溪洛渡水電站水輪機(jī)總體技術(shù)特性評析

黃源芳

（中國長江三峽集團(tuán)公司，湖北 宜昌 443002）

金沙江多年平均流量492 m3/s，多年平均年徑流量1 550億m3，天然落差5 100 m。在金沙江中下游規(guī)劃興建梯級電站12座。其中，溪洛渡水電站建成后，三峽庫區(qū)入庫含沙量將比此前天然狀態(tài)減少34%以上。溪洛渡水電站的電力，將遠(yuǎn)送我國東部、中部和南部地區(qū)，送電距離在1 000 km以上，采用超高壓直流輸電。

1 電站開發(fā)對機(jī)組總體特性的要求

溪洛渡水電站位于金沙江峽谷河段，主壩為拱壩。電站總體布置上，要求單機(jī)容量盡可能大，機(jī)組臺數(shù)較少較有利。因而，水輪機(jī)大件運(yùn)輸應(yīng)滿足公路或水路運(yùn)輸?shù)囊蟆＞唧w安排上都需在左、右岸 （即云南、四川兩省范圍）各布置一座廠房。左右岸地下廠房各裝9臺單機(jī)額定容量770 MW的水輪發(fā)電機(jī)組。

1.1 關(guān)于水輪機(jī)泥沙磨損

溪洛渡壩址處多年平均含沙量1.72 kg/m3，汛期6月～9月平均含沙量2.42 kg/m3。實測河水最大含沙量24.2 kg/m3（1984年）。水輪機(jī)的水力參數(shù)和結(jié)構(gòu)設(shè)計都必須考慮初期運(yùn)行泥沙磨損問題。因此，溪洛渡水輪機(jī)增設(shè)圓筒閥，以減緩水輪機(jī)過流部件的泥沙磨損，使水輪機(jī)的正常壽命保持在30 a以上。

1.2 關(guān)于水庫的運(yùn)用方式

溪洛渡水庫在每年6月初電站按保證出力發(fā)電， 6月～9月上旬正常情況下庫水位不超過汛期限制水位560 m，汛后至9月底蓄至正常蓄水位600 m，并繼續(xù)在這蓄水位下運(yùn)行，12月下旬水庫開始消落，至次年5月底庫水位降至死水位540 m。水庫年內(nèi)水位變幅達(dá)60 m。運(yùn)行水頭變化幅度都較大，水輪機(jī)的設(shè)計和運(yùn)行性能必須兼顧這一特點(diǎn)。

1.3 關(guān)于場外運(yùn)輸條件

溪洛渡地處高山峽谷河段，無現(xiàn)成的公路鐵路可以利用，水路又不能抵達(dá)壩下，機(jī)電設(shè)備特別是超大件 （超尺寸的重件如水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪）的設(shè)計，必須考慮這一運(yùn)輸限制因素，并需在電站現(xiàn)場布置轉(zhuǎn)輪總裝加工基地。

2 水輪機(jī)水力設(shè)計參數(shù)

溪洛渡電站水輪機(jī)基本參數(shù)：水輪機(jī)為立軸混流式水輪機(jī)，額定水頭197 m，最大水頭229.4 m，最小水頭 154.6 m， 出力加權(quán)平均水頭 223.48 m，額定出力784 MW，額定轉(zhuǎn)速125 r/min，額定流量430.5 m3/s， 吸出高度 （至導(dǎo)葉中心）Hs為-10.81 m，安裝高程359.00 m，機(jī)組臺數(shù)9/9臺。

參與溪洛渡電站機(jī)組投標(biāo)的5家制造廠商在投標(biāo)時提交了水輪機(jī)模型試驗成果，包括能量特性、空化特性和尾水管壓力脈動等運(yùn)行穩(wěn)定特性的數(shù)據(jù)和性能曲線；并按協(xié)議規(guī)定在雙方同意的中國囯內(nèi)第三方試驗臺進(jìn)行復(fù)核試驗。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行綜合評標(biāo)，授標(biāo)后的水輪機(jī)模型驗收試驗在合同方的試驗臺上進(jìn)行。

