西藏高海拔地区大型机组参数选择探讨

赵明琴，高 瑜

（1.中国水电顾问集团贵阳勘测设计研究院，贵州 贵阳 550081 2.中国水电工程顾问集团公司，北京 100120）

0 前 言

到2020年前后，我国规划的除西藏外的大部分水电工程将逐步开发完毕，我国水电开发的重点将逐渐向西藏转移。西藏河流众多，水力资源丰富，位居全国第一，根据全国水力资源复查成果，水力资源理论蕴藏量17 640亿kW·h，技术可开发装机容量1.1亿kW、可开发巨、大型水电站装机容量9 710万kW，水电站规模大多在100万kW以上，个别为1 000万kW级的巨型电站 （如墨脱水电站装机3 800万kW）。各梯级电站单机容量较大，至少达50万kW以上，机组参数选择匹配与否对机组运行稳定性显得尤为重要。

1 电站概况

如美水电站为澜沧江上游河段的第5个梯级，位于西藏自治区芒康县境内。电站正常蓄水位2 895 m，装机容量4×52.5万kW，保证出力69.6万kW，多年平均发电量105.82亿 kW·h，装机年利用小时数5 039 h，水库总库容39.7亿m3，为年调节水库，汛期平均出库含沙量0.65 kg/m3，多年平均出库含沙量0.13 kg/m3，水头运行范围203.2～280.7 m，额定水头236.0 m，加权平均水头247.1 m。

2 高海拔地区机组选择注意事项

西藏地区海拔高、气压低、空气密度小、湿度小，年平均气温低、日温差大，太阳辐射强度大。水轮发电机组参数选择及结构设计时应考虑适应高海拔地区的特殊环境。

2.1 水轮机部分

2.1.1 重力加速度

水轮机出力计算与重力加速度g有关。根据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为计算点纬度）以及文献[1]中结论：海拔高度每增加1 m，重力加速度减少3.09×10-6m/s2，根据如美水电站纬度约29.7°，并经海拔修正，计算出电站取g=9.785 m/s2。

2.1.2 大气压、湿度和温度

气系统中空压机、气罐 （尤其是具备调相运行电站的气系统设计）的选择计算跟大气压、湿度、温度等有关。由不同海拔高度的大气压、空气密度和湿度对照表 （见表1）可知，随着海拔的增加，气压、空气密度和湿度都在下降，如美水电站厂房海拔高度约为2 615 m，因此，大气压、相对空气密度分别只有海平面的73%、78%，绝对湿度为4.27 g/m3；海拔高度每增加100 m，温度降低0.6℃，因此该电站的多年平均温度较海平面低15.7℃，当然，当电站有水文气象站实测资料时，应按实测资料计算，在前期或者资料不齐全时，水温、气温、湿度等资料可参考进行。

表1 不同海拔高度的大气压、空气密度和湿度对照

西藏是高寒高海拔地带，水温较低，水的汽化压力较小，较内地机组产生空蚀小，一般要进行修正，修正后的计算结果更符合西藏高海拔地区。吸出高度修正公式为

式中，Ha实测为水轮机安装处的大气压力；σp为装置空化系数，H为机组运行水头，Hv为该处相应于平均水温下的水的饱和汽化压力，若西藏年平均水温按10℃计，则相应的汽化压力值Hv=0.12 m·H2O；若水温按20℃计，则相应的汽化压力值Hv=0.24 m·H2O，两者的汽化压力差值为0.12 m·H2O，因此，在不同的大气压力和水温下，吸出高度是不一样的。

2.1.4 水力过渡过程中尾水管进口最低压力

根据文献[2]，高海拔地区尾水管进口最低压力应作高程修正，修正公式为：

式中，▽为电站安装高程，修正后本电站尾水管进口最低压力取-5 m·H2O。

2.1.5 补气系统

为保证水轮机在部分负荷工况下稳定运行，应设置大轴中心孔补气系统；顶盖、底环、基础环等部位预留压缩空气的管道，预留补气管道供将来运行必要时使用，补气量及管径需根据设计计算确定。

