程永權,胡偉明,鄒祖斌,劉潔

(中國長江三峽集團公司,湖北省宜昌市,443002)

0 引言

金沙江下游河段規(guī)劃中的烏東德、白鶴灘兩電站即將動工建設,計劃 2020年投產(chǎn)?；谌龒{700 MW水輪發(fā)電機組引進、消化、吸收的經(jīng)驗和成果,三峽集團公司聯(lián)合相關設計、制造、科研等單位,對 2電站裝設單機容量1 000 MW機組的工程條件和設計制造的可行性進行了研究。本文對 1 000MW機組研究的新進展進行了總結,并指出了下階段研究的重點方向。

1 概述

金沙江干流全長約3 500 km,天然落差約5 100m,水能資源十分豐富,是全國最大的水電能源基地之一,理論蘊藏量為 121 GW,其中經(jīng)濟可開發(fā)裝機容量103GW,占長江流域的43.6%,全國水電經(jīng)濟可開發(fā)裝機容量的 25.6%。金沙江下游河段水量大、落差集中,又是金沙江流域乃至長江流域水能資源最豐富的河段。在金沙江下游河段規(guī)劃的4個水電梯級裝機容量約為 38.2 GW,年發(fā)電量約1 700億kW·h,是西電東送的重要電源基地。其中靠下游溪洛渡、向家壩電站正在建設,靠上游烏東德、白鶴灘電站也即將開工建設。烏東德、白鶴灘電站動能條件見表1。

表1 烏東德、白鶴灘電站動能條件Tab.1 Kinetic energy conditions ofW udongde and Baihetan power station

在預可研和可研階段,對烏東德、白鶴灘電站裝設單機容量1 000 MW水輪發(fā)電機組的必要性和可行性進行了論證,主要結論為:

(1)烏東德、白鶴灘水電站的動能指標和壩址情況具備了裝設1 000MW機組的條件;

(2)增大單機容量,減少裝機臺數(shù)可減少開挖、澆注、安裝等工程量,節(jié)省投資;

(3)加大單機容量,縮短完建期,提前投產(chǎn)發(fā)電經(jīng)濟效益和節(jié)能減排環(huán)保效益顯著;

(4)減少裝機臺數(shù)有利于樞紐工程的總體布置和工程安全可靠性的提高;

(5)通過百萬千瓦水電機組的研究、設計、制造,有利于推動我國水電裝備的技術進步,同時該技術在國內外具有廣泛的應用前景。

迄今為止,世界上水電機組最大單機容量為700MW。為論證百萬千瓦水電機組的設計、制造和工程應用的可行性,從 2006年初開始到 2010年,中國長江三峽集團公司聯(lián)合長江委設計院、華東水利電力勘測設計院、哈爾濱電機廠有限公司(以下簡稱哈電)、東方電機有限公司(以下簡稱東電)、中科院電工所等組成“科研聯(lián)盟”,全面系統(tǒng)地開展1 000 MW機組設計制造及工程應用技術可行性研究,包括對烏東德、白鶴灘 1 000 MW水電機組可行性研究、機組總體技術研究、水力設計及模型試驗、24 kV/26 kV發(fā)電機繞組絕緣研制、1 000MW水輪發(fā)電機組技術標準和規(guī)范研究等,取得豐碩成果。研究成果表明:立足國內技術,烏東德、白鶴灘 1 000 MW水輪發(fā)電機組設計、制造、運輸是可行的,不存在大的制約因素。

2 1 000 MW水電機組研究過程和主要內容

1 000 MW機組研究工作依托烏東德、白鶴灘工程條件進行,課題研究總體上劃分 3個階段。

第1階段:1 000 MW級機組在工程應用中可行性和經(jīng)濟合理性研究,該項工作于 2007年完成。

第2階段:1 000MW機組總體研究和專項研究,主要論證1 000 MW水電機組是否具備設計制造運輸能力。其中專項研究包括:烏東德、白鶴灘水電站1 000 MW水輪發(fā)電機組總體研究,水輪機水力設計及模型試驗研究;24 kV/26 kV定子線棒絕緣技術及仿真試驗研究;1 000MW水輪發(fā)電機組技術要求和規(guī)范研究。第 2階段研究工作于 2010年完成并通過驗收。

