1 000 MW水輪發電機組研究新進展

程永權,胡偉明,鄒祖斌,劉潔

(中國長江三峽集團公司,湖北省宜昌市,443002)

0 引言

金沙江下游河段規劃中的烏東德、白鶴灘兩電站即將動工建設,計劃 2020年投產。基于三峽700 MW水輪發電機組引進、消化、吸收的經驗和成果,三峽集團公司聯合相關設計、制造、科研等單位,對 2電站裝設單機容量1 000 MW機組的工程條件和設計制造的可行性進行了研究。本文對 1 000MW機組研究的新進展進行了總結,并指出了下階段研究的重點方向。

1 概述

金沙江干流全長約3 500 km,天然落差約5 100m,水能資源十分豐富,是全國最大的水電能源基地之一,理論蘊藏量為 121 GW,其中經濟可開發裝機容量103GW,占長江流域的43.6%,全國水電經濟可開發裝機容量的 25.6%。金沙江下游河段水量大、落差集中,又是金沙江流域乃至長江流域水能資源最豐富的河段。在金沙江下游河段規劃的4個水電梯級裝機容量約為 38.2 GW,年發電量約1 700億kW·h,是西電東送的重要電源基地。其中靠下游溪洛渡、向家壩電站正在建設,靠上游烏東德、白鶴灘電站也即將開工建設。烏東德、白鶴灘電站動能條件見表1。

表1 烏東德、白鶴灘電站動能條件Tab.1 Kinetic energy conditions ofW udongde and Baihetan power station

在預可研和可研階段,對烏東德、白鶴灘電站裝設單機容量1 000 MW水輪發電機組的必要性和可行性進行了論證,主要結論為:

(1)烏東德、白鶴灘水電站的動能指標和壩址情況具備了裝設1 000MW機組的條件;

(2)增大單機容量,減少裝機臺數可減少開挖、澆注、安裝等工程量,節省投資;

(3)加大單機容量,縮短完建期,提前投產發電經濟效益和節能減排環保效益顯著;

(4)減少裝機臺數有利于樞紐工程的總體布置和工程安全可靠性的提高;

(5)通過百萬千瓦水電機組的研究、設計、制造,有利于推動我國水電裝備的技術進步,同時該技術在國內外具有廣泛的應用前景。

迄今為止,世界上水電機組最大單機容量為700MW。為論證百萬千瓦水電機組的設計、制造和工程應用的可行性,從 2006年初開始到 2010年,中國長江三峽集團公司聯合長江委設計院、華東水利電力勘測設計院、哈爾濱電機廠有限公司(以下簡稱哈電)、東方電機有限公司(以下簡稱東電)、中科院電工所等組成“科研聯盟”,全面系統地開展1 000 MW機組設計制造及工程應用技術可行性研究,包括對烏東德、白鶴灘 1 000 MW水電機組可行性研究、機組總體技術研究、水力設計及模型試驗、24 kV/26 kV發電機繞組絕緣研制、1 000MW水輪發電機組技術標準和規范研究等,取得豐碩成果。研究成果表明:立足國內技術,烏東德、白鶴灘 1 000 MW水輪發電機組設計、制造、運輸是可行的,不存在大的制約因素。

2 1 000 MW水電機組研究過程和主要內容

1 000 MW機組研究工作依托烏東德、白鶴灘工程條件進行,課題研究總體上劃分 3個階段。

第1階段:1 000 MW級機組在工程應用中可行性和經濟合理性研究,該項工作于 2007年完成。

第2階段:1 000MW機組總體研究和專項研究,主要論證1 000 MW水電機組是否具備設計制造運輸能力。其中專項研究包括:烏東德、白鶴灘水電站1 000 MW水輪發電機組總體研究,水輪機水力設計及模型試驗研究;24 kV/26 kV定子線棒絕緣技術及仿真試驗研究;1 000MW水輪發電機組技術要求和規范研究。第 2階段研究工作于 2010年完成并通過驗收。

第3階段:1 000MW級水輪發電機組創新研究,主要論證能否設計制造出技術性能更好的1 000MW級水輪發電機組。研究內容包括在前 2個階段研究的基礎上,針對1 000 MW水輪發電機組本身的制約因數和技術難點,開展新技術、新材料、新工藝的開發研究。第 3階段研究工作即將正式啟動。

3 1 000MW水電機組研究各階段的結論成果

3.1 第 1階段研究成果

(1)必要性。

烏東德、白鶴灘電站具備裝設1 000 MW機組的動能、工程地質及樞紐布置、電力系統、機組設計制造等條件。為適應巨型電站開發,簡化樞紐工程的總體布置、方便運行維護管理、節省投資,在烏東德、白鶴灘研究電站裝設1 000 MW機組是必要的。同時,依托烏東德、白鶴灘水電站研制和發展1 000MW級水輪發電機組的關鍵技術,將有利于推動我國特大型水電設備設計制造技術的創新和發展,全面提升我國機械裝備工業的競爭力。

