西藏地區(qū)水輪機選型設計的幾個主要問題探討

李修樹

（中國水電工程顧問集團公司，北京 100120）

“十五”以來，西藏地區(qū)經(jīng)濟取得了快速發(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)的基礎仍較為薄弱、電力發(fā)展速度跟不上經(jīng)濟發(fā)展速度。西藏負荷中心中部地區(qū)的能源資源主要有太陽能、風能、地熱和水能。就現(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；地熱資源雖然密集，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，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)濟發(fā)展是最為現(xiàn)實可行的。為此，西藏電力建設的方針是：大力發(fā)展水電，積極開發(fā)利用新能源，電網(wǎng)與電源建設同步，因地制宜，多能互補，適當集中和分散供電相結(jié)合，建設與管理并重，開發(fā)與節(jié)約并舉。

水輪發(fā)電機組作為水能轉(zhuǎn)換為電能的最核心設備，在其選型設計過程中，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)展趨勢及設備維護檢修等方面因素。

1 水輪發(fā)電機組選型設計要點

1.1 機組單機容量選擇須適應西藏地區(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)總裝機容量約22.7萬kW，以水電裝機 （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)總裝機約49萬kW。預計到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)盡管以水電裝機為主，但總規(guī)模小，調(diào)節(jié)能力差。當前西藏地區(qū)機組的單機容量選擇思路不能與內(nèi)地完全相同，設計規(guī)劃時需考慮較大的單機容量對電網(wǎng)帶來的沖擊及穩(wěn)定性的影響；單機容量選擇時，應遵循建設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容量。就當前已有的藏中電網(wǎng)而言，以采用10萬級單機容量的機組較為合適，目前內(nèi)地水電開發(fā)中批量采用的50萬、60萬、70萬kW單機容量的機組在現(xiàn)有條件下尚無法接入較小的西藏電網(wǎng)。

1.2 機型選擇宜尋求簡單可靠，易維護管理

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

一般情況下，當水頭處于臨界水頭段時，機組機型較難確定。以40～60 m水頭段為例，在該水頭段內(nèi)可選擇的機型有混流式、軸流式、斜流式機組。因為斜流式機組尚存在一些問題，所以目前應用很少。一般情況下，軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機平均效率要高于混流式機組，穩(wěn)定運行區(qū)較寬，但軸流式機組吸出高度絕對值大于混流式機組，機組埋深增加，會加大土建開挖工作量；另外，由于軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機導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)復雜，運行維護工作量較大、檢修維護費用較高。在內(nèi)地該水頭段的機組，可從機組技術(shù)特性、經(jīng)濟指標、制造難度、設計制造經(jīng)驗等方面綜合比較后進行確定。但在西藏地區(qū)，由于其地域的特殊性導致的幾個機組選型難點主要有：①海拔較高，更加容易導致空蝕的發(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，多以混流式機組為主，運行檢修人員對混流式機型相對更加熟悉一些。因此，在機組選型設計前期，就必須充分考慮西藏地域的特點，在經(jīng)濟指標差別不大的情況下宜優(yōu)先選擇結(jié)構(gòu)相對簡單，易維護管理的混流式機組。

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

水輪機比轉(zhuǎn)速ns和比速系數(shù)K是衡量水輪機技術(shù)參數(shù)的綜合指標，提高比轉(zhuǎn)速可減小機組尺寸，降低機組造價和廠房建設費用，有顯著的經(jīng)濟效益，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組制造水平等綜合考慮。國內(nèi)部分新建、在建大型電站機組比速系數(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)屬于偏遠地區(qū)，技術(shù)水平、管理水平無法和內(nèi)地水電發(fā)達省份相比，過高的綜合參數(shù)水平會導致機組穩(wěn)定性、可靠性等潛力降低，設備出現(xiàn)不可預見故障的概率增加，從而加大檢修和維護的工作量，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，機組埋深通常較大，因此在機組選型設計時，應盡量選擇空化性能好、空化系數(shù)相對較小的機型，這樣有利于選取相對較高的裝機高程，減小廠房開挖量，降低水電站的土建費用，從這一方面考慮，也限制了水輪機采用過高的比轉(zhuǎn)速。因此，西藏地區(qū)水電機組不能采用與內(nèi)地已投產(chǎn)機組參數(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)濟發(fā)展水平等多方面影響，藏中電網(wǎng)的用電負荷以居民用電為主 （約占46%），其次是工業(yè)用電。高峰負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；其他時段負荷低。因此西藏地區(qū)負荷特性為峰谷差懸殊，負荷率和設備利用率低。鑒于此，機組的比速系數(shù)選擇時不能過低，否則將導致設備利用率更低，機組造價更高。那么，究竟多大的比速系數(shù)適用于當前西藏地區(qū)電站的機組呢？筆者認為，可在與內(nèi)地同等容量、相同水頭段的機組類比后，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，當混流式水輪機偏離最優(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組投產(chǎn)發(fā)電以來，大部分機組的轉(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，在機組的選型設計中，應充分考慮機組的穩(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)的機組對來水的不均勻性具有一定的適應能力，換言之，就是選用的機組需擁有較寬廣的穩(wěn)定運行區(qū)域。當河流天然來水較小的時候，比如冬季，此時正是用電負荷高峰，機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，機組也能穩(wěn)定運行。這樣的結(jié)果就是機組選型過程中，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，機電設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險，目前內(nèi)地電站往往對機組的主要部件進行分瓣運輸，如水輪機轉(zhuǎn)輪、頂蓋、座環(huán)、底環(huán)，發(fā)電機定子機座等均分成相應的小件運輸至現(xiàn)場后進行組焊加工。有些電站為降低運輸難度和運輸成本，水輪機轉(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，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)電機選型設計的內(nèi)容包括水輪發(fā)電機機型確定、機組參數(shù)選擇、機組與土建結(jié)構(gòu)尺寸配合等幾方面。機組選型設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)電機組選型設計，選擇結(jié)構(gòu)簡單可靠、易于維護管理的機組是一條基本指導思路。

當然，隨著時代的進步，西藏電源建設和電網(wǎng)建設的更加強大，配套的基礎設施水平提高，人才培養(yǎng)的更加成熟，其機組選型設計的部分思路也該隨著時代變遷加以調(diào)整。