西藏高海拔地區(qū)大型機(jī)組參數(shù)選擇探討

趙明琴，高 瑜

（1.中國(guó)水電顧問(wèn)集團(tuán)貴陽(yáng)勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，貴州 貴陽(yáng) 550081 2.中國(guó)水電工程顧問(wèn)集團(tuán)公司，北京 100120）

0 前 言

到2020年前后，我國(guó)規(guī)劃的除西藏外的大部分水電工程將逐步開(kāi)發(fā)完畢，我國(guó)水電開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)將逐漸向西藏轉(zhuǎn)移。西藏河流眾多，水力資源豐富，位居全國(guó)第一，根據(jù)全國(guó)水力資源復(fù)查成果，水力資源理論蘊(yùn)藏量17 640億kW·h，技術(shù)可開(kāi)發(fā)裝機(jī)容量1.1億kW、可開(kāi)發(fā)巨、大型水電站裝機(jī)容量9 710萬(wàn)kW，水電站規(guī)模大多在100萬(wàn)kW以上，個(gè)別為1 000萬(wàn)kW級(jí)的巨型電站 （如墨脫水電站裝機(jī)3 800萬(wàn)kW）。各梯級(jí)電站單機(jī)容量較大，至少達(dá)50萬(wàn)kW以上，機(jī)組參數(shù)選擇匹配與否對(duì)機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性顯得尤為重要。

1 電站概況

如美水電站為瀾滄江上游河段的第5個(gè)梯級(jí)，位于西藏自治區(qū)芒康縣境內(nèi)。電站正常蓄水位2 895 m，裝機(jī)容量4×52.5萬(wàn)kW，保證出力69.6萬(wàn)kW，多年平均發(fā)電量105.82億 kW·h，裝機(jī)年利用小時(shí)數(shù)5 039 h，水庫(kù)總庫(kù)容39.7億m3，為年調(diào)節(jié)水庫(kù)，汛期平均出庫(kù)含沙量0.65 kg/m3，多年平均出庫(kù)含沙量0.13 kg/m3，水頭運(yùn)行范圍203.2～280.7 m，額定水頭236.0 m，加權(quán)平均水頭247.1 m。

2 高海拔地區(qū)機(jī)組選擇注意事項(xiàng)

西藏地區(qū)海拔高、氣壓低、空氣密度小、濕度小，年平均氣溫低、日溫差大，太陽(yáng)輻射強(qiáng)度大。水輪發(fā)電機(jī)組參數(shù)選擇及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮適應(yīng)高海拔地區(qū)的特殊環(huán)境。

2.1 水輪機(jī)部分

2.1.1 重力加速度

水輪機(jī)出力計(jì)算與重力加速度g有關(guān)。根據(jù)1980年正常重力公式gφ，1980=9.780 327 （1+0.005 302 44 sin2φ－0.000 005 85sin22φ）（m/s2， 式中φ為計(jì)算點(diǎn)緯度）以及文獻(xiàn)[1]中結(jié)論：海拔高度每增加1 m，重力加速度減少3.09×10-6m/s2，根據(jù)如美水電站緯度約29.7°，并經(jīng)海拔修正，計(jì)算出電站取g=9.785 m/s2。

2.1.2 大氣壓、濕度和溫度

氣系統(tǒng)中空壓機(jī)、氣罐 （尤其是具備調(diào)相運(yùn)行電站的氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)）的選擇計(jì)算跟大氣壓、濕度、溫度等有關(guān)。由不同海拔高度的大氣壓、空氣密度和濕度對(duì)照表 （見(jiàn)表1）可知，隨著海拔的增加，氣壓、空氣密度和濕度都在下降，如美水電站廠房海拔高度約為2 615 m，因此，大氣壓、相對(duì)空氣密度分別只有海平面的73%、78%，絕對(duì)濕度為4.27 g/m3；海拔高度每增加100 m，溫度降低0.6℃，因此該電站的多年平均溫度較海平面低15.7℃，當(dāng)然，當(dāng)電站有水文氣象站實(shí)測(cè)資料時(shí)，應(yīng)按實(shí)測(cè)資料計(jì)算，在前期或者資料不齊全時(shí)，水溫、氣溫、濕度等資料可參考進(jìn)行。

表1 不同海拔高度的大氣壓、空氣密度和濕度對(duì)照

西藏是高寒高海拔地帶，水溫較低，水的汽化壓力較小，較內(nèi)地機(jī)組產(chǎn)生空蝕小，一般要進(jìn)行修正，修正后的計(jì)算結(jié)果更符合西藏高海拔地區(qū)。吸出高度修正公式為