(2)機電設備。

三峽右岸 700 MW機組轉輪直徑為 9.88和10.71 m,質量為440～473.2 t;烏東德1 000 MW機組水輪機直徑約為9.6 m,質量約為435 t;白鶴灘1 000MW機組水輪機直徑約為8.4m,質量約為335 t。烏東德、白鶴灘電站機組尺寸、質量與三峽機組相當,設計、制造、運輸不存在重大制約因素。烏東德、白鶴灘1 000MW機組發電機額定電壓要從目前的20 kV提高到24 kV,通過研究,1 000 MW水輪發電機組發電機額定電壓提高到24 kV是可行的。此外變壓器、高壓配電裝置設計制造已基本達到與 1 000 MW機組相配套的水平和能力。

(3)廠房開挖。

烏東德電站1 000 MW機組主廠房開挖尺寸為280m×32m×87.5 m,白鶴灘電站1 000 MW機組主廠房開挖尺寸為400m×31.5m×84.8 m,目前最大的三峽地下廠房開挖尺寸為309.8 m×31.0 m× 87.3 m。從地下廠房跨度而言,烏東德、白鶴灘電站略大于三峽電站。根據烏東德電站地下廠房洞室圍巖穩定初步分析研究,廠房圍巖應力、位移值以及塑性區范圍在現有各大洞室中處于中等水平,穩定條件較好,白鶴灘電站地下廠房地質條件也較好,2電站裝設1 000MW機組不存在大洞室群圍巖穩定制約因素。

(4)樞紐布置。

烏東德電站裝設 10×1 000 MW方案比裝設12×833.3MW、14×714.3 MW方案進水口分別減小 30和 60 m,可較好地避免進水口不良地質帶來的風險,有利于建筑物的布置,減小邊坡的設計難度和風險。白鶴灘電站14×1 000 MW機組方案比裝設16×875 MW、18×777.8MW方案,地下廠房洞室長度分別減小 19,39 m,對大型洞室群圍巖穩定的不利影響將有所緩解。

(5)工期。

烏東德、白鶴灘電站1 000 MW方案與833.3MW (875MW)、714.3 MW(777.8 MW)方案相比。完建總工期更短,可分別提前4個月和 8個月完工,并可帶來提前完工發電效益。

(6)投資。

烏東德電站10×1 000 MW的裝機方案比14× 714.3 MW和12×833.3 MW方案可分別節省6.52億元和2.46億元。白鶴灘電站14×1 000MW方案較18×778MW方案靜態投資節省約7.38億元。

綜上所述,烏東德、白鶴灘電站具備裝設1 000MW水輪發電機組條件,在工程應用中不存在大的制約因素,具有較好的經濟效益。

3.2 第 2階段研究主要成果

3.2.1 1 000 MW水輪發電機組總體研究

哈電、東電根據烏東德、白鶴灘電站的條件,對機組進行了總體設計研究,主要結論如下。

(1)推薦參數。

烏東德1 000MW機組額定水頭135m,在電站參數、機組參數分析和計算流體動力學(computational fluid dynamics,CFD)及模型試驗優化的基礎上,哈電、東電分別推薦烏東德電站1 000MW水輪發電機組采用機型分別為HLA1024-LJ-1007(A)和HLD530-LJ-995(B)兩種機型,同步轉速為83.3 r/ min,發電機電壓等級為24 kV,冷卻方式采用空冷(并聯支路數8)或蒸發冷卻方式(并聯支路數6),如表2。

白鶴灘電站1 000 MW機組水輪機額定水頭為202m,哈電推薦長短葉片轉輪,水輪機型號HLA 1017-LJ-860(C),額定轉速107.1 r/min。東電推薦常規葉片轉輪,水輪機型號HLD545-LJ-845(D),額定轉速111.1 r/m in。發電機電壓等級為24 kV,發電機冷卻方式采用空冷(并聯支路數7)或蒸發冷卻(并聯支路數6),如表3。

表2 烏東德、白鶴灘電站2種推薦機型發電機參數Tab.2 Parametersof proposed generators for W udongde and Bahetan power station

表3 烏東德、白鶴灘電站2種推薦機型水輪機參數Tab.3 Parametersof proposed hydro-turbines for W udongde and Bahetan power station

