中美水電標(biāo)準(zhǔn)中水電站技術(shù)供水系統(tǒng)要求的對(duì)比分析

黃 昱，易中有，曹 波

（1.中國(guó)電建集團(tuán)北京勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京市 100024；2.國(guó)網(wǎng)新源水電有限公司新安江水力發(fā)電廠，浙江省杭州市 311600）

0 引言

隨著我國(guó)“走出去”戰(zhàn)略和“一帶一路”戰(zhàn)略的提出和推進(jìn)，以“中國(guó)水電”為代表的國(guó)際先進(jìn)水平的行業(yè)，抓住了歷史機(jī)遇和市場(chǎng)機(jī)遇，在國(guó)外水電市場(chǎng)上的開疆?dāng)U土，取得了不俗的成績(jī)。截至2016年底，中國(guó)水電企業(yè)承建了近200項(xiàng)國(guó)際水電工程，占有國(guó)際水電市場(chǎng)50%以上的份額[1]。但在這一過(guò)程中，也遇到了一系列不可回避的問(wèn)題。其中，中國(guó)水電標(biāo)準(zhǔn)體系的認(rèn)可度不足的問(wèn)題尤為明顯，影響了中國(guó)水電全產(chǎn)業(yè)鏈“走出去”的進(jìn)程和國(guó)外項(xiàng)目的順利推進(jìn)。

1 研究背景與現(xiàn)狀

標(biāo)準(zhǔn)是技術(shù)理念、技術(shù)能力和思維方式的集中體現(xiàn)。技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的輸出是文化輸出的重要內(nèi)容，是技術(shù)權(quán)威性和話語(yǔ)權(quán)的重要標(biāo)志。

在國(guó)際工程實(shí)踐中，國(guó)外客戶對(duì)于歐美標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)可度較高，而對(duì)中國(guó)規(guī)范不熟悉、不理解，甚至有所抵觸，導(dǎo)致往往機(jī)械的照搬國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)，甚至使得從技術(shù)上角度明顯不適用的條文被應(yīng)用到項(xiàng)目上，造成不良的后果。據(jù)一項(xiàng)統(tǒng)計(jì)[2]，在中國(guó)近年來(lái)承建的90個(gè)國(guó)際水電項(xiàng)目中，使用中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)的僅占43.6%，且以中國(guó)企業(yè)EPC、BOT等方式為主（見(jiàn)圖1）。推廣中國(guó)水電標(biāo)準(zhǔn)，將大大助力中國(guó)水電全產(chǎn)業(yè)鏈“走出去”的戰(zhàn)略。

作為標(biāo)準(zhǔn)體系完善的大國(guó)和水電產(chǎn)業(yè)強(qiáng)國(guó)，中國(guó)水電標(biāo)準(zhǔn)包含了裝備制造、工程規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工等全產(chǎn)業(yè)鏈。得益于中國(guó)水電行業(yè)的快速發(fā)展和技術(shù)實(shí)力的增強(qiáng)，中國(guó)水電標(biāo)準(zhǔn)門類齊全，技術(shù)細(xì)節(jié)詳實(shí)，更新頻率高，能更好的反映行業(yè)最新進(jìn)展，在很多方面居于行業(yè)領(lǐng)先地位。

圖1 中國(guó)承建國(guó)際水電工程項(xiàng)目技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)使用情況統(tǒng)計(jì)Figure 1 Statistics on the use of standards for international hydropower projects undertaken by China

從水電站水力機(jī)械專業(yè)來(lái)說(shuō)，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)中常見(jiàn)的IEC、ASME、ASTM等較多的聚焦于主機(jī)機(jī)組本身，國(guó)內(nèi)的GB、DL標(biāo)準(zhǔn)在與上述標(biāo)準(zhǔn)基本接軌，要求基本等同，因此較易獲得國(guó)外用戶的認(rèn)可。而在合同執(zhí)行的施工詳圖階段，較多涉及工程設(shè)計(jì)相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)，由于國(guó)外客戶缺少對(duì)中國(guó)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的認(rèn)識(shí)，往往堅(jiān)持采用國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)。因此，水機(jī)專業(yè)設(shè)計(jì)中國(guó)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的推廣具有重要的意義。

2 美國(guó)陸軍工程兵團(tuán)標(biāo)準(zhǔn)體系

美國(guó)陸軍工程兵團(tuán)（USACE）是美國(guó)主要水利機(jī)構(gòu)之一，USACE主要負(fù)責(zé)水利工程的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工管理及運(yùn)用維護(hù)，是全美唯一負(fù)責(zé)大型綜合性水庫(kù)工程修建和運(yùn)行的機(jī)構(gòu)。USACE水電工程標(biāo)準(zhǔn)包括工程通告（EC）、工程指令（ED）、工程設(shè)計(jì)指南（DG）、工程規(guī)定（ER）、工程手冊(cè)（EM）、工程小手冊(cè)（EP）、工程技術(shù)函（ETL）、工程表格（ENG）等8個(gè)系列，這其中組成程序性標(biāo)準(zhǔn)的EM、EP、ER及ETL系列較為重要[3]。

