溪洛渡水電站水輪機總體技術特性評析

黃源芳

（中國長江三峽集團公司，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，要求單機容量盡可能大，機組臺數(shù)較少較有利。因而，水輪機大件運輸應滿足公路或水路運輸?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臺單機額定容量770 MW的水輪發(fā)電機組。

1.1 關于水輪機泥沙磨損

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）。水輪機的水力參數(shù)和結構設計都必須考慮初期運行泥沙磨損問題。因此，溪洛渡水輪機增設圓筒閥，以減緩水輪機過流部件的泥沙磨損，使水輪機的正常壽命保持在30 a以上。

1.2 關于水庫的運用方式

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60 m。運行水頭變化幅度都較大，水輪機的設計和運行性能必須兼顧這一特點。

1.3 關于場外運輸條件

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

2 水輪機水力設計參數(shù)

溪洛渡電站水輪機基本參數(shù)：水輪機為立軸混流式水輪機，額定水頭197 m，最大水頭229.4 m，最小水頭 154.6 m， 出力加權平均水頭 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 （至導葉中心）Hs為-10.81 m，安裝高程359.00 m，機組臺數(shù)9/9臺。

參與溪洛渡電站機組投標的5家制造廠商在投標時提交了水輪機模型試驗成果，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)第三方試驗臺進行復核試驗。在此基礎上進行綜合評標，授標后的水輪機模型驗收試驗在合同方的試驗臺上進行。

水輪機模型驗收試驗按國際標準和合同條件進行。中標的3家制造廠商的試驗成果均滿足合同要求，個別工況點的水輪機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是：在能量試驗中，主要是見證水輪機的出力裕度；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)是三家中標廠家中的一家模型驗收試驗結果。

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

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

（3）水輪機保證出力。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)定水輪機在額定水頭197 m、額定轉(zhuǎn)速125 r/min下運行時，出力裕度不低于3%額定出力。驗收試驗結果表明，模型水輪機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荷區(qū)間，按導葉開度每隔2°間隔 (在高部分負荷區(qū)每隔0.1°～0.2°)選擇了約20個工況點進行了水輪機尾水管壓力脈動試驗 （見表1）。試驗結果與初步試驗結果基本一致，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）補氣試驗。在電站空化系數(shù)下進行了補氣試驗，試驗結果表明，補氣對運行特性有增加其平穩(wěn)性的作用。補氣條件下的壓力脈動比沒有補氣條件下的壓力脈動要低，尤其是在存在空腔渦帶的工況，補氣效果明顯。在變空化系數(shù)下不補氣的工況，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，在不同的導葉開度，對11個不同的筒閥開度的軸向下拉力進行了測量。試驗結果表明：在筒閥開度大于2%的各開度下，筒閥具有自關閉趨勢。驗收試驗結論與初步試驗結果基本一致。

3 結構特性和現(xiàn)場工程設施

3.1 水輪機轉(zhuǎn)輪

表1 溪洛渡原型和模型水輪機尾水錐管壓力脈動時域峰峰值△H/H保證值

溪洛渡電站水輪機為立軸混流式水輪機，葉片采用負傾角葉片，葉片數(shù)為15片。轉(zhuǎn)輪采用鑄焊結構，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 水輪機主要部件尺寸、質(zhì)量

溪洛渡水輪機主要部件尺寸、質(zhì)量 （其中以中標廠家中的一家為代表）為：轉(zhuǎn)輪標稱直徑6 077.6 mm，進口直徑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。

溪洛渡水輪機運行水頭高，其水輪機尺寸小于三峽水輪機，但對外交通不便，增加了設計、制造難度。

3.3 水輪機圓筒閥

圓筒閥設置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)控進行手動和自動操作。其關閉時的密封性需模擬可預見的對機組最不利的運行工況，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)、性能進行測試和檢驗。圓筒閥在90 s內(nèi)完成緊急關閉和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)。其在正常開啟和關閉過程中任何情況下不會卡死。

溪洛渡圓筒閥技術特性：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18臺套。國內(nèi)外廠家雖都具有相應的設計、制造技術，但制造、安裝過程中的質(zhì)量監(jiān)督還需嚴格把關。

4 討論

4.1 水輪機額定出力與最大容量

為了增加三峽水輪機在高水頭運行時的穩(wěn)定性，三峽左岸電站水輪機按 “最大容量”進行設計。最大容量為852 MW，發(fā)電機按額定功率因數(shù)下最大容量840 MV·A進行設計。三峽右岸電站水輪機還將額定水頭由80.6 m提高至85 m，試圖進一步改善高水頭運行的穩(wěn)定性能。但三峽水電機組的銘牌出力仍為700 MW不變。

溪洛渡電站水輪機的額定出力為784 MW，比三峽水輪機額定出力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)電機在額定容量且功率因數(shù)為1.0運行時，水輪機出力能達到870 MW，此時水輪機運行水頭為210 m左右。

4.2 水輪機的運行穩(wěn)定性

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

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

（3）高水頭高部分負荷時尾水管壓力脈動。溪洛渡水輪機模型驗收試驗以及廠家初步試驗中，在高水頭高部分負荷時都未出現(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在模型試驗時存在這種不穩(wěn)定現(xiàn)象，但在原型水輪機現(xiàn)場試驗和運行時并沒有出現(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運行條件有很大不同導致的。

4.3 關于 “百萬千瓦級”機組

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”水電機組。

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