雅礱江錦屏二級水電站水輪機性能與結構特點

李 軍

（葛洲壩集團機電建設有限公司，四川 成都 610091）

雅礱江錦屏二級水電站水輪機性能與結構特點

李 軍

（葛洲壩集團機電建設有限公司，四川 成都 610091）

雅礱江錦屏二級水電站共裝設8臺高水頭（最大水頭318.8m）、單機容量600M W的混流式水輪發電機組，其整體設計、制造與安裝難度均達到了世界水平。該電站水輪機由上海福伊特西門子水電設備有限公司（以下簡稱V SS）制造，采用了蝸殼現場進行水壓試驗并保壓澆筑混凝土，座環固定導葉與活動導葉間設置筒形閥，轉輪采用長短葉片型技術,導軸承采用稀油潤滑分塊瓦結構，主軸密封采用恒壓式自動補償型結構等先進結構。詳細介紹了錦屏二級水電站水輪機的性能與典型的結構特點。

水輪機性能；結構特點；錦屏二級水電站

錦屏二級水電站位于四川省涼山彝族自治州木里、鹽源、冕寧三縣交界處的雅礱江干流錦屏大河灣上，是雅礱江上水頭最高、裝機規模最大的巨型水電站。壩址位于錦屏一級電站下游7.5km，利用雅礱江150km錦屏大河灣的天然落差，截彎取直開挖隧洞引水發電，其引水隧洞為世界上規模最大的水工隧洞工程。電站總裝機容量4800MW，單機容量600MW，多年平均年發電量242.32億kW·h，水庫正常蓄水位1646m，總庫容1920萬m3，調節庫容為502萬m3。地下電站工程于2007年1月全面開工，計劃2012年首臺機組發電，2014年竣工。

錦屏二級水電站裝機規模巨大,機組臺數較多,水輪機運行水頭高,機組部件尺寸較大,機組的整體設計、制造與安裝難度達到了很高水平。本文根據錦屏二級水電站的工程特點,詳細介紹了水輪機的性能與典型的結構特點。

1 水輪機技術參數

水輪機型式：豎軸混流式；最大水頭：318.8m；最小水頭：279.2m；額定水頭：288.0m；額定流量：228.6m3/s；額定轉速:166.7r／min；飛逸轉速：275r／min；轉輪葉片型式：長短型葉片（15＋15片）；轉輪進口/出口直徑：Φ6570/Φ4600mm；額定功率：610MW；吸出高度：-10.10m；圓筒閥閥體尺寸（外徑 /內徑）:Φ8625/Φ8175mm；圓筒閥接力器數量：6個/臺套；旋轉方向：俯視逆時針旋轉。16

2 水輪機性能

2.1 出力保證

下列水頭條件下，水輪機在額定轉速運行。空蝕損壞在允許范圍內，其出力保證值見表1:

表1 水輪機出力保證值

2.2 效率保證

（1）水輪機加權平均效率不低于95.01%。

（2）水輪機在額定水頭288.0m、額定出力610MW時的效率保證值為94.90%。

（3）水輪機最高效率保證值為95.79%。

2.3 尾水管壓力脈動頻率與雙振幅相對值△H／H

在全部相應水頭下保證功率負荷范圍內尾水管進口規定部位測得的壓力脈動保證值不大于2.5%。

2.4 轉輪無裂紋保證

在保證期內，轉輪無裂紋。

2.5 空蝕磨損保證

水輪機在質量保證期內運行8000h但不超過機組投入試運行之日起2年，水輪機由于空化破壞引起的金屬最大失重及最大剝蝕深度不超過以下值：轉輪由于空蝕磨損損壞的金屬失重量不超過10.0kg，過流部件因空蝕和磨損作用允許金屬失重量不超過5.0kg。轉輪上任一點允許最大剝落深度不超過5.0mm。