(2)發電機電壓。

哈電、東電分別試制了24 kV/26 kV定子線棒,并進行了型式試驗和真實環境模擬實驗,試驗結果滿足1 000 MW水輪發電機的要求。從烏東德、白鶴灘電站發電機電磁參數、結構、冷卻方式等多種因素綜合考慮,現階段推薦發電機選擇24 kV電壓等級。

(3)發電機冷卻方式。

三峽機組多數發電機定子主要采用水冷方式,哈電自主研發的空冷技術也在三峽 4臺機組成功應用,中科院電工所和東電聯合研發的蒸發冷卻水輪發電機也即將在三峽地下電站上應用。哈電、東電經過分析研究,認為全空冷、蒸發冷卻 2種方式均能滿足1 000 MW機組的要求。基于各自的經驗和優勢,分別推薦全空冷和蒸發冷卻方式。

中科院電工所負責1 000 MW機組蒸發冷卻的仿真試驗和計算,主要結論見表 4。

表4 1 000MW發電機蒸發冷卻仿真計算結果Tab.4 Evaporation cooling simulation results for 1 000 MW generator ℃

空心導線實驗和計算都是用的介質時ZXB-7 (沸點 55℃),匯流銅環用的是 ZXB-16(沸點47.6℃),仿真試驗和計算未考慮通風的冷卻效應,冷凝器按照零介質壓力設計。

(4)機組結構設計。

在上述機型及機組參數的基礎上,哈電、東電研究水輪機結構設計與 700 MW水輪機基本相同,由于電站水頭較高,蝸殼鋼板需要 94 mm厚鋼板,座環鋼板厚度達到320mm。發電機結構設計哈電采用了斜元件結構、東電采用常規結構,對全空冷機組,結構設計成立的基本條件是發電機磁軛鋼板強度要達到750 MPa及以上。1 000MW水輪機轉輪主要結構參數見表5。

表5 1 000MW水輪機轉輪主要結構參數Tab.5 Main structural parameters for 1 000MW hydro-turbine runners

綜合考慮水輪發電機組機參數分析、水力設計及模型試驗、發電機24 kV/26 kV電壓絕緣及仿真試驗專題研究成果的技術支持,機組結構設計、剛強度計算、材料應用研究成果,總體研究結論是:烏東德、白鶴灘電站 1 000 MW水輪發電機組設計、制造可行,但對包括進一步提高機組性能,改善結構設計及應力水平,加強關鍵部件材料配套能力還需進一步研究(如厚蝸殼鋼板及750MPa磁軛鋼板)。

3.2.2 1 000MW水輪機水力設計及模型試驗專題研究

烏東德水輪機水力設計及模型試驗進行了HLA 1020、HLA 1024、HLD530-F13、HLD543-F15、D546-F15五種機型的優化研究。烏東德電站水輪機水力設計表明,流道水力參數合理、分布均勻,有利于機組高效穩定運行。水輪機模型試驗結果顯示,水輪機能量性能、空化性能、穩定性能良好。

白鶴灘電站水輪機水力設計及模型試驗進行了HLA 1014、HLA 1017、HLD545-F15、HLD547-F15、HLD548-F15五種機型的優化研究。白鶴灘電站水輪機水力設計表明,流道水力參數合理、分布均勻,有利于機組高效穩定運行。水輪機模型試驗結果顯示,水輪機能量性能、空化性能、穩定性能良好。

3.2.3 24 kV/26 kV絕緣技術及仿真試驗專題研究

哈電、東電24 kV/26 kV線棒采用的絕緣技術在絕緣材料、結構、工藝等方面均不相同,表 6列出了 2廠及 2個電壓等級的絕緣技術的異同點。

哈電采用多膠模壓的成型工藝,其24 kV/26 kV線棒主絕緣的厚度值較東電少膠真空壓力浸漬線棒取值高,相應場強取值與東電相比較低。2種工藝線棒常規性能參數均能較好的滿足本項目技術條件的要求。

在環境模擬試驗方面,哈電24 kV/26 kV線棒的介損和局放均無明顯增加;東電24 kV個別線棒則在試驗后上述 2參數出現較大變化,為此東電進行了專門的分析,提出了相應的改進和補充試驗措施。

表6 定子線棒 2種絕緣工藝比較Tab.6 Com parison between two insulation technologies of stator bar

綜合而言,哈電的多膠模壓和東電的少膠VPI絕緣技術均是成熟可靠的,2種方式下的 24 kV/ 26 kV線棒常規性能參數均能較好的滿足本項目技術條件的要求。另外,哈電采用的絕緣技術方案和工藝能較好地適應環境模擬試驗的要求,東電24 kV線棒則需要在絕緣結構、導線、工藝及場強參數取值等方面進行適當改進和調整,以滿足環境模擬試驗的相關要求。

