李勝兵,趙 琨

(1.中國(guó)水電顧問(wèn)集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,浙江 杭州 310014;2.中國(guó)水電顧問(wèn)集團(tuán)公司,北京 100120)

水電工程建設(shè)的需要是水電機(jī)組不斷向大容量發(fā)展的原動(dòng)力.一般情況下,應(yīng)用較大容量的水電機(jī)組、減少水電站裝機(jī)臺(tái)數(shù),可簡(jiǎn)化電站樞紐布置、節(jié)省工程投資、縮短工程建設(shè)周期和降低電站運(yùn)行成本.對(duì)于大型和特大型水電站,減少裝機(jī)臺(tái)數(shù)所取得的工程效益更為明顯.水電機(jī)組的設(shè)計(jì)與制造水平、水電工程的設(shè)計(jì)與建設(shè)水平共同決定了水電工程采用更大容量機(jī)組的可行性.因此,水電機(jī)組單機(jī)容量不僅表征了機(jī)組設(shè)備的設(shè)計(jì)、制造水平,也是評(píng)價(jià)水電站設(shè)計(jì)、建設(shè)技術(shù)水平的重要標(biāo)志之一.點(diǎn),說(shuō)明水電工程建設(shè)對(duì)于超大容量水電機(jī)組的需求,所以,不贅述抽水蓄能機(jī)組等其他機(jī)型.

1 水電機(jī)組單機(jī)容量的發(fā)展

自20世紀(jì)初石龍壩水電站兩臺(tái)240 kW水電機(jī)組投運(yùn),到三峽、龍灘、小灣和拉西瓦等水電站一批700 MW級(jí)水電機(jī)組投運(yùn),向家壩和溪洛渡一批800 MW級(jí)水電機(jī)組即將全部投入運(yùn)行,我國(guó)水電機(jī)組的應(yīng)用和制造走過(guò)了整整100年的歷程.因我國(guó)水電資源的特點(diǎn)和工程建設(shè)需求,不同型式水電機(jī)組的發(fā)展和過(guò)程也不盡相同,我國(guó)水電機(jī)組單機(jī)容量發(fā)展簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖1.本文僅結(jié)合我國(guó)水電資源特

圖1 我國(guó)水電機(jī)組單機(jī)容量發(fā)展示意

1.1 混流式水電機(jī)組

至20世紀(jì)80年代,我國(guó)最大的混流式水電機(jī)組為龍羊峽水電站的320 MW機(jī)組,而同期國(guó)外最大的混流式水電機(jī)組早已達(dá)到了700 MW級(jí).隨著我國(guó)水電事業(yè)的發(fā)展,尤其是三峽水電站的建設(shè)和西部水電開(kāi)發(fā),我國(guó)水電機(jī)組的應(yīng)用和制造得到了長(zhǎng)足的發(fā)展.

截至目前,我國(guó)已經(jīng)投入運(yùn)行的700 MW級(jí)水電機(jī)組達(dá)到了50余臺(tái),首批已投入運(yùn)行的機(jī)組中向家壩800 MW水電機(jī)組為世界上最大單機(jī)容量的水電機(jī)組.預(yù)期至2020年,我國(guó)投入運(yùn)行的700 MW級(jí)及以上的水電機(jī)組將達(dá)約100臺(tái).上述這些水電機(jī)組均為立軸混流式水電機(jī)組,額定水頭在80.5~216 m之間,最大應(yīng)用水頭在113~248 m之間,其數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)見(jiàn)圖2.這些機(jī)組中,由我國(guó)水電機(jī)組制造企業(yè)自主設(shè)計(jì)制造的機(jī)組超過(guò)50%.混流式水電機(jī)組是我國(guó)發(fā)展最為迅猛和成績(jī)最為卓著的機(jī)型.

