浅议我国大型水电机组的发展

李胜兵,赵 琨

(1.中国水电顾问集团华东勘测设计研究院,浙江 杭州 310014;2.中国水电顾问集团公司,北京 100120)

水电工程建设的需要是水电机组不断向大容量发展的原动力.一般情况下,应用较大容量的水电机组、减少水电站装机台数,可简化电站枢纽布置、节省工程投资、缩短工程建设周期和降低电站运行成本.对于大型和特大型水电站,减少装机台数所取得的工程效益更为明显.水电机组的设计与制造水平、水电工程的设计与建设水平共同决定了水电工程采用更大容量机组的可行性.因此,水电机组单机容量不仅表征了机组设备的设计、制造水平,也是评价水电站设计、建设技术水平的重要标志之一.点,说明水电工程建设对于超大容量水电机组的需求,所以,不赘述抽水蓄能机组等其他机型.

1 水电机组单机容量的发展

自20世纪初石龙坝水电站两台240 kW水电机组投运,到三峡、龙滩、小湾和拉西瓦等水电站一批700 MW级水电机组投运,向家坝和溪洛渡一批800 MW级水电机组即将全部投入运行,我国水电机组的应用和制造走过了整整100年的历程.因我国水电资源的特点和工程建设需求,不同型式水电机组的发展和过程也不尽相同,我国水电机组单机容量发展简图见图1.本文仅结合我国水电资源特

图1 我国水电机组单机容量发展示意

1.1 混流式水电机组

至20世纪80年代,我国最大的混流式水电机组为龙羊峡水电站的320 MW机组,而同期国外最大的混流式水电机组早已达到了700 MW级.随着我国水电事业的发展,尤其是三峡水电站的建设和西部水电开发,我国水电机组的应用和制造得到了长足的发展.

截至目前,我国已经投入运行的700 MW级水电机组达到了50余台,首批已投入运行的机组中向家坝800 MW水电机组为世界上最大单机容量的水电机组.预期至2020年,我国投入运行的700 MW级及以上的水电机组将达约100台.上述这些水电机组均为立轴混流式水电机组,额定水头在80.5~216 m之间,最大应用水头在113~248 m之间,其数据统计见图2.这些机组中,由我国水电机组制造企业自主设计制造的机组超过50%.混流式水电机组是我国发展最为迅猛和成绩最为卓著的机型.

图2 700 MW及以上大型机组的水头和功率统计

1.2 轴流转桨式水电机组

轴流转桨式水电机组应用水头较低,因此,单机容量相对较小.到目前为止,20世纪90年代初投入运行,由日本日立公司与我国哈尔滨电机厂有限责任公司合作制造的水口水电站最大实际运行功率220 MW的机组仍为世界上最大单机容量的轴流转桨式水电机组.而由东方电机有限公司自主设计制造的葛洲坝水电站170 MW的机组是世界上最大尺寸的轴流转桨式水电机组.

1.3 灯泡贯流式水电机组

本世纪投入运行的,由阿尔斯通中国投资有限公司制造的桥巩水电站单机容量57 MW,转轮直径7.5 m的机组是我国最大单机容量的灯泡贯流式水电机组,其单机容量略小于20世纪80年代投入运行的日本只见水电站64 MW的灯泡贯流式水电机组.而东方电机有限公司为巴西杰瑞水电站设计制造的容量75 MW,转轮直径7.9 m的灯泡贯流式水电机组即将创造一个新的纪录.

1.4 冲击式水电机组

冲击式水电机组在我国发展较为缓慢,本世纪初投入运行,由东方电机有限公司和维奥技术奥雪维斯公司合作制造的金窝水电站单机容量140 MW,最大水头619.8 m的机组为我国最大单机容量的冲击式水电机组.而20世纪80年代后投入运行的瑞士毕奥德隆水电站冲击式水电机组单机容量达到了400 MW,应用水头超过了1 800 m.

2 我国水电建设对超大容量机组的需求

我国大江大河众多,水能资源极其丰富,除已建和在建的三峡、小湾、龙滩、拉西瓦、溪洛渡、向家坝等水电站外,还规划或初步规划了众多的大型水电站,我国拟建大型水电站统计见表1.这些水电站大多处在深山峡谷之中且装机规模较大,若通过增大机组容量,减少装机台数,可减少枢纽布置的困难和提高工程经济效益.从这些电站的应用水头范围来看,适合采用混流式或冲击式水电机组.

表1 国内拟建大型水电站

2.1 100~300 m水头段

表1中,两河口、松塔、马吉、白鹤滩、龙盘、乌东德、两家人和希让水电站的机组可以划为100~300 m水头段水电机组.目前,国内100~300 m水头范围已投入运行最大额定功率的水电机组已经超过国外机组,达到800 MW.

在这些水电站中,近期建设的白鹤滩和乌东德装机容量巨大,希望采用更大的单机容量以缓解工程枢纽布置困难,并可节约工程投资和节省建设周期.根据水电水利规划设计总院与华东勘测设计研究院等单位合作的 《水电工程超大容量机组总体技术研究》成果.主要考虑了目前机组尺寸、配套设备条件和发电机应用材料等限制因素,认为,对于100~300 m水头段,采用1 000 MW级的混流式水电机组是可行的,各限制条件如图3所示.当然,这些限制条件并不是绝对的,而是否能够采用1 000 MW级的水电机组还需要从水轮机水力研发、发电机电气参数选择以及机组结构设计等方面综合考量.

