張軍智，何振忠，王子瑞，苑連軍，段宏江

(1.中國電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，西安 710065;2.青海黃河李家峽發(fā)電分公司，青海 坎布拉 811999)

0 前 言

隨著近年來青海省太陽能發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電的大力發(fā)展，李家峽水電站承擔(dān)調(diào)峰及備用任務(wù)更加突出，水電站機(jī)組的運(yùn)行方式已由傳統(tǒng)運(yùn)行方式逐步轉(zhuǎn)變?yōu)榕浜巷L(fēng)光水多能互補(bǔ)的新型運(yùn)行方式，即靈活調(diào)節(jié)出力以平抑風(fēng)光等出力的波動(dòng)性。在此背景下，李家峽水電站水輪機(jī)需適應(yīng)風(fēng)光水多能互補(bǔ)的運(yùn)行方式，并要求長時(shí)間運(yùn)行在低負(fù)荷甚至超低負(fù)荷工況。同時(shí)，李家峽水電站4臺(tái)機(jī)組自投運(yùn)以來，轉(zhuǎn)輪葉片相繼發(fā)生不同程度的裂紋，雖經(jīng)反復(fù)修補(bǔ)仍未得到根本解決，葉片裂紋仍然發(fā)生。機(jī)組每年的2次C級(jí)檢修均需對(duì)轉(zhuǎn)輪裂紋進(jìn)行補(bǔ)焊處理，轉(zhuǎn)輪葉片裂紋的存在和重復(fù)發(fā)生是影響電站機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行的最主要因素，電站決定對(duì)水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪進(jìn)行改造以徹底解決轉(zhuǎn)輪裂紋問題?；诖耍瑸榱藢?shí)現(xiàn)李家峽水電站水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪改造目標(biāo)，解決轉(zhuǎn)輪葉片裂紋問題，還需在此基礎(chǔ)上擴(kuò)大水輪機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行范圍，實(shí)現(xiàn)水輪機(jī)全負(fù)荷范圍穩(wěn)定經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，即實(shí)現(xiàn)水輪機(jī)在0～100%全負(fù)荷范圍穩(wěn)定經(jīng)濟(jì)運(yùn)行且不發(fā)生裂紋,以滿足風(fēng)光水多能互補(bǔ)運(yùn)行的要求。

本文依托李家峽水電站水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪改造工程，對(duì)風(fēng)光水多能互補(bǔ)混流式水輪機(jī)全負(fù)荷范圍穩(wěn)定經(jīng)濟(jì)運(yùn)行設(shè)計(jì)進(jìn)行總結(jié)，旨在提出風(fēng)光水多能互補(bǔ)混流式水輪機(jī)全負(fù)荷運(yùn)行的水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪改造設(shè)計(jì)關(guān)鍵點(diǎn)，為風(fēng)光水多能互補(bǔ)運(yùn)行水電站水輪機(jī)設(shè)計(jì)提供借鑒。

1 風(fēng)光水多能互補(bǔ)運(yùn)行中水電站功能發(fā)揮

風(fēng)光水多能互補(bǔ)運(yùn)行中水電站功能發(fā)揮(混流式水輪機(jī)0～100%全負(fù)荷范圍穩(wěn)定經(jīng)濟(jì)運(yùn)行由來)。

1.1 李家峽水電站水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪裂紋情況

李家峽水電站是黃河上游龍羊峽-青銅峽河段規(guī)劃的第三座大型梯級(jí)電站。電站共設(shè)計(jì)安裝5臺(tái)混流式水輪發(fā)電機(jī)組，單機(jī)容量400 MW，總裝機(jī)容量2 000 MW。目前裝機(jī)4臺(tái)，預(yù)留1臺(tái)。李家峽水電站與西北330 kV電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)，主供西北四省，在系統(tǒng)中擔(dān)任調(diào)峰、調(diào)頻任務(wù)。

