中美水电标准中水电站技术供水系统要求的对比分析

黄 昱，易中有，曹 波

（1.中国电建集团北京勘测设计研究院有限公司，北京市 100024；2.国网新源水电有限公司新安江水力发电厂，浙江省杭州市 311600）

0 引言

随着我国“走出去”战略和“一带一路”战略的提出和推进，以“中国水电”为代表的国际先进水平的行业，抓住了历史机遇和市场机遇，在国外水电市场上的开疆扩土，取得了不俗的成绩。截至2016年底，中国水电企业承建了近200项国际水电工程，占有国际水电市场50%以上的份额[1]。但在这一过程中，也遇到了一系列不可回避的问题。其中，中国水电标准体系的认可度不足的问题尤为明显，影响了中国水电全产业链“走出去”的进程和国外项目的顺利推进。

1 研究背景与现状

标准是技术理念、技术能力和思维方式的集中体现。技术标准的输出是文化输出的重要内容，是技术权威性和话语权的重要标志。

在国际工程实践中，国外客户对于欧美标准认可度较高，而对中国规范不熟悉、不理解，甚至有所抵触，导致往往机械的照搬国外标准，甚至使得从技术上角度明显不适用的条文被应用到项目上，造成不良的后果。据一项统计[2]，在中国近年来承建的90个国际水电项目中，使用中国标准的仅占43.6%，且以中国企业EPC、BOT等方式为主（见图1）。推广中国水电标准，将大大助力中国水电全产业链“走出去”的战略。

作为标准体系完善的大国和水电产业强国，中国水电标准包含了装备制造、工程规划、设计、施工等全产业链。得益于中国水电行业的快速发展和技术实力的增强，中国水电标准门类齐全，技术细节详实，更新频率高，能更好的反映行业最新进展，在很多方面居于行业领先地位。

图1 中国承建国际水电工程项目技术标准使用情况统计Figure 1 Statistics on the use of standards for international hydropower projects undertaken by China

从水电站水力机械专业来说，国际标准中常见的IEC、ASME、ASTM等较多的聚焦于主机机组本身，国内的GB、DL标准在与上述标准基本接轨，要求基本等同，因此较易获得国外用户的认可。而在合同执行的施工详图阶段，较多涉及工程设计相关的标准，由于国外客户缺少对中国相关标准的认识，往往坚持采用国外标准。因此，水机专业设计中国相关标准的推广具有重要的意义。

2 美国陆军工程兵团标准体系

美国陆军工程兵团（USACE）是美国主要水利机构之一，USACE主要负责水利工程的规划、设计、施工管理及运用维护，是全美唯一负责大型综合性水库工程修建和运行的机构。USACE水电工程标准包括工程通告（EC）、工程指令（ED）、工程设计指南（DG）、工程规定（ER）、工程手册（EM）、工程小手册（EP）、工程技术函（ETL）、工程表格（ENG）等8个系列，这其中组成程序性标准的EM、EP、ER及ETL系列较为重要[3]。

USACE工程手册（EM）系列标准共173份，是USACE水电工程标准中应用最广泛的部分[3]。相对于IEC、ASME、ASTM等标准，USACE标准更多聚焦于工程详细设计方面。根据上述统计[2]，使用的美国标准中，USACE标准占11%（见图2）。

图2 中国承建国际水电工程项目使用美国标准的统计Figure 2 U.S.standard usage statistics for China's international hydropower projects

3 中国标准与USACE标准在水电站技术供水系统的对比分析

水力机械辅助设备系统是水电站水机专业最重要的组成部分之一，中国相关的主要标准为NB/T 35035—2014《水力发电厂水力机械辅助设备系统设计技术规定》，美国相关标准主要为USACE标准EM1110-2-4205（1995.6.30）《HYDROELECTRIC POWER PLANTS MACHANICAL DESIGN》。技术供水系统是水力机械辅助系统中最主要、最复杂的分系统，主要用于机组及其他设备的冷却、润滑用水等。下面将从技术供水系统方面，对两个规范的部分不同点进行分析，以期达到管中窥豹、抛砖引玉的目的。

