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        西藏地區(qū)水輪機(jī)選型設(shè)計(jì)的幾個(gè)主要問題探討

        2011-04-14 17:02:19李修樹
        水力發(fā)電 2011年4期

        李修樹

        (中國水電工程顧問集團(tuán)公司,北京 100120)

        “十五”以來,西藏地區(qū)經(jīng)濟(jì)取得了快速發(fā)展,電力需求的增長速度較快,但西藏地區(qū)現(xiàn)有電力工業(yè)的基礎(chǔ)仍較為薄弱、電力發(fā)展速度跟不上經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度。西藏負(fù)荷中心中部地區(qū)的能源資源主要有太陽能、風(fēng)能、地?zé)岷退?。就現(xiàn)有技術(shù)水平,大規(guī)模開發(fā)太陽能投資成本太大,其電價(jià)用戶難以承受,僅可小部分開發(fā)以解決部分分散地區(qū)用電問題;風(fēng)能資源的開發(fā)必須依托大電網(wǎng),目前在西藏尚不具備條件;地?zé)豳Y源雖然密集,但發(fā)電潛力較小且開發(fā)難度大、發(fā)電不穩(wěn)定;而中部地區(qū)水系發(fā)達(dá),河流眾多,擁有雅魯藏布江干流及眾多支流,水力資源極為豐富,距離負(fù)荷中心較近,因此就近開發(fā)利用水能資源以支撐中部地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展是最為現(xiàn)實(shí)可行的。為此,西藏電力建設(shè)的方針是:大力發(fā)展水電,積極開發(fā)利用新能源,電網(wǎng)與電源建設(shè)同步,因地制宜,多能互補(bǔ),適當(dāng)集中和分散供電相結(jié)合,建設(shè)與管理并重,開發(fā)與節(jié)約并舉。

        水輪發(fā)電機(jī)組作為水能轉(zhuǎn)換為電能的最核心設(shè)備,在其選型設(shè)計(jì)過程中,必須充分考慮西藏地區(qū)的區(qū)域特點(diǎn)、電網(wǎng)的現(xiàn)有狀況、交通運(yùn)輸條件、今后的發(fā)展趨勢及設(shè)備維護(hù)檢修等方面因素。

        1 水輪發(fā)電機(jī)組選型設(shè)計(jì)要點(diǎn)

        1.1 機(jī)組單機(jī)容量選擇須適應(yīng)西藏地區(qū)電網(wǎng)特點(diǎn)

        西藏地區(qū)地域廣闊,其社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中心拉薩市距日喀則250 km、距昌都600 km、距獅泉河則超過1 000 km,目前尚未形成統(tǒng)一電網(wǎng)。2003年底拉薩、日喀則、三南、那曲等形成藏中電網(wǎng),截至2005年底,藏中電網(wǎng)總裝機(jī)容量約22.7萬kW,以水電裝機(jī) (20.284萬kW)為主;昌都電網(wǎng)、獅泉電網(wǎng)為孤立電網(wǎng)。截至 “十一五”末,藏中電網(wǎng)總裝機(jī)約49萬kW。預(yù)計(jì)到2020年全區(qū)電網(wǎng)維持中部電網(wǎng)、昌都電網(wǎng)、獅泉電網(wǎng) “一大兩小”的網(wǎng)絡(luò)格局,同時(shí)存在眾多的縣鄉(xiāng)獨(dú)立小電網(wǎng)。

        西藏地區(qū)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)薄弱、供電可靠性差;網(wǎng)內(nèi)盡管以水電裝機(jī)為主,但總規(guī)模小,調(diào)節(jié)能力差。當(dāng)前西藏地區(qū)機(jī)組的單機(jī)容量選擇思路不能與內(nèi)地完全相同,設(shè)計(jì)規(guī)劃時(shí)需考慮較大的單機(jī)容量對電網(wǎng)帶來的沖擊及穩(wěn)定性的影響;單機(jī)容量選擇時(shí),應(yīng)遵循建設(shè)時(shí)序由小到大的原則,并考慮在較小電網(wǎng)條件下能夠兼容和吸納的單機(jī)容量。就當(dāng)前已有的藏中電網(wǎng)而言,以采用10萬級單機(jī)容量的機(jī)組較為合適,目前內(nèi)地水電開發(fā)中批量采用的50萬、60萬、70萬kW單機(jī)容量的機(jī)組在現(xiàn)有條件下尚無法接入較小的西藏電網(wǎng)。

