西藏地區(qū)水輪機(jī)選型設(shè)計的幾個主要問題探討

李修樹

（中國水電工程顧問集團(tuán)公司，北京 100120）

“十五”以來，西藏地區(qū)經(jīng)濟(jì)取得了快速發(fā)展，電力需求的增長速度較快，但西藏地區(qū)現(xiàn)有電力工業(yè)的基礎(chǔ)仍較為薄弱、電力發(fā)展速度跟不上經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度。西藏負(fù)荷中心中部地區(qū)的能源資源主要有太陽能、風(fēng)能、地?zé)岷退堋＞同F(xiàn)有技術(shù)水平，大規(guī)模開發(fā)太陽能投資成本太大，其電價用戶難以承受，僅可小部分開發(fā)以解決部分分散地區(qū)用電問題；風(fēng)能資源的開發(fā)必須依托大電網(wǎng)，目前在西藏尚不具備條件；地?zé)豳Y源雖然密集，但發(fā)電潛力較小且開發(fā)難度大、發(fā)電不穩(wěn)定；而中部地區(qū)水系發(fā)達(dá)，河流眾多，擁有雅魯藏布江干流及眾多支流，水力資源極為豐富，距離負(fù)荷中心較近，因此就近開發(fā)利用水能資源以支撐中部地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展是最為現(xiàn)實可行的。為此，西藏電力建設(shè)的方針是：大力發(fā)展水電，積極開發(fā)利用新能源，電網(wǎng)與電源建設(shè)同步，因地制宜，多能互補(bǔ)，適當(dāng)集中和分散供電相結(jié)合，建設(shè)與管理并重，開發(fā)與節(jié)約并舉。

水輪發(fā)電機(jī)組作為水能轉(zhuǎn)換為電能的最核心設(shè)備，在其選型設(shè)計過程中，必須充分考慮西藏地區(qū)的區(qū)域特點、電網(wǎng)的現(xiàn)有狀況、交通運輸條件、今后的發(fā)展趨勢及設(shè)備維護(hù)檢修等方面因素。

1 水輪發(fā)電機(jī)組選型設(shè)計要點

1.1 機(jī)組單機(jī)容量選擇須適應(yīng)西藏地區(qū)電網(wǎng)特點

西藏地區(qū)地域廣闊，其社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展中心拉薩市距日喀則250 km、距昌都600 km、距獅泉河則超過1 000 km，目前尚未形成統(tǒng)一電網(wǎng)。2003年底拉薩、日喀則、三南、那曲等形成藏中電網(wǎng)，截至2005年底，藏中電網(wǎng)總裝機(jī)容量約22.7萬kW，以水電裝機(jī) （20.284萬kW）為主；昌都電網(wǎng)、獅泉電網(wǎng)為孤立電網(wǎng)。截至 “十一五”末，藏中電網(wǎng)總裝機(jī)約49萬kW。預(yù)計到2020年全區(qū)電網(wǎng)維持中部電網(wǎng)、昌都電網(wǎng)、獅泉電網(wǎng) “一大兩小”的網(wǎng)絡(luò)格局，同時存在眾多的縣鄉(xiāng)獨立小電網(wǎng)。

西藏地區(qū)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)薄弱、供電可靠性差；網(wǎng)內(nèi)盡管以水電裝機(jī)為主，但總規(guī)模小，調(diào)節(jié)能力差。當(dāng)前西藏地區(qū)機(jī)組的單機(jī)容量選擇思路不能與內(nèi)地完全相同，設(shè)計規(guī)劃時需考慮較大的單機(jī)容量對電網(wǎng)帶來的沖擊及穩(wěn)定性的影響；單機(jī)容量選擇時，應(yīng)遵循建設(shè)時序由小到大的原則，并考慮在較小電網(wǎng)條件下能夠兼容和吸納的單機(jī)容量。就當(dāng)前已有的藏中電網(wǎng)而言，以采用10萬級單機(jī)容量的機(jī)組較為合適，目前內(nèi)地水電開發(fā)中批量采用的50萬、60萬、70萬kW單機(jī)容量的機(jī)組在現(xiàn)有條件下尚無法接入較小的西藏電網(wǎng)。

