专家视角 | 浅议水电站及抽水蓄能电站机组的综合难度系数

浅议水电站及抽水蓄能电站机组的综合难度系数

（来源：抽水蓄能行业分会 作者：宗万波）

摘要：为了方便对比不同项目间机组设计、加工制造等的难易程度，大体掌握水力发电机组的发展水平，本文通过探讨水电站及抽水蓄能电站机组设计、加工制造的关键点，提出机组综合难度系数。在业内常用的加工难度系数基础上，考虑水力设计、变幅及比速系数、相对海拔等设计因素，对机组难度进行对比评价。

关键词：水电 机组 综合难度 对比

引言

水电站和抽水蓄能电站设计前期，经常需要初选若干装机台数和单机容量方案进行可行性、合理性、经济性等方面的论证比较。对于单机容量是否合适，目前多数设计单位根据已运行电站水轮机（水泵水轮机）和发电机（发电电动机）参数，结合行业常用的制造难度系数和尺寸利用系数等进行大略分析判断。而此类系数偏重于机组水头、单位尺寸容量、结构受力等加工工艺、制造难度的计算，并未反应电站水头变幅、机组参数水平高低及海拔等设计因素，不能全面反应项目的水力开发和电气设计可行性和合理性。

为能够较为全面的对比不同方案间机组选型的可行性和合理性，反应各方案机组设计、水力开发、加工制造等综合难度，本文通过分析机组设计开发难点和关键点，结合业内常用的加工制造难度系数，提出一种水轮机（水泵水轮机）和发电机（发电电动机）综合难度系数测算方法，供前期比选时判断方案的可行性。

1 综合难度测算

1.1 水轮机（水泵水轮机）

水头变幅对于水轮机（水泵水轮机）的水力设计来说属于关键点之一，不论是常规电站的最大最小水头比值还是蓄能电站的最大扬程与最小水头比，在转轮水力设计都需特别关注，水头变幅大往往转轮设计难度也大。比速系数一般意义上可作为转轮先进程度的代表，随着技术进步，水轮机（水泵水轮机）的比速系数也在逐渐变大。

一般来说，水轮机（水泵水轮机）运行水头越高，转轮直径越大，水轮机的座环、底环、顶盖、导叶、转轮等部件在强度、刚度等方面的要求就越高，水轮机的制造难度也越大。目前业内常用TD=H_max×D₁²/1000来计算制造难度系数并进行对比。

经综合考虑转轮水力设计难度、技术进步，提出利用最大水头（最高扬程）Hmax、转轮直径D₁、比速系数K、水头变幅K₁等几个水轮机（水泵水轮机）关键参数，提出公式K₁×K×Hmax×D₁²/10⁵来计算水轮机（水泵水轮机）综合难度系数Cdt。与目前常用公式相比，测算水轮机（水泵水轮机）综合难度系数时增加了水头变幅及机组参数水平选择等设计因素，能够较全面的反应方案的可行性和合理性，并且计算较为简便、通俗易懂。

计算常规电站水轮机综合难度系数时，比速系数K为水轮机额定水头比速系数、水头变幅K₁为最大水头与最小水头比值；计算抽水蓄能电站水泵水轮机综合难度系数时，比速系数K为水泵工况最小扬程比速系数、水头变幅K₁为最大扬程与最小水头比值。

1.2 发电机（发电电动机）

目前一般通过计算制造难度系数Sn×nf/10000，对不同项目发电机（发电电动机）难度进行对比分析。制造难度系数计算公式中机组容量大小主要限制发电机（发电电动机）的通风散热，电磁负荷及参数等；飞逸转速则考验机组结构设计，转速高旋转部件应力水平高、安全性要求就高，结构设计就困难。虽然发电机（发电电动机）制造难度系数间接包含了诸如槽电流、推力负荷、冷却方式等，但制造难度系数没有反映不同项目海拔变化时机组绝缘水平的不同。

为了能以一个相对统一的基础，更直观的比较不同项目发电机（发电电动机）水平，本文提出利用视在功率Sn、飞逸转速nf，并引入相对海拔K_a，提出公式K_a×Sn×nf/ 10000来计算发电机（发电电动机）综合难度系数Cdg。一般随着海拔高度越高，发电机（发电电动机）绝缘防护等方面设计难度就越大。为了方便对比，考虑取高压产品的海拔修正系数作为相对海拔K_a，反映不同项目机组的难度。海拔高度和相对海拔系数关系见下表1。

表1  海拔高度和相对海拔系数关系表

2 案例对比

下面结合实例对综合难度系数测算作进一步的详细比较。任选若干工程，分别利用制造难度系数和综合难度系数计算方法，对比计算各项目机组难度。

表2  机组制造难度系数和综合难度系数对比表

以常规水电站计算结果来看，白鹤滩（最大水头243.1m、右岸转轮直径8.723m、水头变幅1.483）作为目前国内单机容量最大的机组，其水轮机制造难度和综合难度均排在前列；锦屏二级（最大水头318.8m、转轮直径6.57m、水头变幅1.142）虽然制造难度较大，但因水头变幅较小且水轮机参数水平不高，所以水轮机综合难度不大；三峡（最大水头113.0m、右岸转轮直径10.44m、水头变幅1.850）因水头变幅大且参数水平高，所以水轮机综合难度不小。以抽水蓄能电站计算结果来看，仙居（最大扬程502.9m、转轮直径D₁=4.8575m、水头变幅1.195）综合难度系数481.27，接近三峡右岸水轮机水平；阳江（最大扬程705.9m、转轮直径D₁=4.332m、水头变幅1.127）综合难度系数575.53，长龙山（最大扬程750.3m、转轮直径D₁=4.352m、水头变幅1.124）综合难度系数561.27，与白鹤滩处于同一水平；天台（最大扬程777.0m、转轮直径D₁=4.6m、水头变幅1.111），作为目前国内水头最高、单机容量最大的抽水蓄能机组，其水泵水轮机制造难度和综合难度最大。由于抽水蓄能电站水泵水轮机设计时，需要考虑水轮机和水泵两种运行状态且水泵工况最低扬程比速系数较大，设计上需要满足的因素较多，所以抽水蓄能电站的综合难度系数计算结果相比常规电站较大。另外，初步对比的几个项目由于海拔都不高，所以发电机和发电电动机综合难度系数与制造难度系数一致。

3 结语

按照本文提出的常规水电站和抽水蓄能电站水轮机（水泵水轮机）综合难度系数公式，计算出的各项目综合难度与常规制造难度系数对比排序稍有不同，主要是因为新增水头变幅和水轮机参数水平等因素。而目前开展工作的项目所在地相对海拔系数修正不大，故发电机（发电电动机）的综合难度与常规制造难度系数基本无差别。总的来说，本文提出的计算公式，比较全面的反应了不同项目水轮机（水泵水轮机）和发电机（发电电动机）设计开发、加工制造等综合难度。

需要注意的是，随着设计手段进步，水轮机（水泵水轮机）和发电机（发电电动机）综合难度系数计算值会逐渐变大。使用本文提出的公式判断方案可行性时，应关注相关项目的设计及投运时间。

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