第3階段:1 000MW級水輪發(fā)電機組創(chuàng)新研究,主要論證能否設計制造出技術性能更好的1 000MW級水輪發(fā)電機組。研究內容包括在前 2個階段研究的基礎上,針對1 000 MW水輪發(fā)電機組本身的制約因數(shù)和技術難點,開展新技術、新材料、新工藝的開發(fā)研究。第 3階段研究工作即將正式啟動。

3 1 000MW水電機組研究各階段的結論成果

3.1 第 1階段研究成果

(1)必要性。

烏東德、白鶴灘電站具備裝設1 000 MW機組的動能、工程地質及樞紐布置、電力系統(tǒng)、機組設計制造等條件。為適應巨型電站開發(fā),簡化樞紐工程的總體布置、方便運行維護管理、節(jié)省投資,在烏東德、白鶴灘研究電站裝設1 000 MW機組是必要的。同時,依托烏東德、白鶴灘水電站研制和發(fā)展1 000MW級水輪發(fā)電機組的關鍵技術,將有利于推動我國特大型水電設備設計制造技術的創(chuàng)新和發(fā)展,全面提升我國機械裝備工業(yè)的競爭力。

(2)機電設備。

三峽右岸 700 MW機組轉輪直徑為 9.88和10.71 m,質量為440～473.2 t;烏東德1 000 MW機組水輪機直徑約為9.6 m,質量約為435 t;白鶴灘1 000MW機組水輪機直徑約為8.4m,質量約為335 t。烏東德、白鶴灘電站機組尺寸、質量與三峽機組相當,設計、制造、運輸不存在重大制約因素。烏東德、白鶴灘1 000MW機組發(fā)電機額定電壓要從目前的20 kV提高到24 kV,通過研究,1 000 MW水輪發(fā)電機組發(fā)電機額定電壓提高到24 kV是可行的。此外變壓器、高壓配電裝置設計制造已基本達到與 1 000 MW機組相配套的水平和能力。

(3)廠房開挖。

烏東德電站1 000 MW機組主廠房開挖尺寸為280m×32m×87.5 m,白鶴灘電站1 000 MW機組主廠房開挖尺寸為400m×31.5m×84.8 m,目前最大的三峽地下廠房開挖尺寸為309.8 m×31.0 m× 87.3 m。從地下廠房跨度而言,烏東德、白鶴灘電站略大于三峽電站。根據(jù)烏東德電站地下廠房洞室圍巖穩(wěn)定初步分析研究,廠房圍巖應力、位移值以及塑性區(qū)范圍在現(xiàn)有各大洞室中處于中等水平,穩(wěn)定條件較好,白鶴灘電站地下廠房地質條件也較好,2電站裝設1 000MW機組不存在大洞室群圍巖穩(wěn)定制約因素。

(4)樞紐布置。

烏東德電站裝設 10×1 000 MW方案比裝設12×833.3MW、14×714.3 MW方案進水口分別減小 30和 60 m,可較好地避免進水口不良地質帶來的風險,有利于建筑物的布置,減小邊坡的設計難度和風險。白鶴灘電站14×1 000 MW機組方案比裝設16×875 MW、18×777.8MW方案,地下廠房洞室長度分別減小 19,39 m,對大型洞室群圍巖穩(wěn)定的不利影響將有所緩解。

(5)工期。

烏東德、白鶴灘電站1 000 MW方案與833.3MW (875MW)、714.3 MW(777.8 MW)方案相比。完建總工期更短,可分別提前4個月和 8個月完工,并可帶來提前完工發(fā)電效益。

(6)投資。

烏東德電站10×1 000 MW的裝機方案比14× 714.3 MW和12×833.3 MW方案可分別節(jié)省6.52億元和2.46億元。白鶴灘電站14×1 000MW方案較18×778MW方案靜態(tài)投資節(jié)省約7.38億元。