李家峽水電站1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)機(jī)組分別于1997年2月、1997年12月、1998年5月、1999年12月投產(chǎn)。自1997年2月首臺(tái)機(jī)正式并網(wǎng)投入運(yùn)行至今，4臺(tái)機(jī)組轉(zhuǎn)輪葉片相繼發(fā)生不同程度的裂紋，裂紋發(fā)生部位主要集中在葉片出水邊與上冠連接焊縫處，葉片出水邊與下環(huán)連接焊縫處也出現(xiàn)過裂紋，裂紋多為貫穿性裂紋。多年來，相關(guān)單位從材料、焊接工藝、模型和真機(jī)尾水管壓力脈動(dòng)及轉(zhuǎn)輪動(dòng)力響應(yīng)等方面作了大量的分析和試驗(yàn)工作，分析了裂紋原因。相關(guān)單位亦進(jìn)行了多次修復(fù)工作，但在后續(xù)的檢查中，仍有裂紋出現(xiàn)，各臺(tái)機(jī)裂紋情況也有所不同。轉(zhuǎn)輪裂紋問題多年來一直未得到根本解決，很多葉片經(jīng)過多次返修焊接，葉片材料及焊接性能不斷降低，部分葉片裂紋反復(fù)出現(xiàn)，甚至發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)輪葉片有掉片現(xiàn)象，機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行已經(jīng)受到嚴(yán)重的威脅。水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪裂紋已成為制約李家峽水電站安全穩(wěn)定運(yùn)行的重大設(shè)備隱患。

1.2 配合新能源運(yùn)行的現(xiàn)實(shí)需求

圖1和圖2為李家峽水電站某一臺(tái)水輪機(jī)2個(gè)典型日內(nèi)的負(fù)荷變化情況。從中可以看出，一天內(nèi)的負(fù)荷變化呈現(xiàn)高頻率、大變幅的特點(diǎn)。隨著近年來青海省太陽能發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電的大力發(fā)展，在進(jìn)行李家峽水電站轉(zhuǎn)輪改造解決裂紋問題的同時(shí)，必須考慮以后電站經(jīng)?！八饣パa(bǔ)”、“水風(fēng)互補(bǔ)”的現(xiàn)狀，即電站的運(yùn)行方式已轉(zhuǎn)變?yōu)榕浜巷L(fēng)光水多能互補(bǔ)運(yùn)行方式的新問題。轉(zhuǎn)輪裂紋問題的解決是當(dāng)前電站安全穩(wěn)定運(yùn)行最重要的研究課題，而電站新的運(yùn)行方式及特點(diǎn)，又是保證機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性、解決轉(zhuǎn)輪裂紋問題的難點(diǎn)所在。李家峽水電站轉(zhuǎn)輪改造的任務(wù)就是在解決轉(zhuǎn)輪裂紋的基礎(chǔ)上盡可能擴(kuò)大水輪機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行范圍，能實(shí)現(xiàn)水輪機(jī)全負(fù)荷范圍穩(wěn)定經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，即實(shí)現(xiàn)水輪機(jī)0～100%全負(fù)荷范圍穩(wěn)定經(jīng)濟(jì)運(yùn)行且不發(fā)生裂紋,以滿足風(fēng)光水多能互補(bǔ)運(yùn)行的要求。

圖1 李家峽水電站調(diào)頻數(shù)據(jù)

2 混流式水輪機(jī)0～100%全負(fù)荷范圍穩(wěn)定經(jīng)濟(jì)運(yùn)行設(shè)計(jì)關(guān)鍵點(diǎn)

李家峽水電站轉(zhuǎn)輪改造的難點(diǎn)是解決轉(zhuǎn)輪裂紋問題，而電站配合新能源互補(bǔ)的新運(yùn)行方式及特點(diǎn)，又是保證機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性、解決轉(zhuǎn)輪裂紋問題的難點(diǎn)所在。在李家峽水電站轉(zhuǎn)輪改造設(shè)計(jì)中，要實(shí)現(xiàn)在水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪不發(fā)生裂紋的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)水輪機(jī)0～100%全負(fù)荷范圍穩(wěn)定經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，涉及到兩個(gè)重點(diǎn)問題：一是尋求李家峽水電站轉(zhuǎn)輪裂紋成因；二是尋求李家峽水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪改造設(shè)計(jì)關(guān)鍵點(diǎn)并提出解決思路。

