方杰 曹春建 方曉紅 李勝兵

摘要：白鶴灘水電站裝設(shè)有16臺1 000 MW水輪發(fā)電機組，機組單機容量為目前世界水電之最。機組運行水頭為163.9～243.1 m，電站運行水頭變幅和單機容量均較大。因此，合理確定水輪機主要參數(shù)及其結(jié)構(gòu)型式是保證世界最大水電機組安全穩(wěn)定、高效運行的關(guān)鍵?；谏鲜霰尘皸l件，運用數(shù)理統(tǒng)計方法，通過委托水力開發(fā)以及開展技術(shù)交流等型式和手段，對機組的額定水頭、額定轉(zhuǎn)速、穩(wěn)定性以及空化系數(shù)等參數(shù)和指標(biāo)展開了分析，并對機組主要部件的材質(zhì)和結(jié)構(gòu)形式開展了專項研究。結(jié)果表明：相關(guān)成果與后續(xù)采購機組的技術(shù)方案符合性較好，可為中國制造廠生產(chǎn)出世界領(lǐng)先水平的1 000 MW水電機組提供關(guān)鍵技術(shù)支撐。

關(guān) 鍵 詞：1 000 MW水輪發(fā)電機組; 水輪機主要參數(shù); 機組結(jié)構(gòu)型式; 白鶴灘水電站

中圖法分類號： TV734 ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2022.01.021

0 引 言

白鶴灘水電站采用16臺1 000 MW水輪發(fā)電機組，運行水頭為163.9～243.1 m。電站的水頭變幅和單機容量均較大，特別是采用的1 000 MW機組容量為目前世界水電之最[1]。根據(jù)水庫運行方式和運行特點，考慮到電站汛期容量、電量效益發(fā)揮、機組運行穩(wěn)定性和滿足電網(wǎng)用電需求等因素，在對小灣[2]、溪洛渡[3]、糯扎渡[4]、三峽[5]等水電站水輪機參數(shù)及結(jié)構(gòu)型式開展分析的基礎(chǔ)上，認(rèn)為對于1 000 MW機組參數(shù)及結(jié)構(gòu)型式的選擇，應(yīng)將運行穩(wěn)定性放在首位，同時兼顧電站的能量和經(jīng)濟效益。通過與中國制造廠開展1 000 MW機組總體方案技術(shù)交流，并委托中國制造廠開展水力研發(fā)和模型試驗，基于分析和試驗結(jié)果，提出了白鶴灘水電站水輪機的額定水頭為202 m。通過對水輪機比轉(zhuǎn)速水平和發(fā)電機槽電流技術(shù)、經(jīng)濟合理性的分析，保留了107.1 r/min和111.1 r/min兩檔額定轉(zhuǎn)速方案。水輪機穩(wěn)定運行范圍為60%～100%保證功率，穩(wěn)定運行范圍內(nèi)以不出現(xiàn)葉道渦、葉片出水邊可見卡門渦、葉片正背面脫流為控制條件，要求在60%～100%保證功率范圍內(nèi)的頂蓋和尾水管壓力脈動混頻峰峰值不大于3%。為了提高水輪機的穩(wěn)定運行范圍、運行指標(biāo)和能量指標(biāo)，對250 m水頭段水輪機轉(zhuǎn)輪選用了長短葉片轉(zhuǎn)輪，同時保留了常規(guī)葉片方案。通過市場調(diào)研和與相關(guān)鋼板制造廠開展技術(shù)交流，并以高強厚鋼板試制、焊接工藝技術(shù)交流成果為技術(shù)支撐，對蝸殼首次采用了100 mm級800 MPa鋼板，從而保證了蝸殼承壓的安全性，減少了現(xiàn)場焊接工作量，促進(jìn)了水電厚鋼板應(yīng)用技術(shù)發(fā)展。

