白鶴灘水電站水輪機主要參數及結構選擇研究

方杰 曹春建 方曉紅 李勝兵

摘要：白鶴灘水電站裝設有16臺1 000 MW水輪發電機組，機組單機容量為目前世界水電之最。機組運行水頭為163.9～243.1 m，電站運行水頭變幅和單機容量均較大。因此，合理確定水輪機主要參數及其結構型式是保證世界最大水電機組安全穩定、高效運行的關鍵。基于上述背景條件，運用數理統計方法，通過委托水力開發以及開展技術交流等型式和手段，對機組的額定水頭、額定轉速、穩定性以及空化系數等參數和指標展開了分析，并對機組主要部件的材質和結構形式開展了專項研究。結果表明：相關成果與后續采購機組的技術方案符合性較好，可為中國制造廠生產出世界領先水平的1 000 MW水電機組提供關鍵技術支撐。

關 鍵 詞：1 000 MW水輪發電機組; 水輪機主要參數; 機組結構型式; 白鶴灘水電站

中圖法分類號： TV734 ? 文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2022.01.021

0 引 言

白鶴灘水電站采用16臺1 000 MW水輪發電機組，運行水頭為163.9～243.1 m。電站的水頭變幅和單機容量均較大，特別是采用的1 000 MW機組容量為目前世界水電之最[1]。根據水庫運行方式和運行特點，考慮到電站汛期容量、電量效益發揮、機組運行穩定性和滿足電網用電需求等因素，在對小灣[2]、溪洛渡[3]、糯扎渡[4]、三峽[5]等水電站水輪機參數及結構型式開展分析的基礎上，認為對于1 000 MW機組參數及結構型式的選擇，應將運行穩定性放在首位，同時兼顧電站的能量和經濟效益。通過與中國制造廠開展1 000 MW機組總體方案技術交流，并委托中國制造廠開展水力研發和模型試驗，基于分析和試驗結果，提出了白鶴灘水電站水輪機的額定水頭為202 m。通過對水輪機比轉速水平和發電機槽電流技術、經濟合理性的分析，保留了107.1 r/min和111.1 r/min兩檔額定轉速方案。水輪機穩定運行范圍為60%～100%保證功率，穩定運行范圍內以不出現葉道渦、葉片出水邊可見卡門渦、葉片正背面脫流為控制條件，要求在60%～100%保證功率范圍內的頂蓋和尾水管壓力脈動混頻峰峰值不大于3%。為了提高水輪機的穩定運行范圍、運行指標和能量指標，對250 m水頭段水輪機轉輪選用了長短葉片轉輪，同時保留了常規葉片方案。通過市場調研和與相關鋼板制造廠開展技術交流，并以高強厚鋼板試制、焊接工藝技術交流成果為技術支撐，對蝸殼首次采用了100 mm級800 MPa鋼板，從而保證了蝸殼承壓的安全性，減少了現場焊接工作量，促進了水電厚鋼板應用技術發展。

在對白鶴灘水電站水輪機主要參數及結構選擇開展研究的過程中，首次借助于委托水力開發和模型試驗驗證的方式，來論證水輪機的額定水頭、額定轉速、空化以及穩定性指標;首次對200 m水頭段轉輪選擇采用長短葉片，并在蝸殼上采用了100 mm級800 MPa厚鋼板等結構。

1 工程概況

白鶴灘水電站的開發任務以發電為主，兼顧防洪，是西電東送骨干電源點之一。在系統中承擔基荷、腰荷和部分峰荷，并承擔少量事故備用。水電站水庫總庫容為206.27億m3，調節庫容可達104.36億m3，防洪庫容為75.00億m3。樞紐工程由攔河壩、泄洪消能建筑物和兩岸地下引水發電系統等組成。水電站裝機容量為16 000 MW，采用16臺1 000 MW水輪發電機組，左、右岸地下廠房各裝設8臺[1]。

2 電站基本參數

2.1 特征水頭

白鶴灘水電站正常蓄水位為825 m，防洪限制水位（6～8月）為785 m，死水位為765 m。結合下游水位流量關系的基礎條件和水庫與電站的運行方式，電站汛期加權平均水頭為192.1 m，全年加權平均水頭為207.8 m，非汛期加權平均水頭為213.1 m，最大水頭為243.1 m，最小水頭為163.9 m。

