烏東德水電站850 MW水輪機總體技術特性分析

李玲 王華軍 鄭濤平 陳冬波

摘要：烏東德水電站水輪發電機組單機容量850 MW，居世界水電第二;水電站運行條件復雜，機組設計安裝難度大。針對以上技術難題，結合工程特點，從水輪機的運行條件、水力設計、結構特性、現場加工安裝等方面開展了大量的專項分析研究工作，從而得到了優良的水輪機設計參數和結構;同時，通過開展專項研究，提出了基于“水輪機效率加權因子量化方法”的綜合轉輪開發方法、地下式聯合轉輪加工廠設計方案以及基于安裝強度指標提高機組安裝進度的方法。研究成果為烏東德水電站機組的順利投產發電提供了保障，可為今后巨型水輪機設計提供參考。

關 鍵 詞：綜合轉輪開發設計; 地下聯合轉輪加工廠; 巨型混流式水輪機組; 機組安裝; 烏東德水電站

中圖法分類號： TM312

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2022.04.035

0 引 言

金沙江中下游梯級主要開發目標是發電，兼具防洪和為三峽水庫承擔減少泥沙的任務[1]。烏東德水電站是金沙江下游河段4個梯級——烏東德、白鶴灘、溪洛渡和向家壩梯級電站中的第一個梯級電站，位于四川省會東縣和云南省祿勸縣交界的金沙江下游河段，是“西電東送”的骨干電源點。電站總裝機容量為10 200 MW，裝機規模居中國第四、世界第七，年發電量為389.1億kW·h。根據“1 000 MW水輪發電機組總體及專項研究”[2-3]等系列創新研究成果，并結合電站水文、地質和樞紐布置條件[4]，最終確定在烏東德水電站左右岸地下廠房采用各布置6臺混流式水輪發電機組（單機額定容量為850 MW）的布置方案。

水輪機技術經歷了漫長的發展階段[5]，雖然中國的水輪機研究起步晚[6]，但經過70 a的發展，特別是最近20 a的快速發展，隨著三峽水電站（單機容量700 MW）、向家壩水電站（單機容量800 MW）、溪洛渡水電站（單機容量770 MW）的建成，烏東德水電站（單機容量850 MW）、白鶴灘水電站（單機容量1 000 MW）的陸續投建，中國混流式水輪機單機容量已邁入百萬千瓦級[7]。巨型混流式水輪機的能量、空化和穩定性依然是研究的重點[8]。但隨著機組容量和尺寸的增大，其振動問題也較突出，因此在追求優良的能量和空化指標條件下，巨型水輪機穩定性設計成為關注的重點[9-11]。

水輪機的穩定性與電站運行條件、水力設計、結構材料設計、制造安裝質量和機組運行控制等均有關系。本文從烏東德水電站的開發對機組總體特性要求、水輪機水力設計參數、結構特性和現場安裝特點等方面進行了闡述，分析了地形條件對機組裝機臺數的要求、電站運行條件和水力設計難點等;通過加大水輪機最大導葉開度（131%以上）來獲得低水頭加大出力設計、基于安裝強度指標的大型立式水輪發電機組安裝工期的量化計算和評估方法等，實現了百萬級機組的設計安裝。本文研究成果可為巨型水電站水輪發電機組的設計及安裝提供參考。

1 電站開發對機組總體特性的要求

1.1 樞紐布置

烏東德水電站裝機容量為千萬千瓦級。由于壩址地處峽谷地帶，電站廠房布置在兩岸的地下，裝機臺數和機電其他設備的布置受地質地形的影響較大，在這種條件下，增加單機容量減少裝機臺數可以有效地減少樞紐布置困難，降低運行維護成本。經分析研究，對烏東德水電站采用左右岸地下廠房各布置6臺混流式水輪發電機組、引水系統單機單洞、尾水系統采用兩機一洞帶尾水調壓室，并在左右岸各設計2條尾水洞與導流洞結合的布置型式[12]。