在對白鶴灘水電站水輪機主要參數(shù)及結(jié)構(gòu)選擇開展研究的過程中，首次借助于委托水力開發(fā)和模型試驗驗證的方式，來論證水輪機的額定水頭、額定轉(zhuǎn)速、空化以及穩(wěn)定性指標(biāo);首次對200 m水頭段轉(zhuǎn)輪選擇采用長短葉片，并在蝸殼上采用了100 mm級800 MPa厚鋼板等結(jié)構(gòu)。

1 工程概況

白鶴灘水電站的開發(fā)任務(wù)以發(fā)電為主，兼顧防洪，是西電東送骨干電源點之一。在系統(tǒng)中承擔(dān)基荷、腰荷和部分峰荷，并承擔(dān)少量事故備用。水電站水庫總庫容為206.27億m3，調(diào)節(jié)庫容可達(dá)104.36億m3，防洪庫容為75.00億m3。樞紐工程由攔河壩、泄洪消能建筑物和兩岸地下引水發(fā)電系統(tǒng)等組成。水電站裝機容量為16 000 MW，采用16臺1 000 MW水輪發(fā)電機組，左、右岸地下廠房各裝設(shè)8臺[1]。

2 電站基本參數(shù)

2.1 特征水頭

白鶴灘水電站正常蓄水位為825 m，防洪限制水位（6～8月）為785 m，死水位為765 m。結(jié)合下游水位流量關(guān)系的基礎(chǔ)條件和水庫與電站的運行方式，電站汛期加權(quán)平均水頭為192.1 m，全年加權(quán)平均水頭為207.8 m，非汛期加權(quán)平均水頭為213.1 m，最大水頭為243.1 m，最小水頭為163.9 m。

2.2 水庫運行方式

水庫6月份從死水位765 m附近開始蓄水，蓄水至防洪限制水位785 m后，在6～8月份，水庫按汛期分期水位控制方式運行;8月上旬開始按每旬抬高10 m的方式控制蓄水，在9月上旬，水庫可蓄水至正常蓄水位825 m，12月左右水庫開始供水，到翌年5月底，水庫水位消落至死水位765 m附近（見圖1）。

2.3 機組過機泥沙

水庫運行10～50 a的年平均過機含沙量為0.162～0.231 kg/m3，10～50 a的汛期（6～9月）過機含沙量為0.262～0.349 kg/m3。中數(shù)粒徑約為0.006 22 mm，泥沙顆粒較細(xì)，但硬度較大，莫氏硬度大于5的泥沙含量約占56%以上。

3 水輪機參數(shù)選擇

3.1 水輪機工作特點

可行性研究階段，電站推薦采用1 000 MW機組單機容量方案，該容量居世界水電行業(yè)第一。由于上庫水位變幅大，同時受下游溪洛渡水電站水庫調(diào)度影響，水輪機運行水頭范圍為163.9～243.1 m，具有水頭高且變幅大的特點，運行水頭變幅達(dá)79.2 m。汛期，電站的加權(quán)平均水頭為192.1 m，非汛期的加權(quán)平均水頭為213.1 m，全年加權(quán)平均水頭為207.8 m。由于電站上游區(qū)域為金沙江主要產(chǎn)沙區(qū)，同時泥沙主要集中在汛期，占全面輸沙量的96.22%。經(jīng)仿真計算，水庫建成初期的汛期過機泥沙含量約為0.349 kg/m3，過機泥沙還具有粒徑小且硬度相對較大的特點。16臺機組全部裝設(shè)在地下廠房內(nèi)，根據(jù)1 000 MW機組水輪機的運行條件和運行特點，對于水輪機參數(shù)及結(jié)構(gòu)選擇提出了遵循安全、可靠、合理、先進(jìn)的原則，在保障穩(wěn)定性和可靠性的前提下，兼顧汛期和非汛期發(fā)電效益，同時滿足地下廠房布置要求。