1.2 機(jī)型選擇宜尋求簡單可靠，易維護(hù)管理

水輪機(jī)機(jī)型選擇的主要依據(jù)是其運行水頭：3～30 m水頭可選擇貫流式機(jī)組，3～80 m水頭可選擇軸流式機(jī)組，40～120 m水頭可選擇斜流式機(jī)組，30～700 m水頭可選擇混流式機(jī)組。

一般情況下，當(dāng)水頭處于臨界水頭段時，機(jī)組機(jī)型較難確定。以40～60 m水頭段為例，在該水頭段內(nèi)可選擇的機(jī)型有混流式、軸流式、斜流式機(jī)組。因為斜流式機(jī)組尚存在一些問題，所以目前應(yīng)用很少。一般情況下，軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)平均效率要高于混流式機(jī)組，穩(wěn)定運行區(qū)較寬，但軸流式機(jī)組吸出高度絕對值大于混流式機(jī)組，機(jī)組埋深增加，會加大土建開挖工作量；另外，由于軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)導(dǎo)葉和槳葉具有雙重調(diào)節(jié)特性，其轉(zhuǎn)輪和受油器等部件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，運行維護(hù)工作量較大、檢修維護(hù)費用較高。在內(nèi)地該水頭段的機(jī)組，可從機(jī)組技術(shù)特性、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、制造難度、設(shè)計制造經(jīng)驗等方面綜合比較后進(jìn)行確定。但在西藏地區(qū)，由于其地域的特殊性導(dǎo)致的幾個機(jī)組選型難點主要有：①海拔較高，更加容易導(dǎo)致空蝕的發(fā)生；②西藏地區(qū)投產(chǎn)的水電站少，運行維護(hù)經(jīng)驗相對比較缺乏；③在不多的已投產(chǎn)電站中，多以混流式機(jī)組為主，運行檢修人員對混流式機(jī)型相對更加熟悉一些。因此，在機(jī)組選型設(shè)計前期，就必須充分考慮西藏地域的特點，在經(jīng)濟(jì)指標(biāo)差別不大的情況下宜優(yōu)先選擇結(jié)構(gòu)相對簡單，易維護(hù)管理的混流式機(jī)組。

1.3 不能追求過高的綜合參數(shù)水平，參數(shù)之間需達(dá)到合理匹配

水輪機(jī)比轉(zhuǎn)速ns和比速系數(shù)K是衡量水輪機(jī)技術(shù)參數(shù)的綜合指標(biāo)，提高比轉(zhuǎn)速可減小機(jī)組尺寸，降低機(jī)組造價和廠房建設(shè)費用，有顯著的經(jīng)濟(jì)效益，但同時受到效率、空蝕、泥沙磨損及運行穩(wěn)定性的影響，因此綜合參數(shù)水平不宜選擇過高，必須根據(jù)電站的自身條件和機(jī)組制造水平等綜合考慮。國內(nèi)部分新建、在建大型電站機(jī)組比速系數(shù)如下，李家峽水電站2 176，二灘水電站2 323，小灣水電站2 250，三峽左岸電站2 349，三峽右岸電站2 150（哈電、天阿）/2 257（東電），拉西瓦水電站2238，龍灘水電站2 224，瀑布溝水電站2 227，溪洛渡水電站2 096/2105，向家壩水電站2 136，錦屏一級水電站2 205，構(gòu)皮灘水電站2 028，水布埡水電站2 030，彭水水電站2 182，糯扎渡水電站2 013。從上面數(shù)據(jù)中可看出，國內(nèi)新建在建的大型電站機(jī)組比速系數(shù)基本在2 100以上，均大于2 000。