圖2 700 MW及以上大型機(jī)組的水頭和功率統(tǒng)計(jì)

1.2 軸流轉(zhuǎn)槳式水電機(jī)組

軸流轉(zhuǎn)槳式水電機(jī)組應(yīng)用水頭較低,因此,單機(jī)容量相對(duì)較小.到目前為止,20世紀(jì)90年代初投入運(yùn)行,由日本日立公司與我國(guó)哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司合作制造的水口水電站最大實(shí)際運(yùn)行功率220 MW的機(jī)組仍為世界上最大單機(jī)容量的軸流轉(zhuǎn)槳式水電機(jī)組.而由東方電機(jī)有限公司自主設(shè)計(jì)制造的葛洲壩水電站170 MW的機(jī)組是世界上最大尺寸的軸流轉(zhuǎn)槳式水電機(jī)組.

1.3 燈泡貫流式水電機(jī)組

本世紀(jì)投入運(yùn)行的,由阿爾斯通中國(guó)投資有限公司制造的橋鞏水電站單機(jī)容量57 MW,轉(zhuǎn)輪直徑7.5 m的機(jī)組是我國(guó)最大單機(jī)容量的燈泡貫流式水電機(jī)組,其單機(jī)容量略小于20世紀(jì)80年代投入運(yùn)行的日本只見(jiàn)水電站64 MW的燈泡貫流式水電機(jī)組.而東方電機(jī)有限公司為巴西杰瑞水電站設(shè)計(jì)制造的容量75 MW,轉(zhuǎn)輪直徑7.9 m的燈泡貫流式水電機(jī)組即將創(chuàng)造一個(gè)新的紀(jì)錄.

1.4 沖擊式水電機(jī)組

沖擊式水電機(jī)組在我國(guó)發(fā)展較為緩慢,本世紀(jì)初投入運(yùn)行,由東方電機(jī)有限公司和維奧技術(shù)奧雪維斯公司合作制造的金窩水電站單機(jī)容量140 MW,最大水頭619.8 m的機(jī)組為我國(guó)最大單機(jī)容量的沖擊式水電機(jī)組.而20世紀(jì)80年代后投入運(yùn)行的瑞士畢奧德隆水電站沖擊式水電機(jī)組單機(jī)容量達(dá)到了400 MW,應(yīng)用水頭超過(guò)了1 800 m.

2 我國(guó)水電建設(shè)對(duì)超大容量機(jī)組的需求

我國(guó)大江大河眾多,水能資源極其豐富,除已建和在建的三峽、小灣、龍灘、拉西瓦、溪洛渡、向家壩等水電站外,還規(guī)劃或初步規(guī)劃了眾多的大型水電站,我國(guó)擬建大型水電站統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1.這些水電站大多處在深山峽谷之中且裝機(jī)規(guī)模較大,若通過(guò)增大機(jī)組容量,減少裝機(jī)臺(tái)數(shù),可減少樞紐布置的困難和提高工程經(jīng)濟(jì)效益.從這些電站的應(yīng)用水頭范圍來(lái)看,適合采用混流式或沖擊式水電機(jī)組.

表1 國(guó)內(nèi)擬建大型水電站

2.1 100~300 m水頭段

表1中,兩河口、松塔、馬吉、白鶴灘、龍盤(pán)、烏東德、兩家人和希讓水電站的機(jī)組可以劃為100~300 m水頭段水電機(jī)組.目前,國(guó)內(nèi)100~300 m水頭范圍已投入運(yùn)行最大額定功率的水電機(jī)組已經(jīng)超過(guò)國(guó)外機(jī)組,達(dá)到800 MW.

在這些水電站中,近期建設(shè)的白鶴灘和烏東德裝機(jī)容量巨大,希望采用更大的單機(jī)容量以緩解工程樞紐布置困難,并可節(jié)約工程投資和節(jié)省建設(shè)周期.根據(jù)水電水利規(guī)劃設(shè)計(jì)總院與華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院等單位合作的 《水電工程超大容量機(jī)組總體技術(shù)研究》成果.主要考慮了目前機(jī)組尺寸、配套設(shè)備條件和發(fā)電機(jī)應(yīng)用材料等限制因素,認(rèn)為,對(duì)于100~300 m水頭段,采用1 000 MW級(jí)的混流式水電機(jī)組是可行的,各限制條件如圖3所示.當(dāng)然,這些限制條件并不是絕對(duì)的,而是否能夠采用1 000 MW級(jí)的水電機(jī)組還需要從水輪機(jī)水力研發(fā)、發(fā)電機(jī)電氣參數(shù)選擇以及機(jī)組結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面綜合考量.