式中，Ha實(shí)測(cè)為水輪機(jī)安裝處的大氣壓力；σp為裝置空化系數(shù)，H為機(jī)組運(yùn)行水頭，Hv為該處相應(yīng)于平均水溫下的水的飽和汽化壓力，若西藏年平均水溫按10℃計(jì)，則相應(yīng)的汽化壓力值Hv=0.12 m·H2O；若水溫按20℃計(jì)，則相應(yīng)的汽化壓力值Hv=0.24 m·H2O，兩者的汽化壓力差值為0.12 m·H2O，因此，在不同的大氣壓力和水溫下，吸出高度是不一樣的。

2.1.4 水力過(guò)渡過(guò)程中尾水管進(jìn)口最低壓力

根據(jù)文獻(xiàn)[2]，高海拔地區(qū)尾水管進(jìn)口最低壓力應(yīng)作高程修正，修正公式為：

式中，▽為電站安裝高程，修正后本電站尾水管進(jìn)口最低壓力取-5 m·H2O。

2.1.5 補(bǔ)氣系統(tǒng)

為保證水輪機(jī)在部分負(fù)荷工況下穩(wěn)定運(yùn)行，應(yīng)設(shè)置大軸中心孔補(bǔ)氣系統(tǒng)；頂蓋、底環(huán)、基礎(chǔ)環(huán)等部位預(yù)留壓縮空氣的管道，預(yù)留補(bǔ)氣管道供將來(lái)運(yùn)行必要時(shí)使用，補(bǔ)氣量及管徑需根據(jù)設(shè)計(jì)計(jì)算確定。

2.1.6 水導(dǎo)軸承油溫控制

由于環(huán)境溫度較低，在水導(dǎo)軸承油箱內(nèi)安設(shè)加熱裝置，在油溫低于10℃時(shí)，啟動(dòng)加熱器，控制運(yùn)行中機(jī)組水導(dǎo)軸承內(nèi)油溫不低于10℃，在開(kāi)機(jī)前也應(yīng)監(jiān)測(cè)水導(dǎo)軸承油溫，油溫低于10℃時(shí)應(yīng)先加熱至10℃以上再啟動(dòng)機(jī)組。

2.2 發(fā)電機(jī)部分

2.2.1 合理的電氣參數(shù)

考慮高海拔地區(qū)環(huán)境的影響，選擇相對(duì)較低的電磁負(fù)荷及電流密度，并在設(shè)計(jì)值的基礎(chǔ)上保留足夠的設(shè)計(jì)余量。在冷卻參數(shù)的配置及有效材料的利用上均以保證發(fā)電機(jī)參數(shù)穩(wěn)定、可靠并有較大余量為前提條件。

2.2.2 發(fā)電機(jī)通風(fēng)設(shè)計(jì)及應(yīng)對(duì)措施

按GB 755—2000規(guī)定，由于海拔升高所引起的冷卻效果的降低可由最高環(huán)境溫度低于40℃來(lái)得到補(bǔ)償，海拔高于1 000 m的環(huán)境溫度必須補(bǔ)償量為：每高出100 m降低1%溫升限值。針對(duì)如美水電站，發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)風(fēng)量要留足余量，一般為常規(guī)同類(lèi)電站設(shè)計(jì)風(fēng)量的110%～115%。

2.2.3 發(fā)電機(jī)絕緣系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)對(duì)措施

高海拔地區(qū)發(fā)電機(jī)繞組絕緣防暈按照J(rèn)B 8439—2008《高壓電機(jī)使用于高海拔地區(qū)的防電暈技術(shù)要求》：電站海拔每高出1 000 m提高一個(gè)繞組絕緣防暈電壓等級(jí)，建議對(duì)于20 kV級(jí)及以下電壓等級(jí)的單根定子線棒起暈電壓≥2.3 UN，對(duì)于20 kV級(jí)以上電壓等級(jí)的單根定子線棒起暈電壓≥2.0 UN；發(fā)電機(jī)定子線棒、定子繞組、轉(zhuǎn)子繞組的絕緣試驗(yàn)電壓應(yīng)按IEC60034—1、GB755標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行高海拔修正。當(dāng)機(jī)組的額定電壓有兩種以上電壓可選時(shí)，盡量選擇偏低的額定電壓，這樣對(duì)機(jī)組防電暈有利。

2.2.4 高海拔對(duì)發(fā)電機(jī)各軸承溫升的影響和應(yīng)對(duì)措施

設(shè)備在運(yùn)行中會(huì)發(fā)生損耗，導(dǎo)致溫度升高，溫度升高部分稱(chēng)之為溫升。溫升隨著大氣壓的降低而增加，隨海拔高度增加而增加，一般來(lái)說(shuō)，海拔高度每升高100 m，設(shè)備溫升將升高0.5～1.0℃。由于氣壓低、年平均氣溫低，油溫低時(shí)，運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)越高，導(dǎo)致軸承損耗增加，繼而加大溫升。在設(shè)計(jì)中，要從軸承結(jié)構(gòu)入手，優(yōu)化計(jì)算和軸承的細(xì)部結(jié)構(gòu)，盡量減小損耗，同時(shí)確保整體結(jié)構(gòu)使得軸瓦更換方便；此外注意油冷卻器的設(shè)計(jì)和質(zhì)量，保證使其能合理地控制油溫升，確保機(jī)組安全運(yùn)行。