3.2 水輪機額定水頭

（1） 類似工程經(jīng)驗。水輪機額定水頭的選擇要兼顧運行的穩(wěn)定性和發(fā)電效益，在滿足穩(wěn)定性的條件下，盡可能選擇較低的額定水頭。通常，在進(jìn)行參數(shù)選擇時，往往把最大水頭與額定水頭的比值作為水輪機額定水頭選擇的參考，為此，對國內(nèi)外大機組最大水頭與額定水頭Hmax/Hr比值進(jìn)行了統(tǒng)計，統(tǒng)計結(jié)果如圖2所示。由圖2可以看出：統(tǒng)計電站的最大水頭與額定水頭之比平均值為1.13左右;國外有約85%的電站小于1.15，中國有75%的電站小于1.15，這些機組運行狀況良好;另外，當(dāng)最大水頭與額定水頭的比值超過1.20后，機組會出現(xiàn)異常振動，或振動加轉(zhuǎn)輪出現(xiàn)裂紋的電站顯著增加。分析類似電站運行狀況的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，同時考慮到白鶴灘水電站運行水頭變幅大的特點，認(rèn)為白鶴灘水電站的最大水頭與額定水頭的比值宜在1.20左右，這樣可以同時兼顧水輪機的運行穩(wěn)定性和電站的發(fā)電效益。

表1列出了近期中國投產(chǎn)的與白鶴灘水電站水頭相類似水頭段的大型或者巨型電站的Hmax/Hr。由表1可以看出：最大水頭與額定水頭之比為1.07～1.20，這些電站的運行情況良好。根據(jù)工程經(jīng)驗，這一比值也符合大型和巨型機組水輪機額定水頭的選擇原則。

（2） 水力開發(fā)和模型試驗驗證。在可行性研究論證階段，針對上述白鶴灘水電站水輪機的運行條件和要求，委托制造廠開展了197，202 m和209 m額定水頭的不同組合方案的參數(shù)及性能的分析研究;同時針對各額定水頭方案，開展了水力模型設(shè)計和模型裝置研發(fā)，并通過了多輪的CFD計算分析和水輪機模型試驗驗證。結(jié)果表明：① 當(dāng)選擇202 m作為額定水頭時，以葉道渦初生線控制的高水頭段穩(wěn)定運行功率范圍為50.0%～100%額定功率。② 當(dāng)選擇197 m作為額定水頭時，以葉道渦初生線控制的高水頭段穩(wěn)定運行功率范圍約為52.9%～100%額定功率。③ 當(dāng)選擇209 m作為額定水頭時，以葉道渦初生線控制的高水頭段穩(wěn)定運行功率范圍約為46.6%～100%額定功率。

（3） 額定水頭選擇。綜合上述分析，考慮到白鶴灘水電站機組容量大，在參考類似巨型電站運行方式的基礎(chǔ)上，確定白鶴灘水電站水輪機的穩(wěn)定運行范圍為60%～100%保證功率。同時研究認(rèn)為，額定水頭為202 m時，對水輪機和發(fā)電機的方案均有較大優(yōu)勢，相應(yīng)的最大水頭與額定水頭的比值為1.20左右。