水輪機(jī)模型驗收試驗按國際標(biāo)準(zhǔn)和合同條件進(jìn)行。中標(biāo)的3家制造廠商的試驗成果均滿足合同要求，個別工況點(diǎn)的水輪機(jī)尾水管壓力脈動值略高于合同規(guī)定的保證值。本次見證驗收試驗的重點(diǎn)是：在能量試驗中，主要是見證水輪機(jī)的出力裕度；在空化試驗中，主要是見證初生空化線和葉道渦發(fā)展線的出現(xiàn)區(qū)域；在穩(wěn)定性試驗中，主要驗證高水頭高部分負(fù)荷時尾水管內(nèi)的壓力脈動特性。以下性能參數(shù)是三家中標(biāo)廠家中的一家模型驗收試驗結(jié)果。

（1）水輪機(jī)最優(yōu)效率。模型驗收試驗結(jié)果表明，最高效率ηopt，M=95.64%，大于合同保證值 95.57%；對應(yīng)的原型機(jī)的最優(yōu)效率工況點(diǎn) （H=199.03 m，Q=328.61 m3/s，P=618.2 MW）原型機(jī)的最優(yōu)效率為ηopt，P=96.95%，大于合同保證值96.91%。

（2）水輪機(jī)加權(quán)平均效率。模型驗收的加權(quán)平均效率為94.56%，高于合同保證值94.48%；原型的加權(quán)平均效率為95.88%，高于合同保證值95.82%。

（3）水輪機(jī)保證出力。合同規(guī)定的各水頭的出力保證值，都能滿足要求。

（4）出力裕度。合同規(guī)定水輪機(jī)在額定水頭197 m、額定轉(zhuǎn)速125 r/min下運(yùn)行時，出力裕度不低于3%額定出力。驗收試驗結(jié)果表明，模型水輪機(jī)出力裕度滿足合同的要求。

（5）電站空化系數(shù)下壓力脈動試驗。共選擇了Hp=229.4～154.6 m之間共9個水頭。在每個水頭下，從空載到該水頭下的可能最大出力負(fù)荷區(qū)間，按導(dǎo)葉開度每隔2°間隔 (在高部分負(fù)荷區(qū)每隔0.1°～0.2°)選擇了約20個工況點(diǎn)進(jìn)行了水輪機(jī)尾水管壓力脈動試驗 （見表1）。試驗結(jié)果與初步試驗結(jié)果基本一致，壓力脈動值基本滿足合同要求，僅在空載個別工況壓力脈動值稍微超出了合同保證值。

（6）補(bǔ)氣試驗。在電站空化系數(shù)下進(jìn)行了補(bǔ)氣試驗，試驗結(jié)果表明，補(bǔ)氣對運(yùn)行特性有增加其平穩(wěn)性的作用。補(bǔ)氣條件下的壓力脈動比沒有補(bǔ)氣條件下的壓力脈動要低，尤其是在存在空腔渦帶的工況，補(bǔ)氣效果明顯。在變空化系數(shù)下不補(bǔ)氣的工況，在電站空化系數(shù)附近的壓力脈動相對較小。

（7）圓筒閥下拉力測試。圓筒閥下拉力試驗是在最大水頭229.4 m，在不同的導(dǎo)葉開度，對11個不同的筒閥開度的軸向下拉力進(jìn)行了測量。試驗結(jié)果表明：在筒閥開度大于2%的各開度下，筒閥具有自關(guān)閉趨勢。驗收試驗結(jié)論與初步試驗結(jié)果基本一致。

3 結(jié)構(gòu)特性和現(xiàn)場工程設(shè)施

3.1 水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪

表1 溪洛渡原型和模型水輪機(jī)尾水錐管壓力脈動時域峰峰值△H/H保證值

溪洛渡電站水輪機(jī)為立軸混流式水輪機(jī)，葉片采用負(fù)傾角葉片，葉片數(shù)為15片。轉(zhuǎn)輪采用鑄焊結(jié)構(gòu)，上冠、葉片、下環(huán)為不銹鋼，分件鑄造加工。其葉片、上冠、下環(huán)加工完成的散件，經(jīng)專用公路運(yùn)到電站轉(zhuǎn)輪組焊加工基地加工制造。現(xiàn)場加工制造在我國已有成功經(jīng)驗，如：小浪底電站 （6臺）、三峽右岸電站 （4臺）、龍灘電站 （7臺）、拉西瓦電站 （5臺）。

