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)
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)。
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。
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
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。
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。
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。
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。
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。