3.3 比轉(zhuǎn)速、比速系數(shù)和同步轉(zhuǎn)速

比轉(zhuǎn)速ns的定義為：1 m水頭下發(fā)出1 kW出力時水輪機的轉(zhuǎn)速（ns=nPH1.25），而比速系數(shù)K值（K=nsH）則是綜合反映水輪機比轉(zhuǎn)速和運行水頭的參數(shù)。白鶴灘水電站水頭高、變幅大、單機容量巨大，有一定的過機泥沙。在進(jìn)行比轉(zhuǎn)速和比速系數(shù)選擇研究時，應(yīng)將機組的運行穩(wěn)定性放在首位，兼顧水輪機參數(shù)的先進(jìn)性[2-4]。表2為近年來國內(nèi)外大容量、中高水頭水輪機的比轉(zhuǎn)速和比速系數(shù)值，比速系數(shù)基本在2 000～2 200之間。表3和表4為統(tǒng)計計算和制造廠推薦的白鶴灘水電站水輪機比轉(zhuǎn)速和比速系數(shù)范圍，結(jié)合白鶴灘水電站的特點，選擇水輪機的比轉(zhuǎn)速為150 m·kW左右，相應(yīng)比速系數(shù)在2 132左右。在上述比轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，可供選用的發(fā)電機同步轉(zhuǎn)速有107.1，111.1 r/min和115.4 r/min。107.1 r/min的發(fā)電機可選支路數(shù)為4，7，8;111.1 r/min的發(fā)電機可選支路數(shù)為6，9;115.4 r/min的發(fā)電機可選支路數(shù)為4和13。1 000 MW水輪發(fā)電機可供選擇的額定電壓為24 kV或26 kV。按目前的設(shè)計制造水平，1 000 MW發(fā)電機采用全空冷方式時，合理的槽電流為7 000 A左右，采用定子水冷方式時，合理的槽電流為10 000 A左右。當(dāng)定子并聯(lián)支路數(shù)選擇4和13時，無法選擇到經(jīng)濟、合理的定子槽電流。其他支路數(shù)均有合理的槽電流作為支撐?？紤]到與發(fā)電機參數(shù)相匹配，以及相關(guān)制造廠針對1 000 MW機組各自方案的優(yōu)勢，最終對白鶴灘水電站水輪發(fā)電機的同步轉(zhuǎn)速保留了兩檔的方案，分別為107.1 r/min和111.1 r/min。

3.4 單位流量和單位轉(zhuǎn)速

在確定了水輪機額定轉(zhuǎn)速和額定水頭、進(jìn)行下一步水輪機水力開發(fā)研究時，水輪機的限制工況單位流量、最優(yōu)點單位流量和最優(yōu)點單位轉(zhuǎn)速是最重要的3個目標(biāo)值。合理地選擇這3個指標(biāo)值，能夠保證整個水輪機運行水頭和功率范圍內(nèi)取得較好的穩(wěn)定性指標(biāo)和能量特性，并保障電站效益的最大化。表5列出了水輪機限制工況單位流量選擇的計算公式，并針對白鶴灘水電站機組兩檔轉(zhuǎn)速方案的水輪機限制工況單位流量進(jìn)行了計算。表6則列出了水輪機最優(yōu)工況下單位轉(zhuǎn)速選擇的計算公式，并針對白鶴灘水電站機組兩檔轉(zhuǎn)速方案的水輪機最優(yōu)單位轉(zhuǎn)速進(jìn)行了計算。計算結(jié)果表明：在額定水頭為202 m時，對應(yīng)107.1 r/min和111.1 r/min的比轉(zhuǎn)速分別為141.7 m·kW和147.0 m·kW，限制工況單位流量大約在0.490～0.550 m3/s和0.490～0.590 m3/s，考慮到水輪機運行水頭變幅大，最優(yōu)點單位流量取0.8倍的限制工況單位流量，為0.392～0.440 m3/s。一般而言，水輪機設(shè)計水頭宜選擇在電站加權(quán)平均水頭附近，因此本研究取210 m，對應(yīng)107.1 r/min和111.1 r/min的比轉(zhuǎn)速分別為135 m·kW和140 m·kW，最優(yōu)點單位轉(zhuǎn)速大約在63.2～65.0 r/min和63.8～65.4 r/min。

除了采用統(tǒng)計公式進(jìn)行限制工況單位流量和最優(yōu)點單位轉(zhuǎn)速選擇分析以外，表7還通過類似水頭段模型轉(zhuǎn)輪對參數(shù)進(jìn)行了對比分析。分析結(jié)果表明：可選的最優(yōu)點單位流量分別為0.391～0.444 m3/s，最優(yōu)點單位轉(zhuǎn)速為63.5～68.0 r/min，最優(yōu)點單位流量為0.520～0.580 m3/s。綜合上述分析，推薦白鶴灘水電站水輪機水力開發(fā)時，其限制工況單位流量為0.530 m3/s，最優(yōu)點單位流量為0.420 m3/s，最優(yōu)點單位轉(zhuǎn)速為65.0 r/min。

