西藏地区水轮机选型设计的几个主要问题探讨

2011-04-14李修树

水力发电 2011年4期

李修树

（中国水电工程顾问集团公司，北京 100120）

“十五”以来，西藏地区经济取得了快速发展，电力需求的增长速度较快，但西藏地区现有电力工业的基础仍较为薄弱、电力发展速度跟不上经济发展速度。西藏负荷中心中部地区的能源资源主要有太阳能、风能、地热和水能。就现有技术水平，大规模开发太阳能投资成本太大，其电价用户难以承受，仅可小部分开发以解决部分分散地区用电问题；风能资源的开发必须依托大电网，目前在西藏尚不具备条件；地热资源虽然密集，但发电潜力较小且开发难度大、发电不稳定；而中部地区水系发达，河流众多，拥有雅鲁藏布江干流及众多支流，水力资源极为丰富，距离负荷中心较近，因此就近开发利用水能资源以支撑中部地区的经济发展是最为现实可行的。为此，西藏电力建设的方针是：大力发展水电，积极开发利用新能源，电网与电源建设同步，因地制宜，多能互补，适当集中和分散供电相结合，建设与管理并重，开发与节约并举。

水轮发电机组作为水能转换为电能的最核心设备，在其选型设计过程中，必须充分考虑西藏地区的区域特点、电网的现有状况、交通运输条件、今后的发展趋势及设备维护检修等方面因素。

1 水轮发电机组选型设计要点

1.1 机组单机容量选择须适应西藏地区电网特点

西藏地区地域广阔，其社会经济发展中心拉萨市距日喀则250 km、距昌都600 km、距狮泉河则超过1 000 km，目前尚未形成统一电网。2003年底拉萨、日喀则、三南、那曲等形成藏中电网，截至2005年底，藏中电网总装机容量约22.7万kW，以水电装机（20.284万kW）为主；昌都电网、狮泉电网为孤立电网。截至 “十一五”末，藏中电网总装机约49万kW。预计到2020年全区电网维持中部电网、昌都电网、狮泉电网 “一大两小”的网络格局，同时存在众多的县乡独立小电网。

西藏地区电网结构薄弱、供电可靠性差；网内尽管以水电装机为主，但总规模小，调节能力差。当前西藏地区机组的单机容量选择思路不能与内地完全相同，设计规划时需考虑较大的单机容量对电网带来的冲击及稳定性的影响；单机容量选择时，应遵循建设时序由小到大的原则，并考虑在较小电网条件下能够兼容和吸纳的单机容量。就当前已有的藏中电网而言，以采用10万级单机容量的机组较为合适，目前内地水电开发中批量采用的50万、60万、70万kW单机容量的机组在现有条件下尚无法接入较小的西藏电网。

1.2 机型选择宜寻求简单可靠，易维护管理

水轮机机型选择的主要依据是其运行水头：3～30 m水头可选择贯流式机组，3～80 m水头可选择轴流式机组，40～120 m水头可选择斜流式机组，30～700 m水头可选择混流式机组。

一般情况下，当水头处于临界水头段时，机组机型较难确定。以40～60 m水头段为例，在该水头段内可选择的机型有混流式、轴流式、斜流式机组。因为斜流式机组尚存在一些问题，所以目前应用很少。一般情况下，轴流转桨式水轮机平均效率要高于混流式机组，稳定运行区较宽，但轴流式机组吸出高度绝对值大于混流式机组，机组埋深增加，会加大土建开挖工作量；另外，由于轴流转桨式水轮机导叶和桨叶具有双重调节特性，其转轮和受油器等部件结构复杂，运行维护工作量较大、检修维护费用较高。在内地该水头段的机组，可从机组技术特性、经济指标、制造难度、设计制造经验等方面综合比较后进行确定。但在西藏地区，由于其地域的特殊性导致的几个机组选型难点主要有：①海拔较高，更加容易导致空蚀的发生；②西藏地区投产的水电站少，运行维护经验相对比较缺乏；③在不多的已投产电站中，多以混流式机组为主，运行检修人员对混流式机型相对更加熟悉一些。因此，在机组选型设计前期，就必须充分考虑西藏地域的特点，在经济指标差别不大的情况下宜优先选择结构相对简单，易维护管理的混流式机组。

1.3 不能追求过高的综合参数水平，参数之间需达到合理匹配

水轮机比转速ns和比速系数K是衡量水轮机技术参数的综合指标，提高比转速可减小机组尺寸，降低机组造价和厂房建设费用，有显著的经济效益，但同时受到效率、空蚀、泥沙磨损及运行稳定性的影响，因此综合参数水平不宜选择过高，必须根据电站的自身条件和机组制造水平等综合考虑。国内部分新建、在建大型电站机组比速系数如下，李家峡水电站2 176，二滩水电站2 323，小湾水电站2 250，三峡左岸电站2 349，三峡右岸电站2 150（哈电、天阿）/2 257（东电），拉西瓦水电站2238，龙滩水电站2 224，瀑布沟水电站2 227，溪洛渡水电站2 096/2105，向家坝水电站2 136，锦屏一级水电站2 205，构皮滩水电站2 028，水布垭水电站2 030，彭水水电站2 182，糯扎渡水电站2 013。从上面数据中可看出，国内新建在建的大型电站机组比速系数基本在2 100以上，均大于2 000。

