水電站機電設備重大件運輸問題探討

李修樹

（中國水電工程顧問集團公司，北京 100120）

0 引言

我國水力資源十分豐富，水力資源理論蘊藏量694 400 MW，技術可開發裝機541 640 MW，經濟可開發裝機401 795 MW。隨著2010年小灣水電站機組的投產發電，中國水電裝機規模已超過200 000 MW。由于地形和降雨量差異，我國水力資源分布在地域上極為不均衡，西南地區的云、貴、川、渝、藏5個省 （自治區、直轄市）水力資源占全國總量的66.70%。東部地區水力資源開發程度達90%，水力資源基本已開發完畢；中部地區開發程度達到75%，開發條件相對較好的水電資源點已開發完畢；西部地區開發程度為24%，其中四川省為27%，云南省為20%[1]，開發潛力巨大，西藏地區水電大規模的開發尚未開始。

當前，水電站建設機組選型有向大容量、高參數水平發展的趨勢。在我國30座主要特大型水電站中，三峽左岸、三峽右岸、二灘、葛洲壩、拉西瓦、龍灘、構皮灘、小灣、瀑布溝水電站已經建成發電，三峽地下、溪洛渡、向家壩、錦屏二級、錦屏一級、糯扎渡、大崗山水電站正在建設過程中，白鶴灘、烏東德、觀音巖、兩河口、龍盤、松塔、馬吉、兩家人水電站正在規劃設計，西藏地區的一些電站已完成現場查勘工作[1]。這些水電站共同特點之一是機組單機容量巨大，主要機電設備尺寸大、質量大。

以上情況表明，未開發、待開發的水力資源、大型水電站主要集中在云南、四川、西藏。而我國的經濟發展恰好是東部相對發達，西部相對落后，中東部運輸條件相對較好，西部運輸條件相對較差。因此這些待建水電站在建設過程除需解決水工建筑物、機電設備設計與制造關鍵技術問題及大容量長距離輸送電等問題外，對機電設備重大件運輸問題的處理也顯得極為重要。

1 機電設備重大件運輸問題概述

水電站的主要機電設備包括水輪機、發電機、橋機、主變壓器等，這些設備主要來自于哈爾濱、德陽、天津、上海、沈陽、保定、西安、重慶、太原、杭州等地的相關設備生產廠家。對于云南、四川、西藏等地待建的水電站而言，電站所在地通常與這些設備供貨地距離較遠，尤其是對于一些大型機組，其運輸難度通常較大。機電設備最大/最重運輸部件包括水輪機轉輪、發電機轉子中心體、主變壓器、橋機大梁等。

如雅礱江流域錦屏一級、錦屏二級、卡拉、楊房溝水電站對外交通道路等級為3級，路面寬度7.0 m，沿途隧洞最小建筑限界5.5 m×5.0 m （寬×高），沿途橋梁標準為公路Ⅰ級，荷載等級為汽-40，掛-200，因此其重大件最大尺寸不宜超過5.5 m，最重件不宜超過200 t。金沙江上的白鶴灘水電站初步規劃的機電設備重大件運輸線路，鐵路運輸貨物質量200 t，鐵路Ⅱ級限制范圍內，公路貨物斷面限制尺寸7.0 m×4.0 m （寬×高）， 運輸貨物質量150 t。大渡河上的沙坪水電站鐵路運輸在Ⅱ級限制范圍內，公路運輸沿線橋涵設計荷載等級為汽-20，掛-100。怒江流域規劃重大件運輸公路最寬限界6.8 m，最高不超過4.5 m，設備最重約185 t，道路轉彎半徑約為30 m。

通常情況下，水輪機轉輪是最大件，需控制運輸尺寸；主變壓器為最重件，需控制運輸質量；橋機大梁是最長件，需控制道路的轉彎半徑。

2 水輪機轉輪運輸

水輪機轉輪運輸方案主要有3種，即轉輪整體運輸、轉輪分瓣運輸和散件運輸現場組焊。

20世紀50、60年代投產的機組，由于單機容量和機組尺寸較小，轉輪基本上采用整體運輸。后來，隨著機組尺寸的增加，轉輪采用整體運輸不可行，因此對于直徑D1小于6.5 m轉輪采用分瓣運輸方式， 如二灘 （D1=6.257 m）、 劉家峽 （D1=5.5～5.88 m）、 漫灣 （D1=5.5 m）、 巖灘、 大朝山 （D1=6.105 m）、安康 （D1=5.5 m）等水電站的轉輪都采用分瓣運輸。