3 水輪機結構

水輪機采用立軸混流式結構（見圖1），水輪機主軸與轉輪的連接采用銷套傳遞扭矩方式，轉輪采用長短葉片型（15+15片）葉片，在座環固定導葉與活動導葉間設置筒形閥，水導軸承采用稀油潤滑分塊瓦式軸承，導葉用兩個平行布置的接力器控制，機組設有中心孔補氣裝置。

3.1 尾水管

尾水肘管采用25mm厚的Q235B鋼板制作，共分15節，其中第1～7節分成2瓣，第8～15節分成4瓣，均以瓦片交貨，進口直徑6244mm，出口寬度9500mm（高度4960mm），總高度10583mm，重約115.451t。

尾水錐管分4節，每節分兩瓣交貨，外形尺寸Φ7060×高 8447×Φ4902（mm）,管節重量 37.6t，單套總重量47.128t（含內支撐鋼管），最重管節4.535t。其中錐管本體與加強板材料均為Q235B，板厚分別30mm、16mm。運輸內支撐采用型號主管Φ140×4.5的鋼管、支管Φ89×3.5的鋼管組成。

3.2 基礎環

基礎環采用30mm厚的X3CrNiMo不銹鋼板制作成錐形，分兩瓣運輸到工地，現場組裝焊接，組裝后尺寸為 φ4919/φ4744.5mm，高度 1053mm，總重量5.016t。基礎環與座環環縫待混凝土澆筑與養生期合格后，進行焊接。

3.3 座環

座環由上下環板、固定導葉、過渡板、導流板、上下筒體、頂蓋連接法蘭板、轉輪支承法蘭板、底環基礎板組成，分成4瓣運輸到工地，用螺栓及定位銷釘把合后工地焊接，組裝后最大外徑Φ10558mm，高度3543mm，總重量約338t。座環采用7種異種鋼板焊接制成，其中上、下環板板厚分別260mm、220mm，材質為進口S355J2G3Z35鋼板；環板上設有上、下過渡板，材質為德國迪林根公司生產的高強度鋼板S550Q。

該座環與傳統混流式大型機組座環結構不同，具有如下結構特點：座環分瓣面為斜向且與機組軸線成15°角；座環最底端設有原屬于基礎環的一部分結構（轉輪支承法蘭板）；為了形成水流進入轉輪前所必須的環量和固定導葉受力均勻，座環中23個固定導葉設計成7種規格形狀，均采用厚鋼板機加工型面的工藝，其中12個固定導葉出水邊與上筒體內側均設有圓筒閥閥體運動進行導向的不銹鋼導軌；蝸殼尾節與大舌板在車間預裝配割，在工地待座環完成4個分辨面的焊接后進行現場裝焊；座環與頂蓋、底環、圓筒閥閥體、轉輪和固定止漏環等配合面在車間預留3～5mm的加工余量，混凝土澆注后，工地可進行上述配合面的機加工。

3.4 蝸殼

蝸殼分30節（包括6節進水管），除第19、22節整節交貨外，其余各節（每節由三塊瓦片組成）現場瓦片交貨，進口直徑Φ6050mm，板厚δmax=76mm,δmin=30mm，總重量310.473t。蝸殼采用鋼板焊接結構，蝸殼和進水管材料為S500M鋼板制作，過渡板材料為S550Q鋼板制作。座環現場組焊完成后，將大舌板、蝸殼尾部兩節與座環焊接成整體。蝸殼外表面不設置彈性層，現場焊接后進行水壓試驗 （見圖2），用增壓泵將壓力升高至試驗壓力5.33MPa，并保壓30min，然后將壓力降低至4.1MPa，并保持30min，最后將壓力降低至2.6MPa，保壓澆筑混凝土。蝸殼混凝土澆筑采用常溫保壓，分層澆筑方式。

圖2 蝸殼水壓試驗壓力曲線圖

3.5 導水機構

底環為鋼板焊接結構，具有足夠的強度和剛度。分成2瓣運輸到工地，螺栓把合，底環外徑Φ8400mm，高度 495mm，總重量 46t。

頂蓋為鋼板焊接結構，分成2瓣運輸到工地，螺栓把合，頂蓋外徑Φ9400mm，高度2330mm，總重量260t。頂蓋設有6根Φ273的泄壓管，匯總至2根總管后連接到尾水管里襯上。