3.2 水輪機(jī)主要部件尺寸、質(zhì)量

溪洛渡水輪機(jī)主要部件尺寸、質(zhì)量 （其中以中標(biāo)廠家中的一家為代表）為：轉(zhuǎn)輪標(biāo)稱直徑6 077.6 mm，進(jìn)口直徑7 655 mm，喉部直徑6 077.6 mm，出口直徑6 143 mm，最大外徑7 755 mm，轉(zhuǎn)輪進(jìn)口高度1 350 mm，轉(zhuǎn)輪總高3 575 mm，葉片數(shù)15。材料為A743 CA6 NM（ASTM），葉片最大許用應(yīng)力：正常86.2 MPa，異常214.4 MPa。轉(zhuǎn)輪質(zhì)量195 t。

溪洛渡水輪機(jī)運(yùn)行水頭高，其水輪機(jī)尺寸小于三峽水輪機(jī)，但對外交通不便，增加了設(shè)計、制造難度。

3.3 水輪機(jī)圓筒閥

圓筒閥設(shè)置6只油壓操作的液壓直缸接力器，圓筒閥可在現(xiàn)地和中控室監(jiān)控進(jìn)行手動和自動操作。其關(guān)閉時的密封性需模擬可預(yù)見的對機(jī)組最不利的運(yùn)行工況，通過模型試驗來確定密封圈的幾何形狀，并對密封圈材質(zhì)、性能進(jìn)行測試和檢驗。圓筒閥在90 s內(nèi)完成緊急關(guān)閉和90 s內(nèi)完成正常開啟，并且啟、閉時間均可在60～120 s內(nèi)可調(diào)。其在正常開啟和關(guān)閉過程中任何情況下不會卡死。

溪洛渡圓筒閥技術(shù)特性：閥體外徑9 935 mm、內(nèi)徑9 535 mm、高度1 500 mm，圓筒閥開啟時間90 s，60～120 s可調(diào)，圓筒閥關(guān)閉時間90 s，60～120 s可調(diào)，圓筒閥體分瓣數(shù)2瓣，分瓣外形尺寸（L×B×H） 9 935 mm ×4 968 mm ×1 500 mm， 分瓣質(zhì)量38.5 t，總質(zhì)量77 t，材料S235J2G3，止水方式密封圍帶。

溪洛渡水電站圓筒閥，總數(shù)達(dá)18臺套。國內(nèi)外廠家雖都具有相應(yīng)的設(shè)計、制造技術(shù)，但制造、安裝過程中的質(zhì)量監(jiān)督還需嚴(yán)格把關(guān)。

4 討論

4.1 水輪機(jī)額定出力與最大容量

為了增加三峽水輪機(jī)在高水頭運(yùn)行時的穩(wěn)定性，三峽左岸電站水輪機(jī)按 “最大容量”進(jìn)行設(shè)計。最大容量為852 MW，發(fā)電機(jī)按額定功率因數(shù)下最大容量840 MV·A進(jìn)行設(shè)計。三峽右岸電站水輪機(jī)還將額定水頭由80.6 m提高至85 m，試圖進(jìn)一步改善高水頭運(yùn)行的穩(wěn)定性能。但三峽水電機(jī)組的銘牌出力仍為700 MW不變。

溪洛渡電站水輪機(jī)的額定出力為784 MW，比三峽水輪機(jī)額定出力710 MW要大。溪洛渡是直接將 “最大容量”定義為新的 “額定容量”并在銘牌上標(biāo)示為額定出力。即：在水頭186 m時，出力為700 MW；而在水頭197 m時，出力為784 MW。發(fā)電機(jī)在額定容量且功率因數(shù)為1.0運(yùn)行時，水輪機(jī)出力能達(dá)到870 MW，此時水輪機(jī)運(yùn)行水頭為210 m左右。

