淺議我國大型水電機組的發展

李勝兵,趙 琨

(1.中國水電顧問集團華東勘測設計研究院,浙江 杭州 310014;2.中國水電顧問集團公司,北京 100120)

水電工程建設的需要是水電機組不斷向大容量發展的原動力.一般情況下,應用較大容量的水電機組、減少水電站裝機臺數,可簡化電站樞紐布置、節省工程投資、縮短工程建設周期和降低電站運行成本.對于大型和特大型水電站,減少裝機臺數所取得的工程效益更為明顯.水電機組的設計與制造水平、水電工程的設計與建設水平共同決定了水電工程采用更大容量機組的可行性.因此,水電機組單機容量不僅表征了機組設備的設計、制造水平,也是評價水電站設計、建設技術水平的重要標志之一.點,說明水電工程建設對于超大容量水電機組的需求,所以,不贅述抽水蓄能機組等其他機型.

1 水電機組單機容量的發展

自20世紀初石龍壩水電站兩臺240 kW水電機組投運,到三峽、龍灘、小灣和拉西瓦等水電站一批700 MW級水電機組投運,向家壩和溪洛渡一批800 MW級水電機組即將全部投入運行,我國水電機組的應用和制造走過了整整100年的歷程.因我國水電資源的特點和工程建設需求,不同型式水電機組的發展和過程也不盡相同,我國水電機組單機容量發展簡圖見圖1.本文僅結合我國水電資源特

圖1 我國水電機組單機容量發展示意

1.1 混流式水電機組

至20世紀80年代,我國最大的混流式水電機組為龍羊峽水電站的320 MW機組,而同期國外最大的混流式水電機組早已達到了700 MW級.隨著我國水電事業的發展,尤其是三峽水電站的建設和西部水電開發,我國水電機組的應用和制造得到了長足的發展.

截至目前,我國已經投入運行的700 MW級水電機組達到了50余臺,首批已投入運行的機組中向家壩800 MW水電機組為世界上最大單機容量的水電機組.預期至2020年,我國投入運行的700 MW級及以上的水電機組將達約100臺.上述這些水電機組均為立軸混流式水電機組,額定水頭在80.5~216 m之間,最大應用水頭在113~248 m之間,其數據統計見圖2.這些機組中,由我國水電機組制造企業自主設計制造的機組超過50%.混流式水電機組是我國發展最為迅猛和成績最為卓著的機型.

圖2 700 MW及以上大型機組的水頭和功率統計

1.2 軸流轉槳式水電機組

軸流轉槳式水電機組應用水頭較低,因此,單機容量相對較小.到目前為止,20世紀90年代初投入運行,由日本日立公司與我國哈爾濱電機廠有限責任公司合作制造的水口水電站最大實際運行功率220 MW的機組仍為世界上最大單機容量的軸流轉槳式水電機組.而由東方電機有限公司自主設計制造的葛洲壩水電站170 MW的機組是世界上最大尺寸的軸流轉槳式水電機組.

1.3 燈泡貫流式水電機組

本世紀投入運行的,由阿爾斯通中國投資有限公司制造的橋鞏水電站單機容量57 MW,轉輪直徑7.5 m的機組是我國最大單機容量的燈泡貫流式水電機組,其單機容量略小于20世紀80年代投入運行的日本只見水電站64 MW的燈泡貫流式水電機組.而東方電機有限公司為巴西杰瑞水電站設計制造的容量75 MW,轉輪直徑7.9 m的燈泡貫流式水電機組即將創造一個新的紀錄.

1.4 沖擊式水電機組

沖擊式水電機組在我國發展較為緩慢,本世紀初投入運行,由東方電機有限公司和維奧技術奧雪維斯公司合作制造的金窩水電站單機容量140 MW,最大水頭619.8 m的機組為我國最大單機容量的沖擊式水電機組.而20世紀80年代后投入運行的瑞士畢奧德隆水電站沖擊式水電機組單機容量達到了400 MW,應用水頭超過了1 800 m.

2 我國水電建設對超大容量機組的需求

我國大江大河眾多,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,還規劃或初步規劃了眾多的大型水電站,我國擬建大型水電站統計見表1.這些水電站大多處在深山峽谷之中且裝機規模較大,若通過增大機組容量,減少裝機臺數,可減少樞紐布置的困難和提高工程經濟效益.從這些電站的應用水頭范圍來看,適合采用混流式或沖擊式水電機組.

表1 國內擬建大型水電站

2.1 100~300 m水頭段

表1中,兩河口、松塔、馬吉、白鶴灘、龍盤、烏東德、兩家人和希讓水電站的機組可以劃為100~300 m水頭段水電機組.目前,國內100~300 m水頭范圍已投入運行最大額定功率的水電機組已經超過國外機組,達到800 MW.

在這些水電站中,近期建設的白鶴灘和烏東德裝機容量巨大,希望采用更大的單機容量以緩解工程樞紐布置困難,并可節約工程投資和節省建設周期.根據水電水利規劃設計總院與華東勘測設計研究院等單位合作的 《水電工程超大容量機組總體技術研究》成果.主要考慮了目前機組尺寸、配套設備條件和發電機應用材料等限制因素,認為,對于100~300 m水頭段,采用1 000 MW級的混流式水電機組是可行的,各限制條件如圖3所示.當然,這些限制條件并不是絕對的,而是否能夠采用1 000 MW級的水電機組還需要從水輪機水力研發、發電機電氣參數選擇以及機組結構設計等方面綜合考量.