圖2 李家峽水電站調(diào)頻數(shù)據(jù)

2.1 李家峽水電站水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪裂紋成因分析

李家峽水電站轉(zhuǎn)輪裂紋歷時(shí)時(shí)間長、裂紋問題嚴(yán)重、裂紋成因復(fù)雜。為探討裂紋成因，有關(guān)單位進(jìn)行了部分的試驗(yàn)研究工作，進(jìn)行了1號(hào)機(jī)組水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片動(dòng)應(yīng)力測(cè)試等試驗(yàn)。從目前已知的水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片裂紋的事例來看，葉片裂紋產(chǎn)生的主要原因應(yīng)該是疲勞破壞，也就是動(dòng)應(yīng)力作用的結(jié)果。產(chǎn)生動(dòng)應(yīng)力的原因主要包括卡門渦、周期性脫流、尾水渦帶振動(dòng)、轉(zhuǎn)輪進(jìn)口的壓力脈動(dòng)和動(dòng)靜干擾等水動(dòng)力作用，也可能包括機(jī)械不平衡或者電磁力的作用。但對(duì)于一臺(tái)具體的機(jī)組，究竟是哪一種因素引起的動(dòng)載荷是主要因素，該載荷引起的應(yīng)力幅值又有多大，卻很難判斷，需通過詳細(xì)的分析和試驗(yàn)等進(jìn)行判斷。在目前尚不能對(duì)動(dòng)應(yīng)力進(jìn)行準(zhǔn)確數(shù)學(xué)計(jì)算的情況下，開展真機(jī)實(shí)測(cè)幾乎是掌握轉(zhuǎn)輪葉片在運(yùn)行狀態(tài)下的動(dòng)應(yīng)力狀況的唯一途徑。

為了解李家峽轉(zhuǎn)輪葉片裂紋成因，對(duì)轉(zhuǎn)輪葉片進(jìn)行了動(dòng)應(yīng)力測(cè)試，以掌握在各運(yùn)行工況下的動(dòng)應(yīng)力和靜應(yīng)力水平分布情況及動(dòng)應(yīng)力的頻率特征，以判別各因素對(duì)動(dòng)應(yīng)力的影響，從而分析裂紋成因。根據(jù)測(cè)試結(jié)果，在各穩(wěn)定工況下，從各測(cè)點(diǎn)和各工況的數(shù)據(jù)分析，動(dòng)應(yīng)力幅值最大的幾個(gè)頻率分別是41.7、1.6、2.1 Hz，這分別是20倍轉(zhuǎn)頻、類轉(zhuǎn)頻和轉(zhuǎn)頻。影響最大的應(yīng)力數(shù)據(jù)見表1。

從上表1可知，其中41.7 Hz的應(yīng)力,其頻率為20倍的轉(zhuǎn)頻，李家峽水電站活動(dòng)導(dǎo)葉數(shù)為20個(gè)，活動(dòng)導(dǎo)葉對(duì)轉(zhuǎn)輪葉片的干擾所引起的動(dòng)應(yīng)力頻率就是20倍轉(zhuǎn)頻，從原理上分析，此頻率應(yīng)力應(yīng)該為活動(dòng)導(dǎo)葉出口處的周期性速度分布引起的“動(dòng)靜干擾”引起。頻率為1.6 Hz的動(dòng)應(yīng)力為受渦帶影響而發(fā)生的類轉(zhuǎn)頻引起，頻率為2.1 Hz的動(dòng)應(yīng)力為轉(zhuǎn)頻引起。穩(wěn)定工況下，動(dòng)應(yīng)力通頻幅值大體上等于上述3個(gè)分頻值(41.7、1.6、2.1 Hz)的和，說明其它因素所產(chǎn)生的動(dòng)應(yīng)力幅值較小。測(cè)量中沒有卡門渦、葉道渦等因素所引起的動(dòng)應(yīng)力。說明這些因素所引起的動(dòng)應(yīng)力幅值較小，這些因素不是產(chǎn)生裂紋的主要原因。