2.2 水庫運行方式

水庫6月份從死水位765 m附近開始蓄水，蓄水至防洪限制水位785 m后，在6～8月份，水庫按汛期分期水位控制方式運行;8月上旬開始按每旬抬高10 m的方式控制蓄水，在9月上旬，水庫可蓄水至正常蓄水位825 m，12月左右水庫開始供水，到翌年5月底，水庫水位消落至死水位765 m附近（見圖1）。

2.3 機組過機泥沙

水庫運行10～50 a的年平均過機含沙量為0.162～0.231 kg/m3，10～50 a的汛期（6～9月）過機含沙量為0.262～0.349 kg/m3。中數粒徑約為0.006 22 mm，泥沙顆粒較細，但硬度較大，莫氏硬度大于5的泥沙含量約占56%以上。

3 水輪機參數選擇

3.1 水輪機工作特點

可行性研究階段，電站推薦采用1 000 MW機組單機容量方案，該容量居世界水電行業第一。由于上庫水位變幅大，同時受下游溪洛渡水電站水庫調度影響，水輪機運行水頭范圍為163.9～243.1 m，具有水頭高且變幅大的特點，運行水頭變幅達79.2 m。汛期，電站的加權平均水頭為192.1 m，非汛期的加權平均水頭為213.1 m，全年加權平均水頭為207.8 m。由于電站上游區域為金沙江主要產沙區，同時泥沙主要集中在汛期，占全面輸沙量的96.22%。經仿真計算，水庫建成初期的汛期過機泥沙含量約為0.349 kg/m3，過機泥沙還具有粒徑小且硬度相對較大的特點。16臺機組全部裝設在地下廠房內，根據1 000 MW機組水輪機的運行條件和運行特點，對于水輪機參數及結構選擇提出了遵循安全、可靠、合理、先進的原則，在保障穩定性和可靠性的前提下，兼顧汛期和非汛期發電效益，同時滿足地下廠房布置要求。

3.2 水輪機額定水頭

（1） 類似工程經驗。水輪機額定水頭的選擇要兼顧運行的穩定性和發電效益，在滿足穩定性的條件下，盡可能選擇較低的額定水頭。通常，在進行參數選擇時，往往把最大水頭與額定水頭的比值作為水輪機額定水頭選擇的參考，為此，對國內外大機組最大水頭與額定水頭Hmax/Hr比值進行了統計，統計結果如圖2所示。由圖2可以看出：統計電站的最大水頭與額定水頭之比平均值為1.13左右;國外有約85%的電站小于1.15，中國有75%的電站小于1.15，這些機組運行狀況良好;另外，當最大水頭與額定水頭的比值超過1.20后，機組會出現異常振動，或振動加轉輪出現裂紋的電站顯著增加。分析類似電站運行狀況的統計數據，同時考慮到白鶴灘水電站運行水頭變幅大的特點，認為白鶴灘水電站的最大水頭與額定水頭的比值宜在1.20左右，這樣可以同時兼顧水輪機的運行穩定性和電站的發電效益。

表1列出了近期中國投產的與白鶴灘水電站水頭相類似水頭段的大型或者巨型電站的Hmax/Hr。由表1可以看出：最大水頭與額定水頭之比為1.07～1.20，這些電站的運行情況良好。根據工程經驗，這一比值也符合大型和巨型機組水輪機額定水頭的選擇原則。

（2） 水力開發和模型試驗驗證。在可行性研究論證階段，針對上述白鶴灘水電站水輪機的運行條件和要求，委托制造廠開展了197，202 m和209 m額定水頭的不同組合方案的參數及性能的分析研究;同時針對各額定水頭方案，開展了水力模型設計和模型裝置研發，并通過了多輪的CFD計算分析和水輪機模型試驗驗證。結果表明：① 當選擇202 m作為額定水頭時，以葉道渦初生線控制的高水頭段穩定運行功率范圍為50.0%～100%額定功率。② 當選擇197 m作為額定水頭時，以葉道渦初生線控制的高水頭段穩定運行功率范圍約為52.9%～100%額定功率。③ 當選擇209 m作為額定水頭時，以葉道渦初生線控制的高水頭段穩定運行功率范圍約為46.6%～100%額定功率。

（3） 額定水頭選擇。綜合上述分析，考慮到白鶴灘水電站機組容量大，在參考類似巨型電站運行方式的基礎上，確定白鶴灘水電站水輪機的穩定運行范圍為60%～100%保證功率。同時研究認為，額定水頭為202 m時，對水輪機和發電機的方案均有較大優勢，相應的最大水頭與額定水頭的比值為1.20左右。