綜上所述,烏東德、白鶴灘電站具備裝設1 000MW水輪發(fā)電機組條件,在工程應用中不存在大的制約因素,具有較好的經(jīng)濟效益。

3.2 第 2階段研究主要成果

3.2.1 1 000 MW水輪發(fā)電機組總體研究

哈電、東電根據(jù)烏東德、白鶴灘電站的條件,對機組進行了總體設計研究,主要結論如下。

(1)推薦參數(shù)。

烏東德1 000MW機組額定水頭135m,在電站參數(shù)、機組參數(shù)分析和計算流體動力學(computational fluid dynamics,CFD)及模型試驗優(yōu)化的基礎上,哈電、東電分別推薦烏東德電站1 000MW水輪發(fā)電機組采用機型分別為HLA1024-LJ-1007(A)和HLD530-LJ-995(B)兩種機型,同步轉速為83.3 r/ min,發(fā)電機電壓等級為24 kV,冷卻方式采用空冷(并聯(lián)支路數(shù)8)或蒸發(fā)冷卻方式(并聯(lián)支路數(shù)6),如表2。

白鶴灘電站1 000 MW機組水輪機額定水頭為202m,哈電推薦長短葉片轉輪,水輪機型號HLA 1017-LJ-860(C),額定轉速107.1 r/min。東電推薦常規(guī)葉片轉輪,水輪機型號HLD545-LJ-845(D),額定轉速111.1 r/m in。發(fā)電機電壓等級為24 kV,發(fā)電機冷卻方式采用空冷(并聯(lián)支路數(shù)7)或蒸發(fā)冷卻(并聯(lián)支路數(shù)6),如表3。

表2 烏東德、白鶴灘電站2種推薦機型發(fā)電機參數(shù)Tab.2 Parametersof proposed generators for W udongde and Bahetan power station

表3 烏東德、白鶴灘電站2種推薦機型水輪機參數(shù)Tab.3 Parametersof proposed hydro-turbines for W udongde and Bahetan power station

(2)發(fā)電機電壓。

哈電、東電分別試制了24 kV/26 kV定子線棒,并進行了型式試驗和真實環(huán)境模擬實驗,試驗結果滿足1 000 MW水輪發(fā)電機的要求。從烏東德、白鶴灘電站發(fā)電機電磁參數(shù)、結構、冷卻方式等多種因素綜合考慮,現(xiàn)階段推薦發(fā)電機選擇24 kV電壓等級。

(3)發(fā)電機冷卻方式。

三峽機組多數(shù)發(fā)電機定子主要采用水冷方式,哈電自主研發(fā)的空冷技術也在三峽 4臺機組成功應用,中科院電工所和東電聯(lián)合研發(fā)的蒸發(fā)冷卻水輪發(fā)電機也即將在三峽地下電站上應用。哈電、東電經(jīng)過分析研究,認為全空冷、蒸發(fā)冷卻 2種方式均能滿足1 000 MW機組的要求?；诟髯缘慕?jīng)驗和優(yōu)勢,分別推薦全空冷和蒸發(fā)冷卻方式。

中科院電工所負責1 000 MW機組蒸發(fā)冷卻的仿真試驗和計算,主要結論見表 4。

表4 1 000MW發(fā)電機蒸發(fā)冷卻仿真計算結果Tab.4 Evaporation cooling simulation results for 1 000 MW generator ℃

空心導線實驗和計算都是用的介質時ZXB-7 (沸點 55℃),匯流銅環(huán)用的是 ZXB-16(沸點47.6℃),仿真試驗和計算未考慮通風的冷卻效應,冷凝器按照零介質壓力設計。

(4)機組結構設計。

在上述機型及機組參數(shù)的基礎上,哈電、東電研究水輪機結構設計與 700 MW水輪機基本相同,由于電站水頭較高,蝸殼鋼板需要 94 mm厚鋼板,座環(huán)鋼板厚度達到320mm。發(fā)電機結構設計哈電采用了斜元件結構、東電采用常規(guī)結構,對全空冷機組,結構設計成立的基本條件是發(fā)電機磁軛鋼板強度要達到750 MPa及以上。1 000MW水輪機轉輪主要結構參數(shù)見表5。