表1 影響最大的應(yīng)力數(shù)據(jù)

綜合以上各點(diǎn),其中頻率為41.7 Hz的動(dòng)應(yīng)力，其分布范圍廣、幅值大、頻率高，是造成李家峽水電站轉(zhuǎn)輪葉片裂紋的主要原因。故李家峽水電站轉(zhuǎn)輪裂紋是在葉片上較高的殘余應(yīng)力疊加實(shí)測(cè)的靜應(yīng)力，在交變的動(dòng)應(yīng)力作用下產(chǎn)生的疲勞裂紋。

國內(nèi)外很多混流式水輪機(jī)在運(yùn)行中出現(xiàn)不同程度的轉(zhuǎn)輪裂紋，縱觀各電站裂紋情況，轉(zhuǎn)輪裂紋產(chǎn)生的原因各不相同且原因非常復(fù)雜。以上僅基于已做的試驗(yàn)研究分析推斷李家峽轉(zhuǎn)輪裂紋成因，考慮轉(zhuǎn)輪裂紋成因的復(fù)雜性及李家峽水電站的具體特點(diǎn)，還需組織召開行業(yè)內(nèi)專家研討會(huì)，以進(jìn)一步明確李家峽轉(zhuǎn)輪裂紋成因及提出解決措施。

2.2 水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪改造設(shè)計(jì)關(guān)鍵點(diǎn)

2.2.1水力設(shè)計(jì)邊界條件、水輪機(jī)運(yùn)行加權(quán)因子

為開發(fā)出符合李家峽水電站實(shí)際運(yùn)行情況的水輪機(jī)，有必要對(duì)水輪機(jī)加權(quán)因子進(jìn)行研究以指導(dǎo)水輪機(jī)水力設(shè)計(jì)。以往電站水輪機(jī)加權(quán)因子主要基于水輪機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行范圍為相應(yīng)水頭下保證功率的45%～100%，按照水能計(jì)算發(fā)電量最大而確定，而隨著光伏、風(fēng)電等新能源的發(fā)展，水輪機(jī)運(yùn)行方式發(fā)生了變化，水電站已由發(fā)電最優(yōu)轉(zhuǎn)向調(diào)能最優(yōu)這一現(xiàn)實(shí)需要，水輪機(jī)實(shí)際運(yùn)行范圍不是僅限于相應(yīng)水頭下保證功率的45%～100%，對(duì)此種情況的水輪機(jī)運(yùn)行加權(quán)因子如何確定尚沒有研究先例，為此基于實(shí)際運(yùn)行情況的統(tǒng)計(jì)設(shè)計(jì)法來尋求李家峽水電站水輪機(jī)運(yùn)行加權(quán)因子。以各機(jī)組長系列運(yùn)行資料為前提，建立了基于數(shù)理統(tǒng)計(jì)的水輪機(jī)運(yùn)行加權(quán)因子計(jì)算模型，將各機(jī)組的出力和水頭進(jìn)行分區(qū)、篩選、組合，構(gòu)建聯(lián)合分布函數(shù)，采用統(tǒng)計(jì)方法獲得每種組合的樣本數(shù)，與總樣本數(shù)的比值即為各機(jī)組在不同出力、水頭區(qū)間內(nèi)的加權(quán)因子。

