風光水多能互補混流式水輪機全負荷范圍穩定經濟運行設計

張軍智，何振忠，王子瑞，苑連軍，段宏江

(1.中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，西安 710065;2.青海黃河李家峽發電分公司，青海 坎布拉 811999)

0 前 言

隨著近年來青海省太陽能發電、風力發電的大力發展，李家峽水電站承擔調峰及備用任務更加突出，水電站機組的運行方式已由傳統運行方式逐步轉變為配合風光水多能互補的新型運行方式，即靈活調節出力以平抑風光等出力的波動性。在此背景下，李家峽水電站水輪機需適應風光水多能互補的運行方式，并要求長時間運行在低負荷甚至超低負荷工況。同時，李家峽水電站4臺機組自投運以來，轉輪葉片相繼發生不同程度的裂紋，雖經反復修補仍未得到根本解決，葉片裂紋仍然發生。機組每年的2次C級檢修均需對轉輪裂紋進行補焊處理，轉輪葉片裂紋的存在和重復發生是影響電站機組安全穩定運行的最主要因素，電站決定對水輪機轉輪進行改造以徹底解決轉輪裂紋問題?；诖耍瑸榱藢崿F李家峽水電站水輪機轉輪改造目標，解決轉輪葉片裂紋問題，還需在此基礎上擴大水輪機的穩定運行范圍，實現水輪機全負荷范圍穩定經濟運行，即實現水輪機在0～100%全負荷范圍穩定經濟運行且不發生裂紋,以滿足風光水多能互補運行的要求。

本文依托李家峽水電站水輪機轉輪改造工程，對風光水多能互補混流式水輪機全負荷范圍穩定經濟運行設計進行總結，旨在提出風光水多能互補混流式水輪機全負荷運行的水輪機轉輪改造設計關鍵點，為風光水多能互補運行水電站水輪機設計提供借鑒。

1 風光水多能互補運行中水電站功能發揮

風光水多能互補運行中水電站功能發揮(混流式水輪機0～100%全負荷范圍穩定經濟運行由來)。

1.1 李家峽水電站水輪機轉輪裂紋情況

李家峽水電站是黃河上游龍羊峽-青銅峽河段規劃的第三座大型梯級電站。電站共設計安裝5臺混流式水輪發電機組，單機容量400 MW，總裝機容量2 000 MW。目前裝機4臺，預留1臺。李家峽水電站與西北330 kV電網聯網，主供西北四省，在系統中擔任調峰、調頻任務。

李家峽水電站1號、2號、3號、4號機組分別于1997年2月、1997年12月、1998年5月、1999年12月投產。自1997年2月首臺機正式并網投入運行至今，4臺機組轉輪葉片相繼發生不同程度的裂紋，裂紋發生部位主要集中在葉片出水邊與上冠連接焊縫處，葉片出水邊與下環連接焊縫處也出現過裂紋，裂紋多為貫穿性裂紋。多年來，相關單位從材料、焊接工藝、模型和真機尾水管壓力脈動及轉輪動力響應等方面作了大量的分析和試驗工作，分析了裂紋原因。相關單位亦進行了多次修復工作，但在后續的檢查中，仍有裂紋出現，各臺機裂紋情況也有所不同。轉輪裂紋問題多年來一直未得到根本解決，很多葉片經過多次返修焊接，葉片材料及焊接性能不斷降低，部分葉片裂紋反復出現，甚至發現轉輪葉片有掉片現象，機組的安全穩定運行已經受到嚴重的威脅。水輪機轉輪裂紋已成為制約李家峽水電站安全穩定運行的重大設備隱患。

1.2 配合新能源運行的現實需求

圖1和圖2為李家峽水電站某一臺水輪機2個典型日內的負荷變化情況。從中可以看出，一天內的負荷變化呈現高頻率、大變幅的特點。隨著近年來青海省太陽能發電、風力發電的大力發展，在進行李家峽水電站轉輪改造解決裂紋問題的同時，必須考慮以后電站經?！八饣パa”、“水風互補”的現狀，即電站的運行方式已轉變為配合風光水多能互補運行方式的新問題。轉輪裂紋問題的解決是當前電站安全穩定運行最重要的研究課題，而電站新的運行方式及特點，又是保證機組運行穩定性、解決轉輪裂紋問題的難點所在。李家峽水電站轉輪改造的任務就是在解決轉輪裂紋的基礎上盡可能擴大水輪機的穩定運行范圍，能實現水輪機全負荷范圍穩定經濟運行，即實現水輪機0～100%全負荷范圍穩定經濟運行且不發生裂紋,以滿足風光水多能互補運行的要求。