表5 1 000MW水輪機轉輪主要結構參數(shù)Tab.5 Main structural parameters for 1 000MW hydro-turbine runners

綜合考慮水輪發(fā)電機組機參數(shù)分析、水力設計及模型試驗、發(fā)電機24 kV/26 kV電壓絕緣及仿真試驗專題研究成果的技術支持,機組結構設計、剛強度計算、材料應用研究成果,總體研究結論是:烏東德、白鶴灘電站 1 000 MW水輪發(fā)電機組設計、制造可行,但對包括進一步提高機組性能,改善結構設計及應力水平,加強關鍵部件材料配套能力還需進一步研究(如厚蝸殼鋼板及750MPa磁軛鋼板)。

3.2.2 1 000MW水輪機水力設計及模型試驗專題研究

烏東德水輪機水力設計及模型試驗進行了HLA 1020、HLA 1024、HLD530-F13、HLD543-F15、D546-F15五種機型的優(yōu)化研究。烏東德電站水輪機水力設計表明,流道水力參數(shù)合理、分布均勻,有利于機組高效穩(wěn)定運行。水輪機模型試驗結果顯示,水輪機能量性能、空化性能、穩(wěn)定性能良好。

白鶴灘電站水輪機水力設計及模型試驗進行了HLA 1014、HLA 1017、HLD545-F15、HLD547-F15、HLD548-F15五種機型的優(yōu)化研究。白鶴灘電站水輪機水力設計表明,流道水力參數(shù)合理、分布均勻,有利于機組高效穩(wěn)定運行。水輪機模型試驗結果顯示,水輪機能量性能、空化性能、穩(wěn)定性能良好。

3.2.3 24 kV/26 kV絕緣技術及仿真試驗專題研究

哈電、東電24 kV/26 kV線棒采用的絕緣技術在絕緣材料、結構、工藝等方面均不相同,表 6列出了 2廠及 2個電壓等級的絕緣技術的異同點。

哈電采用多膠模壓的成型工藝,其24 kV/26 kV線棒主絕緣的厚度值較東電少膠真空壓力浸漬線棒取值高,相應場強取值與東電相比較低。2種工藝線棒常規(guī)性能參數(shù)均能較好的滿足本項目技術條件的要求。

在環(huán)境模擬試驗方面,哈電24 kV/26 kV線棒的介損和局放均無明顯增加;東電24 kV個別線棒則在試驗后上述 2參數(shù)出現(xiàn)較大變化,為此東電進行了專門的分析,提出了相應的改進和補充試驗措施。

表6 定子線棒 2種絕緣工藝比較Tab.6 Com parison between two insulation technologies of stator bar

綜合而言,哈電的多膠模壓和東電的少膠VPI絕緣技術均是成熟可靠的,2種方式下的 24 kV/ 26 kV線棒常規(guī)性能參數(shù)均能較好的滿足本項目技術條件的要求。另外,哈電采用的絕緣技術方案和工藝能較好地適應環(huán)境模擬試驗的要求,東電24 kV線棒則需要在絕緣結構、導線、工藝及場強參數(shù)取值等方面進行適當改進和調整,以滿足環(huán)境模擬試驗的相關要求。

3.2.4 《1 000 MW水輪發(fā)電機組技術標準和規(guī)范?！奉}研究

《1 000 MW水輪發(fā)電機組技術標準和規(guī)范》是在烏東德、白鶴灘電站1 000 MW機組總體研究和專項研究的基礎上,參考國內包括三峽機組在內的巨型機組的應用經(jīng)驗上提出的,符合烏東德、白鶴灘電站具體條件及巨型機組設計、制造、安裝、運行等方面的實際情況,可以作為今后1 000MW機組進一步研究的基本依據(jù)和參考。