在設(shè)計(jì)過程中，共收集了李家峽水電站2014—2016年小時(shí)尺度運(yùn)行資料，主要包括小時(shí)尺度的發(fā)電流量，上下游水位，單機(jī)出力資料。同時(shí)考慮隨著青海大量光伏電站及新能源電站投入運(yùn)行，李家峽水電站承擔(dān)的角色逐步發(fā)生了變化，為了充分研究分析光伏電站運(yùn)行對(duì)李家峽水電站的影響，本次研究將李家峽水電站的運(yùn)行分成3個(gè)時(shí)段，分別是無光伏影響時(shí)段(2000—2012年)，弱光伏影響時(shí)段(2013—2014年)，強(qiáng)光伏影響時(shí)段(2015—2016年)，其中2015年和2016年電站實(shí)際運(yùn)行情況類似于未來電站的運(yùn)行模式，比較有代表性。李家峽水電站水輪機(jī)運(yùn)行加權(quán)因子對(duì)比結(jié)果如圖3所示。

結(jié)合青海目前光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電等新能源的發(fā)展及將來李家峽水電站運(yùn)行模式的預(yù)估，論證適合于李家峽水電站實(shí)際情況的水輪機(jī)運(yùn)行加權(quán)因子，并與改造前水輪機(jī)運(yùn)行加權(quán)因子進(jìn)行對(duì)比，如圖4所示。

從圖3和圖4可知，隨著青海光伏、風(fēng)電等新能源的不斷發(fā)展和逐步擴(kuò)大，李家峽水電站水輪機(jī)運(yùn)行加權(quán)因子發(fā)生了大的變化，隨著青海光伏、風(fēng)電等新能源的持續(xù)快速發(fā)展，電站水輪機(jī)運(yùn)行方式基本上是白天較小的出力，夜間較大的出力，水輪機(jī)運(yùn)行加權(quán)因子分布呈現(xiàn)0～100%全負(fù)荷范圍分布、權(quán)重大的負(fù)荷主要分布在低負(fù)荷和高負(fù)荷區(qū)?；陔娬緦?shí)際運(yùn)行情況并預(yù)估將來適應(yīng)風(fēng)光水多能互補(bǔ)的運(yùn)行方式，通過統(tǒng)計(jì)設(shè)計(jì)法尋求電站將來的水輪機(jī)運(yùn)行加權(quán)因子，明確水輪機(jī)水力設(shè)計(jì)的方向和重點(diǎn)，從而指導(dǎo)李家峽水電站水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪改造水輪機(jī)設(shè)計(jì)，是本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素。

圖3 李家峽水電站水輪機(jī)運(yùn)行加權(quán)因子對(duì)比

圖4 李家峽水電站水輪機(jī)運(yùn)行加權(quán)因子對(duì)比

2.2.2水輪機(jī)0～100%全負(fù)荷范圍內(nèi)穩(wěn)定經(jīng)濟(jì)運(yùn)行設(shè)計(jì)關(guān)鍵點(diǎn)

李家峽水電站水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪改造設(shè)計(jì)是在水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪不發(fā)生裂紋的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)0～100%全負(fù)荷范圍穩(wěn)定經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，轉(zhuǎn)輪的防裂紋設(shè)計(jì)是水輪機(jī)設(shè)計(jì)工作的重點(diǎn)內(nèi)容之一，防裂紋設(shè)計(jì)的主要原則是轉(zhuǎn)輪要具有足夠的疲勞強(qiáng)度和抗裂紋擴(kuò)展能力。因此，預(yù)防轉(zhuǎn)輪裂紋主要應(yīng)從水力設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、振動(dòng)、材質(zhì)、制造工藝以及運(yùn)行工況等諸多方面進(jìn)行考慮。隨著國內(nèi)外加工制造水平的提高，在材質(zhì)和制造工藝方面均有大的發(fā)展，主要關(guān)鍵點(diǎn)集中在水力設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中。李家峽水電站轉(zhuǎn)輪改造設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了水力設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的結(jié)合。圖5為水輪機(jī)水力設(shè)計(jì)基本流程。