        1.2 機(jī)型選擇宜尋求簡單可靠,易維護(hù)管理

        水輪機(jī)機(jī)型選擇的主要依據(jù)是其運(yùn)行水頭:3~30 m水頭可選擇貫流式機(jī)組,3~80 m水頭可選擇軸流式機(jī)組,40~120 m水頭可選擇斜流式機(jī)組,30~700 m水頭可選擇混流式機(jī)組。

        一般情況下,當(dāng)水頭處于臨界水頭段時(shí),機(jī)組機(jī)型較難確定。以40~60 m水頭段為例,在該水頭段內(nèi)可選擇的機(jī)型有混流式、軸流式、斜流式機(jī)組。因?yàn)樾绷魇綑C(jī)組尚存在一些問題,所以目前應(yīng)用很少。一般情況下,軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)平均效率要高于混流式機(jī)組,穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)較寬,但軸流式機(jī)組吸出高度絕對值大于混流式機(jī)組,機(jī)組埋深增加,會(huì)加大土建開挖工作量;另外,由于軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)導(dǎo)葉和槳葉具有雙重調(diào)節(jié)特性,其轉(zhuǎn)輪和受油器等部件結(jié)構(gòu)復(fù)雜,運(yùn)行維護(hù)工作量較大、檢修維護(hù)費(fèi)用較高。在內(nèi)地該水頭段的機(jī)組,可從機(jī)組技術(shù)特性、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、制造難度、設(shè)計(jì)制造經(jīng)驗(yàn)等方面綜合比較后進(jìn)行確定。但在西藏地區(qū),由于其地域的特殊性導(dǎo)致的幾個(gè)機(jī)組選型難點(diǎn)主要有:①海拔較高,更加容易導(dǎo)致空蝕的發(fā)生;②西藏地區(qū)投產(chǎn)的水電站少,運(yùn)行維護(hù)經(jīng)驗(yàn)相對比較缺乏;③在不多的已投產(chǎn)電站中,多以混流式機(jī)組為主,運(yùn)行檢修人員對混流式機(jī)型相對更加熟悉一些。因此,在機(jī)組選型設(shè)計(jì)前期,就必須充分考慮西藏地域的特點(diǎn),在經(jīng)濟(jì)指標(biāo)差別不大的情況下宜優(yōu)先選擇結(jié)構(gòu)相對簡單,易維護(hù)管理的混流式機(jī)組。

        1.3 不能追求過高的綜合參數(shù)水平,參數(shù)之間需達(dá)到合理匹配

        水輪機(jī)比轉(zhuǎn)速ns和比速系數(shù)K是衡量水輪機(jī)技術(shù)參數(shù)的綜合指標(biāo),提高比轉(zhuǎn)速可減小機(jī)組尺寸,降低機(jī)組造價(jià)和廠房建設(shè)費(fèi)用,有顯著的經(jīng)濟(jì)效益,但同時(shí)受到效率、空蝕、泥沙磨損及運(yùn)行穩(wěn)定性的影響,因此綜合參數(shù)水平不宜選擇過高,必須根據(jù)電站的自身?xiàng)l件和機(jī)組制造水平等綜合考慮。國內(nèi)部分新建、在建大型電站機(jī)組比速系數(shù)如下,李家峽水電站2 176,二灘水電站2 323,小灣水電站2 250,三峽左岸電站2 349,三峽右岸電站2 150(哈電、天阿)/2 257(東電),拉西瓦水電站2238,龍灘水電站2 224,瀑布溝水電站2 227,溪洛渡水電站2 096/2105,向家壩水電站2 136,錦屏一級水電站2 205,構(gòu)皮灘水電站2 028,水布埡水電站2 030,彭水水電站2 182,糯扎渡水電站2 013。從上面數(shù)據(jù)中可看出,國內(nèi)新建在建的大型電站機(jī)組比速系數(shù)基本在2 100以上,均大于2 000。