圖1 李家峽水電站調頻數據

2 混流式水輪機0～100%全負荷范圍穩定經濟運行設計關鍵點

李家峽水電站轉輪改造的難點是解決轉輪裂紋問題，而電站配合新能源互補的新運行方式及特點，又是保證機組運行穩定性、解決轉輪裂紋問題的難點所在。在李家峽水電站轉輪改造設計中，要實現在水輪機轉輪不發生裂紋的基礎上實現水輪機0～100%全負荷范圍穩定經濟運行，涉及到兩個重點問題：一是尋求李家峽水電站轉輪裂紋成因；二是尋求李家峽水輪機轉輪改造設計關鍵點并提出解決思路。

圖2 李家峽水電站調頻數據

2.1 李家峽水電站水輪機轉輪裂紋成因分析

李家峽水電站轉輪裂紋歷時時間長、裂紋問題嚴重、裂紋成因復雜。為探討裂紋成因，有關單位進行了部分的試驗研究工作，進行了1號機組水輪機轉輪葉片動應力測試等試驗。從目前已知的水輪機轉輪葉片裂紋的事例來看，葉片裂紋產生的主要原因應該是疲勞破壞，也就是動應力作用的結果。產生動應力的原因主要包括卡門渦、周期性脫流、尾水渦帶振動、轉輪進口的壓力脈動和動靜干擾等水動力作用，也可能包括機械不平衡或者電磁力的作用。但對于一臺具體的機組，究竟是哪一種因素引起的動載荷是主要因素，該載荷引起的應力幅值又有多大，卻很難判斷，需通過詳細的分析和試驗等進行判斷。在目前尚不能對動應力進行準確數學計算的情況下，開展真機實測幾乎是掌握轉輪葉片在運行狀態下的動應力狀況的唯一途徑。

為了解李家峽轉輪葉片裂紋成因，對轉輪葉片進行了動應力測試，以掌握在各運行工況下的動應力和靜應力水平分布情況及動應力的頻率特征，以判別各因素對動應力的影響，從而分析裂紋成因。根據測試結果，在各穩定工況下，從各測點和各工況的數據分析，動應力幅值最大的幾個頻率分別是41.7、1.6、2.1 Hz，這分別是20倍轉頻、類轉頻和轉頻。影響最大的應力數據見表1。

從上表1可知，其中41.7 Hz的應力,其頻率為20倍的轉頻，李家峽水電站活動導葉數為20個，活動導葉對轉輪葉片的干擾所引起的動應力頻率就是20倍轉頻，從原理上分析，此頻率應力應該為活動導葉出口處的周期性速度分布引起的“動靜干擾”引起。頻率為1.6 Hz的動應力為受渦帶影響而發生的類轉頻引起，頻率為2.1 Hz的動應力為轉頻引起。穩定工況下，動應力通頻幅值大體上等于上述3個分頻值(41.7、1.6、2.1 Hz)的和，說明其它因素所產生的動應力幅值較小。測量中沒有卡門渦、葉道渦等因素所引起的動應力。說明這些因素所引起的動應力幅值較小，這些因素不是產生裂紋的主要原因。

表1 影響最大的應力數據

綜合以上各點,其中頻率為41.7 Hz的動應力，其分布范圍廣、幅值大、頻率高，是造成李家峽水電站轉輪葉片裂紋的主要原因。故李家峽水電站轉輪裂紋是在葉片上較高的殘余應力疊加實測的靜應力，在交變的動應力作用下產生的疲勞裂紋。

國內外很多混流式水輪機在運行中出現不同程度的轉輪裂紋，縱觀各電站裂紋情況，轉輪裂紋產生的原因各不相同且原因非常復雜。以上僅基于已做的試驗研究分析推斷李家峽轉輪裂紋成因，考慮轉輪裂紋成因的復雜性及李家峽水電站的具體特點，還需組織召開行業內專家研討會，以進一步明確李家峽轉輪裂紋成因及提出解決措施。

2.2 水輪機轉輪改造設計關鍵點

2.2.1水力設計邊界條件、水輪機運行加權因子

為開發出符合李家峽水電站實際運行情況的水輪機，有必要對水輪機加權因子進行研究以指導水輪機水力設計。以往電站水輪機加權因子主要基于水輪機穩定運行范圍為相應水頭下保證功率的45%～100%，按照水能計算發電量最大而確定，而隨著光伏、風電等新能源的發展，水輪機運行方式發生了變化，水電站已由發電最優轉向調能最優這一現實需要，水輪機實際運行范圍不是僅限于相應水頭下保證功率的45%～100%，對此種情況的水輪機運行加權因子如何確定尚沒有研究先例，為此基于實際運行情況的統計設計法來尋求李家峽水電站水輪機運行加權因子。以各機組長系列運行資料為前提，建立了基于數理統計的水輪機運行加權因子計算模型，將各機組的出力和水頭進行分區、篩選、組合，構建聯合分布函數，采用統計方法獲得每種組合的樣本數，與總樣本數的比值即為各機組在不同出力、水頭區間內的加權因子。