圖5 水輪機(jī)集成設(shè)計(jì)過程

水力設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是在不改變機(jī)組原有流道及埋件的前提下，研究、開發(fā)、設(shè)計(jì)、制造出適用于電站實(shí)際運(yùn)行工況的、在所有運(yùn)行區(qū)域內(nèi)轉(zhuǎn)輪都不再發(fā)生裂紋、運(yùn)行穩(wěn)定性優(yōu)良的新型轉(zhuǎn)輪。主要進(jìn)行了活動(dòng)導(dǎo)葉和模型轉(zhuǎn)輪的優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)活動(dòng)導(dǎo)葉翼型、個(gè)數(shù)、分布圓直徑和轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并在消除卡門渦、預(yù)防葉道渦的同時(shí)，降低全負(fù)荷區(qū)壓力脈動(dòng)幅值。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與水力設(shè)計(jì)同步進(jìn)行，設(shè)計(jì)過程中要求轉(zhuǎn)輪葉片設(shè)計(jì)的最大靜應(yīng)力不得超過材料屈服強(qiáng)度的1/5(且不超過90 MPa)；考慮動(dòng)應(yīng)力時(shí)葉片計(jì)算的最大應(yīng)力不應(yīng)超過材料屈服強(qiáng)度的1/4，進(jìn)一步量化應(yīng)力考核標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)水輪機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)指明方向。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)重點(diǎn)是進(jìn)一步提高轉(zhuǎn)輪的疲勞強(qiáng)度和抗裂紋擴(kuò)展能力，對(duì)葉片出水邊與上冠以及下環(huán)交接處進(jìn)行局部加厚，施加降低應(yīng)力的三角塊；進(jìn)行轉(zhuǎn)輪疲勞強(qiáng)度分析和斷裂力學(xué)評(píng)估分析，通過降低靜應(yīng)力水平，避免動(dòng)靜干涉和相位共振發(fā)生，降低壓力脈動(dòng)幅值來提高轉(zhuǎn)輪的疲勞強(qiáng)度。

3 李家峽水電站水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪改造效果

在招標(biāo)設(shè)計(jì)階段，考慮李家峽水電站轉(zhuǎn)輪改造難度大，為充分調(diào)動(dòng)各潛在機(jī)組投標(biāo)廠的積極性，將各設(shè)計(jì)關(guān)鍵點(diǎn)落在實(shí)處，按照“好中選優(yōu)”的指導(dǎo)思想，李家峽水電站水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪改造招標(biāo)采用帶模型轉(zhuǎn)輪同臺(tái)對(duì)比的招標(biāo)方式。經(jīng)過近1 a的轉(zhuǎn)輪模型研發(fā)，主機(jī)廠按照改造設(shè)計(jì)總體要求，開展活動(dòng)導(dǎo)葉和轉(zhuǎn)輪的研發(fā)，進(jìn)行雙列葉柵水力優(yōu)化設(shè)計(jì)和通流部件CFD數(shù)值計(jì)算與優(yōu)化設(shè)計(jì)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行模型裝置和模型轉(zhuǎn)輪的車間加工，依據(jù)模型試驗(yàn)結(jié)果重新修改優(yōu)化水力設(shè)計(jì)和CFD計(jì)算，經(jīng)過多輪次的廠內(nèi)模型試驗(yàn)后選定最優(yōu)方案。于2018年3月至5月在中國水利水電科學(xué)研究院水力機(jī)械實(shí)驗(yàn)室TP3試驗(yàn)臺(tái)上完成了模型轉(zhuǎn)輪同臺(tái)對(duì)比試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，3個(gè)同臺(tái)對(duì)比廠家模型試驗(yàn)中，各項(xiàng)指標(biāo)均滿足招標(biāo)文件要求，均能滿足水輪機(jī)0～100%全負(fù)荷范圍穩(wěn)定運(yùn)行，也間接促進(jìn)了水力機(jī)械行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步。