3.1 技术供水系统的供水方式的选取

由于水电站的天然优势，水电站的技术供水经常从电站的发电水源或尾水中获取，因此电站水头成为供水方式选取的重要依据。由表1可以看到，NB 35035—2014标准根据电站水头不同对技术供水方式分6档进行了不同的规定，分档较为细致。而美国标准仅分2档，分档较粗糙。

表1 NB/T 35035—2014和EM1110-2-4205对技术供水方式的对比Table 1 Compare NB/T35035-2014 With EM1110-2-4205 About Cooling Water System of hydro power stations

中美规范对水泵供水和自流（减压）供水方式的分界上有明显差别。减压供水方式的工作范围主要受减压供水方式的经济性、减压阀减压能力和工作可靠性等限制。减压供水取水自可用来做功的电厂发电水源，其经济性主要取决于所取水的发电潜力与同样条件下水泵供水时水泵消耗电能的对比。NB 35035—2014标准在编制时，结合常见的水泵供水扬程，及现阶段供水泵效率、电机效率、水轮机效率、发电机效率、变压器效率等，进行了系统全回路的定量计算比较，得出减压供水的经济性分界约为115m（当对应水泵供水扬程为35m时）和132m （当对应水泵供水扬程为40m时）的结论，并将上述结果作为供水方式选取的重要依据。而减压供水作为一种不依赖于电源的纯机械供水方式，在供水可靠性和维护性上具有独特的优势。过去受限于技术能力，减压阀的减压比和可靠性均有一定的限制，应用范围受限，而随着技术的发展，减压阀的性能大幅度提高，近年来的应用范围有了较大的扩展。在SDJ 173—1985《水力发电机机电技术规范》中，减压供水方式的最大应用水头为80m，而在DL/T 5066—1996《水力发电厂水力机械辅助设备系统设计技术规定》中，减压供水方式的最大应用水头提高至120m。在最新的NB/T 35035—2014中，减压供水方式提高至140～160m。同时考虑到现有的减压阀产品序列、安全性等因素，规定当减压阀直径大于DN500时，应进行必要的试验研究。相比之下，EM1110-2-4205标准对自流减压供水方式的选取界面上，仅简单规定最高为76m，分级过于简单粗糙，已不符合节能减排的大趋势和现阶段的技术水平，经济和技术合理性均受限。中国标准在水源选取的分档上更加细化、合理，且跟踪兼顾了近年来相关设备行业的技术能力。

而在低水头电站中，考虑到用水设备与供水设备出口之间的高程差和系统管路、设备的水头损失，自流供水方式是不可行的。NB/T 35035—2014规定在水头＜15m时采用水泵供水，EM1110-2-4205规定＜76m时均采用自流供水，在极低水头电站中技术合理性不足。在国内外，贯流式电站和轴流式电站均有广为应用，尤其是在南美、东南亚部分流域，低水头、大流量的贯流式电站发展迅速。两种电站头较低，自流供水方式可行性较差，经过计算比较，水泵供水更具有广泛性和合理性。

3.2 技术供水系统取水口位置的选取

在取水口位置的选取上，EM1110-2-4205仅明确提及了蜗壳（及其延伸段）取水和尾水管两种取水方式，对其他水源和取水口位置仅作概略性分析。而在NB/T 35035—2014中，还根据不同的电站水头、泥沙、水温等情况，分别列举和分析了压力钢管取水、顶盖取水、中间水池供水、尾水冷却器二次循环冷却等方式和要求，更具有广泛性。