1.2 電站運行特點

烏東德水電站下游的溪洛渡、向家壩、三峽水庫在9月份有較大蓄水要求，烏東德水電站蓄水時間宜與下游水庫錯開，盡量在8月份完成蓄水任務。烏東德水電站為山區狹長河道型水庫，經上游水庫調蓄后，枯水期來水比較穩定，水庫一般自1月份開始逐步供水，水庫水位從正常蓄水位975 m逐步消落，至6月底消落至防洪限制水位952 m或以下，7月1～31日防洪限制水位為952 m，8月初開始蓄水，一般年份8月10日蓄水至960 m，8月20日蓄水至968 m，8月底可蓄水至正常蓄水位975 m。9月份以后，水庫盡量維持高水位運行的方式，入庫徑流小于發電流量后，水庫水位逐步消落，直至死水位;次年6月底，水庫水位為防洪限制水位。

1.3 電站運行參數

（1） 水頭特性。烏東德水電站最大水頭為163.4 m，最小水頭為106.0 m，全年加權平均水頭為144.1 m。水頭段出現頻率及電量特性分析結果表明，高頻水頭段通常出現在144～153 m。

（2） 壩下河道水文特性分析。烏東德水電站壩址下游有多處河底高程在810 m左右的反坡，阻水現象嚴重。在下游30 km范圍內分布有多處險灘，水流湍急、落差大，具備實施河道拓挖、降低烏東德水電站尾水位的潛在條件。而且下游梯級白鶴灘水電站每年的豐水期是6月至8月中旬、枯水期為2月下旬至5月，水庫運行水位相對較低，平均運行水位均在810 m以下。在此期間，對烏東德水電站尾水位基本無頂托影響，能夠發揮烏東德水電站拓挖河道、降低尾水位的作用。

（3） 流量特性。多年平均流量為3 830 m3/s，年內汛期（6～11月）徑流量占全年的81.5%，月平均流量大于裝機過流量的月份主要集中在8月（8 510 m3/s）和9月（8 390 m3/s）。因此，機組有必要在低水頭區適當加大開度以獲得汛期電量。

（4） 出力特性。該水電站為不完全年調節電站，電站保證出力為3 150 MW，以單機容量850 MW為例，電站保證出力為單機容量的3.71倍，由于電站出力遠大于機組出力，因而使機組在大負荷區運行極為有利。

1.4 泥沙資料

烏東德水電站壩址處的懸移質多年平均輸沙量為12 250萬t，多年平均含沙量為1.02 kg/m3。建庫后，烏東德水電站運行20 a的平均過機含沙量為0.152 kg/m3，電站水輪機的水力參數和結構設計須考慮初期運行時泥沙的磨損問題。AAB27C9B-372A-463D-873F-73948A0DBD64

1.5 大件運輸條件

烏東德水電站地處金沙江不通航河段，不具備直接水運條件。對重大件的運輸，采用鐵路運輸至昆明-中轉公路和水路運輸至水富重大件碼頭-中轉公路相結合的運輸方案。根據烏東德水電站運輸限制條件及機組重大件運輸控制尺寸、重量，轉輪及下機架中心體均采取分件運輸到現場加工廠，將分瓣件實施組焊加工成整體后再運至主廠房的運輸方案。

根據烏東德水電站場內外運輸條件和廠房布置的場地條件，通過技術經濟比選，轉輪現場加工廠采用左岸泄洪洞靠山側聯合地下廠房的布置方案。

2 水輪機水力設計

2.1 水力設計參數

烏東德水電站左岸電站廠房的6臺機組由上海福伊特水電公司（簡稱VHS）供貨，右岸電站廠房的6臺機組由通用電氣水電設備（中國）有限公司（GEHC）供貨。機組的基本設計參數如表1所列。

2.2 水力設計特點及難點

烏東德水電站下游河道具備進一步拓挖的潛能條件。為了有效利用該河段水能資源，進一步挖掘烏東德水電站的潛力，通過對137.0 m額定水頭、850 MW機組作為基本方案，并適應近遠期綜合利用各種條件展開了研究，在旬電量平衡加權因子評估法[13]的基礎上，采用“水輪機效率加權因子量化方法”進行分析，基于分析結果，最終選用了綜合轉輪開發方案;同時在可研確定的樞紐布置、廠房布置總體方案不變的前提下，為當前及未來電站綜合利用各種可能的額定水頭及單機容量組合方案留下了可能。有別于三峽水電站、溪洛渡水電站及向家壩水電站的“發電機按最大容量設計”的思路[14～16]，烏東德水電站則是按“加大水輪機最大導葉開度（131%以上）來獲得低水頭加大出力設計”的原則，使后期具備潛能利用擴機能力。一方面，可以適應水頭變幅大及尾水拓挖潛能開發的要求，提高水輪機水力穩定性;另一方面，兼顧優秀的加權效率指標及獲得低水頭工況超出力的發電效益。