隨著單機容量和機組尺寸進一步加大，即使采用分瓣轉輪也難以滿足鐵路運輸，需采用散件運輸現場組焊的方式。轉輪現場組焊需要設置轉輪現場組焊車間，設置組焊工位、翻身工位、機加工工位、靜平衡工位等，同時還需配置機加工設備、退火爐、焊接設備、起吊設備等。2002年哈爾濱電機廠在巖灘3號機組轉輪改造中，將原采用的分瓣轉輪方案改為散件運輸現場組焊方案，水運加公路運輸。機組已于2003年投入運行。表1列出了部分大型水電站現場組焊轉輪的情況。

從表1可以看出，目前的大型水電站轉輪采用散件運輸到現場組焊已成為大趨勢，主要是由于機組向大容量、大尺寸方向發展和運輸條件所限等因素造成的。轉輪現場組焊對加工工藝也提出了相應的要求，如為了降低現場焊接焊接接頭的殘余應力，焊絲最好采用與母材材質相同的材料；為保證焊接質量，焊接工人必須是有相應資質的熟練工人；轉輪整體退火必須保證熱源可靠性，同時對現場環境保護工作要求較高等。所有這些都需嚴格遵守，才可能保證轉輪現場加工的質量。

表1 部分現場組焊的轉輪

3 主變壓器運輸

對于同一容量的主變壓器，其型式的選擇直接決定了主變壓器運輸難度。

3.1 單相變壓器

采用單相變壓器組，運輸問題容易得到解決。單相變壓器組其結構獨立，運行可靠性較高，但設備投資較大，變壓器布置占地面積也較大。對高山峽谷地帶，尤其是采用地下廠房方案時，設備布置問題往往較難解決，需在運輸問題和設備布置問題上加以比較，權衡利弊后確定。

3.2 整體三相變壓器

整體三相變壓器可靠性高，現場安裝工作量小，但其運輸質量最大。如三峽電站主變壓器容量840 MV·A、 運輸尺寸 10.8 m×3.85 m×4.9 m （長×寬×高）、單件運輸質量達380 t，但由于三峽電站得天獨厚的水運條件，使得整體主變壓器運輸成為可能，因此采用了整體三相變壓器。而擬建的其他大型水電站通常都不具備三峽這樣的優厚運輸條件，如雅礱江上楊房溝水電站，單機容量375 MW，當采用整體三相變壓器時其運輸質量約220 t，運輸質量較大，不宜采用，只好采用單相變壓器 （110 t）。對于額定容量大于400 MV·A的整體三相變壓器，其運輸難度通常都較大，主要在于其運輸質量過大，造成沿途橋涵加固費用、高速公路超載費用等大幅增加。

3.3 組合三相變壓器

采用組合三相變壓器，其運輸問題也較容易得到解決。組合三相變壓器與單相變壓器組相比，由于避免了主變低壓側離相封閉母線的三角形連接，使封閉母線布置相對簡單，降低母線投資和電能損耗，同時可縮小主變壓器占地面積。但組合三相變壓器本體結構較單相式變壓器復雜，總體可靠性也較單相式變壓器低，現場安裝試驗工作量大，更換備用件相對困難。

3.4 現場組裝三相變壓器

現在新出現了現場組裝三相變壓器，又稱ASA變壓器。它是將變壓器的內部結構做成可拆卸的若干部分，分開運輸，以減小運輸重量，在現場將各部分組裝成整體。這種型式的變壓器設備運輸質量小，布置占地面積小，設備本體成本低；但安裝時間長，對安裝場地、環境條件、工具、安裝工藝要求極為嚴格，現場安裝完成后不再對變壓器進行例行試驗。變壓器的質量不易得到保證，目前大型水電站應用極少。

關于主變壓器型式，在運輸問題較易解決的情況下，應優先選擇整體三相變壓器。但對于云南、四川、西藏地區待建的大型水電站，變壓器容量巨大，采用整體三相變壓器通常成為一個不可行的方案，這時就得從運輸成本高低、場地布置難度、運行可靠性等方面綜合比較，選擇主變壓器型式。至于ASA變壓器，由于在水電站中的應用尚在嘗試階段，不宜優先推薦。