EM1110-2-4205在自流供水取水口的设置上仅提及了蜗壳取水一种方式，并提到了多台机组取水口互联作为备用水源的方式。实际上，在抽水蓄能电站等埋深较大的电站中，当尾水背压合适时，尾水管取水同样可以为自流供水合适的取水口。同时，若电站仅有两台机组，而每台机仅设置一个取水口并互联时，当进水阀关闭（如机组检修或进水阀需随机组停机而关闭等情况）时，运行机组的备用水源被切断，供水可靠性缺少保障。EM1110-2-4205也简略提及了这一情况，认为蜗壳取水并不是“可靠（adequate）”的备用方式[5]，但并没有给出解决方案。而在NB/T 35035—2014中，可通过设置备用取水口，或压力钢管取水方式解决这一问题。在蓄能电站中，由于对工况转换时间要求严苛，且进水阀与机组同开同关，压力钢管取水的方式最为常见。压力钢管取水由于取水口设置在进水阀上游侧，无法通过关闭进水阀切断取水口水流（但进水口或引水调压室设有事故闸门或检修闸门具备切断取水口水流功能），在取水管路损坏时具有一定的安全隐患，在实际操作中，可通过加强设计和施工质量管控，设置2个串联的截断阀等方式予以有效规避，在已投运电站中运行情况良好。

3.3 技术供水泵参数的选择

两规范均要求设置足够的备用泵，EM1110-2-4205要求技术供水水泵的转速不超过1800r/min，而对水泵的直接输出参数（流量、扬程）要求能够满足冷却设备的需求，NB/T 35035—2014对水泵转速没有规定，但要求水泵选型时水泵的额定工作流量不少于工作水量的107%～110%，水泵扬程按上述流量进行计算选择。

根据同步电机转速与电网频率的关系：

式中：n——转速；

f——电网频率；

p——磁极对数。

EM1110-2-4205中对水泵转速的限制值是基于美国电网频率f=60Hz，及电机磁极对数为2对计算出来的。而实际上，水泵转速的选取首先取决于水泵的自身特性，即根据要求的流量、扬程，结合水泵自身特性，选取电机的转速挡位。根据电机特性，水泵的驱动电动机通常采用异步电机，转速略低于上述公式计算出来的同步转速。目前国内外水泵供应商为满足不同的使用需求，开发的水泵型谱已十分完善，根据不同的水泵特性和参数，转速（50Hz下）通常为1450r/min和2900r/min，人为限制水泵转速是不必要的。实际上，高转速电机有更小的体积，在寸土寸金的水电站厂房布置中，也是必不可少的考虑因素。

NB/T 35035—2014中规定水泵流量不少于工作水量的107%～110%，并以此作为扬程计算的输入值，主要是考虑避免输入参数的不精确造成水泵流量、扬程不足，及防止电机过载。实际上，为防止水泵电机过载，相关规范规定电机输出功率大于水泵轴功率，留有不小于10%的裕量[6]。但如果流量选取的裕度过大，将导致扬程裕度也过大，进而导致水泵的实际工作点偏离水泵的高效区和稳定区，甚至造成水泵不能正常稳定工作的情况。而流量、扬程的精确性取决于系统设计的精确度，实际操作中，可根据不同的设计阶段和设计深度，酌情选取流量和扬程的裕度。

4 总结与建议

通过上述对比分析可以看到，在水电站技术供水系统的设计方面，中国标准紧跟行业最新进展，具有技术合理、技术细节丰富细致、应用范围广，可操作性强等特点，相比于美国USACE标准，具有明显的合理性和优势，且具有更加广泛的适用性。实际上，在其他辅助系统中，通过对比分析，中国规范均具有类似优势。因此中国水电标准具有“走出去”的魅力和潜力。

在中国水电企业和水电标准“走出去”的过程中，一方面，要发挥我国水电行业的技术领先优势，以国际化的视角，不断完善相关标准，同国际先进标准接轨，同时也紧跟行业最新进展。另一方面，也要继续加强对中国水电标准的宣传和解释工作，通过详细的技术分析和对比，让国外用户理解和信任中国水电标准，促使中国水电标准在国际工程中得到更广泛的应用和认可。