由于西藏地区属于偏远地区，技术水平、管理水平无法和内地水电发达省份相比，过高的综合参数水平会导致机组稳定性、可靠性等潜力降低，设备出现不可预见故障的概率增加，从而加大检修和维护的工作量，因此采用过高的比速系数不可取。另外，西藏地区处于青藏高原地带，海拔高，为避免空蚀的发生，机组埋深通常较大，因此在机组选型设计时，应尽量选择空化性能好、空化系数相对较小的机型，这样有利于选取相对较高的装机高程，减小厂房开挖量，降低水电站的土建费用，从这一方面考虑，也限制了水轮机采用过高的比转速。因此，西藏地区水电机组不能采用与内地已投产机组参数水平一致的比转速和比速系数。

那么，这是否意味着西藏地区水电机组一定要采用很低的综合参数呢？受地区环境、经济发展水平等多方面影响，藏中电网的用电负荷以居民用电为主（约占46%），其次是工业用电。高峰负荷集中在三顿饭时段，以晚高峰最为突出，且持续时间较长，尤其是冬、春季节，照明用电、采暖用电与电炊用电叠加时形成日用电的高峰；其他时段负荷低。因此西藏地区负荷特性为峰谷差悬殊，负荷率和设备利用率低。鉴于此，机组的比速系数选择时不能过低，否则将导致设备利用率更低，机组造价更高。那么，究竟多大的比速系数适用于当前西藏地区电站的机组呢？笔者认为，可在与内地同等容量、相同水头段的机组类比后，将比速系数降低5%～10%后为妥，但无论如何，必须确保参数之间的合理匹配。

1.4 选用的机组需拥有较宽广的稳定运行区域

藏中电网除羊湖抽水蓄能电站（11.25万kW）、满拉水电站（2万kW）、查龙水电站（1.08万kW）具有调节性能外，其余电站均为径流式或日调节水电站。电网装机容量不足且调节能力较差，目前尚无法满足系统的用电要求，拉萨地区在冬季还需拉闸限电；羊湖抽水蓄能电站自建成以来，一直作为藏中电网的支柱电源满负荷运转。由于电网无备用容量，供电可靠性较差。因此，目前的藏中电网，不仅容量较小，而且可靠性低，这就要求新投入的水电站机组的有较高的稳定运行能力，这样才能为薄弱的电网提供可靠的电源支撑。

众所周知，混流式水轮机只有在最优工况的较小范围内存在一个无涡区，在该范围内没有涡带且水压脉动较小，当混流式水轮机偏离最优工况运行时，将存在不稳定运行和空化破坏的潜在危险。国内外一些比较著名的水电站，如依泰普、大古力、古里、二滩、隔河岩等水电站的机组均不同程度存在不稳定运行的情况。二滩水电站自首台机组投产发电以来，大部分机组的转轮产生了叶片裂纹，并存在一个典型的不稳定运行区域。因此，在机组的选型设计中，应充分考虑机组的稳定运行能力，将稳定性作为一个重要因子加以考虑，尤其是水库具有调节能力的电站，更应引起重视。

西藏地区电站来水年内分布极为不均，夏季来水较大，冬季来水较小。西藏地区河流的来水不仅表现在年际间差别较大，且年内丰水季节和枯水季节来水差别也较大。而西藏地区电源结构以水电为主，负荷冬季需求高，其结果必然是河流天然来水与用电高峰的极端不匹配，这就要求水库应具有较好的调节能力，但调节能力好的水库代价往往花费较高，同时会增加移民搬迁和淹没损失。为协调这一矛盾，要求投产的机组对来水的不均匀性具有一定的适应能力，换言之，就是选用的机组需拥有较宽广的稳定运行区域。当河流天然来水较小的时候，比如冬季，此时正是用电负荷高峰，机组在高水头部分开度下需有高效稳定运行的能力；丰水季节，流量较大、水头较低时，机组也能稳定运行。这样的结果就是机组选型过程中，追求较大的加权平均效率，而非最高效率，且效率曲线需尽量平缓。

1.5 为尽量减少现场加工工作量，机组结构部件分瓣不宜过多

西藏地区由于其地理位置的特殊性，机电设备重大件只能采用铁路—公路或全部公路运输方式。但无论是哪一种运输方式，其公路运输里程都长，运输难度都较大。为降低运输难度或运输风险，目前内地电站往往对机组的主要部件进行分瓣运输，如水轮机转轮、顶盖、座环、底环，发电机定子机座等均分成相应的小件运输至现场后进行组焊加工。有些电站为降低运输难度和运输成本，水轮机转轮采用散件运输现场加工方案，如构皮滩、景洪水电站。但内地的这些经验是否可以直接照搬到西藏呢？答案值得探讨。西藏由于其地域特点，电站所在地往往更加偏远，人迹罕至，加工条件较差；加之其海拔较高，冬季特别漫长寒冷，实际可以施工的有效时间短；在高海拔缺氧的条件下对焊接工艺和焊接质量的保证难度更大。所有这些，都要求机组结构部件分瓣不宜过多，以减小现场焊接、加工工作量。