西藏高海拔地區大型機組參數選擇探討

趙明琴，高 瑜

（1.中國水電顧問集團貴陽勘測設計研究院，貴州 貴陽 550081 2.中國水電工程顧問集團公司，北京 100120）

0 前 言

到2020年前后，我國規劃的除西藏外的大部分水電工程將逐步開發完畢，我國水電開發的重點將逐漸向西藏轉移。西藏河流眾多，水力資源豐富，位居全國第一，根據全國水力資源復查成果，水力資源理論蘊藏量17 640億kW·h，技術可開發裝機容量1.1億kW、可開發巨、大型水電站裝機容量9 710萬kW，水電站規模大多在100萬kW以上，個別為1 000萬kW級的巨型電站 （如墨脫水電站裝機3 800萬kW）。各梯級電站單機容量較大，至少達50萬kW以上，機組參數選擇匹配與否對機組運行穩定性顯得尤為重要。

1 電站概況

如美水電站為瀾滄江上游河段的第5個梯級，位于西藏自治區芒康縣境內。電站正常蓄水位2 895 m，裝機容量4×52.5萬kW，保證出力69.6萬kW，多年平均發電量105.82億 kW·h，裝機年利用小時數5 039 h，水庫總庫容39.7億m3，為年調節水庫，汛期平均出庫含沙量0.65 kg/m3，多年平均出庫含沙量0.13 kg/m3，水頭運行范圍203.2～280.7 m，額定水頭236.0 m，加權平均水頭247.1 m。

2 高海拔地區機組選擇注意事項

西藏地區海拔高、氣壓低、空氣密度小、濕度小，年平均氣溫低、日溫差大，太陽輻射強度大。水輪發電機組參數選擇及結構設計時應考慮適應高海拔地區的特殊環境。

2.1 水輪機部分

2.1.1 重力加速度

水輪機出力計算與重力加速度g有關。根據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為計算點緯度）以及文獻[1]中結論：海拔高度每增加1 m，重力加速度減少3.09×10-6m/s2，根據如美水電站緯度約29.7°，并經海拔修正，計算出電站取g=9.785 m/s2。

2.1.2 大氣壓、濕度和溫度

氣系統中空壓機、氣罐 （尤其是具備調相運行電站的氣系統設計）的選擇計算跟大氣壓、濕度、溫度等有關。由不同海拔高度的大氣壓、空氣密度和濕度對照表 （見表1）可知，隨著海拔的增加，氣壓、空氣密度和濕度都在下降，如美水電站廠房海拔高度約為2 615 m，因此，大氣壓、相對空氣密度分別只有海平面的73%、78%，絕對濕度為4.27 g/m3；海拔高度每增加100 m，溫度降低0.6℃，因此該電站的多年平均溫度較海平面低15.7℃，當然，當電站有水文氣象站實測資料時，應按實測資料計算，在前期或者資料不齊全時，水溫、氣溫、濕度等資料可參考進行。

表1 不同海拔高度的大氣壓、空氣密度和濕度對照

西藏是高寒高海拔地帶，水溫較低，水的汽化壓力較小，較內地機組產生空蝕小，一般要進行修正，修正后的計算結果更符合西藏高海拔地區。吸出高度修正公式為

式中，Ha實測為水輪機安裝處的大氣壓力；σp為裝置空化系數，H為機組運行水頭，Hv為該處相應于平均水溫下的水的飽和汽化壓力，若西藏年平均水溫按10℃計，則相應的汽化壓力值Hv=0.12 m·H2O；若水溫按20℃計，則相應的汽化壓力值Hv=0.24 m·H2O，兩者的汽化壓力差值為0.12 m·H2O，因此，在不同的大氣壓力和水溫下，吸出高度是不一樣的。

2.1.4 水力過渡過程中尾水管進口最低壓力

根據文獻[2]，高海拔地區尾水管進口最低壓力應作高程修正，修正公式為：

式中，▽為電站安裝高程，修正后本電站尾水管進口最低壓力取-5 m·H2O。

2.1.5 補氣系統

為保證水輪機在部分負荷工況下穩定運行，應設置大軸中心孔補氣系統；頂蓋、底環、基礎環等部位預留壓縮空氣的管道，預留補氣管道供將來運行必要時使用，補氣量及管徑需根據設計計算確定。