頂蓋和底環上還預留了壓縮空氣補氣管道及接口。頂蓋和底環上的固定止漏環，在工地現場冷嵌到頂蓋和底環上。

3.6 水導軸承

水輪機導軸承為稀油潤滑、巴氏合金的分塊瓦結構，采用楔子板調整軸瓦間隙。導軸承由軸瓦、軸瓦支承、帶油槽的軸承箱（分2瓣）、箱蓋和附件組成，導軸承置于油槽箱內。水輪機導軸承設有一個完整、獨立的潤滑冷卻系統，設有2個冷卻器，通過軸領泵進行循環冷卻。冷卻器及閥組布置在水輪機頂蓋內。冷卻水由電站技術供水系統提供。

3.7 主軸密封

主軸密封系統由工作密封和檢修密封兩部分組成。主軸工作密封型式為恒壓式自動補償型結構，采用水潤滑和冷卻，水源取自蝸殼進口前，經減壓過濾裝置減壓并過濾后供給主軸工作密封。在機組停機和檢修主軸密封時，為防止尾水溢出，在主軸工作密封的下方設置有主軸檢修密封。主軸檢修密封采用壓縮空氣充氣膨脹式橡膠密封，由壓縮空氣系統提供工作壓力為0.5～0.8MPa的壓縮空氣。檢修密封能在不拆卸主軸、水輪機導軸承、導水機構和管路系統的情況下進行調整或更換密封件。

3.8 轉輪

轉輪由上冠、下環、葉片與泄水錐組成，材質為ASTMA743CA-6NM低碳優質不銹鋼材料，在上海福伊特轉輪制造車間組裝焊接，然后精加工，最終靜平衡試驗合格后整體運輸至工地。轉輪的葉片采用主副葉片型（也稱長短葉片型，15＋15片），直徑D1/D2為6.57/4.60m。

3.9 主軸

水輪機主軸為中空結構，水輪機主軸與發電機主軸采用銷釘螺栓傳遞扭矩與外法蘭連接方式，與轉輪采用銷套傳遞扭矩與外法蘭連接方式。水輪機主軸上端法蘭與發電機軸下法蘭直接連接，分界法蘭面高程為1322.80m。水輪機軸與發電機軸的連接在現場直接連接，然后檢查軸線；若現場連軸后軸線需校正，則采用在工地同軸鉆鉸工藝。

3.10 導葉操作機構

控制環采用鋼板焊接結構，分2瓣運輸到工地。控制環底面裝有環向導軌和抗磨板，抗磨板具有自潤滑性能，不需要潤滑油系統。導葉采用ASTMA743CA6NM不銹鋼整體鑄造，每臺機共布置24個導葉。每個導葉設有3個自潤滑支承導軸承，1個布置在底環中，另2個布置在頂蓋中。導葉操作機構由自潤滑軸承、偏心銷、拐臂、連桿、控制環和推拉桿等部件組成，將導葉與接力器相連接。

每臺水輪機設有2個油壓操作雙作用液壓直缸接力器，左、右2個接力器上安裝有接力器鎖定裝置、導葉開度位移傳感器等元器件。接力器設置于水輪機室的接力器坑襯內，操作接力器的壓力油由調速系統的油壓裝置供給，額定工作油壓6.3MPa。

3.11 筒形閥裝置

圓筒閥由閥體、導向機構、密封、接力器（或液壓缸）、同步控制裝置、油壓裝置、監測系統儀表、自動化元件、盤柜及控制裝置、閥門、管道、導線、電纜等組成。圓筒閥為可動水關機的隔斷閥，安裝在水輪機的固定導葉和活動導葉之間。圓筒閥只處于全開或全關位置，不作流量調節用。閥體應與導水機構嚴格地保持同心和一致，活動導葉在任何位置時或脫離控制情況下，均不干擾閥體的啟閉。閥體在運輸時分2瓣，現場組圓，閥體分瓣面采用高強度螺栓聯接，外部采用封焊防止漏水和變形。