在設計過程中，共收集了李家峽水電站2014—2016年小時尺度運行資料，主要包括小時尺度的發電流量，上下游水位，單機出力資料。同時考慮隨著青海大量光伏電站及新能源電站投入運行，李家峽水電站承擔的角色逐步發生了變化，為了充分研究分析光伏電站運行對李家峽水電站的影響，本次研究將李家峽水電站的運行分成3個時段，分別是無光伏影響時段(2000—2012年)，弱光伏影響時段(2013—2014年)，強光伏影響時段(2015—2016年)，其中2015年和2016年電站實際運行情況類似于未來電站的運行模式，比較有代表性。李家峽水電站水輪機運行加權因子對比結果如圖3所示。

結合青海目前光伏發電、風力發電等新能源的發展及將來李家峽水電站運行模式的預估，論證適合于李家峽水電站實際情況的水輪機運行加權因子，并與改造前水輪機運行加權因子進行對比，如圖4所示。

從圖3和圖4可知，隨著青海光伏、風電等新能源的不斷發展和逐步擴大，李家峽水電站水輪機運行加權因子發生了大的變化，隨著青海光伏、風電等新能源的持續快速發展，電站水輪機運行方式基本上是白天較小的出力，夜間較大的出力，水輪機運行加權因子分布呈現0～100%全負荷范圍分布、權重大的負荷主要分布在低負荷和高負荷區。基于電站實際運行情況并預估將來適應風光水多能互補的運行方式，通過統計設計法尋求電站將來的水輪機運行加權因子，明確水輪機水力設計的方向和重點，從而指導李家峽水電站水輪機轉輪改造水輪機設計，是本項目設計的關鍵因素。

圖3 李家峽水電站水輪機運行加權因子對比

圖4 李家峽水電站水輪機運行加權因子對比

2.2.2水輪機0～100%全負荷范圍內穩定經濟運行設計關鍵點

李家峽水電站水輪機轉輪改造設計是在水輪機轉輪不發生裂紋的基礎上實現0～100%全負荷范圍穩定經濟運行，轉輪的防裂紋設計是水輪機設計工作的重點內容之一，防裂紋設計的主要原則是轉輪要具有足夠的疲勞強度和抗裂紋擴展能力。因此，預防轉輪裂紋主要應從水力設計、結構設計、振動、材質、制造工藝以及運行工況等諸多方面進行考慮。隨著國內外加工制造水平的提高，在材質和制造工藝方面均有大的發展，主要關鍵點集中在水力設計和結構設計中。李家峽水電站轉輪改造設計實現了水力設計與結構設計的結合。圖5為水輪機水力設計基本流程。

圖5 水輪機集成設計過程

水力設計的重點是在不改變機組原有流道及埋件的前提下，研究、開發、設計、制造出適用于電站實際運行工況的、在所有運行區域內轉輪都不再發生裂紋、運行穩定性優良的新型轉輪。主要進行了活動導葉和模型轉輪的優化設計，對活動導葉翼型、個數、分布圓直徑和轉輪結構進行優化設計，并在消除卡門渦、預防葉道渦的同時，降低全負荷區壓力脈動幅值。

結構設計與水力設計同步進行，設計過程中要求轉輪葉片設計的最大靜應力不得超過材料屈服強度的1/5(且不超過90 MPa)；考慮動應力時葉片計算的最大應力不應超過材料屈服強度的1/4，進一步量化應力考核標準，對水輪機結構設計指明方向。結構設計重點是進一步提高轉輪的疲勞強度和抗裂紋擴展能力，對葉片出水邊與上冠以及下環交接處進行局部加厚，施加降低應力的三角塊；進行轉輪疲勞強度分析和斷裂力學評估分析，通過降低靜應力水平，避免動靜干涉和相位共振發生，降低壓力脈動幅值來提高轉輪的疲勞強度。

3 李家峽水電站水輪機轉輪改造效果

在招標設計階段，考慮李家峽水電站轉輪改造難度大，為充分調動各潛在機組投標廠的積極性，將各設計關鍵點落在實處，按照“好中選優”的指導思想，李家峽水電站水輪機轉輪改造招標采用帶模型轉輪同臺對比的招標方式。經過近1 a的轉輪模型研發，主機廠按照改造設計總體要求，開展活動導葉和轉輪的研發，進行雙列葉柵水力優化設計和通流部件CFD數值計算與優化設計，在此基礎上進行模型裝置和模型轉輪的車間加工，依據模型試驗結果重新修改優化水力設計和CFD計算，經過多輪次的廠內模型試驗后選定最優方案。于2018年3月至5月在中國水利水電科學研究院水力機械實驗室TP3試驗臺上完成了模型轉輪同臺對比試驗。試驗結果表明，3個同臺對比廠家模型試驗中，各項指標均滿足招標文件要求，均能滿足水輪機0～100%全負荷范圍穩定運行，也間接促進了水力機械行業的技術進步。