圖3 超大容量混流式水輪發(fā)電機(jī)組可行性

2.2 超高水頭段

表1中,八玉、帕隆、索玉、汗密、背崩、大度卡和阿尼橋水電站機(jī)組的應(yīng)用水頭均超過(guò)了300 m.其中,八玉、帕隆和索玉3個(gè)電站運(yùn)行水頭相對(duì)較低,且裝機(jī)容量相對(duì)較小,對(duì)于超大容量機(jī)組的需求可能并不迫切.

根據(jù)水電水利規(guī)劃設(shè)計(jì)總院2007年6月提出的雅魯藏布江下游水力資源考察報(bào)告中的 "截彎取直"開(kāi)發(fā)方案,需要在水平距離不到50 km的狹小河谷范圍利用約2 335 m的水頭,總裝機(jī)規(guī)模達(dá)到約58 500 MW.如果采用目前應(yīng)用的100~300 m水頭段的大型機(jī)組,則需要分8級(jí)左右開(kāi)發(fā),樞紐布置和水電機(jī)組等重大件運(yùn)輸極為困難,工程投資也會(huì)大幅增加.所以,在該報(bào)告中提出了分4級(jí)開(kāi)發(fā)的方案,分別為大渡卡、汗密、阿尼橋和背崩4個(gè)梯級(jí)電站.這4個(gè)電站運(yùn)行水頭均超過(guò)了400 m,可以歸為超高水頭段.

受技術(shù)和材料等方面的條件限制,目前超過(guò)400 m水頭的投運(yùn)機(jī)組中,混流式水電機(jī)組最大額定容量?jī)H為350 MW,沖擊式水電機(jī)組的最大額定容量為400 MW,抽水蓄能機(jī)組容量達(dá)到了460 MW.所以,在超高水頭運(yùn)行條件下,當(dāng)機(jī)組額定容量達(dá)到600 MW甚至更大時(shí),也可以稱(chēng)之為超大容量的水電機(jī)組.即使采用這樣的水電機(jī)組,上述幾個(gè)電站的發(fā)電廠房總長(zhǎng)度也分別達(dá)到了498~1 330 m.所以,研究開(kāi)發(fā)適合工程需要的超高水頭超大容量水電機(jī)組是雅魯藏布江水力資源開(kāi)發(fā)不可或缺的前提.

3 白鶴灘水電站1 0 0 0MW級(jí)水電機(jī)組可行性研究

白鶴灘水電站裝機(jī)規(guī)模巨大,機(jī)組額定水頭高.自2006年以來(lái),華東院與有關(guān)制造廠等單位合作,開(kāi)展了大量工作,從以下幾個(gè)方面,分別論證了白鶴灘水電站采用1 000 MW級(jí)機(jī)組的可行性.

(1)工程建設(shè)與電站運(yùn)行條件.白鶴灘水電站采用1 000 MW單機(jī)容量方案,裝機(jī)臺(tái)數(shù)仍達(dá)12臺(tái)以上,電站運(yùn)行具有較好的靈活性.從工程地質(zhì)條件,輸水系統(tǒng)、地下廠房和金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面來(lái)看,白鶴灘水電站具備采用1 000 MW級(jí)水電機(jī)組的工程建設(shè)條件.

(2)重大件運(yùn)輸條件.白鶴灘水電站對(duì)外交通條件相對(duì)較好,采用1 000 MW級(jí)水電機(jī)組沒(méi)有對(duì)重大件運(yùn)輸增加特別的困難.

