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摘要：巴基斯坦卡洛特水电站为单一发电任务的水电枢纽，装设4台立轴混流式水轮机组。结合卡洛特水电站设计条件及机电设备的具体要求，开展了辅助系统设计方案研究。介绍了技术供水系统、排水系统、 压缩空气系统、透平油和绝缘油系统、水力监视测量系统和机电设备消防系统的设计方案和技术参数。卡洛特水电站水力机械辅助系统配置合理、运维方便、运行经济和安全可靠，可满足电站长期安全稳定运行的需要。
关键词：混流式水轮机;水力机械;机电设备;辅助系统设计;卡洛特水电站;巴基斯坦
中图法分类号：TV734 文献标志码：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2020.03.021
1 工程背景
巴基斯坦卡洛特水电站是吉拉姆河（Jhelum）规划的5个梯级电站中的第四级。工程为单一发电任务的水电枢纽，电站总装机容量720 MW，装设4台立轴混流式水轮机组，单机容量为180 MW，电站多年平均年发电量32.1亿kW·h，年利用小时数4 452 h。工程建设将对所在地和供电区经济社会的发展起到促进作用，可提高当地的供电保证率，并能带动地方工业的发展，提高当地居民生活质量和就业率。卡洛特水电站动能参数如下：
最大水头：79.34 m
最小水头：50.00 m
加权平均水头：68.86 m
额定水头：65.00 m
装机容量：720.0 MW
保证出力：116.1 MW
多年平均发电量：32.1亿kW·h
裝机年利用小时数：4 452 h
2 水力机械辅助系统设计
2.1 技术供水系统
电站技术供水的对象主要包括空气冷却器、推力轴承、各导轴承冷却器和调速器冷却器。各用户用水量需求见表1。
卡洛特水电站工作水头范围为50～79.34 m，是自流减压供水方式的理想压力区段。电站采用开式技术供水、单机单元自流减压供水方案。技术供水水源取自各机组压力钢管，为增强供水可靠性，1号和2号机为一组，3号和4号机为一组，机组之间以手动阀门隔开，组内水源相互备用[1]。
考虑到电站水头有一定变幅并且泥沙含量偏大，每台机组均配备水力旋流器、全自动滤水器和四通换向阀，机组各冷却器均可正反向供水。机组技术供水经供水总管、水力旋流器、滤水器、减压阀和四通换向阀后向机组技术用户供水。每台机组技术供水系统设置两套水力旋流器、滤水器、减压阀，一套工作，一套备用。
2.2 排水系统
卡洛特水电站排水系统包括机组检修排水系统、厂房渗漏排水系统和溢洪道渗漏排水系统。
2.2.1 机组检修排水系统
机组检修排水量由蜗壳、尾水管和压力管道内的积水量以及上、下游闸门的漏水量决定。机组检修时，高于下游尾水位的积水自流排出，所剩积水由水泵排至下游。
卡洛特水电站机组检修排水系统采用间接排水方式，检修积水由盘形阀排至排水廊道，再排至检修集水井，然后以水泵抽至下游。机组检修排水系统选用3台流量Q=1 000 m3/h，扬程H=50 m的深井泵。同时，为方便检修集水井清淤，井内配置一台流量Q=160 m3/h，扬程H=65 m的潜水排污泵。
2.2.2 厂房渗漏排水系统
厂内的渗漏水主要来源于厂内水工建筑物的渗漏水、机组顶盖与主轴密封漏水、钢管伸缩节漏水、各供排水阀门和管件漏水、厂内的生产用水和厂内消防时所用消防水等。厂内的渗漏水经排水管和排水沟引至集水井，然后由渗漏排水泵排至下游。厂房内总渗漏排水量约为100 m3/h。经综合计算比较，厂房渗漏排水系统选用3台流量Q=300 m3/h，扬程H=65m的深井泵。同时，为方便检修集水井清淤，井内配置1台流量Q=160 m3/h，扬程H=65 m的潜水排污泵。
为防止进入集水井的油污直接排往电站下游，对下游环境造成影响，厂内增设了渗漏集水井油水分离子系统，见图1。该系统主要由含油污水分离净化装置、浮油吸收机和收集油罐组成，污水分离净化装置处理能力为10 m3/h，处理后的水中含油量小于5 mg/L。
含油污水分离净化装置和浮油吸收机对含油废水进行收集和分离处理，经处理的废油排至废油罐，经处理的达标水通过联通孔进入排水池，由深井泵排至下游。
2.2.3 溢洪道渗漏排水系统
溢洪道坝体渗漏总量按150 m3/h设计，采用间接排水方式，即排水廊道-集水井-潜水泵排水。该系统配置2台潜水排污泵（流量Q=400 m3/h，扬程H=20 m），水泵的启停及报警根据集水井中的液位变送器所设定的水位自动控制。
2.3 压缩空气系统
卡洛特水电站压缩空气系统由低压压缩空气、中压压缩空气和IPB微正压压缩空气等系统组成。