4.2 水輪機(jī)的運(yùn)行穩(wěn)定性

（1）大容量水電機(jī)組的運(yùn)行穩(wěn)定性問題。由于1992年巴基斯坦塔貝拉電站440 MW機(jī)組和2009年俄羅斯薩陽舒申斯克電站640 MW機(jī)組相繼出現(xiàn)了重大事故，因而溪洛渡電站18臺784 MW水輪機(jī)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，引發(fā)了業(yè)內(nèi)人士的重大關(guān)注。三峽機(jī)組采用了諸多技術(shù)指施，包括 “設(shè)置最大容量”，無論是額定水頭為80.8 m的14臺左岸電站水輪機(jī)，還是額定水頭為85 m的12臺右岸電站水輪機(jī)，迄今運(yùn)行良好。但三峽機(jī)組在電網(wǎng)實際運(yùn)行中，由于國家調(diào)度體制上的原因，不能充分發(fā)揮 “最大容量”的設(shè)計能力，未能實現(xiàn) “保證安全運(yùn)行”并“多發(fā)電量”的效果。因而，溪洛渡水電站不得不按“最大容量”進(jìn)行設(shè)計，而且明確最大容量就是銘牌出力，以使水輪機(jī)在高水頭運(yùn)行時的穩(wěn)定性更有保證。

（2） 大容量水電機(jī)組的運(yùn)行穩(wěn)定范圍。三峽、大古力、伊泰普等水電站都規(guī)定在60%額定出力以上的區(qū)域運(yùn)行，實際上伊泰普水電站幾乎是在80%額定出力以上運(yùn)行，機(jī)組運(yùn)行負(fù)荷沒有大起大落的變化。溪洛渡水電站要求在50%額定出力以上運(yùn)行，模型驗收試驗見證了在這個范圍內(nèi)運(yùn)行是穩(wěn)定的。由于模型試驗時的壓力脈動與原型機(jī)運(yùn)行時并無確定的相似關(guān)系；所以在試運(yùn)行中考察真機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行性能，并在長期運(yùn)行中堅持按分區(qū)運(yùn)行的要求進(jìn)行調(diào)度是十分必要的。

（3）高水頭高部分負(fù)荷時尾水管壓力脈動。溪洛渡水輪機(jī)模型驗收試驗以及廠家初步試驗中，在高水頭高部分負(fù)荷時都未出現(xiàn)尾水管壓力脈動值突然升高的現(xiàn)象。而三峽左岸水電站水輪機(jī)在模型試驗時存在這種不穩(wěn)定現(xiàn)象，但在原型水輪機(jī)現(xiàn)場試驗和運(yùn)行時并沒有出現(xiàn)這種現(xiàn)象。這可以解釋為是模型試驗條件和原型水輪機(jī)運(yùn)行條件有很大不同導(dǎo)致的。

4.3 關(guān)于 “百萬千瓦級”機(jī)組

我國正在依托金沙江上的烏東德、白鶴灘水電站研究 “百萬千瓦級”水電機(jī)組。三峽工程論證階段研究過這課題。前蘇聯(lián)在圖魯漢斯克電站規(guī)劃中也研究過 “百萬千瓦級”水電機(jī)組。

在三峽電站26臺700 MW級水電機(jī)組在電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行以后，溪洛渡、向家壩電站 26臺800 MW級水電機(jī)組正在制造中，我們對 “百萬千瓦級”水電機(jī)組的研究，有了比較堅實的基礎(chǔ)。根據(jù)烏東德、白鶴灘水電站規(guī)劃的運(yùn)行水頭條件， “百萬千瓦級”的水輪機(jī)的尺寸、重量不會超過三峽、向家壩水電站。水輪機(jī)部件應(yīng)用材料的性能，稍高于溪洛渡水電站，囯內(nèi)外材料廠家都能供應(yīng)這樣的高性能厚鋼板。發(fā)電機(jī)額定電壓高于三峽電站的20 kV，向家壩水電站發(fā)電機(jī)電壓已提高到23 kV。階段性研究試驗結(jié)果顯示，目前的絕緣材料可以滿足高電壓等級發(fā)電機(jī)絕緣材料的要求。隨著我國強(qiáng)大電力網(wǎng)的形成，在火電機(jī)組已經(jīng)有了單機(jī)容量1 000 MW機(jī)組的情況下， “百萬千瓦級”水電機(jī)組的調(diào)度運(yùn)行不會成為電網(wǎng)安全運(yùn)行的限制因素。單機(jī)容量1 000 MW的水電機(jī)組，能否成為現(xiàn)實，不取決于水電機(jī)組本身的技術(shù)，而更多地取決于對依托工程的總體效益影響的評估。