USACE工程手冊(cè)（EM）系列標(biāo)準(zhǔn)共173份，是USACE水電工程標(biāo)準(zhǔn)中應(yīng)用最廣泛的部分[3]。相對(duì)于IEC、ASME、ASTM等標(biāo)準(zhǔn)，USACE標(biāo)準(zhǔn)更多聚焦于工程詳細(xì)設(shè)計(jì)方面。根據(jù)上述統(tǒng)計(jì)[2]，使用的美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)中，USACE標(biāo)準(zhǔn)占11%（見(jiàn)圖2）。

圖2 中國(guó)承建國(guó)際水電工程項(xiàng)目使用美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)計(jì)Figure 2 U.S.standard usage statistics for China's international hydropower projects

3 中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)與USACE標(biāo)準(zhǔn)在水電站技術(shù)供水系統(tǒng)的對(duì)比分析

水力機(jī)械輔助設(shè)備系統(tǒng)是水電站水機(jī)專業(yè)最重要的組成部分之一，中國(guó)相關(guān)的主要標(biāo)準(zhǔn)為NB/T 35035—2014《水力發(fā)電廠水力機(jī)械輔助設(shè)備系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》，美國(guó)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)主要為USACE標(biāo)準(zhǔn)EM1110-2-4205（1995.6.30）《HYDROELECTRIC POWER PLANTS MACHANICAL DESIGN》。技術(shù)供水系統(tǒng)是水力機(jī)械輔助系統(tǒng)中最主要、最復(fù)雜的分系統(tǒng)，主要用于機(jī)組及其他設(shè)備的冷卻、潤(rùn)滑用水等。下面將從技術(shù)供水系統(tǒng)方面，對(duì)兩個(gè)規(guī)范的部分不同點(diǎn)進(jìn)行分析，以期達(dá)到管中窺豹、拋磚引玉的目的。

3.1 技術(shù)供水系統(tǒng)的供水方式的選取

由于水電站的天然優(yōu)勢(shì)，水電站的技術(shù)供水經(jīng)常從電站的發(fā)電水源或尾水中獲取，因此電站水頭成為供水方式選取的重要依據(jù)。由表1可以看到，NB 35035—2014標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)電站水頭不同對(duì)技術(shù)供水方式分6檔進(jìn)行了不同的規(guī)定，分檔較為細(xì)致。而美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)僅分2檔，分檔較粗糙。

表1 NB/T 35035—2014和EM1110-2-4205對(duì)技術(shù)供水方式的對(duì)比Table 1 Compare NB/T35035-2014 With EM1110-2-4205 About Cooling Water System of hydro power stations

中美規(guī)范對(duì)水泵供水和自流（減壓）供水方式的分界上有明顯差別。減壓供水方式的工作范圍主要受減壓供水方式的經(jīng)濟(jì)性、減壓閥減壓能力和工作可靠性等限制。減壓供水取水自可用來(lái)做功的電廠發(fā)電水源，其經(jīng)濟(jì)性主要取決于所取水的發(fā)電潛力與同樣條件下水泵供水時(shí)水泵消耗電能的對(duì)比。NB 35035—2014標(biāo)準(zhǔn)在編制時(shí)，結(jié)合常見(jiàn)的水泵供水揚(yáng)程，及現(xiàn)階段供水泵效率、電機(jī)效率、水輪機(jī)效率、發(fā)電機(jī)效率、變壓器效率等，進(jìn)行了系統(tǒng)全回路的定量計(jì)算比較，得出減壓供水的經(jīng)濟(jì)性分界約為115m（當(dāng)對(duì)應(yīng)水泵供水揚(yáng)程為35m時(shí)）和132m （當(dāng)對(duì)應(yīng)水泵供水揚(yáng)程為40m時(shí)）的結(jié)論，并將上述結(jié)果作為供水方式選取的重要依據(jù)。而減壓供水作為一種不依賴于電源的純機(jī)械供水方式，在供水可靠性和維護(hù)性上具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。過(guò)去受限于技術(shù)能力，減壓閥的減壓比和可靠性均有一定的限制，應(yīng)用范圍受限，而隨著技術(shù)的發(fā)展，減壓閥的性能大幅度提高，近年來(lái)的應(yīng)用范圍有了較大的擴(kuò)展。在SDJ 173—1985《水力發(fā)電機(jī)機(jī)電技術(shù)規(guī)范》中，減壓供水方式的最大應(yīng)用水頭為80m，而在DL/T 5066—1996《水力發(fā)電廠水力機(jī)械輔助設(shè)備系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》中，減壓供水方式的最大應(yīng)用水頭提高至120m。在最新的NB/T 35035—2014中，減壓供水方式提高至140～160m。同時(shí)考慮到現(xiàn)有的減壓閥產(chǎn)品序列、安全性等因素，規(guī)定當(dāng)減壓閥直徑大于DN500時(shí)，應(yīng)進(jìn)行必要的試驗(yàn)研究。相比之下，EM1110-2-4205標(biāo)準(zhǔn)對(duì)自流減壓供水方式的選取界面上，僅簡(jiǎn)單規(guī)定最高為76m，分級(jí)過(guò)于簡(jiǎn)單粗糙，已不符合節(jié)能減排的大趨勢(shì)和現(xiàn)階段的技術(shù)水平，經(jīng)濟(jì)和技術(shù)合理性均受限。中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)在水源選取的分檔上更加細(xì)化、合理，且跟蹤兼顧了近年來(lái)相關(guān)設(shè)備行業(yè)的技術(shù)能力。