（1）低压压缩空气系统。需满足机组制动和厂内工业供气需求，空压机容量按满足最大的用气需求选取。根据电站主接线方案，制动用气量按2台机组同时制动设计，工业用气按1台机组检修考虑。经计算，电站低压气系统空压机选用3台生产率为3.0 m3/min、排气压力为0.85 MPa的风冷式低压空压机。设置2只4.0 m3制动贮气罐和1只2.0 m3工业用气储气罐。
（2）中压压缩空气系统。电站调速器油压装置型号为YZ-8.0-6.3，额定压力为6.3 MPa，采用一级压力供气方式，贮气罐压力为7 MPa，中压压缩空气系统提供中压气源，经空气干燥机干燥后供给油压装置。为保证用气质量，中压压缩空气系统选用2台螺杆式空压机（Q=2.0 m3/min，P=8MPa），2台空气干燥机（Q=2.5 m3/min，P=8 MPa）和2台4 m3中压贮气罐。 （3）IPB微正壓压缩空气系统。电站离相封闭母线微正压装置补气量为32 m3/h，补气压力300 Pa。按照不启动空压机，储气罐向封闭母线连续进行供气45 min，每次供气量为32 m3，储气罐按12 min恢复气压设计，选用2台空压机（Q=3.0 m3/min， P=0.85 MPa）和2只压力等级为0.8 MPa、容积为5 m3的储气罐，并配套选用2台空气干燥机（Q=4.0 m3/min，P=0.85 MPa）。
2.4 透平油和绝缘油系统
透平油系统用于机组各轴承的用油、调速系统操作用油的储存以及供排油及油质处理。电站采用集中式供排油和油处理方式，油罐及油处理设备集中布置在安装场段油处理室，以贯穿全厂的供、排油总管连接各机组段。透平油系统选用2个20 m3净油罐和2个20 m3运行油罐，2台Q=12 m3/h，P=0.6 MPa齿轮油泵，并配备1台Q=6 m3/h，P=0.5 MPa透平油过滤机，2台Q=6 m3/h，P=0.5 MPa精密过滤机，为方便设备加油，增配1台0.5 m3移动式油车。
绝缘油系统用于主变压器油的储存、供排油及油质的处理。卡洛特水电站每台机组配备3台容量67 MVA的单相主变压器，每台单相变压器的用油量约为20 t。电站绝缘油系统选用容积为15 m3的运行油罐和净油罐各2个。选择2台Q=6 m3/h，P=0.6 MPa齿轮油泵，1台Q=3 m3/h，P=0.5 MPa真空滤油机，1台Q=3 m3/h，P=0.5 MPa高真空滤油机，1台Q=3 m3/h，P=0.5 MPa精密过滤机，布置在主厂房外绝缘油处理室。
2.5 水力监视测量系统
电站水力监视测量系统的项目设置分全电站性测量和机组段测量两个部分。全电站性测量项目包括上游库水位、下游尾水位、电站水头、拦污栅前后压差、水库水温测量和厂房防水淹信号等。机组测量项目包括工作门平压、水轮机流量、蜗壳进口压力、蜗壳末端压力、尾水管进口和出口压力、尾水管锥管压力脉动、发电机层噪音、主轴摆度、机组振动等。
2.6 机电设备消防系统
卡洛特水电站机电设备消防系统包括水消防系统和气体灭火系统。水消防系统防护对象为电站主厂房、电站副厂房、并联电抗器和主变压器;气体灭火系统防护对象为发电机、中央控制室、开关站蓄电池室[2]。水消防系统按照NFPA标准设计，选用II类消防栓系统，气体灭火系统按照NFPA标准选用CO2气体灭火系统和FM200气体灭火系统。
卡洛特水消防主水源采用高位水池减压供水，分别向变压器水喷雾系统、厂房内消防栓系统和并联电抗器水喷雾系统供水。厂房内机电设备水消防备用水源采用压力钢管自流供水[3]。
水轮发电机组按合同要求采用CO2消防系统，每台机组配置1套CO2消防设备。中控室和开关站蓄电池室各配备1套无管网式七氟丙烷灭火系统。
电站内根据机电设备布置状况和厂房结构，按照NFPA的要求，评估各区域火灾风险等级和可能的火灾类型，配置相应能效和合适种类的便携式灭火器和推车式灭火器。
3 机电设备布置
卡洛特水电站为地面厂房。厂房布置了4台立轴混流式水轮发电机组，从右至左依次布置有安装场、1～4号机组段。调速器及油压装置布置在水轮机层（391.0 m）第一象限;渗漏集水井、检修排水泵房设在安装场Ⅱ段水轮机层;技术供水主要设备布置在下游副厂房水轮机层;空压机室布置在安装场Ⅱ段上游副厂房水轮机层的专用房间内;机组透平油系统布置在安装场Ⅱ段下部水轮机层专用房间内。绝缘油系统布置在厂外;溢洪道渗漏排水泵房布置在泄洪坝段廊道内，泵房地面高程为404.75 m。
全厂油、气、水管路布置在主厂房上游墙上，部分消防水管布置在主厂房下游墙上。
4 结 语
根据卡洛特水电站的具体条件和机电设备要求，分别对水力机械各辅助子系统进行分析研究，确定了辅助系统设备参数，可确保各系统满足电站长期稳定安全运行需要。
参考文献：
[1] 水电站机电设计手册编写组.水电站机电设计手册-水力机械[M].北京：水利电力出版社，1982.