3.5 水輪機效率

水輪機效率是表征水輪機技術(shù)水平的重要指標(biāo)。對于白鶴灘水電站這樣的巨型水輪機，其效率水平的高低對經(jīng)濟效益影響很大。表8對相近水頭段的大型水輪機的原模型最高效率和電站原型加權(quán)平均效率進(jìn)行了統(tǒng)計，模型最高效率為94.18%～95.57%，尤其是近年來投產(chǎn)的大型機組，水力開發(fā)技術(shù)進(jìn)一步得到了提升。電站水輪機加權(quán)平均效率與電站運行方式、水輪機效率特性和水平直接相關(guān)，投產(chǎn)的大型電站，其原型加權(quán)平均效率均達(dá)到了95.00%。此外，結(jié)合白鶴灘水電站水輪機加權(quán)因子和水力開發(fā)的模型轉(zhuǎn)輪參數(shù)，初步估算水電站水輪機原型加權(quán)平均效率達(dá)到了95.80%以上。白鶴灘水電站機組容量大，在確定水力開發(fā)參數(shù)時，應(yīng)將穩(wěn)定性放在第一位，不過分追求水輪機效率，因此初步確定水力開發(fā)時的模型最高效率不低于94.50%，原型加權(quán)平均效率不低于95.00%。

3.6 電站空化系數(shù)和吸出高度

水輪機空化性能的優(yōu)劣是衡量水輪機綜合性能的一個重要指標(biāo)，其值的大小直接影響到水電站開挖深度、水輪機運行穩(wěn)定性和檢修周期。表9利用空化系數(shù)的計算公式，給出了白鶴灘水電站空化系數(shù)統(tǒng)計計算值。由表9可以看出：水輪機額定工況模型臨界空化系數(shù)σc在0.049～0.058之間，電站空化系數(shù)σp絕大多數(shù)在0.093以內(nèi)，相應(yīng)的吸出高度小于-11.3 m時，可以保證水輪機無空化運行。白鶴灘水電站機組臺數(shù)多于6臺，可按照2臺機組運行尾水位為585.43 m來選擇安裝高程，并綜合考慮到過渡過程尾水管最小壓力等因素，選取水輪機的安裝高程為570 m，相應(yīng)吸出高度Hs=-15.43 m，對應(yīng)水電站的空化系數(shù)為0.123。

3.7 穩(wěn)定性分析

由于混流式水輪機轉(zhuǎn)輪葉片的不可調(diào)節(jié)性，不可避免地會存在一些流態(tài)紊亂的工況，水輪機在這些不穩(wěn)定區(qū)域長期運行，將對機組的安全和壽命產(chǎn)生不利影響，而完全消除這些流態(tài)紊亂的區(qū)域是不可能的。因此，劃分合理的穩(wěn)定運行范圍，將有利于水輪機的水力設(shè)計。以穩(wěn)定運行范圍內(nèi)不出現(xiàn)葉道渦為控制條件，最小穩(wěn)定功率與最大保證功率的比值有所提高，如三峽[5]、溪洛渡、向家壩水電站，其比值都在50%以上，而在合同執(zhí)行階段，仍難將葉道渦排除在水輪機穩(wěn)定運行范圍之內(nèi)?？紤]到白鶴灘水電站單機容量巨大、水頭變幅大、機組臺數(shù)多，為保障水輪機的長期安全穩(wěn)定運行，確定白鶴灘水電站水輪機預(yù)期保證運行范圍如下：在163.9～202.0 m水頭范圍內(nèi)，水輪機輸出功率在最大預(yù)想功率的60%～100%范圍內(nèi)能穩(wěn)定運行;在202.0～243.1 m水頭范圍內(nèi)，水輪機輸出功率在額定輸出功率的60%～100%范圍內(nèi)能穩(wěn)定運行。

穩(wěn)定運行范圍內(nèi)，不允許存在初生葉道渦流、葉片出水邊不能出現(xiàn)可見卡門渦，以及葉片正背面出現(xiàn)脫流現(xiàn)象。穩(wěn)定運行功率范圍內(nèi)，頂蓋和尾水管壓力脈動混頻峰峰值ΔH/H小于3%。