3.3 比轉速、比速系數和同步轉速

比轉速ns的定義為：1 m水頭下發出1 kW出力時水輪機的轉速（ns=nPH1.25），而比速系數K值（K=nsH）則是綜合反映水輪機比轉速和運行水頭的參數。白鶴灘水電站水頭高、變幅大、單機容量巨大，有一定的過機泥沙。在進行比轉速和比速系數選擇研究時，應將機組的運行穩定性放在首位，兼顧水輪機參數的先進性[2-4]。表2為近年來國內外大容量、中高水頭水輪機的比轉速和比速系數值，比速系數基本在2 000～2 200之間。表3和表4為統計計算和制造廠推薦的白鶴灘水電站水輪機比轉速和比速系數范圍，結合白鶴灘水電站的特點，選擇水輪機的比轉速為150 m·kW左右，相應比速系數在2 132左右。在上述比轉速范圍內，可供選用的發電機同步轉速有107.1，111.1 r/min和115.4 r/min。107.1 r/min的發電機可選支路數為4，7，8;111.1 r/min的發電機可選支路數為6，9;115.4 r/min的發電機可選支路數為4和13。1 000 MW水輪發電機可供選擇的額定電壓為24 kV或26 kV。按目前的設計制造水平，1 000 MW發電機采用全空冷方式時，合理的槽電流為7 000 A左右，采用定子水冷方式時，合理的槽電流為10 000 A左右。當定子并聯支路數選擇4和13時，無法選擇到經濟、合理的定子槽電流。其他支路數均有合理的槽電流作為支撐。考慮到與發電機參數相匹配，以及相關制造廠針對1 000 MW機組各自方案的優勢，最終對白鶴灘水電站水輪發電機的同步轉速保留了兩檔的方案，分別為107.1 r/min和111.1 r/min。

3.4 單位流量和單位轉速

在確定了水輪機額定轉速和額定水頭、進行下一步水輪機水力開發研究時，水輪機的限制工況單位流量、最優點單位流量和最優點單位轉速是最重要的3個目標值。合理地選擇這3個指標值，能夠保證整個水輪機運行水頭和功率范圍內取得較好的穩定性指標和能量特性，并保障電站效益的最大化。表5列出了水輪機限制工況單位流量選擇的計算公式，并針對白鶴灘水電站機組兩檔轉速方案的水輪機限制工況單位流量進行了計算。表6則列出了水輪機最優工況下單位轉速選擇的計算公式，并針對白鶴灘水電站機組兩檔轉速方案的水輪機最優單位轉速進行了計算。計算結果表明：在額定水頭為202 m時，對應107.1 r/min和111.1 r/min的比轉速分別為141.7 m·kW和147.0 m·kW，限制工況單位流量大約在0.490～0.550 m3/s和0.490～0.590 m3/s，考慮到水輪機運行水頭變幅大，最優點單位流量取0.8倍的限制工況單位流量，為0.392～0.440 m3/s。一般而言，水輪機設計水頭宜選擇在電站加權平均水頭附近，因此本研究取210 m，對應107.1 r/min和111.1 r/min的比轉速分別為135 m·kW和140 m·kW，最優點單位轉速大約在63.2～65.0 r/min和63.8～65.4 r/min。

除了采用統計公式進行限制工況單位流量和最優點單位轉速選擇分析以外，表7還通過類似水頭段模型轉輪對參數進行了對比分析。分析結果表明：可選的最優點單位流量分別為0.391～0.444 m3/s，最優點單位轉速為63.5～68.0 r/min，最優點單位流量為0.520～0.580 m3/s。綜合上述分析，推薦白鶴灘水電站水輪機水力開發時，其限制工況單位流量為0.530 m3/s，最優點單位流量為0.420 m3/s，最優點單位轉速為65.0 r/min。

3.5 水輪機效率

水輪機效率是表征水輪機技術水平的重要指標。對于白鶴灘水電站這樣的巨型水輪機，其效率水平的高低對經濟效益影響很大。表8對相近水頭段的大型水輪機的原模型最高效率和電站原型加權平均效率進行了統計，模型最高效率為94.18%～95.57%，尤其是近年來投產的大型機組，水力開發技術進一步得到了提升。電站水輪機加權平均效率與電站運行方式、水輪機效率特性和水平直接相關，投產的大型電站，其原型加權平均效率均達到了95.00%。此外，結合白鶴灘水電站水輪機加權因子和水力開發的模型轉輪參數，初步估算水電站水輪機原型加權平均效率達到了95.80%以上。白鶴灘水電站機組容量大，在確定水力開發參數時，應將穩定性放在第一位，不過分追求水輪機效率，因此初步確定水力開發時的模型最高效率不低于94.50%，原型加權平均效率不低于95.00%。