而在低水頭電站中，考慮到用水設(shè)備與供水設(shè)備出口之間的高程差和系統(tǒng)管路、設(shè)備的水頭損失，自流供水方式是不可行的。NB/T 35035—2014規(guī)定在水頭＜15m時(shí)采用水泵供水，EM1110-2-4205規(guī)定＜76m時(shí)均采用自流供水，在極低水頭電站中技術(shù)合理性不足。在國(guó)內(nèi)外，貫流式電站和軸流式電站均有廣為應(yīng)用，尤其是在南美、東南亞部分流域，低水頭、大流量的貫流式電站發(fā)展迅速。兩種電站頭較低，自流供水方式可行性較差，經(jīng)過(guò)計(jì)算比較，水泵供水更具有廣泛性和合理性。

3.2 技術(shù)供水系統(tǒng)取水口位置的選取

在取水口位置的選取上，EM1110-2-4205僅明確提及了蝸殼（及其延伸段）取水和尾水管兩種取水方式，對(duì)其他水源和取水口位置僅作概略性分析。而在NB/T 35035—2014中，還根據(jù)不同的電站水頭、泥沙、水溫等情況，分別列舉和分析了壓力鋼管取水、頂蓋取水、中間水池供水、尾水冷卻器二次循環(huán)冷卻等方式和要求，更具有廣泛性。

EM1110-2-4205在自流供水取水口的設(shè)置上僅提及了蝸殼取水一種方式，并提到了多臺(tái)機(jī)組取水口互聯(lián)作為備用水源的方式。實(shí)際上，在抽水蓄能電站等埋深較大的電站中，當(dāng)尾水背壓合適時(shí)，尾水管取水同樣可以為自流供水合適的取水口。同時(shí)，若電站僅有兩臺(tái)機(jī)組，而每臺(tái)機(jī)僅設(shè)置一個(gè)取水口并互聯(lián)時(shí)，當(dāng)進(jìn)水閥關(guān)閉（如機(jī)組檢修或進(jìn)水閥需隨機(jī)組停機(jī)而關(guān)閉等情況）時(shí)，運(yùn)行機(jī)組的備用水源被切斷，供水可靠性缺少保障。EM1110-2-4205也簡(jiǎn)略提及了這一情況，認(rèn)為蝸殼取水并不是“可靠（adequate）”的備用方式[5]，但并沒(méi)有給出解決方案。而在NB/T 35035—2014中，可通過(guò)設(shè)置備用取水口，或壓力鋼管取水方式解決這一問(wèn)題。在蓄能電站中，由于對(duì)工況轉(zhuǎn)換時(shí)間要求嚴(yán)苛，且進(jìn)水閥與機(jī)組同開同關(guān)，壓力鋼管取水的方式最為常見(jiàn)。壓力鋼管取水由于取水口設(shè)置在進(jìn)水閥上游側(cè)，無(wú)法通過(guò)關(guān)閉進(jìn)水閥切斷取水口水流（但進(jìn)水口或引水調(diào)壓室設(shè)有事故閘門或檢修閘門具備切斷取水口水流功能），在取水管路損壞時(shí)具有一定的安全隱患，在實(shí)際操作中，可通過(guò)加強(qiáng)設(shè)計(jì)和施工質(zhì)量管控，設(shè)置2個(gè)串聯(lián)的截?cái)嚅y等方式予以有效規(guī)避，在已投運(yùn)電站中運(yùn)行情況良好。