圓筒閥操作控制機構包括：壓力油源、接力器、行程測量與反饋裝置、同步控制裝置、鎖定裝置、盤柜、儀表和顯示、信號、管路、電纜等。圓筒閥在90s內完成緊急關閉和60s內完成正常開啟，并且啟、閉時間分別在40s至80s和60s至120s內可調。圓筒閥設置6個油壓操作、雙作用、液壓直缸接力器，保證圓筒閥在開啟和關閉過程中不會卡死。操作接力器的壓力油額定工作壓力6.3MPa。

4 結語

（1）錦屏二級水電站座環結構極其復雜，其分瓣面為斜向且與機組軸線成15°角，蝸殼尾節與大舌板在車間預裝配后工地裝焊，座環結構設計時將原屬于基礎環的一部分結構（轉輪支承法蘭板）移到了座環最底端，使基礎環的結構變得相對簡單。在廠內整體制造組裝后，對座環進行機加工，預留3～5mm的加工余量；工地澆筑混凝土后，現場進行二次機加工。

（2）錦屏二級水電站水輪機埋件（肘管、錐管、蝸殼與機坑里襯）均為瓦片交貨，現場組裝。蝸殼組裝后現場進行水壓試驗，常溫保壓澆筑混凝土。

（3）水輪機上止漏環布置在頂蓋上，下止漏環布置在基礎環上，均現場冷嵌固定。

（4）錦屏二級水電站水輪機運行水頭高（最大水頭為318.8m），為避免轉輪葉片正、背面壓差較大,葉片背面沿葉片長度方向壓力下降快,葉片背面出現空蝕現象發生，該電站轉輪的葉片采用主副葉片型（也稱長短葉片型，15＋15片），整體交貨。這種長短葉片型轉輪有利于均勻轉輪進口處的流速,提高水輪機的平均效率,改善轉輪的空化性能,減小尾水管進口處的壓力脈動。

（5）與三峽、龍灘、二灘、拉西瓦等大型水電站水輪機相比較，錦屏二級水電站在座環固定導葉與活動導葉間增設了筒形閥結構，每個筒形閥單獨設置一臺油壓裝置。其主要作用是減少機組停機狀態的漏水量，縮短事故停機后重新啟動的時間，提高水能利用率和機組工作效率。

（6）錦屏二級水電站水輪機采用了近幾年來國內外大型水輪機較為先進而又成熟的一系列技術，又借鑒了三峽、龍灘、二灘、拉西瓦、小灣等電站大型水輪機的一些成功設計和制造經驗，故錦屏二級水電站水輪機在設計、結構和制造工藝等方面都達到了世界先進水平，目前正在制造和安裝過程中，其運行性能的優劣還有待機組投產運行后實踐驗證。

Performances and structural characteristics of turbine in Yalong River JinpingⅡHydropower Station

LI Jun

（Gezhouba Group Mechanical and Electrical Construction Co.，Ltd., Chengdu 610091, China）

Eight high head （maximum head of 318.8m） Francis turbine-generator units each with 600MW are installed in Yalong River JinpingⅡHydropower Station. Its overall design, manufacture and installation difficulty reach the world level. The turbines are made by Voith-Siemens Hydro Power Generation Shanghai （VSS）. The spiral case hydraulic test is made in site and the pressure is kept during concrete pouring. There is a cylinder valve between the stay vanes and the guide vanes. The runner is with length-short blades. The guide bearing is of dilute oil-lubricated bearing block tile structure. The main shaft seal is of constant pressure automatic compensation structure. This paper introduces the performances and typical structural characteristics of the turbines in Jinping ⅡHydropower Station.

turbine performance; Structural characteristics; Jinping Ⅱ Hydropower Station

TK733+.1

B

1672-5387（2010）02-0015-04

2010-02-04

李軍（1978-），男，工程師，從事水電站機電安裝、檢修與技術管理工作。