        由于西藏地區(qū)屬于偏遠(yuǎn)地區(qū),技術(shù)水平、管理水平無法和內(nèi)地水電發(fā)達(dá)省份相比,過高的綜合參數(shù)水平會(huì)導(dǎo)致機(jī)組穩(wěn)定性、可靠性等潛力降低,設(shè)備出現(xiàn)不可預(yù)見故障的概率增加,從而加大檢修和維護(hù)的工作量,因此采用過高的比速系數(shù)不可取。另外,西藏地區(qū)處于青藏高原地帶,海拔高,為避免空蝕的發(fā)生,機(jī)組埋深通常較大,因此在機(jī)組選型設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)盡量選擇空化性能好、空化系數(shù)相對較小的機(jī)型,這樣有利于選取相對較高的裝機(jī)高程,減小廠房開挖量,降低水電站的土建費(fèi)用,從這一方面考慮,也限制了水輪機(jī)采用過高的比轉(zhuǎn)速。因此,西藏地區(qū)水電機(jī)組不能采用與內(nèi)地已投產(chǎn)機(jī)組參數(shù)水平一致的比轉(zhuǎn)速和比速系數(shù)。

        那么,這是否意味著西藏地區(qū)水電機(jī)組一定要采用很低的綜合參數(shù)呢?受地區(qū)環(huán)境、經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平等多方面影響,藏中電網(wǎng)的用電負(fù)荷以居民用電為主 (約占46%),其次是工業(yè)用電。高峰負(fù)荷集中在三頓飯時(shí)段,以晚高峰最為突出,且持續(xù)時(shí)間較長,尤其是冬、春季節(jié),照明用電、采暖用電與電炊用電疊加時(shí)形成日用電的高峰;其他時(shí)段負(fù)荷低。因此西藏地區(qū)負(fù)荷特性為峰谷差懸殊,負(fù)荷率和設(shè)備利用率低。鑒于此,機(jī)組的比速系數(shù)選擇時(shí)不能過低,否則將導(dǎo)致設(shè)備利用率更低,機(jī)組造價(jià)更高。那么,究竟多大的比速系數(shù)適用于當(dāng)前西藏地區(qū)電站的機(jī)組呢?筆者認(rèn)為,可在與內(nèi)地同等容量、相同水頭段的機(jī)組類比后,將比速系數(shù)降低5%~10%后為妥,但無論如何,必須確保參數(shù)之間的合理匹配。

        1.4 選用的機(jī)組需擁有較寬廣的穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)域

        藏中電網(wǎng)除羊湖抽水蓄能電站 (11.25萬kW)、滿拉水電站 (2萬kW)、查龍水電站 (1.08萬kW)具有調(diào)節(jié)性能外,其余電站均為徑流式或日調(diào)節(jié)水電站。電網(wǎng)裝機(jī)容量不足且調(diào)節(jié)能力較差,目前尚無法滿足系統(tǒng)的用電要求,拉薩地區(qū)在冬季還需拉閘限電;羊湖抽水蓄能電站自建成以來,一直作為藏中電網(wǎng)的支柱電源滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)。由于電網(wǎng)無備用容量,供電可靠性較差。因此,目前的藏中電網(wǎng),不僅容量較小,而且可靠性低,這就要求新投入的水電站機(jī)組的有較高的穩(wěn)定運(yùn)行能力,這樣才能為薄弱的電網(wǎng)提供可靠的電源支撐。

        眾所周知,混流式水輪機(jī)只有在最優(yōu)工況的較小范圍內(nèi)存在一個(gè)無渦區(qū),在該范圍內(nèi)沒有渦帶且水壓脈動(dòng)較小,當(dāng)混流式水輪機(jī)偏離最優(yōu)工況運(yùn)行時(shí),將存在不穩(wěn)定運(yùn)行和空化破壞的潛在危險(xiǎn)。國內(nèi)外一些比較著名的水電站,如依泰普、大古力、古里、二灘、隔河巖等水電站的機(jī)組均不同程度存在不穩(wěn)定運(yùn)行的情況。二灘水電站自首臺機(jī)組投產(chǎn)發(fā)電以來,大部分機(jī)組的轉(zhuǎn)輪產(chǎn)生了葉片裂紋,并存在一個(gè)典型的不穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)域。因此,在機(jī)組的選型設(shè)計(jì)中,應(yīng)充分考慮機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行能力,將穩(wěn)定性作為一個(gè)重要因子加以考慮,尤其是水庫具有調(diào)節(jié)能力的電站,更應(yīng)引起重視。