圖6 改造前后頂蓋振動(dòng)對(duì)比

圖6和圖7為李家峽水電站水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪改造前后真機(jī)運(yùn)行頂蓋振動(dòng)和壓力脈動(dòng)的對(duì)比情況，從穩(wěn)定性試驗(yàn)表明，在全負(fù)荷范圍內(nèi)頂蓋振動(dòng)、頂蓋壓力脈動(dòng)、水導(dǎo)擺度和水車室噪音等指標(biāo)與改造前相比明顯改善(400 MW負(fù)荷下，改造前頂蓋水平振動(dòng)29.9 μm、垂直振動(dòng)24.7 μm、壓力脈動(dòng)17.95 kPa，改造后頂蓋水平振動(dòng)13.54 μm、垂直振動(dòng)13.95 μm、壓力脈動(dòng)15.76 kPa)。全負(fù)荷范圍內(nèi)轉(zhuǎn)輪葉片最大靜壓力不大于82.5 MPa，動(dòng)應(yīng)力小于20 MPa，可以滿足0～100%全負(fù)荷運(yùn)行要求。

圖7 改造前后頂蓋壓力脈動(dòng)對(duì)比

李家峽水電站水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪改造首臺(tái)機(jī)3號(hào)機(jī)組完成改造自2020年6月10日并網(wǎng)發(fā)電，機(jī)組運(yùn)行方式為風(fēng)光水多能互補(bǔ)的運(yùn)行方式，截止至2021年1月7日C級(jí)檢修已運(yùn)行了4 882 h，經(jīng)探傷檢查未發(fā)現(xiàn)裂紋，實(shí)現(xiàn)了無裂紋的目標(biāo)。李家峽水電站水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪改造工程主要目標(biāo)是解決轉(zhuǎn)輪葉片裂紋問題，為適應(yīng)風(fēng)光水多能互補(bǔ)的運(yùn)行方式和機(jī)組長時(shí)間運(yùn)行在低負(fù)荷甚至超低負(fù)荷的狀況，水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪改造設(shè)計(jì)以安全穩(wěn)定性為主，側(cè)重于低負(fù)荷甚至超低負(fù)荷的穩(wěn)定性，兼顧高負(fù)荷的效率，實(shí)現(xiàn)0～100%全負(fù)荷范圍安全穩(wěn)定運(yùn)行。改造后的水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的水力設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度表現(xiàn)出對(duì)風(fēng)光水多能互補(bǔ)運(yùn)行良好的適應(yīng)性，極大提高了機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性，全面提升了電站形象。

4 結(jié) 論

李家峽水電站轉(zhuǎn)輪裂紋歷時(shí)時(shí)間長、裂紋問題嚴(yán)重、裂紋成因復(fù)雜，困擾電站20多年，同時(shí)考慮我國新能源的大力發(fā)展，李家峽水電站轉(zhuǎn)輪改造設(shè)計(jì)同時(shí)面臨著風(fēng)光水多能互補(bǔ)運(yùn)行的要求，通過對(duì)風(fēng)光水多能互補(bǔ)混流式水輪機(jī)全負(fù)荷范圍穩(wěn)定經(jīng)濟(jì)運(yùn)行設(shè)計(jì)進(jìn)行分析總結(jié)，得出結(jié)論如下：

(1) 李家峽水輪機(jī)活動(dòng)導(dǎo)葉對(duì)轉(zhuǎn)輪葉片的干擾所引起的動(dòng)應(yīng)力頻率為41.7 Hz的動(dòng)應(yīng)力，其分布范圍廣、幅值大、頻率高，是造成李家峽水電站轉(zhuǎn)輪葉片裂紋的主要原因。轉(zhuǎn)輪裂紋是在葉片上較高的殘余應(yīng)力疊加實(shí)測(cè)的靜應(yīng)力，在交變的動(dòng)應(yīng)力作用下產(chǎn)生疲勞裂紋。