由于西藏地區(qū)屬于偏遠(yuǎn)地區(qū)，技術(shù)水平、管理水平無法和內(nèi)地水電發(fā)達(dá)省份相比，過高的綜合參數(shù)水平會導(dǎo)致機(jī)組穩(wěn)定性、可靠性等潛力降低，設(shè)備出現(xiàn)不可預(yù)見故障的概率增加，從而加大檢修和維護(hù)的工作量，因此采用過高的比速系數(shù)不可取。另外，西藏地區(qū)處于青藏高原地帶，海拔高，為避免空蝕的發(fā)生，機(jī)組埋深通常較大，因此在機(jī)組選型設(shè)計時，應(yīng)盡量選擇空化性能好、空化系數(shù)相對較小的機(jī)型，這樣有利于選取相對較高的裝機(jī)高程，減小廠房開挖量，降低水電站的土建費用，從這一方面考慮，也限制了水輪機(jī)采用過高的比轉(zhuǎn)速。因此，西藏地區(qū)水電機(jī)組不能采用與內(nèi)地已投產(chǎn)機(jī)組參數(shù)水平一致的比轉(zhuǎn)速和比速系數(shù)。

那么，這是否意味著西藏地區(qū)水電機(jī)組一定要采用很低的綜合參數(shù)呢？受地區(qū)環(huán)境、經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平等多方面影響，藏中電網(wǎng)的用電負(fù)荷以居民用電為主 （約占46%），其次是工業(yè)用電。高峰負(fù)荷集中在三頓飯時段，以晚高峰最為突出，且持續(xù)時間較長，尤其是冬、春季節(jié)，照明用電、采暖用電與電炊用電疊加時形成日用電的高峰；其他時段負(fù)荷低。因此西藏地區(qū)負(fù)荷特性為峰谷差懸殊，負(fù)荷率和設(shè)備利用率低。鑒于此，機(jī)組的比速系數(shù)選擇時不能過低，否則將導(dǎo)致設(shè)備利用率更低，機(jī)組造價更高。那么，究竟多大的比速系數(shù)適用于當(dāng)前西藏地區(qū)電站的機(jī)組呢？筆者認(rèn)為，可在與內(nèi)地同等容量、相同水頭段的機(jī)組類比后，將比速系數(shù)降低5%～10%后為妥，但無論如何，必須確保參數(shù)之間的合理匹配。

1.4 選用的機(jī)組需擁有較寬廣的穩(wěn)定運行區(qū)域

藏中電網(wǎng)除羊湖抽水蓄能電站 （11.25萬kW）、滿拉水電站 （2萬kW）、查龍水電站 （1.08萬kW）具有調(diào)節(jié)性能外，其余電站均為徑流式或日調(diào)節(jié)水電站。電網(wǎng)裝機(jī)容量不足且調(diào)節(jié)能力較差，目前尚無法滿足系統(tǒng)的用電要求，拉薩地區(qū)在冬季還需拉閘限電；羊湖抽水蓄能電站自建成以來，一直作為藏中電網(wǎng)的支柱電源滿負(fù)荷運轉(zhuǎn)。由于電網(wǎng)無備用容量，供電可靠性較差。因此，目前的藏中電網(wǎng)，不僅容量較小，而且可靠性低，這就要求新投入的水電站機(jī)組的有較高的穩(wěn)定運行能力，這樣才能為薄弱的電網(wǎng)提供可靠的電源支撐。

眾所周知，混流式水輪機(jī)只有在最優(yōu)工況的較小范圍內(nèi)存在一個無渦區(qū)，在該范圍內(nèi)沒有渦帶且水壓脈動較小，當(dāng)混流式水輪機(jī)偏離最優(yōu)工況運行時，將存在不穩(wěn)定運行和空化破壞的潛在危險。國內(nèi)外一些比較著名的水電站，如依泰普、大古力、古里、二灘、隔河巖等水電站的機(jī)組均不同程度存在不穩(wěn)定運行的情況。二灘水電站自首臺機(jī)組投產(chǎn)發(fā)電以來，大部分機(jī)組的轉(zhuǎn)輪產(chǎn)生了葉片裂紋，并存在一個典型的不穩(wěn)定運行區(qū)域。因此，在機(jī)組的選型設(shè)計中，應(yīng)充分考慮機(jī)組的穩(wěn)定運行能力，將穩(wěn)定性作為一個重要因子加以考慮，尤其是水庫具有調(diào)節(jié)能力的電站，更應(yīng)引起重視。