[2] GB 50872-2014水电工程设计防火规范[S].
[3] NFPA 15-2017 Standard for Water Spray Fixed Systems for Fire Protection[S].
（编辑：李 慧）
Design of hydraulic machinery auxiliary system for Karot Hydropower Station in Pakistan
HE Zhifeng，DAI Kaifeng，HE Changyan，GUI Shaobo
（Changjiang Survey，Planning，Design and Research Co.，Ltd.，Wuhan 430010， China）
Abstract： Karot Hydropower Station in Pakistan is specially built for power generation with 4 vertical shaft turbines. Considering the conditions of Karot Hydropower Station and requirements of M&E equipment， the research on the hydraulic machinery auxiliary system design is carried out. The design scheme and technical parameters of water supply system， drainage system， air compression system， turbine oil and insulating oil system， hydraulic monitoring and measuring system and fire fighting system for machinery equipment are introduced. The hydraulic machinery auxiliary system is well-equipped， convenient in operation and maintenance， economical， safe and reliable， and can meet the requirement for the long-term stability and safe operation of the power station.
Key words： vertical shaft turbines; hydraulic machinery; M&E equipment; auxiliary system design; Karot Hydropower Station; Pakistan
关键词：混流式水轮机;水力机械;机电设备;辅助系统设计;卡洛特水电站;巴基斯坦
中图法分类号：TV734 文献标志码：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2020.03.021
1 工程背景
巴基斯坦卡洛特水电站是吉拉姆河（Jhelum）规划的5个梯级电站中的第四级。工程为单一发电任务的水电枢纽，电站总装机容量720 MW，装设4台立轴混流式水轮机组，单机容量为180 MW，电站多年平均年发电量32.1亿kW·h，年利用小时数4 452 h。工程建设将对所在地和供电区经济社会的发展起到促进作用，可提高当地的供电保证率，并能带动地方工业的发展，提高当地居民生活质量和就业率。卡洛特水电站动能参数如下：
最大水头：79.34 m
最小水头：50.00 m
加权平均水头：68.86 m
额定水头：65.00 m
装机容量：720.0 MW
保证出力：116.1 MW
多年平均发电量：32.1亿kW·h
裝机年利用小时数：4 452 h
2 水力机械辅助系统设计
2.1 技术供水系统
电站技术供水的对象主要包括空气冷却器、推力轴承、各导轴承冷却器和调速器冷却器。各用户用水量需求见表1。
卡洛特水电站工作水头范围为50～79.34 m，是自流减压供水方式的理想压力区段。电站采用开式技术供水、单机单元自流减压供水方案。技术供水水源取自各机组压力钢管，为增强供水可靠性，1号和2号机为一组，3号和4号机为一组，机组之间以手动阀门隔开，组内水源相互备用[1]。
考虑到电站水头有一定变幅并且泥沙含量偏大，每台机组均配备水力旋流器、全自动滤水器和四通换向阀，机组各冷却器均可正反向供水。机组技术供水经供水总管、水力旋流器、滤水器、减压阀和四通换向阀后向机组技术用户供水。每台机组技术供水系统设置两套水力旋流器、滤水器、减压阀，一套工作，一套备用。
2.2 排水系统