2.1.6 水导轴承油温控制

由于环境温度较低，在水导轴承油箱内安设加热装置，在油温低于10℃时，启动加热器，控制运行中机组水导轴承内油温不低于10℃，在开机前也应监测水导轴承油温，油温低于10℃时应先加热至10℃以上再启动机组。

2.2 发电机部分

2.2.1 合理的电气参数

考虑高海拔地区环境的影响，选择相对较低的电磁负荷及电流密度，并在设计值的基础上保留足够的设计余量。在冷却参数的配置及有效材料的利用上均以保证发电机参数稳定、可靠并有较大余量为前提条件。

2.2.2 发电机通风设计及应对措施

按GB 755—2000规定，由于海拔升高所引起的冷却效果的降低可由最高环境温度低于40℃来得到补偿，海拔高于1 000 m的环境温度必须补偿量为：每高出100 m降低1%温升限值。针对如美水电站，发电机设计风量要留足余量，一般为常规同类电站设计风量的110%～115%。

2.2.3 发电机绝缘系统设计及应对措施

高海拔地区发电机绕组绝缘防晕按照JB 8439—2008《高压电机使用于高海拔地区的防电晕技术要求》：电站海拔每高出1 000 m提高一个绕组绝缘防晕电压等级，建议对于20 kV级及以下电压等级的单根定子线棒起晕电压≥2.3 UN，对于20 kV级以上电压等级的单根定子线棒起晕电压≥2.0 UN；发电机定子线棒、定子绕组、转子绕组的绝缘试验电压应按IEC60034—1、GB755标准进行高海拔修正。当机组的额定电压有两种以上电压可选时，尽量选择偏低的额定电压，这样对机组防电晕有利。

2.2.4 高海拔对发电机各轴承温升的影响和应对措施

设备在运行中会发生损耗，导致温度升高，温度升高部分称之为温升。温升随着大气压的降低而增加，随海拔高度增加而增加，一般来说，海拔高度每升高100 m，设备温升将升高0.5～1.0℃。由于气压低、年平均气温低，油温低时，运动粘性系数越高，导致轴承损耗增加，继而加大温升。在设计中，要从轴承结构入手，优化计算和轴承的细部结构，尽量减小损耗，同时确保整体结构使得轴瓦更换方便；此外注意油冷却器的设计和质量，保证使其能合理地控制油温升，确保机组安全运行。

3 水轮机参数选择

3.1 额定水头

根据如美水电站水头运行范围203.2～280.7 m，水轮机选用立轴混流式。水轮机的额定水头的选取将直接影响水轮机的直径和机组转速 （影响设备造价）、加权平均效率、低水头下机组的最大出力 （运行的经济性）和机组运行的稳定性 （主要是高水头部分负荷区域运行的稳定性）。对于水头变幅较大的水电站，为取得较好的运行范围，总希望在电站加权平均水头时水轮机为最优工况，也希望额定水头与加权平均水头接近。

合理选择额定水头直接关系机组的稳定运行性能和电站发电效益。根据DL/T 5186—2004《水力发电厂机电设计规范》， “对于中、高水头水轮机的额定水头宜在加权平均水头0.95～1倍的范围内选取”，拟定对231、236、241、246 m 4个额定水头方案进行技术经济比较，额定水头比较方案见表2。

表2 额定水头比较方案

从表2可以看出，额定水头抬高，电站机组受阻容量线性增加，导致电站年电量减少，方案间电量差值在0.11～0.13亿kW·h之间，机组总投资相差约1 500万左右；从各方案单位电能投资来看，降低额定水头时，各方案间的补充单位电能投资仅在1.08~1.40元/kW·h之间，表明降低额定水头对电站经济性更优。但考虑该电站处于高寒高海拔地区，从机组运行稳定性的角度出发，提高额定水头，对提高水轮机高水头运行稳定性有好处，231 m方案水头略低，该方案最大水头与额定水头比值已大于1.2，对机组安全稳定运行不利。如美水电站在加权平均水头至最大水头间运行的时间为总运行时间的52.6%，占较大比例，加权平均水头247.1~236 m之间所占比例约为11.6%，小于236 m的运行期间所占比例约为36%，该范围水头主要出现在水库枯水期，水量较小，机组出力限制对电站电量影响较小。根据以上分析，如美水电站额定水头初拟选用236 m。