2.3 性能參數

（1） 水輪機出力。

烏東德水電站水輪機出力及其長期安全穩定運行范圍如表2所列。

（2） 水輪機效率。

烏東德水電站水輪機效率如表3所列。

（3） 水輪機空化性能。

合同規定了最低尾水位條件下，電站空化系數與水輪機初生空化系數的比值σp/σi以及電站空化系數與水輪機臨界空化系數的比值σp/σ1的保證值。部分工況點σp/σi及σp/σ1與廠家提供的特性性能保證值存在出入，但均滿足招標文件要求的σp/σi≥1.1和σp/σ1≥1.6的要求。

（4） 尾水管壓力脈動。

水輪機在電站空化系數和不補氣的條件下，原型、模型水輪機在各種運行工況時，距轉輪出口處0.3D2（D2為轉輪出口直徑）的上、下游側的尾水管測壓孔測得的壓力脈動混頻雙振幅值如表4所列。試驗結果與初步試驗結果基本一致。說明壓力脈動值基本滿足合同要求，僅在空載個別工況下的壓力脈動值稍微超出了合同保證值。

（5） 高水頭高部分負荷的壓力脈動帶。

要求經優化設計及試驗后，在長期連續安全穩定范圍內，不允許出現高水頭高部分負荷的壓力脈動帶。高部分負荷壓力脈動帶定義為頻率大于或接近機組轉頻，壓力脈動時域峰-峰值ΔH/H大于或等于4%。模型試驗中未發現高部分負荷高頻壓力脈動帶。

3 水輪機結構特性和現場安裝

3.1 水輪機尺寸

水輪機外形控制尺寸是確定廠房控制尺寸的主要因數之一。水輪機主要外形控制尺寸及控制高程如表5所列。

3.2 水輪機結構特點

總體上，水輪機采用立式帶金屬蝸殼彎肘型尾水管結構。蝸殼進口管節板厚度最大為68 mm，末端厚度小，材料采用SX780CF高強度鋼板。對SX780CF高強度鋼板，需要進行充分可靠的焊接工藝評定及焊接程序，由于蝸殼不進行打壓試驗，因此必須對蝸殼的全部焊縫進行嚴格的無損探傷檢查。

轉輪包括上冠、葉片和下環3個部分。有15個葉片，轉輪葉片采用ZG04Cr13Ni4Mo不銹鋼材料、VOD精煉鑄造成型、五軸數控機床數控加工，上冠和下環采用ZG04Cr13Ni4Mo不銹鋼材料鑄造。

轉輪在工地進行組焊加工的工序組成如下：上冠、下環分瓣件的組焊、散件畫線、裝配、焊接（4次整體翻身），探傷、退火、車削加工和鏜孔、靜平衡、整體平吊轉運。單臺轉輪制造工期約10個月，最長工序占用工位工期約3個月。

烏東德水電站選用地下廠房聯合布置的方案。聯合地下轉輪加工廠房布置在左岸泄洪洞靠山側，聯合轉輪加工廠房方案以左、右岸獨立轉輪加工廠房方案為基礎，對使用率較低的重復工位進行簡化。根據招標文件要求，年產6臺轉輪和下機架，并同時滿足每4個月同時交貨2臺轉輪和下機架，聯合轉輪加工廠房方案共布置15個工位。

3.3 轉輪加工

根據機組大部件尺寸及運輸條件，水輪發電機組需現場加工的大部件主要為水輪機轉輪和下機架中心體兩大部件。轉輪包括上冠、葉片和下環3個部分。根據水陸聯運運輸條件，轉輪上冠、下環、葉片需散件運至工地，在工地廠房完成組焊、退火、加工、靜平衡等制造過程。