卡洛特水电站排水系统包括机组检修排水系统、厂房渗漏排水系统和溢洪道渗漏排水系统。
2.2.1 机组检修排水系统
机组检修排水量由蜗壳、尾水管和压力管道内的积水量以及上、下游闸门的漏水量决定。机组检修时，高于下游尾水位的积水自流排出，所剩积水由水泵排至下游。
卡洛特水电站机组检修排水系统采用间接排水方式，检修积水由盘形阀排至排水廊道，再排至检修集水井，然后以水泵抽至下游。机组检修排水系统选用3台流量Q=1 000 m3/h，扬程H=50 m的深井泵。同时，为方便检修集水井清淤，井内配置一台流量Q=160 m3/h，扬程H=65 m的潜水排污泵。
2.2.2 厂房渗漏排水系统
厂内的渗漏水主要来源于厂内水工建筑物的渗漏水、机组顶盖与主轴密封漏水、钢管伸缩节漏水、各供排水阀门和管件漏水、厂内的生产用水和厂内消防时所用消防水等。厂内的渗漏水经排水管和排水沟引至集水井，然后由渗漏排水泵排至下游。厂房内总渗漏排水量约为100 m3/h。经综合计算比较，厂房渗漏排水系统选用3台流量Q=300 m3/h，扬程H=65m的深井泵。同时，为方便检修集水井清淤，井内配置1台流量Q=160 m3/h，扬程H=65 m的潜水排污泵。
为防止进入集水井的油污直接排往电站下游，对下游环境造成影响，厂内增设了渗漏集水井油水分离子系统，见图1。该系统主要由含油污水分离净化装置、浮油吸收机和收集油罐组成，污水分离净化装置处理能力为10 m3/h，处理后的水中含油量小于5 mg/L。
含油污水分离净化装置和浮油吸收机对含油废水进行收集和分离处理，经处理的废油排至废油罐，经处理的达标水通过联通孔进入排水池，由深井泵排至下游。
2.2.3 溢洪道渗漏排水系统
溢洪道坝体渗漏总量按150 m3/h设计，采用间接排水方式，即排水廊道-集水井-潜水泵排水。该系统配置2台潜水排污泵（流量Q=400 m3/h，扬程H=20 m），水泵的启停及报警根据集水井中的液位变送器所设定的水位自动控制。
2.3 压缩空气系统
卡洛特水电站压缩空气系统由低压压缩空气、中压压缩空气和IPB微正压压缩空气等系统组成。
（1）低压压缩空气系统。需满足机组制动和厂内工业供气需求，空压机容量按满足最大的用气需求选取。根据电站主接线方案，制动用气量按2台机组同时制动设计，工业用气按1台机组检修考虑。经计算，电站低压气系统空压机选用3台生产率为3.0 m3/min、排气压力为0.85 MPa的风冷式低压空压机。设置2只4.0 m3制动贮气罐和1只2.0 m3工业用气储气罐。
（2）中压压缩空气系统。电站调速器油压装置型号为YZ-8.0-6.3，额定压力为6.3 MPa，采用一级压力供气方式，贮气罐压力为7 MPa，中压压缩空气系统提供中压气源，经空气干燥机干燥后供给油压装置。为保证用气质量，中压压缩空气系统选用2台螺杆式空压机（Q=2.0 m3/min，P=8MPa），2台空气干燥机（Q=2.5 m3/min，P=8 MPa）和2台4 m3中压贮气罐。 （3）IPB微正壓压缩空气系统。电站离相封闭母线微正压装置补气量为32 m3/h，补气压力300 Pa。按照不启动空压机，储气罐向封闭母线连续进行供气45 min，每次供气量为32 m3，储气罐按12 min恢复气压设计，选用2台空压机（Q=3.0 m3/min， P=0.85 MPa）和2只压力等级为0.8 MPa、容积为5 m3的储气罐，并配套选用2台空气干燥机（Q=4.0 m3/min，P=0.85 MPa）。
2.4 透平油和绝缘油系统
透平油系统用于机组各轴承的用油、调速系统操作用油的储存以及供排油及油质处理。电站采用集中式供排油和油处理方式，油罐及油处理设备集中布置在安装场段油处理室，以贯穿全厂的供、排油总管连接各机组段。透平油系统选用2个20 m3净油罐和2个20 m3运行油罐，2台Q=12 m3/h，P=0.6 MPa齿轮油泵，并配备1台Q=6 m3/h，P=0.5 MPa透平油过滤机，2台Q=6 m3/h，P=0.5 MPa精密过滤机，为方便设备加油，增配1台0.5 m3移动式油车。
绝缘油系统用于主变压器油的储存、供排油及油质的处理。卡洛特水电站每台机组配备3台容量67 MVA的单相主变压器，每台单相变压器的用油量约为20 t。电站绝缘油系统选用容积为15 m3的运行油罐和净油罐各2个。选择2台Q=6 m3/h，P=0.6 MPa齿轮油泵，1台Q=3 m3/h，P=0.5 MPa真空滤油机，1台Q=3 m3/h，P=0.5 MPa高真空滤油机，1台Q=3 m3/h，P=0.5 MPa精密过滤机，布置在主厂房外绝缘油处理室。
2.5 水力监视测量系统
电站水力监视测量系统的项目设置分全电站性测量和机组段测量两个部分。全电站性测量项目包括上游库水位、下游尾水位、电站水头、拦污栅前后压差、水库水温测量和厂房防水淹信号等。机组测量项目包括工作门平压、水轮机流量、蜗壳进口压力、蜗壳末端压力、尾水管进口和出口压力、尾水管锥管压力脉动、发电机层噪音、主轴摆度、机组振动等。