        西藏地區(qū)電站來水年內(nèi)分布極為不均,夏季來水較大,冬季來水較小。西藏地區(qū)河流的來水不僅表現(xiàn)在年際間差別較大,且年內(nèi)豐水季節(jié)和枯水季節(jié)來水差別也較大。而西藏地區(qū)電源結(jié)構(gòu)以水電為主,負(fù)荷冬季需求高,其結(jié)果必然是河流天然來水與用電高峰的極端不匹配,這就要求水庫應(yīng)具有較好的調(diào)節(jié)能力,但調(diào)節(jié)能力好的水庫代價(jià)往往花費(fèi)較高,同時(shí)會(huì)增加移民搬遷和淹沒損失。為協(xié)調(diào)這一矛盾,要求投產(chǎn)的機(jī)組對來水的不均勻性具有一定的適應(yīng)能力,換言之,就是選用的機(jī)組需擁有較寬廣的穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)域。當(dāng)河流天然來水較小的時(shí)候,比如冬季,此時(shí)正是用電負(fù)荷高峰,機(jī)組在高水頭部分開度下需有高效穩(wěn)定運(yùn)行的能力;豐水季節(jié),流量較大、水頭較低時(shí),機(jī)組也能穩(wěn)定運(yùn)行。這樣的結(jié)果就是機(jī)組選型過程中,追求較大的加權(quán)平均效率,而非最高效率,且效率曲線需盡量平緩。

        1.5 為盡量減少現(xiàn)場加工工作量,機(jī)組結(jié)構(gòu)部件分瓣不宜過多

        西藏地區(qū)由于其地理位置的特殊性,機(jī)電設(shè)備重大件只能采用鐵路—公路或全部公路運(yùn)輸方式。但無論是哪一種運(yùn)輸方式,其公路運(yùn)輸里程都長,運(yùn)輸難度都較大。為降低運(yùn)輸難度或運(yùn)輸風(fēng)險(xiǎn),目前內(nèi)地電站往往對機(jī)組的主要部件進(jìn)行分瓣運(yùn)輸,如水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪、頂蓋、座環(huán)、底環(huán),發(fā)電機(jī)定子機(jī)座等均分成相應(yīng)的小件運(yùn)輸至現(xiàn)場后進(jìn)行組焊加工。有些電站為降低運(yùn)輸難度和運(yùn)輸成本,水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪采用散件運(yùn)輸現(xiàn)場加工方案,如構(gòu)皮灘、景洪水電站。但內(nèi)地的這些經(jīng)驗(yàn)是否可以直接照搬到西藏呢?答案值得探討。西藏由于其地域特點(diǎn),電站所在地往往更加偏遠(yuǎn),人跡罕至,加工條件較差;加之其海拔較高,冬季特別漫長寒冷,實(shí)際可以施工的有效時(shí)間短;在高海拔缺氧的條件下對焊接工藝和焊接質(zhì)量的保證難度更大。所有這些,都要求機(jī)組結(jié)構(gòu)部件分瓣不宜過多,以減小現(xiàn)場焊接、加工工作量。

        2 結(jié)論和建議

        水輪發(fā)電機(jī)選型設(shè)計(jì)的內(nèi)容包括水輪發(fā)電機(jī)機(jī)型確定、機(jī)組參數(shù)選擇、機(jī)組與土建結(jié)構(gòu)尺寸配合等幾方面。機(jī)組選型設(shè)計(jì)過程中需遵循的原則也很多,絕不僅限于此。但無論如何,就目前來說,對于西藏地區(qū)水電站的水輪發(fā)電機(jī)組選型設(shè)計(jì),選擇結(jié)構(gòu)簡單可靠、易于維護(hù)管理的機(jī)組是一條基本指導(dǎo)思路。

        當(dāng)然,隨著時(shí)代的進(jìn)步,西藏電源建設(shè)和電網(wǎng)建設(shè)的更加強(qiáng)大,配套的基礎(chǔ)設(shè)施水平提高,人才培養(yǎng)的更加成熟,其機(jī)組選型設(shè)計(jì)的部分思路也該隨著時(shí)代變遷加以調(diào)整。

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