4 水輪機原型主要參數(shù)

綜合上述水輪機水力參數(shù)的選擇分析以及國內(nèi)現(xiàn)有的模型轉(zhuǎn)輪，并結(jié)合委托制造廠的水力開發(fā)成果和試驗驗證，結(jié)果表明：原型水輪機額定水頭為202 m，額定功率為1 015 MW，額定轉(zhuǎn)速為107.1 r/min或111.1 r/min，轉(zhuǎn)輪直徑為8.6 m，額定流量為547.8 m3/s，吸出高度為-15.43 m（以導(dǎo)葉中心計），穩(wěn)定運行范圍內(nèi)壓力脈動混頻峰峰值小于3%。

5 水輪機結(jié)構(gòu)特點

轉(zhuǎn)輪可采用常規(guī)葉片和長短葉片轉(zhuǎn)輪，常規(guī)葉片轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)量可選為15片，長短葉片轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)可選為（15+15）片。水輪機轉(zhuǎn)輪外形尺寸約為Φ8.9 m×3.59 m，重量約為352 t。受水電站交通運輸條件限制，推薦轉(zhuǎn)輪采用散件運輸、現(xiàn)場組焊的方案。其中，轉(zhuǎn)輪上冠和下環(huán)均需要分瓣后運輸。蝸殼按獨立承受包括升壓水頭在內(nèi)的最大工作水壓設(shè)計，蝸殼的材料選用可焊性好的800 MPa級高強度鋼板制作，蝸殼最大厚度約為85 mm（座環(huán)過渡板處800 MPa級高強厚鋼板達(dá)到了97 mm）。蝸殼澆注推薦采用腰線以上墊層方案澆注。座環(huán)推薦采用平行板式結(jié)構(gòu)，上、下環(huán)板采用TSTE355/Z5或S500Q Z35抗層狀撕裂鋼板，板厚約250～265 mm。由于座環(huán)尺寸大，焊接、運輸過程和澆注混凝土后產(chǎn)生較大變形，座環(huán)和頂蓋、底環(huán)結(jié)合面、座環(huán)內(nèi)圓密封面在廠內(nèi)粗加工，待座環(huán)安裝完畢，并澆注混凝土后，采用專用工具使之各面達(dá)到精度要求。為提高水輪機軸和發(fā)電機軸聯(lián)軸同心度，保證機組安裝質(zhì)量，在主廠房機組段預(yù)留主軸同鏜加工工位。

6 結(jié) 論

根據(jù)電站的運行條件，本文分析了白鶴灘水電站水輪機的運行特點和要求，在此基礎(chǔ)上，提出了水輪機主要參數(shù)和結(jié)構(gòu)。參考類似電站，采用參數(shù)統(tǒng)計的方法，委托相關(guān)單位開展了水力研發(fā)與試驗驗證，并與中國知名制造廠進(jìn)行交流，提出了1 000 MW水電機組的額定水頭、額定轉(zhuǎn)速、單位流量和單位轉(zhuǎn)速以及效率、穩(wěn)定運行范圍等主要參數(shù)指標(biāo)，選擇了1 000 MW水輪機轉(zhuǎn)輪、蝸殼、座環(huán)和頂蓋方案等主要部件結(jié)構(gòu)、材料，轉(zhuǎn)輪和座環(huán)現(xiàn)場加工和蝸殼埋設(shè)方案。

白鶴灘水電站左岸機組額定轉(zhuǎn)速為111.1 r/min，右機組額定轉(zhuǎn)速為107.1 r/min，額定水頭均為202 m。目前，左右岸首臺機組已并網(wǎng)發(fā)電，機組參數(shù)與結(jié)構(gòu)設(shè)計與本文推薦的水輪機主要參數(shù)與結(jié)構(gòu)研究成果相符合，驗證了相關(guān)研究成果的可行性。

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（編輯：趙秋云）