3.2.4 《1 000 MW水輪發電機組技術標準和規范專》題研究

《1 000 MW水輪發電機組技術標準和規范》是在烏東德、白鶴灘電站1 000 MW機組總體研究和專項研究的基礎上,參考國內包括三峽機組在內的巨型機組的應用經驗上提出的,符合烏東德、白鶴灘電站具體條件及巨型機組設計、制造、安裝、運行等方面的實際情況,可以作為今后1 000MW機組進一步研究的基本依據和參考。

4 需要進一步解決的研究問題

第 1、2階段研究成果表明無論是工程的建設條件、工程設計、機組自身的設計和制造以及經濟合理性等方面,烏東德和白鶴灘2電站采用1 000 MW級水輪發電機組是可行的。但是如何在上述研究成果的基礎上,進一步提高1 000 MW級水輪發電機組的設計和制造技術水平,增加新技術、新工藝、新材料的創新含量,繼續開展第 3階段1 000MW級機組新技術、新工藝、新材料創新研究是非常必要的。研究重點初步擬定為:

(1)不同單機容量土建工程的可靠度研究;

(2)不同單量機組對電網系統穩定性影響研究(正在進行);

(3)1 000 MW機組大負荷、大瓦面積推力軸承及試驗研究(正在進行);

(4)1 000MW全空冷發電機通風模型試驗研究(正在進行);

(5)1 000MW蒸發冷卻發電機冷卻模型試驗研究、新型冷卻介質研究;

(6)1 000MW水輪機水力設計及模型試驗優化研究;

(7)發電機定子低頻振動的研究;

(8)軸系與機電耦合振動研究;

(9)推力軸承磁懸浮減載系統的調研;

(10)1 000 MW水輪機主要部件材料研究;

(11)1 000 MW發電機關鍵部件材料的研究;

(12)1 000 MW水輪發電機組附屬配套設備研究。

5 結語

依托烏東德、白鶴灘電站工程進行百萬千瓦機組的研究,具有重要的現實意義和較廣闊的應用前景。烏東德、白鶴灘水電站具備裝設1 000 MW水輪發電機組的條件,且技術可行,經濟合理。從本階段的研究成果來看,無論是總體技術研究、專項研究,還是技術標準的制定,都表明立足國內技術,烏東德、白鶴灘1 000 MW水輪發電機組總體設計和制造是可行的。通過第3階段的研究,有信心進一步提高1 000 MW水輪發電機組的設計、制造。1 000 MW水輪發電機組的研究、設計、制造,并應用于烏東德、白鶴灘工程,必將進一步鞏固我國水電行業在世界的領先地位。

[1]華東勘測設計研究院.金沙江白鶴灘水電站預可行性研究報告[R].杭州:華東勘測設計研究院,2004.

[2]華東勘測設計研究院.金沙江白鶴灘水電站裝設百萬機組可行性研究報告[R].杭州:華東勘測設計研究院,2007.

[3]長江勘測規劃設計研究院.金沙江烏東德水電站裝設百萬機組可行性研究報告[R].武漢:長江勘測規劃設計研究院,2007.

[4]中國長江三峽集團公司.大型混流式水輪發電機組調查總結報告[R].宜昌:中國長江三峽集團公司,2009.

[5]哈爾濱電機廠有限責任公司.金沙江白鶴灘 1 000MW機組水輪機水力開發報告[R].哈爾濱:哈爾濱電機廠有限責任公司,2009.

[6]哈爾濱電機廠有限責任公司.金沙江白鶴灘 1 000MW機組總體設計報告[R].哈爾濱:哈爾濱電機廠有限責任公司,2009.

[7]哈爾濱電機廠有限責任公司.金沙江烏東德 1 000MW機組水輪機水力開發報告[R].哈爾濱:哈爾濱電機廠有限責任公司,2009.

[8]哈爾濱電機廠有限責任公司.金沙江烏東德 1 000MW機組總體設計報告[R].哈爾濱:哈爾濱電機廠有限責任公司,2009.

[9]東方電機有限公司.金沙江白鶴灘 1 000MW機組水輪機水力開發報告[R].德陽:東方電機有限公司,2009.

[10]東方電機有限公司.金沙江白鶴灘 1 000MW機組總體設計報告[R].德陽:東方電機有限公司,2009.

[11]東方電機有限公司.金沙江烏東德 1 000MW機組水輪機水力開發報告[R].德陽:東方電機有限公司,2009.

[12]東方電機有限公司.金沙江烏東德 1 000MW機組總體設計報告[R].德陽:東方電機有限公司,2009.