2.1.6 水導軸承油溫控制

由于環境溫度較低，在水導軸承油箱內安設加熱裝置，在油溫低于10℃時，啟動加熱器，控制運行中機組水導軸承內油溫不低于10℃，在開機前也應監測水導軸承油溫，油溫低于10℃時應先加熱至10℃以上再啟動機組。

2.2 發電機部分

2.2.1 合理的電氣參數

考慮高海拔地區環境的影響，選擇相對較低的電磁負荷及電流密度，并在設計值的基礎上保留足夠的設計余量。在冷卻參數的配置及有效材料的利用上均以保證發電機參數穩定、可靠并有較大余量為前提條件。

2.2.2 發電機通風設計及應對措施

按GB 755—2000規定，由于海拔升高所引起的冷卻效果的降低可由最高環境溫度低于40℃來得到補償，海拔高于1 000 m的環境溫度必須補償量為：每高出100 m降低1%溫升限值。針對如美水電站，發電機設計風量要留足余量，一般為常規同類電站設計風量的110%～115%。

2.2.3 發電機絕緣系統設計及應對措施

高海拔地區發電機繞組絕緣防暈按照JB 8439—2008《高壓電機使用于高海拔地區的防電暈技術要求》：電站海拔每高出1 000 m提高一個繞組絕緣防暈電壓等級，建議對于20 kV級及以下電壓等級的單根定子線棒起暈電壓≥2.3 UN，對于20 kV級以上電壓等級的單根定子線棒起暈電壓≥2.0 UN；發電機定子線棒、定子繞組、轉子繞組的絕緣試驗電壓應按IEC60034—1、GB755標準進行高海拔修正。當機組的額定電壓有兩種以上電壓可選時，盡量選擇偏低的額定電壓，這樣對機組防電暈有利。

2.2.4 高海拔對發電機各軸承溫升的影響和應對措施

設備在運行中會發生損耗，導致溫度升高，溫度升高部分稱之為溫升。溫升隨著大氣壓的降低而增加，隨海拔高度增加而增加，一般來說，海拔高度每升高100 m，設備溫升將升高0.5～1.0℃。由于氣壓低、年平均氣溫低，油溫低時，運動粘性系數越高，導致軸承損耗增加，繼而加大溫升。在設計中，要從軸承結構入手，優化計算和軸承的細部結構，盡量減小損耗，同時確保整體結構使得軸瓦更換方便；此外注意油冷卻器的設計和質量，保證使其能合理地控制油溫升，確保機組安全運行。

3 水輪機參數選擇

3.1 額定水頭

根據如美水電站水頭運行范圍203.2～280.7 m，水輪機選用立軸混流式。水輪機的額定水頭的選取將直接影響水輪機的直徑和機組轉速 （影響設備造價）、加權平均效率、低水頭下機組的最大出力 （運行的經濟性）和機組運行的穩定性 （主要是高水頭部分負荷區域運行的穩定性）。對于水頭變幅較大的水電站，為取得較好的運行范圍，總希望在電站加權平均水頭時水輪機為最優工況，也希望額定水頭與加權平均水頭接近。

合理選擇額定水頭直接關系機組的穩定運行性能和電站發電效益。根據DL/T 5186—2004《水力發電廠機電設計規范》， “對于中、高水頭水輪機的額定水頭宜在加權平均水頭0.95～1倍的范圍內選取”，擬定對231、236、241、246 m 4個額定水頭方案進行技術經濟比較，額定水頭比較方案見表2。

表2 額定水頭比較方案

從表2可以看出，額定水頭抬高，電站機組受阻容量線性增加，導致電站年電量減少，方案間電量差值在0.11～0.13億kW·h之間，機組總投資相差約1 500萬左右；從各方案單位電能投資來看，降低額定水頭時，各方案間的補充單位電能投資僅在1.08~1.40元/kW·h之間，表明降低額定水頭對電站經濟性更優。但考慮該電站處于高寒高海拔地區，從機組運行穩定性的角度出發，提高額定水頭，對提高水輪機高水頭運行穩定性有好處，231 m方案水頭略低，該方案最大水頭與額定水頭比值已大于1.2，對機組安全穩定運行不利。如美水電站在加權平均水頭至最大水頭間運行的時間為總運行時間的52.6%，占較大比例，加權平均水頭247.1~236 m之間所占比例約為11.6%，小于236 m的運行期間所占比例約為36%，該范圍水頭主要出現在水庫枯水期，水量較小，機組出力限制對電站電量影響較小。根據以上分析，如美水電站額定水頭初擬選用236 m。