2.6 机电设备消防系统
卡洛特水电站机电设备消防系统包括水消防系统和气体灭火系统。水消防系统防护对象为电站主厂房、电站副厂房、并联电抗器和主变压器;气体灭火系统防护对象为发电机、中央控制室、开关站蓄电池室[2]。水消防系统按照NFPA标准设计，选用II类消防栓系统，气体灭火系统按照NFPA标准选用CO2气体灭火系统和FM200气体灭火系统。
卡洛特水消防主水源采用高位水池减压供水，分别向变压器水喷雾系统、厂房内消防栓系统和并联电抗器水喷雾系统供水。厂房内机电设备水消防备用水源采用压力钢管自流供水[3]。
水轮发电机组按合同要求采用CO2消防系统，每台机组配置1套CO2消防设备。中控室和开关站蓄电池室各配备1套无管网式七氟丙烷灭火系统。
电站内根据机电设备布置状况和厂房结构，按照NFPA的要求，评估各区域火灾风险等级和可能的火灾类型，配置相应能效和合适种类的便携式灭火器和推车式灭火器。
3 机电设备布置
卡洛特水电站为地面厂房。厂房布置了4台立轴混流式水轮发电机组，从右至左依次布置有安装场、1～4号机组段。调速器及油压装置布置在水轮机层（391.0 m）第一象限;渗漏集水井、检修排水泵房设在安装场Ⅱ段水轮机层;技术供水主要设备布置在下游副厂房水轮机层;空压机室布置在安装场Ⅱ段上游副厂房水轮机层的专用房间内;机组透平油系统布置在安装场Ⅱ段下部水轮机层专用房间内。绝缘油系统布置在厂外;溢洪道渗漏排水泵房布置在泄洪坝段廊道内，泵房地面高程为404.75 m。
全厂油、气、水管路布置在主厂房上游墙上，部分消防水管布置在主厂房下游墙上。
4 结 语
根据卡洛特水电站的具体条件和机电设备要求，分别对水力机械各辅助子系统进行分析研究，确定了辅助系统设备参数，可确保各系统满足电站长期稳定安全运行需要。
参考文献：
[1] 水电站机电设计手册编写组.水电站机电设计手册-水力机械[M].北京：水利电力出版社，1982.
[2] GB 50872-2014水电工程设计防火规范[S].
[3] NFPA 15-2017 Standard for Water Spray Fixed Systems for Fire Protection[S].
（编辑：李 慧）
Design of hydraulic machinery auxiliary system for Karot Hydropower Station in Pakistan
HE Zhifeng，DAI Kaifeng，HE Changyan，GUI Shaobo
（Changjiang Survey，Planning，Design and Research Co.，Ltd.，Wuhan 430010， China）
Abstract： Karot Hydropower Station in Pakistan is specially built for power generation with 4 vertical shaft turbines. Considering the conditions of Karot Hydropower Station and requirements of M&E equipment， the research on the hydraulic machinery auxiliary system design is carried out. The design scheme and technical parameters of water supply system， drainage system， air compression system， turbine oil and insulating oil system， hydraulic monitoring and measuring system and fire fighting system for machinery equipment are introduced. The hydraulic machinery auxiliary system is well-equipped， convenient in operation and maintenance， economical， safe and reliable， and can meet the requirement for the long-term stability and safe operation of the power station.
Key words： vertical shaft turbines; hydraulic machinery; M&E equipment; auxiliary system design; Karot Hydropower Station; Pakistan