4 橋機大梁運輸

隨著經濟、科技的發展及需求的逐步提高，我國起重設備在起重負載、科技含量、內在質量等方面得到了大力發展。如太原重工股份有限公司為三峽水電站生產制造的12 000 kN單小車橋式起重機是目前世界上最大的單小車橋式起重機，為龍灘生產的5 000 kN+5 000 kN雙小車橋式起重機是目前國內最大的雙小車橋式起重機。目前國內無論是最大的雙小車橋式起重機還是最大單小車橋式起重機都應用在水電站中，且具有世界級別的起重量。又如太重生產的小灣8 000/1 600 kN、拉西瓦8 000/1 500 kN、景洪6 600/1 600 kN、漫灣二期5 000 kN+5 000 kN、瀑布溝4 200 kN+4 200 kN、漫灣3 500 kN+3 500 kN橋式起重機，夾江生產的錦屏一級4 000 kN+4 000 kN橋式起重機，華新生產的構皮灘3 750 kN+3 750 kN、錦屏二級3 500 kN+3 500 kN橋式起重機，這些都具有足夠的起重力，與之伴隨的是橋機大梁運輸長度都比較長，這就關系到運輸過程中最長件的道路轉彎半徑問題。

舉例來說，如大渡河沙坪二級水電站裝設6×58 MW燈泡貫流式機組，橋機大梁運輸尺寸25 m×2.6 m×2.4 m （長×寬×高）， 單件運輸質量30 t； 馬吉水電站規劃裝設6×700 MW混流式機組，橋機大梁運輸長度約28 m；密松水電站裝設8×750 MW混流式機組，橋機大梁運輸尺寸34 m×3.2 m×3.3 m （長×寬×高），單件運輸質量170 t?？梢钥闯龃笮退娬緲驒C大梁的運輸長度基本都達到30 m長運輸級別，對道路和車輛的轉彎半徑提出了運輸要求。

擬建或待建的白鶴灘、烏東德、觀音巖、兩河口、龍盤、松塔、馬吉、兩家人等水電站，也由于其裝機容量大，單機容量也會較大，橋機大梁必定長，加之地處邊遠地區，多山且道路彎道多，因此在可研設計過程必須對橋機大梁的運輸問題引起重視，查清運輸道路狀況，規劃好運輸路線。

5 其他機電設備重大件運輸

除水輪機轉輪、主變壓器、橋機大梁等運輸問題外，其他機電設備重大件如水輪機頂蓋、座環、圓筒閥、定子機座等的整體運輸難度通常也較大，尤其是大型機組更是如此。對于這些部件，往往根據其尺寸和重量的大小，進行適當的分瓣，以解決運輸問題，這方面的經驗相對較成熟，現場加工經驗也較多。另外，關于轉子支架中心體、推力頭及鏡板、上機架中心體、下機架中心體、主軸等部件也屬于機電設備重大件，也需單獨地分析和策劃其運輸問題。但通常情況下，這些部件不構成運輸的制約因素。

以上主要是針對大型混流式機組的大件運輸問題，尺寸巨大的軸流轉槳式機組的輪轂體運輸問題通常也比較難。如單機容量170 MW葛洲壩機組，其轉輪直徑達11.3 m；又如大化擴機機組，單機容量110 MW，其轉輪直徑達9 m。對于類似尺寸機組輪轂體在西南地區的運輸問題，必需引起重視，機組選型設計方案比選時就應加以考慮。

6 結論和建議

（1）機電設備重大件運輸問題，不僅應理清主要重大件設備的尺寸和重量，而且應調查清楚沿途線路的控制性因素尺寸，如隧洞、大橋、鐵路、公路、水運的等級、噸位及尺寸等。在勘察設計過程中，需規劃運輸路線、調查沿途的交通狀況、估計運輸難度、估算相應的運輸成本。

（2）對于機電設備重大件，應分最大尺寸件、最重件、最長件等區別對待，選擇合適的機電設備型式和加工方式，提出適應電站特點的運輸方式。

（3）對于擬建或正在籌建的西部地區大型電站，采用水路運輸往往不可行，只能采用鐵路運輸、公路運輸或鐵路公路聯運方式。運輸尺寸在鐵路二級限制尺寸范圍內的機電設備重大件運輸采用鐵路、公路聯運方式，運輸尺寸超過鐵路二級限制尺寸范圍的機電設備重大件運輸采用公路方式直接運至工程區。對于運距較遠的電站，進行方案比選時，應盡量使其運輸尺寸控制在鐵路二級超限范圍內，以降低運輸成本。無論采用何種運輸方式，在運輸條件相當的情況下，降低運輸風險和運輸難度、控制運輸成本是一條總的指導思路。

（4）在西南部分高寒地區，冬季較寒冷，設備在冬季采用公路運輸時往往受限，因此設備通常需提前供貨，在設備采購及工期設計時應加以考慮。

［1］ 錢鋼糧.我國水力資源及主要特大型水電站規劃設想［C］//大型水輪發電機組技術論文集.北京：中國電力出版社，2008.