(2) 從水力設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、振動(dòng)、材質(zhì)、制造工藝以及運(yùn)行工況等方面考慮，提升轉(zhuǎn)輪的疲勞強(qiáng)度和抗裂紋擴(kuò)展能力，實(shí)現(xiàn)裂紋預(yù)防。

(3) 以各機(jī)組長系列運(yùn)行資料為前提，建立了基于數(shù)理統(tǒng)計(jì)的水輪機(jī)運(yùn)行加權(quán)因子計(jì)算模型，將各機(jī)組的出力和水頭進(jìn)行分區(qū)、篩選、組合，構(gòu)建聯(lián)合分布函數(shù)，提出了適應(yīng)電站實(shí)際運(yùn)行情況、滿足多能互補(bǔ)運(yùn)行需要的水輪機(jī)運(yùn)行加權(quán)因子分布設(shè)計(jì)方法。

(4) 為適應(yīng)風(fēng)光水多能互補(bǔ)的運(yùn)行方式和機(jī)組長時(shí)間運(yùn)行在低負(fù)荷甚至超低負(fù)荷的狀況，水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪改造設(shè)計(jì)以安全穩(wěn)定性為主，側(cè)重于低負(fù)荷甚至超低負(fù)荷的穩(wěn)定性，兼顧高負(fù)荷的效率，實(shí)現(xiàn)了0～100%全負(fù)荷范圍安全穩(wěn)定運(yùn)行。

5 結(jié) 語

目前中國風(fēng)光清潔能源大力發(fā)展深度改變了傳統(tǒng)水電站水輪機(jī)運(yùn)行方式，水電站已由發(fā)電最優(yōu)轉(zhuǎn)向調(diào)能最優(yōu)，本文結(jié)合李家峽水電站水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪改造工程，對(duì)風(fēng)光水多能互補(bǔ)運(yùn)行水電站提出了設(shè)計(jì)思路和建議，對(duì)轉(zhuǎn)輪葉片裂紋成因進(jìn)行了總結(jié)分析，并在轉(zhuǎn)輪改造設(shè)計(jì)中首次提出水輪機(jī)需滿足0～100%全負(fù)荷穩(wěn)定運(yùn)行這一課題，給風(fēng)光水多能互補(bǔ)運(yùn)行下水電站水輪機(jī)設(shè)計(jì)提供了新的視角。李家峽水電站首臺(tái)改造轉(zhuǎn)輪為3號(hào)機(jī)轉(zhuǎn)輪，2020年6月10日，3號(hào)機(jī)組完成改造，經(jīng)72 h試運(yùn)行，正式投產(chǎn)發(fā)電。截至2021年1月7日，3號(hào)機(jī)組已穩(wěn)定運(yùn)行了4 882 h，經(jīng)C級(jí)檢修，轉(zhuǎn)輪未發(fā)現(xiàn)裂紋，并實(shí)現(xiàn)了0～100%全負(fù)荷范圍安全穩(wěn)定運(yùn)行，改造后的轉(zhuǎn)輪基本達(dá)到既定的目標(biāo)。

為助力實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和的目標(biāo)，我國將構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)，風(fēng)電、光伏發(fā)電等新能源將大規(guī)模高比例發(fā)展。為平抑風(fēng)光等出力的波動(dòng)和促進(jìn)風(fēng)、光新能源的消納，未來水電站水輪機(jī)運(yùn)行方式將發(fā)生更為深刻的變化，風(fēng)光水多能互補(bǔ)運(yùn)行中水輪機(jī)實(shí)現(xiàn)0～100%全負(fù)荷范圍穩(wěn)定經(jīng)濟(jì)運(yùn)行將成為現(xiàn)實(shí)選擇。李家峽水電站水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪改造雖取得了一些經(jīng)驗(yàn)，但實(shí)現(xiàn)風(fēng)光水多能互補(bǔ)運(yùn)行中混流式水輪機(jī)0～100%全負(fù)荷范圍穩(wěn)定經(jīng)濟(jì)運(yùn)行還需進(jìn)一步深入研究。