3.2 水輪機模型目標參數

水輪機參數選擇時，首先要把水輪機運行穩定性放在首位，保證機組投產后安全、可靠、穩定運行，能承擔各類負荷，適應負荷多變的情況，同時又要使所選水輪機參數水平達到或超過國內外同類機組的先進水平。但針對如美水電站來說，參數的合理匹配最重要[4]。

比轉速ns和比速系數K是水輪機的重要特征參數之一，是衡量水輪機能量特性、經濟性和先進性的一個綜合性能指標，同時亦反映了水輪機的設計制造水平。通過統計，國內近幾年已建和在建（或待建）的最大水頭超過200 m的大型混流式水輪機比速系數K值均不超過2 250，比如已發電的小灣為2 250、拉西瓦2 221，在建的錦屏一級2 108.6、錦屏二級2 007、糯扎渡2 104.8、兩河口2 028.9，雙江口2 120。上述幾個電站除兩河口電站海拔高度約為2 600 m之外，其余幾個電站的海拔均不超過2 250 m（如小灣電站海拔約990 m，拉西瓦2 235 m，錦屏一級1 640 m，錦屏二級1 325 m，糯扎渡600 m，雙江口2 250 m），如美水電站地處西藏高寒、高海拔地區，機組運行水頭高且水頭變幅較大 （水頭變幅77.5 m）、汛期過機水流中含有泥沙，存在一定的泥沙磨損，為保證水輪機具有良好的性能和運行穩定性，如美水電站水輪機應選擇適中的比轉速ns及比速系數K值，不宜盲目追求高參數，結合機組制造廠家為電站推薦的水輪機模型目標參數，水輪機比速系數K值在1 800～2 050之間選擇為宜，相應比轉速ns為117.2～133.4（m·kW 制）。

根據國內外已建和在建電站的統計資料以及經驗統計公式，結合本電站具體情況，水輪機模型目標參數如下：比速系數K為1800～2050，比轉速ns為117.2～133.4（m·kW制），最優工況單位轉速 n110為 63.5～66.5 r/min，限制工況單位流量Q11為0.35～0.45 m3/s，轉輪臨界空化系數σc為0.045～0.06，模型轉輪最高效率ηMmax≥94%，模型轉輪額定點效率ηMr≥91.5%。因本電站最大水頭與額定水頭相差較大，為改善水輪機部分負荷時運行的穩定性，最優工況單位流量與限制工況單位流量應盡量拉大距離，控制最優工況單位流量為限制工況單位流量0.8倍以下，即最優工況單位流量Q110為 0.28～0.36 m3/s。

3.3 水輪機原型技術參數

根據水輪機模型目標參數，并經技術經濟比較，最終確定如美水電站水輪機原型參數如下：水輪機型號為HL131.9-LJ-630，轉輪直徑D1=6.3 m，額定轉速166.7 r/min（飛逸轉速310 r/min），額定水頭236.0 m，額定流量 250.6 m3/s，額定出力 535.7 MW，額定點效率92.6%，額定點比轉速131.9（m·kW制），比速系數2 026.3，吸出高度Hs≥-10.67 m，安裝高程2 605.0 m，壓力脈動相對值△H/H在70%～100%額定出力時不大于3%，在全負荷范圍內最大不超過4%。

4 結 語

如美水電站地處西藏高寒、高海拔地區，機組單機容量大，運行水頭高且水頭變幅較大，汛期過機泥沙較多且硬度較大，存在一定的泥沙磨損。這些都對機組參數選擇和結構設計提出了較為特殊的要求，在設計過程中應綜合考慮高海拔地區機組選擇時應注意的問題，適當降低水輪機比轉速及比速系數水平，優化機組結構形式，確保機組投產后安全、可靠、穩定運行。

［1］李慶忠，等.重力加速度值的計算及實際應用.計量技術［J］.2001（4）:11-15.

［2］DL/T 5058-1996 水電站調壓室設計規范［S］.

［3］管德靈.西藏高原水輪機空蝕問題的探討.水利水電科技進展［J］.1996（6）:58-61.

［4］李修樹.西藏地區水輪機選型設計的幾個主要問題探討［J］.水力發電， 2011， 37（4）:82-84.