3 水輪機(jī)參數(shù)選擇

3.1 額定水頭

根據(jù)如美水電站水頭運(yùn)行范圍203.2～280.7 m，水輪機(jī)選用立軸混流式。水輪機(jī)的額定水頭的選取將直接影響水輪機(jī)的直徑和機(jī)組轉(zhuǎn)速 （影響設(shè)備造價(jià)）、加權(quán)平均效率、低水頭下機(jī)組的最大出力 （運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性）和機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性 （主要是高水頭部分負(fù)荷區(qū)域運(yùn)行的穩(wěn)定性）。對(duì)于水頭變幅較大的水電站，為取得較好的運(yùn)行范圍，總希望在電站加權(quán)平均水頭時(shí)水輪機(jī)為最優(yōu)工況，也希望額定水頭與加權(quán)平均水頭接近。

合理選擇額定水頭直接關(guān)系機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行性能和電站發(fā)電效益。根據(jù)DL/T 5186—2004《水力發(fā)電廠機(jī)電設(shè)計(jì)規(guī)范》， “對(duì)于中、高水頭水輪機(jī)的額定水頭宜在加權(quán)平均水頭0.95～1倍的范圍內(nèi)選取”，擬定對(duì)231、236、241、246 m 4個(gè)額定水頭方案進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，額定水頭比較方案見(jiàn)表2。

表2 額定水頭比較方案

從表2可以看出，額定水頭抬高，電站機(jī)組受阻容量線性增加，導(dǎo)致電站年電量減少，方案間電量差值在0.11～0.13億kW·h之間，機(jī)組總投資相差約1 500萬(wàn)左右；從各方案單位電能投資來(lái)看，降低額定水頭時(shí)，各方案間的補(bǔ)充單位電能投資僅在1.08~1.40元/kW·h之間，表明降低額定水頭對(duì)電站經(jīng)濟(jì)性更優(yōu)。但考慮該電站處于高寒高海拔地區(qū)，從機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性的角度出發(fā)，提高額定水頭，對(duì)提高水輪機(jī)高水頭運(yùn)行穩(wěn)定性有好處，231 m方案水頭略低，該方案最大水頭與額定水頭比值已大于1.2，對(duì)機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行不利。如美水電站在加權(quán)平均水頭至最大水頭間運(yùn)行的時(shí)間為總運(yùn)行時(shí)間的52.6%，占較大比例，加權(quán)平均水頭247.1~236 m之間所占比例約為11.6%，小于236 m的運(yùn)行期間所占比例約為36%，該范圍水頭主要出現(xiàn)在水庫(kù)枯水期，水量較小，機(jī)組出力限制對(duì)電站電量影響較小。根據(jù)以上分析，如美水電站額定水頭初擬選用236 m。

3.2 水輪機(jī)模型目標(biāo)參數(shù)

水輪機(jī)參數(shù)選擇時(shí)，首先要把水輪機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性放在首位，保證機(jī)組投產(chǎn)后安全、可靠、穩(wěn)定運(yùn)行，能承擔(dān)各類(lèi)負(fù)荷，適應(yīng)負(fù)荷多變的情況，同時(shí)又要使所選水輪機(jī)參數(shù)水平達(dá)到或超過(guò)國(guó)內(nèi)外同類(lèi)機(jī)組的先進(jìn)水平。但針對(duì)如美水電站來(lái)說(shuō)，參數(shù)的合理匹配最重要[4]。

