗大颗粒泥沙，经计算，取水总管直径为DN500，二台机组联合供水总管管径为Φ426×9，取水口拦污栅条间距约为30～50 mm。

各供水管内径计算公式如下：

d=1.13（Qj / Vj）0.5

式中：d为水管计算内径，m;Qj为计算流量，m3/s;Vj为计算流速，m/s。

结合各管路工作特性以及计算结果，选取合适管径，各回路管径见表3。

4 结 论

本文结合巴基斯坦卡洛特水电站运行特性，分析比较国内外技术供水系统常用方案，选定自流减压供水方案。同时，提出多种降低技术供水系统中泥沙含量措施，保障机组安全稳定运行，可为多泥沙流域大、中型水电站技术供水系统设计提供參考。

参考文献：

[1] NB/T35035-2014水力发电厂水力机械辅助设备系统设计技术规定[S].

[2] 周淼汛，丁丽香，钱瑭. 苗尾水电站技术供水系统设计[J]. 云南水力发电，2017，33（增1）：72-74.

[3] 李天智， 张英. 溪洛渡水电站技术供水系统设计与改进[J]. 云南水力发电， 2013，29（4）：42-44，92.

[4] 孙万庆，黄庆. 中广核玉田水电站技术供水系统项目技改探索[J]. 水电站机电技术，2017，40（2）：18-22.

（编辑：李 晗）

Design and research of technical water supply system for

Karot Hydropower Station

CHEN Sheng，HE Changyan，HE Zhifeng

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

Abstract： The water head of Karot Hydropower Station is within the range of medium and low head. In order to solve the problem of high sediment content in the water source of the technical water supply system， according to  the characteristics of Karot Hydropower Station， such as the operation range of water head ，this paper makes a comparative analysis on the gravity decompression water supply scheme and the secondary circulating water supply scheme of the technical water supply system for the power station. Considering the economic index， late-stage operation and maintenance， and water supply reliability， the scheme of two units combined gravity decompression water supply is adopted， and the sediment prevention measures of technical water supply pipeline are discussed， which can be used as reference for similar hydropower projects

Key words：technical water supply system;gravity decompression water supply;secondary circulating water supply system;Karot Hydropower Station; Pakistan