西藏地區(qū)電站來水年內(nèi)分布極為不均，夏季來水較大，冬季來水較小。西藏地區(qū)河流的來水不僅表現(xiàn)在年際間差別較大，且年內(nèi)豐水季節(jié)和枯水季節(jié)來水差別也較大。而西藏地區(qū)電源結(jié)構(gòu)以水電為主，負(fù)荷冬季需求高，其結(jié)果必然是河流天然來水與用電高峰的極端不匹配，這就要求水庫應(yīng)具有較好的調(diào)節(jié)能力，但調(diào)節(jié)能力好的水庫代價往往花費較高，同時會增加移民搬遷和淹沒損失。為協(xié)調(diào)這一矛盾，要求投產(chǎn)的機(jī)組對來水的不均勻性具有一定的適應(yīng)能力，換言之，就是選用的機(jī)組需擁有較寬廣的穩(wěn)定運行區(qū)域。當(dāng)河流天然來水較小的時候，比如冬季，此時正是用電負(fù)荷高峰，機(jī)組在高水頭部分開度下需有高效穩(wěn)定運行的能力；豐水季節(jié)，流量較大、水頭較低時，機(jī)組也能穩(wěn)定運行。這樣的結(jié)果就是機(jī)組選型過程中，追求較大的加權(quán)平均效率，而非最高效率，且效率曲線需盡量平緩。

1.5 為盡量減少現(xiàn)場加工工作量，機(jī)組結(jié)構(gòu)部件分瓣不宜過多

西藏地區(qū)由于其地理位置的特殊性，機(jī)電設(shè)備重大件只能采用鐵路—公路或全部公路運輸方式。但無論是哪一種運輸方式，其公路運輸里程都長，運輸難度都較大。為降低運輸難度或運輸風(fēng)險，目前內(nèi)地電站往往對機(jī)組的主要部件進(jìn)行分瓣運輸，如水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪、頂蓋、座環(huán)、底環(huán)，發(fā)電機(jī)定子機(jī)座等均分成相應(yīng)的小件運輸至現(xiàn)場后進(jìn)行組焊加工。有些電站為降低運輸難度和運輸成本，水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪采用散件運輸現(xiàn)場加工方案，如構(gòu)皮灘、景洪水電站。但內(nèi)地的這些經(jīng)驗是否可以直接照搬到西藏呢？答案值得探討。西藏由于其地域特點，電站所在地往往更加偏遠(yuǎn)，人跡罕至，加工條件較差；加之其海拔較高，冬季特別漫長寒冷，實際可以施工的有效時間短；在高海拔缺氧的條件下對焊接工藝和焊接質(zhì)量的保證難度更大。所有這些，都要求機(jī)組結(jié)構(gòu)部件分瓣不宜過多，以減小現(xiàn)場焊接、加工工作量。

2 結(jié)論和建議

水輪發(fā)電機(jī)選型設(shè)計的內(nèi)容包括水輪發(fā)電機(jī)機(jī)型確定、機(jī)組參數(shù)選擇、機(jī)組與土建結(jié)構(gòu)尺寸配合等幾方面。機(jī)組選型設(shè)計過程中需遵循的原則也很多，絕不僅限于此。但無論如何，就目前來說，對于西藏地區(qū)水電站的水輪發(fā)電機(jī)組選型設(shè)計，選擇結(jié)構(gòu)簡單可靠、易于維護(hù)管理的機(jī)組是一條基本指導(dǎo)思路。

當(dāng)然，隨著時代的進(jìn)步，西藏電源建設(shè)和電網(wǎng)建設(shè)的更加強(qiáng)大，配套的基礎(chǔ)設(shè)施水平提高，人才培養(yǎng)的更加成熟，其機(jī)組選型設(shè)計的部分思路也該隨著時代變遷加以調(diào)整。