3.4 裝機進度

采用“基于安裝強度指標的大型立式水輪發電機組安裝工期的量化計算和評估方法”，通過規模相似的已建水電站水輪發電機組重要部件的參數指標，結合現有的安裝工藝等，來量化、預估烏東德水電站水輪發電機組的安裝周期，達到精細把握單臺機組的安裝工期;優化了轉子安裝工位，預留轉子跨轉子的安裝空間，提出2機1組小間隔加快裝機進度的方法，有效規劃整個水電站的機組安裝及發電進度，電站綜合安裝進度實施方案（8+4方案）比可研（4+6+2方案）時方案全部機組投產時間提前8個月，多獲得百億千瓦時左右的施工完建期電量效益。AAB27C9B-372A-463D-873F-73948A0DBD64

4 現場調試及運行狀況

2020年5月8日，烏東德水電站庫水位蓄至935 m，首批6號和7號機組開始了首次手動啟動運行試驗;5月下旬，水庫水位蓄水至945 m及以上，機組具備過速、并網及甩負荷試驗條件。由于烏東德水電站水輪機是按預留遠期潛能開發設計的，具有低水頭工況超發預想出力的穩定運行性能，調試期間，127 m水頭（額定水頭137 m）即可帶850 MW額定負荷試驗，水輪機運行穩定，水輪發電機組壓力脈動、導軸承瓦溫、振動、擺度、噪音等各項指標優良。

烏東德水電站機組投產發電以來，運行穩定。尾水管、無葉區和蝸殼進口壓力脈動幅值均在允許范圍內，導軸承瓦溫、振動、擺度、噪音、流量、壓力等運行參數均滿足設計要求，各項指標優良，運行穩定性良好。由表6可知，5號、6號、7號、8號機組主要運行指標滿足優質機組標準要求。

5 結 論

根據烏東德水電站“1 000 MW水輪發電機組總體及專項研究”等系列創新研究成果，并結合水電站水文、地質和樞紐布置條件，從烏東德水電站的工程開發對機組總體特性的要求、水輪機水力設計參數、結構特性和現場安裝特點等方面開展了分析研究，從而得到如下水輪機總體技術特性。

（1） 對于水輪機的設計，采用基于“水輪機效率加權因子量化方法”的綜合轉輪開發設計方案。一方面，該設計方案可以適應水頭變幅大及尾水拓挖潛能利用的要求，提高巨型水輪機運行的水力穩定性;另一方面，又兼顧了優秀的加權效率指標及低水頭大開度超出力發電的效益。

（2） 水輪機模型試驗數據表明：能量特性、空化特性和穩定特性優良，不存在高水頭高部分負荷時的特殊壓力脈動。

（3） 烏東德水電站轉輪選用地下聯合轉輪加工廠加工的方案，滿足年產6臺轉輪和下機架，每4個月同時交貨2臺轉輪和下機架的進度要求。

（4） 采用安裝強度指標、2機1組小間隔來加快整體裝機的進度，比可研時全部機組投產時間提前了8個月，多獲得百億千瓦時左右的施工完建期電量效益。

（5） 在低水頭下，機組即可超發出力、帶850 MW額定負荷進行調試試驗。電站投產發電以來，機組運行穩定，各項運行參數均滿足設計要求，指標優良。

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（編輯：趙秋云）

Analysis on overall technical characteristics of 850 MW turbine of Wudongde Hydropower Station

LI Ling，WANG Huajun，ZHENG Taoping，CHEN Dongbo

（Changjiang Survey，Planning，Design and Research Co.，Ltd.，Wuhan 430010，China）

Abstract：

The single-unit capacity of the hydro-generator unit in Wudongde Hydropower Station is 850MW，ranking the second in the world，and it is characterized as complex operating conditions and difficult design and installation.In order to solve the above technical problems，a large amount of analysis and research work were carried out on the operating conditions，hydraulic design，structural characteristics，and on-site processing and installation of the turbine in combination with the engineering characteristics，so the excellent turbine design parameters were obtained.At the same time，by conducting special research，a comprehensive runner development method based on the ‘quantification method of hydraulic turbine efficiency weighting factor，a design scheme of underground joint runner processing plant，and a method to advance the installation progress of the unit based on the installation strength index were put forward.The research results had provided a guarantee for the smooth commissioning of the Wudongde Hydropower Station units，promoted the progress of the industry′s science and technology，and obtained significant social and economic benefits，which can provide reference for the design of giant turbines in the future.

Key words：

runner development and design;underground joint runner processing plant;giant Francis water turbine;unit installation;Wudongde Hydropower StationAAB27C9B-372A-463D-873F-73948A0DBD64