4 需要進一步解決的研究問題

第 1、2階段研究成果表明無論是工程的建設條件、工程設計、機組自身的設計和制造以及經(jīng)濟合理性等方面,烏東德和白鶴灘2電站采用1 000 MW級水輪發(fā)電機組是可行的。但是如何在上述研究成果的基礎上,進一步提高1 000 MW級水輪發(fā)電機組的設計和制造技術水平,增加新技術、新工藝、新材料的創(chuàng)新含量,繼續(xù)開展第 3階段1 000MW級機組新技術、新工藝、新材料創(chuàng)新研究是非常必要的。研究重點初步擬定為:

(1)不同單機容量土建工程的可靠度研究;

(2)不同單量機組對電網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定性影響研究(正在進行);

(3)1 000 MW機組大負荷、大瓦面積推力軸承及試驗研究(正在進行);

(4)1 000MW全空冷發(fā)電機通風模型試驗研究(正在進行);

(5)1 000MW蒸發(fā)冷卻發(fā)電機冷卻模型試驗研究、新型冷卻介質研究;

(6)1 000MW水輪機水力設計及模型試驗優(yōu)化研究;

(7)發(fā)電機定子低頻振動的研究;

(8)軸系與機電耦合振動研究;

(9)推力軸承磁懸浮減載系統(tǒng)的調研;

(10)1 000 MW水輪機主要部件材料研究;

(11)1 000 MW發(fā)電機關鍵部件材料的研究;

(12)1 000 MW水輪發(fā)電機組附屬配套設備研究。

5 結語

依托烏東德、白鶴灘電站工程進行百萬千瓦機組的研究,具有重要的現(xiàn)實意義和較廣闊的應用前景。烏東德、白鶴灘水電站具備裝設1 000 MW水輪發(fā)電機組的條件,且技術可行,經(jīng)濟合理。從本階段的研究成果來看,無論是總體技術研究、專項研究,還是技術標準的制定,都表明立足國內技術,烏東德、白鶴灘1 000 MW水輪發(fā)電機組總體設計和制造是可行的。通過第3階段的研究,有信心進一步提高1 000 MW水輪發(fā)電機組的設計、制造。1 000 MW水輪發(fā)電機組的研究、設計、制造,并應用于烏東德、白鶴灘工程,必將進一步鞏固我國水電行業(yè)在世界的領先地位。

[1]華東勘測設計研究院.金沙江白鶴灘水電站預可行性研究報告[R].杭州:華東勘測設計研究院,2004.

[2]華東勘測設計研究院.金沙江白鶴灘水電站裝設百萬機組可行性研究報告[R].杭州:華東勘測設計研究院,2007.

[3]長江勘測規(guī)劃設計研究院.金沙江烏東德水電站裝設百萬機組可行性研究報告[R].武漢:長江勘測規(guī)劃設計研究院,2007.

[4]中國長江三峽集團公司.大型混流式水輪發(fā)電機組調查總結報告[R].宜昌:中國長江三峽集團公司,2009.

[5]哈爾濱電機廠有限責任公司.金沙江白鶴灘 1 000MW機組水輪機水力開發(fā)報告[R].哈爾濱:哈爾濱電機廠有限責任公司,2009.

[6]哈爾濱電機廠有限責任公司.金沙江白鶴灘 1 000MW機組總體設計報告[R].哈爾濱:哈爾濱電機廠有限責任公司,2009.

[7]哈爾濱電機廠有限責任公司.金沙江烏東德 1 000MW機組水輪機水力開發(fā)報告[R].哈爾濱:哈爾濱電機廠有限責任公司,2009.

[8]哈爾濱電機廠有限責任公司.金沙江烏東德 1 000MW機組總體設計報告[R].哈爾濱:哈爾濱電機廠有限責任公司,2009.

[9]東方電機有限公司.金沙江白鶴灘 1 000MW機組水輪機水力開發(fā)報告[R].德陽:東方電機有限公司,2009.

[10]東方電機有限公司.金沙江白鶴灘 1 000MW機組總體設計報告[R].德陽:東方電機有限公司,2009.

[11]東方電機有限公司.金沙江烏東德 1 000MW機組水輪機水力開發(fā)報告[R].德陽:東方電機有限公司,2009.

[12]東方電機有限公司.金沙江烏東德 1 000MW機組總體設計報告[R].德陽:東方電機有限公司,2009.