图3 超大容量混流式水轮发电机组可行性

2.2 超高水头段

表1中,八玉、帕隆、索玉、汗密、背崩、大度卡和阿尼桥水电站机组的应用水头均超过了300 m.其中,八玉、帕隆和索玉3个电站运行水头相对较低,且装机容量相对较小,对于超大容量机组的需求可能并不迫切.

根据水电水利规划设计总院2007年6月提出的雅鲁藏布江下游水力资源考察报告中的 "截弯取直"开发方案,需要在水平距离不到50 km的狭小河谷范围利用约2 335 m的水头,总装机规模达到约58 500 MW.如果采用目前应用的100~300 m水头段的大型机组,则需要分8级左右开发,枢纽布置和水电机组等重大件运输极为困难,工程投资也会大幅增加.所以,在该报告中提出了分4级开发的方案,分别为大渡卡、汗密、阿尼桥和背崩4个梯级电站.这4个电站运行水头均超过了400 m,可以归为超高水头段.

受技术和材料等方面的条件限制,目前超过400 m水头的投运机组中,混流式水电机组最大额定容量仅为350 MW,冲击式水电机组的最大额定容量为400 MW,抽水蓄能机组容量达到了460 MW.所以,在超高水头运行条件下,当机组额定容量达到600 MW甚至更大时,也可以称之为超大容量的水电机组.即使采用这样的水电机组,上述几个电站的发电厂房总长度也分别达到了498~1 330 m.所以,研究开发适合工程需要的超高水头超大容量水电机组是雅鲁藏布江水力资源开发不可或缺的前提.

3 白鹤滩水电站1 0 0 0MW级水电机组可行性研究

白鹤滩水电站装机规模巨大,机组额定水头高.自2006年以来,华东院与有关制造厂等单位合作,开展了大量工作,从以下几个方面,分别论证了白鹤滩水电站采用1 000 MW级机组的可行性.

(1)工程建设与电站运行条件.白鹤滩水电站采用1 000 MW单机容量方案,装机台数仍达12台以上,电站运行具有较好的灵活性.从工程地质条件,输水系统、地下厂房和金属结构设计等方面来看,白鹤滩水电站具备采用1 000 MW级水电机组的工程建设条件.

(2)重大件运输条件.白鹤滩水电站对外交通条件相对较好,采用1 000 MW级水电机组没有对重大件运输增加特别的困难.

(3)设备配套条件.1 000 MW级水电机组的主要配套设备包括水轮机调速器、桥式起重机、封闭母线、发电机断路器、主变压器等.对于配套设备的设计、制造等方面的问题,通过与有关制造厂和科研单位的技术交流和合作研究,并随着1 000 MW水电机组不断取得满意的专题研究成果,最初的待研究问题清单由长变短,现均已获得较满意的答案.白鹤滩水电站1 000 MW级水电机组的配套设备在设计、制造等方面是可行的.

(4)水电机组制造条件.根据白鹤滩水电站水电机组运行条件,在三峡集团公司的支持下,通过与电站设计院的合作,哈尔滨电机厂有限责任公司和东方电机有限公司开展了全面的研究工作,已经完成了两电站1 000 MW水轮机水力设计和模型试验、水电机组总体设计、主要部件刚强度计算、发电机24 kV线棒绝缘常规和电老化试验等关键技术研究工作.在此基础上,哈电和东电还完成了24 kV线棒环境模拟试验、初步通风模型试验、推力轴承试验等项工作.阿尔斯通和富伊特也正在开展相关的研究工作.以上工作为白鹤滩水电站1 000 MW级水电机组的制造提供了有力的技术支撑.

4 对于超高水头超大容量水电机组的思考

我国水电机组的发展是不平衡的,在中低水头段,我国拥有了世界上最多的大型机组,而高水头则处于相对落后水平.综观世界水轮发电机的发展,目前的制造技术对于超高水头超大容量机组具有一些制约条件.受发电机材料和通风设计等因素影响,对于混流式机组存在着一条较为明显的发展水平线,参见图4.一些高转速蓄能机组能够采用更大的单机容量,主要是因为其飞逸转速低于同水头段的混流式水轮机.

图4 大型机组的转速和功率

目前,世界上最大的冲击式机组为瑞士毕奥德隆水电站的420 MW机组 (最大水头1 869 m)和挪威圣西玛水电站的315 MW机组 (最大水头885 m).在此基础上发展更大容量的水电机组,也面临着诸多的技术问题需要解决.

我国超高水头的大型和巨型水电站建设时间较晚,根据未来水电建设需要,从工作目的和内容上,超高水头水电机组进行研究大致可以分为两个阶段:

(1)第一阶段为超高水头水电机组典型方案研究,为水电规划提供技术支撑.在这一阶段,应以现有技术和已有的1 000 MW级水电机组研究成果为基础,并应开放思路、着眼未来,研究新的各种可能性,从而得出合适和可行的技术方案,解决和落实我国超高水头大、巨型电站规划和设计的这一关键技术问题.并提出水电机组研制的总体方案和关键技术问题.

(2)第二阶段,根据第一阶段的技术方案,开展水电机组的研制工作,逐个解决和落实各项关键技术,最终付诸实施.