比轉(zhuǎn)速ns和比速系數(shù)K是水輪機(jī)的重要特征參數(shù)之一，是衡量水輪機(jī)能量特性、經(jīng)濟(jì)性和先進(jìn)性的一個(gè)綜合性能指標(biāo)，同時(shí)亦反映了水輪機(jī)的設(shè)計(jì)制造水平。通過(guò)統(tǒng)計(jì)，國(guó)內(nèi)近幾年已建和在建（或待建）的最大水頭超過(guò)200 m的大型混流式水輪機(jī)比速系數(shù)K值均不超過(guò)2 250，比如已發(fā)電的小灣為2 250、拉西瓦2 221，在建的錦屏一級(jí)2 108.6、錦屏二級(jí)2 007、糯扎渡2 104.8、兩河口2 028.9，雙江口2 120。上述幾個(gè)電站除兩河口電站海拔高度約為2 600 m之外，其余幾個(gè)電站的海拔均不超過(guò)2 250 m（如小灣電站海拔約990 m，拉西瓦2 235 m，錦屏一級(jí)1 640 m，錦屏二級(jí)1 325 m，糯扎渡600 m，雙江口2 250 m），如美水電站地處西藏高寒、高海拔地區(qū)，機(jī)組運(yùn)行水頭高且水頭變幅較大 （水頭變幅77.5 m）、汛期過(guò)機(jī)水流中含有泥沙，存在一定的泥沙磨損，為保證水輪機(jī)具有良好的性能和運(yùn)行穩(wěn)定性，如美水電站水輪機(jī)應(yīng)選擇適中的比轉(zhuǎn)速ns及比速系數(shù)K值，不宜盲目追求高參數(shù)，結(jié)合機(jī)組制造廠家為電站推薦的水輪機(jī)模型目標(biāo)參數(shù)，水輪機(jī)比速系數(shù)K值在1 800～2 050之間選擇為宜，相應(yīng)比轉(zhuǎn)速ns為117.2～133.4（m·kW 制）。

根據(jù)國(guó)內(nèi)外已建和在建電站的統(tǒng)計(jì)資料以及經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)公式，結(jié)合本電站具體情況，水輪機(jī)模型目標(biāo)參數(shù)如下：比速系數(shù)K為1800～2050，比轉(zhuǎn)速ns為117.2～133.4（m·kW制），最優(yōu)工況單位轉(zhuǎn)速 n110為 63.5～66.5 r/min，限制工況單位流量Q11為0.35～0.45 m3/s，轉(zhuǎn)輪臨界空化系數(shù)σc為0.045～0.06，模型轉(zhuǎn)輪最高效率ηMmax≥94%，模型轉(zhuǎn)輪額定點(diǎn)效率ηMr≥91.5%。因本電站最大水頭與額定水頭相差較大，為改善水輪機(jī)部分負(fù)荷時(shí)運(yùn)行的穩(wěn)定性，最優(yōu)工況單位流量與限制工況單位流量應(yīng)盡量拉大距離，控制最優(yōu)工況單位流量為限制工況單位流量0.8倍以下，即最優(yōu)工況單位流量Q110為 0.28～0.36 m3/s。

3.3 水輪機(jī)原型技術(shù)參數(shù)

根據(jù)水輪機(jī)模型目標(biāo)參數(shù)，并經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，最終確定如美水電站水輪機(jī)原型參數(shù)如下：水輪機(jī)型號(hào)為HL131.9-LJ-630，轉(zhuǎn)輪直徑D1=6.3 m，額定轉(zhuǎn)速166.7 r/min（飛逸轉(zhuǎn)速310 r/min），額定水頭236.0 m，額定流量 250.6 m3/s，額定出力 535.7 MW，額定點(diǎn)效率92.6%，額定點(diǎn)比轉(zhuǎn)速131.9（m·kW制），比速系數(shù)2 026.3，吸出高度Hs≥-10.67 m，安裝高程2 605.0 m，壓力脈動(dòng)相對(duì)值△H/H在70%～100%額定出力時(shí)不大于3%，在全負(fù)荷范圍內(nèi)最大不超過(guò)4%。

4 結(jié) 語(yǔ)

如美水電站地處西藏高寒、高海拔地區(qū)，機(jī)組單機(jī)容量大，運(yùn)行水頭高且水頭變幅較大，汛期過(guò)機(jī)泥沙較多且硬度較大，存在一定的泥沙磨損。這些都對(duì)機(jī)組參數(shù)選擇和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了較為特殊的要求，在設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)綜合考慮高海拔地區(qū)機(jī)組選擇時(shí)應(yīng)注意的問(wèn)題，適當(dāng)降低水輪機(jī)比轉(zhuǎn)速及比速系數(shù)水平，優(yōu)化機(jī)組結(jié)構(gòu)形式，確保機(jī)組投產(chǎn)后安全、可靠、穩(wěn)定運(yùn)行。

［1］李慶忠，等.重力加速度值的計(jì)算及實(shí)際應(yīng)用.計(jì)量技術(shù)［J］.2001（4）:11-15.

［2］DL/T 5058-1996 水電站調(diào)壓室設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［3］管德靈.西藏高原水輪機(jī)空蝕問(wèn)題的探討.水利水電科技進(jìn)展［J］.1996（6）:58-61.

［4］李修樹(shù).西藏地區(qū)水輪機(jī)選型設(shè)計(jì)的幾個(gè)主要問(wèn)題探討［J］.水力發(fā)電， 2011， 37（4）:82-84.