3.3 技術(shù)供水泵參數(shù)的選擇

兩規(guī)范均要求設(shè)置足夠的備用泵，EM1110-2-4205要求技術(shù)供水水泵的轉(zhuǎn)速不超過(guò)1800r/min，而對(duì)水泵的直接輸出參數(shù)（流量、揚(yáng)程）要求能夠滿足冷卻設(shè)備的需求，NB/T 35035—2014對(duì)水泵轉(zhuǎn)速?zèng)]有規(guī)定，但要求水泵選型時(shí)水泵的額定工作流量不少于工作水量的107%～110%，水泵揚(yáng)程按上述流量進(jìn)行計(jì)算選擇。

根據(jù)同步電機(jī)轉(zhuǎn)速與電網(wǎng)頻率的關(guān)系：

式中：n——轉(zhuǎn)速；

f——電網(wǎng)頻率；

p——磁極對(duì)數(shù)。

EM1110-2-4205中對(duì)水泵轉(zhuǎn)速的限制值是基于美國(guó)電網(wǎng)頻率f=60Hz，及電機(jī)磁極對(duì)數(shù)為2對(duì)計(jì)算出來(lái)的。而實(shí)際上，水泵轉(zhuǎn)速的選取首先取決于水泵的自身特性，即根據(jù)要求的流量、揚(yáng)程，結(jié)合水泵自身特性，選取電機(jī)的轉(zhuǎn)速擋位。根據(jù)電機(jī)特性，水泵的驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)通常采用異步電機(jī)，轉(zhuǎn)速略低于上述公式計(jì)算出來(lái)的同步轉(zhuǎn)速。目前國(guó)內(nèi)外水泵供應(yīng)商為滿足不同的使用需求，開發(fā)的水泵型譜已十分完善，根據(jù)不同的水泵特性和參數(shù)，轉(zhuǎn)速（50Hz下）通常為1450r/min和2900r/min，人為限制水泵轉(zhuǎn)速是不必要的。實(shí)際上，高轉(zhuǎn)速電機(jī)有更小的體積，在寸土寸金的水電站廠房布置中，也是必不可少的考慮因素。

NB/T 35035—2014中規(guī)定水泵流量不少于工作水量的107%～110%，并以此作為揚(yáng)程計(jì)算的輸入值，主要是考慮避免輸入?yún)?shù)的不精確造成水泵流量、揚(yáng)程不足，及防止電機(jī)過(guò)載。實(shí)際上，為防止水泵電機(jī)過(guò)載，相關(guān)規(guī)范規(guī)定電機(jī)輸出功率大于水泵軸功率，留有不小于10%的裕量[6]。但如果流量選取的裕度過(guò)大，將導(dǎo)致?lián)P程裕度也過(guò)大，進(jìn)而導(dǎo)致水泵的實(shí)際工作點(diǎn)偏離水泵的高效區(qū)和穩(wěn)定區(qū)，甚至造成水泵不能正常穩(wěn)定工作的情況。而流量、揚(yáng)程的精確性取決于系統(tǒng)設(shè)計(jì)的精確度，實(shí)際操作中，可根據(jù)不同的設(shè)計(jì)階段和設(shè)計(jì)深度，酌情選取流量和揚(yáng)程的裕度。

4 總結(jié)與建議

通過(guò)上述對(duì)比分析可以看到，在水電站技術(shù)供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方面，中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)緊跟行業(yè)最新進(jìn)展，具有技術(shù)合理、技術(shù)細(xì)節(jié)豐富細(xì)致、應(yīng)用范圍廣，可操作性強(qiáng)等特點(diǎn)，相比于美國(guó)USACE標(biāo)準(zhǔn)，具有明顯的合理性和優(yōu)勢(shì)，且具有更加廣泛的適用性。實(shí)際上，在其他輔助系統(tǒng)中，通過(guò)對(duì)比分析，中國(guó)規(guī)范均具有類似優(yōu)勢(shì)。因此中國(guó)水電標(biāo)準(zhǔn)具有“走出去”的魅力和潛力。

在中國(guó)水電企業(yè)和水電標(biāo)準(zhǔn)“走出去”的過(guò)程中，一方面，要發(fā)揮我國(guó)水電行業(yè)的技術(shù)領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)，以國(guó)際化的視角，不斷完善相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，同國(guó)際先進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)接軌，同時(shí)也緊跟行業(yè)最新進(jìn)展。另一方面，也要繼續(xù)加強(qiáng)對(duì)中國(guó)水電標(biāo)準(zhǔn)的宣傳和解釋工作，通過(guò)詳細(xì)的技術(shù)分析和對(duì)比，讓國(guó)外用戶理解和信任中國(guó)水電標(biāo)準(zhǔn)，促使中國(guó)水電標(biāo)準(zhǔn)在國(guó)際工程中得到更廣泛的應(yīng)用和認(rèn)可。