(3)設(shè)備配套條件.1 000 MW級(jí)水電機(jī)組的主要配套設(shè)備包括水輪機(jī)調(diào)速器、橋式起重機(jī)、封閉母線、發(fā)電機(jī)斷路器、主變壓器等.對(duì)于配套設(shè)備的設(shè)計(jì)、制造等方面的問(wèn)題,通過(guò)與有關(guān)制造廠和科研單位的技術(shù)交流和合作研究,并隨著1 000 MW水電機(jī)組不斷取得滿(mǎn)意的專(zhuān)題研究成果,最初的待研究問(wèn)題清單由長(zhǎng)變短,現(xiàn)均已獲得較滿(mǎn)意的答案.白鶴灘水電站1 000 MW級(jí)水電機(jī)組的配套設(shè)備在設(shè)計(jì)、制造等方面是可行的.

(4)水電機(jī)組制造條件.根據(jù)白鶴灘水電站水電機(jī)組運(yùn)行條件,在三峽集團(tuán)公司的支持下,通過(guò)與電站設(shè)計(jì)院的合作,哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司和東方電機(jī)有限公司開(kāi)展了全面的研究工作,已經(jīng)完成了兩電站1 000 MW水輪機(jī)水力設(shè)計(jì)和模型試驗(yàn)、水電機(jī)組總體設(shè)計(jì)、主要部件剛強(qiáng)度計(jì)算、發(fā)電機(jī)24 kV線棒絕緣常規(guī)和電老化試驗(yàn)等關(guān)鍵技術(shù)研究工作.在此基礎(chǔ)上,哈電和東電還完成了24 kV線棒環(huán)境模擬試驗(yàn)、初步通風(fēng)模型試驗(yàn)、推力軸承試驗(yàn)等項(xiàng)工作.阿爾斯通和富伊特也正在開(kāi)展相關(guān)的研究工作.以上工作為白鶴灘水電站1 000 MW級(jí)水電機(jī)組的制造提供了有力的技術(shù)支撐.

4 對(duì)于超高水頭超大容量水電機(jī)組的思考

我國(guó)水電機(jī)組的發(fā)展是不平衡的,在中低水頭段,我國(guó)擁有了世界上最多的大型機(jī)組,而高水頭則處于相對(duì)落后水平.綜觀世界水輪發(fā)電機(jī)的發(fā)展,目前的制造技術(shù)對(duì)于超高水頭超大容量機(jī)組具有一些制約條件.受發(fā)電機(jī)材料和通風(fēng)設(shè)計(jì)等因素影響,對(duì)于混流式機(jī)組存在著一條較為明顯的發(fā)展水平線,參見(jiàn)圖4.一些高轉(zhuǎn)速蓄能機(jī)組能夠采用更大的單機(jī)容量,主要是因?yàn)槠滹w逸轉(zhuǎn)速低于同水頭段的混流式水輪機(jī).

圖4 大型機(jī)組的轉(zhuǎn)速和功率

目前,世界上最大的沖擊式機(jī)組為瑞士畢奧德隆水電站的420 MW機(jī)組 (最大水頭1 869 m)和挪威圣西瑪水電站的315 MW機(jī)組 (最大水頭885 m).在此基礎(chǔ)上發(fā)展更大容量的水電機(jī)組,也面臨著諸多的技術(shù)問(wèn)題需要解決.

我國(guó)超高水頭的大型和巨型水電站建設(shè)時(shí)間較晚,根據(jù)未來(lái)水電建設(shè)需要,從工作目的和內(nèi)容上,超高水頭水電機(jī)組進(jìn)行研究大致可以分為兩個(gè)階段:

(1)第一階段為超高水頭水電機(jī)組典型方案研究,為水電規(guī)劃提供技術(shù)支撐.在這一階段,應(yīng)以現(xiàn)有技術(shù)和已有的1 000 MW級(jí)水電機(jī)組研究成果為基礎(chǔ),并應(yīng)開(kāi)放思路、著眼未來(lái),研究新的各種可能性,從而得出合適和可行的技術(shù)方案,解決和落實(shí)我國(guó)超高水頭大、巨型電站規(guī)劃和設(shè)計(jì)的這一關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題.并提出水電機(jī)組研制的總體方案和關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題.

(2)第二階段,根據(jù)第一階段的技術(shù)方案,開(kāi)展水電機(jī)組的研制工作,逐個(gè)解決和落實(shí)各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù),最終付諸實(shí)施.