圖3 超大容量混流式水輪發電機組可行性

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組的應用水頭均超過了300 m.其中,八玉、帕隆和索玉3個電站運行水頭相對較低,且裝機容量相對較小,對于超大容量機組的需求可能并不迫切.

根據水電水利規劃設計總院2007年6月提出的雅魯藏布江下游水力資源考察報告中的 "截彎取直"開發方案,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,總裝機規模達到約58 500 MW.如果采用目前應用的100~300 m水頭段的大型機組,則需要分8級左右開發,樞紐布置和水電機組等重大件運輸極為困難,工程投資也會大幅增加.所以,在該報告中提出了分4級開發的方案,分別為大渡卡、汗密、阿尼橋和背崩4個梯級電站.這4個電站運行水頭均超過了400 m,可以歸為超高水頭段.

受技術和材料等方面的條件限制,目前超過400 m水頭的投運機組中,混流式水電機組最大額定容量僅為350 MW,沖擊式水電機組的最大額定容量為400 MW,抽水蓄能機組容量達到了460 MW.所以,在超高水頭運行條件下,當機組額定容量達到600 MW甚至更大時,也可以稱之為超大容量的水電機組.即使采用這樣的水電機組,上述幾個電站的發電廠房總長度也分別達到了498~1 330 m.所以,研究開發適合工程需要的超高水頭超大容量水電機組是雅魯藏布江水力資源開發不可或缺的前提.

3 白鶴灘水電站1 0 0 0MW級水電機組可行性研究

白鶴灘水電站裝機規模巨大,機組額定水頭高.自2006年以來,華東院與有關制造廠等單位合作,開展了大量工作,從以下幾個方面,分別論證了白鶴灘水電站采用1 000 MW級機組的可行性.

(1)工程建設與電站運行條件.白鶴灘水電站采用1 000 MW單機容量方案,裝機臺數仍達12臺以上,電站運行具有較好的靈活性.從工程地質條件,輸水系統、地下廠房和金屬結構設計等方面來看,白鶴灘水電站具備采用1 000 MW級水電機組的工程建設條件.

(2)重大件運輸條件.白鶴灘水電站對外交通條件相對較好,采用1 000 MW級水電機組沒有對重大件運輸增加特別的困難.

(3)設備配套條件.1 000 MW級水電機組的主要配套設備包括水輪機調速器、橋式起重機、封閉母線、發電機斷路器、主變壓器等.對于配套設備的設計、制造等方面的問題,通過與有關制造廠和科研單位的技術交流和合作研究,并隨著1 000 MW水電機組不斷取得滿意的專題研究成果,最初的待研究問題清單由長變短,現均已獲得較滿意的答案.白鶴灘水電站1 000 MW級水電機組的配套設備在設計、制造等方面是可行的.

(4)水電機組制造條件.根據白鶴灘水電站水電機組運行條件,在三峽集團公司的支持下,通過與電站設計院的合作,哈爾濱電機廠有限責任公司和東方電機有限公司開展了全面的研究工作,已經完成了兩電站1 000 MW水輪機水力設計和模型試驗、水電機組總體設計、主要部件剛強度計算、發電機24 kV線棒絕緣常規和電老化試驗等關鍵技術研究工作.在此基礎上,哈電和東電還完成了24 kV線棒環境模擬試驗、初步通風模型試驗、推力軸承試驗等項工作.阿爾斯通和富伊特也正在開展相關的研究工作.以上工作為白鶴灘水電站1 000 MW級水電機組的制造提供了有力的技術支撐.

4 對于超高水頭超大容量水電機組的思考

我國水電機組的發展是不平衡的,在中低水頭段,我國擁有了世界上最多的大型機組,而高水頭則處于相對落后水平.綜觀世界水輪發電機的發展,目前的制造技術對于超高水頭超大容量機組具有一些制約條件.受發電機材料和通風設計等因素影響,對于混流式機組存在著一條較為明顯的發展水平線,參見圖4.一些高轉速蓄能機組能夠采用更大的單機容量,主要是因為其飛逸轉速低于同水頭段的混流式水輪機.

圖4 大型機組的轉速和功率

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

我國超高水頭的大型和巨型水電站建設時間較晚,根據未來水電建設需要,從工作目的和內容上,超高水頭水電機組進行研究大致可以分為兩個階段:

(1)第一階段為超高水頭水電機組典型方案研究,為水電規劃提供技術支撐.在這一階段,應以現有技術和已有的1 000 MW級水電機組研究成果為基礎,并應開放思路、著眼未來,研究新的各種可能性,從而得出合適和可行的技術方案,解決和落實我國超高水頭大、巨型電站規劃和設計的這一關鍵技術問題.并提出水電機組研制的總體方案和關鍵技術問題.

(2)第二階段,根據第一階段的技術方案,開展水電機組的研制工作,逐個解決和落實各項關鍵技術,最終付諸實施.