圖6 改造前后頂蓋振動對比

圖6和圖7為李家峽水電站水輪機轉輪改造前后真機運行頂蓋振動和壓力脈動的對比情況，從穩定性試驗表明，在全負荷范圍內頂蓋振動、頂蓋壓力脈動、水導擺度和水車室噪音等指標與改造前相比明顯改善(400 MW負荷下，改造前頂蓋水平振動29.9 μm、垂直振動24.7 μm、壓力脈動17.95 kPa，改造后頂蓋水平振動13.54 μm、垂直振動13.95 μm、壓力脈動15.76 kPa)。全負荷范圍內轉輪葉片最大靜壓力不大于82.5 MPa，動應力小于20 MPa，可以滿足0～100%全負荷運行要求。

圖7 改造前后頂蓋壓力脈動對比

李家峽水電站水輪機轉輪改造首臺機3號機組完成改造自2020年6月10日并網發電，機組運行方式為風光水多能互補的運行方式，截止至2021年1月7日C級檢修已運行了4 882 h，經探傷檢查未發現裂紋，實現了無裂紋的目標。李家峽水電站水輪機轉輪改造工程主要目標是解決轉輪葉片裂紋問題，為適應風光水多能互補的運行方式和機組長時間運行在低負荷甚至超低負荷的狀況，水輪機轉輪改造設計以安全穩定性為主，側重于低負荷甚至超低負荷的穩定性，兼顧高負荷的效率，實現0～100%全負荷范圍安全穩定運行。改造后的水輪機轉輪的水力設計和結構強度表現出對風光水多能互補運行良好的適應性，極大提高了機組運行穩定性，全面提升了電站形象。

4 結 論

李家峽水電站轉輪裂紋歷時時間長、裂紋問題嚴重、裂紋成因復雜，困擾電站20多年，同時考慮我國新能源的大力發展，李家峽水電站轉輪改造設計同時面臨著風光水多能互補運行的要求，通過對風光水多能互補混流式水輪機全負荷范圍穩定經濟運行設計進行分析總結，得出結論如下：

(1) 李家峽水輪機活動導葉對轉輪葉片的干擾所引起的動應力頻率為41.7 Hz的動應力，其分布范圍廣、幅值大、頻率高，是造成李家峽水電站轉輪葉片裂紋的主要原因。轉輪裂紋是在葉片上較高的殘余應力疊加實測的靜應力，在交變的動應力作用下產生疲勞裂紋。

(2) 從水力設計、結構設計、振動、材質、制造工藝以及運行工況等方面考慮，提升轉輪的疲勞強度和抗裂紋擴展能力，實現裂紋預防。

(3) 以各機組長系列運行資料為前提，建立了基于數理統計的水輪機運行加權因子計算模型，將各機組的出力和水頭進行分區、篩選、組合，構建聯合分布函數，提出了適應電站實際運行情況、滿足多能互補運行需要的水輪機運行加權因子分布設計方法。

(4) 為適應風光水多能互補的運行方式和機組長時間運行在低負荷甚至超低負荷的狀況，水輪機轉輪改造設計以安全穩定性為主，側重于低負荷甚至超低負荷的穩定性，兼顧高負荷的效率，實現了0～100%全負荷范圍安全穩定運行。

5 結 語

目前中國風光清潔能源大力發展深度改變了傳統水電站水輪機運行方式，水電站已由發電最優轉向調能最優，本文結合李家峽水電站水輪機轉輪改造工程，對風光水多能互補運行水電站提出了設計思路和建議，對轉輪葉片裂紋成因進行了總結分析，并在轉輪改造設計中首次提出水輪機需滿足0～100%全負荷穩定運行這一課題，給風光水多能互補運行下水電站水輪機設計提供了新的視角。李家峽水電站首臺改造轉輪為3號機轉輪，2020年6月10日，3號機組完成改造，經72 h試運行，正式投產發電。截至2021年1月7日，3號機組已穩定運行了4 882 h，經C級檢修，轉輪未發現裂紋，并實現了0～100%全負荷范圍安全穩定運行，改造后的轉輪基本達到既定的目標。

為助力實現碳達峰、碳中和的目標，我國將構建以新能源為主體的新型電力系統，風電、光伏發電等新能源將大規模高比例發展。為平抑風光等出力的波動和促進風、光新能源的消納，未來水電站水輪機運行方式將發生更為深刻的變化，風光水多能互補運行中水輪機實現0～100%全負荷范圍穩定經濟運行將成為現實選擇。李家峽水電站水輪機轉輪改造雖取得了一些經驗，但實現風光水多能互補運行中混流式水輪機0～100%全負荷范圍穩定經濟運行還需進一步深入研究。