3.2 水轮机模型目标参数

水轮机参数选择时，首先要把水轮机运行稳定性放在首位，保证机组投产后安全、可靠、稳定运行，能承担各类负荷，适应负荷多变的情况，同时又要使所选水轮机参数水平达到或超过国内外同类机组的先进水平。但针对如美水电站来说，参数的合理匹配最重要[4]。

比转速ns和比速系数K是水轮机的重要特征参数之一，是衡量水轮机能量特性、经济性和先进性的一个综合性能指标，同时亦反映了水轮机的设计制造水平。通过统计，国内近几年已建和在建（或待建）的最大水头超过200 m的大型混流式水轮机比速系数K值均不超过2 250，比如已发电的小湾为2 250、拉西瓦2 221，在建的锦屏一级2 108.6、锦屏二级2 007、糯扎渡2 104.8、两河口2 028.9，双江口2 120。上述几个电站除两河口电站海拔高度约为2 600 m之外，其余几个电站的海拔均不超过2 250 m（如小湾电站海拔约990 m，拉西瓦2 235 m，锦屏一级1 640 m，锦屏二级1 325 m，糯扎渡600 m，双江口2 250 m），如美水电站地处西藏高寒、高海拔地区，机组运行水头高且水头变幅较大 （水头变幅77.5 m）、汛期过机水流中含有泥沙，存在一定的泥沙磨损，为保证水轮机具有良好的性能和运行稳定性，如美水电站水轮机应选择适中的比转速ns及比速系数K值，不宜盲目追求高参数，结合机组制造厂家为电站推荐的水轮机模型目标参数，水轮机比速系数K值在1 800～2 050之间选择为宜，相应比转速ns为117.2～133.4（m·kW 制）。

根据国内外已建和在建电站的统计资料以及经验统计公式，结合本电站具体情况，水轮机模型目标参数如下：比速系数K为1800～2050，比转速ns为117.2～133.4（m·kW制），最优工况单位转速 n110为 63.5～66.5 r/min，限制工况单位流量Q11为0.35～0.45 m3/s，转轮临界空化系数σc为0.045～0.06，模型转轮最高效率ηMmax≥94%，模型转轮额定点效率ηMr≥91.5%。因本电站最大水头与额定水头相差较大，为改善水轮机部分负荷时运行的稳定性，最优工况单位流量与限制工况单位流量应尽量拉大距离，控制最优工况单位流量为限制工况单位流量0.8倍以下，即最优工况单位流量Q110为 0.28～0.36 m3/s。

3.3 水轮机原型技术参数

根据水轮机模型目标参数，并经技术经济比较，最终确定如美水电站水轮机原型参数如下：水轮机型号为HL131.9-LJ-630，转轮直径D1=6.3 m，额定转速166.7 r/min（飞逸转速310 r/min），额定水头236.0 m，额定流量 250.6 m3/s，额定出力 535.7 MW，额定点效率92.6%，额定点比转速131.9（m·kW制），比速系数2 026.3，吸出高度Hs≥-10.67 m，安装高程2 605.0 m，压力脉动相对值△H/H在70%～100%额定出力时不大于3%，在全负荷范围内最大不超过4%。

4 结 语

如美水电站地处西藏高寒、高海拔地区，机组单机容量大，运行水头高且水头变幅较大，汛期过机泥沙较多且硬度较大，存在一定的泥沙磨损。这些都对机组参数选择和结构设计提出了较为特殊的要求，在设计过程中应综合考虑高海拔地区机组选择时应注意的问题，适当降低水轮机比转速及比速系数水平，优化机组结构形式，确保机组投产后安全、可靠、稳定运行。

［1］李庆忠，等.重力加速度值的计算及实际应用.计量技术［J］.2001（4）:11-15.

［2］DL/T 5058-1996 水电站调压室设计规范［S］.

［3］管德灵.西藏高原水轮机空蚀问题的探讨.水利水电科技进展［J］.1996（6）:58-61.

［4］李修树.西藏地区水轮机选型设计的几个主要问题探讨［J］.水力发电， 2011， 37（4）:82-84.