3.6 電站空化系數和吸出高度

水輪機空化性能的優劣是衡量水輪機綜合性能的一個重要指標，其值的大小直接影響到水電站開挖深度、水輪機運行穩定性和檢修周期。表9利用空化系數的計算公式，給出了白鶴灘水電站空化系數統計計算值。由表9可以看出：水輪機額定工況模型臨界空化系數σc在0.049～0.058之間，電站空化系數σp絕大多數在0.093以內，相應的吸出高度小于-11.3 m時，可以保證水輪機無空化運行。白鶴灘水電站機組臺數多于6臺，可按照2臺機組運行尾水位為585.43 m來選擇安裝高程，并綜合考慮到過渡過程尾水管最小壓力等因素，選取水輪機的安裝高程為570 m，相應吸出高度Hs=-15.43 m，對應水電站的空化系數為0.123。

3.7 穩定性分析

由于混流式水輪機轉輪葉片的不可調節性，不可避免地會存在一些流態紊亂的工況，水輪機在這些不穩定區域長期運行，將對機組的安全和壽命產生不利影響，而完全消除這些流態紊亂的區域是不可能的。因此，劃分合理的穩定運行范圍，將有利于水輪機的水力設計。以穩定運行范圍內不出現葉道渦為控制條件，最小穩定功率與最大保證功率的比值有所提高，如三峽[5]、溪洛渡、向家壩水電站，其比值都在50%以上，而在合同執行階段，仍難將葉道渦排除在水輪機穩定運行范圍之內。考慮到白鶴灘水電站單機容量巨大、水頭變幅大、機組臺數多，為保障水輪機的長期安全穩定運行，確定白鶴灘水電站水輪機預期保證運行范圍如下：在163.9～202.0 m水頭范圍內，水輪機輸出功率在最大預想功率的60%～100%范圍內能穩定運行;在202.0～243.1 m水頭范圍內，水輪機輸出功率在額定輸出功率的60%～100%范圍內能穩定運行。

穩定運行范圍內，不允許存在初生葉道渦流、葉片出水邊不能出現可見卡門渦，以及葉片正背面出現脫流現象。穩定運行功率范圍內，頂蓋和尾水管壓力脈動混頻峰峰值ΔH/H小于3%。

4 水輪機原型主要參數

綜合上述水輪機水力參數的選擇分析以及國內現有的模型轉輪，并結合委托制造廠的水力開發成果和試驗驗證，結果表明：原型水輪機額定水頭為202 m，額定功率為1 015 MW，額定轉速為107.1 r/min或111.1 r/min，轉輪直徑為8.6 m，額定流量為547.8 m3/s，吸出高度為-15.43 m（以導葉中心計），穩定運行范圍內壓力脈動混頻峰峰值小于3%。

5 水輪機結構特點

轉輪可采用常規葉片和長短葉片轉輪，常規葉片轉輪葉片數量可選為15片，長短葉片轉輪葉片數可選為（15+15）片。水輪機轉輪外形尺寸約為Φ8.9 m×3.59 m，重量約為352 t。受水電站交通運輸條件限制，推薦轉輪采用散件運輸、現場組焊的方案。其中，轉輪上冠和下環均需要分瓣后運輸。蝸殼按獨立承受包括升壓水頭在內的最大工作水壓設計，蝸殼的材料選用可焊性好的800 MPa級高強度鋼板制作，蝸殼最大厚度約為85 mm（座環過渡板處800 MPa級高強厚鋼板達到了97 mm）。蝸殼澆注推薦采用腰線以上墊層方案澆注。座環推薦采用平行板式結構，上、下環板采用TSTE355/Z5或S500Q Z35抗層狀撕裂鋼板，板厚約250～265 mm。由于座環尺寸大，焊接、運輸過程和澆注混凝土后產生較大變形，座環和頂蓋、底環結合面、座環內圓密封面在廠內粗加工，待座環安裝完畢，并澆注混凝土后，采用專用工具使之各面達到精度要求。為提高水輪機軸和發電機軸聯軸同心度，保證機組安裝質量，在主廠房機組段預留主軸同鏜加工工位。

6 結 論

根據電站的運行條件，本文分析了白鶴灘水電站水輪機的運行特點和要求，在此基礎上，提出了水輪機主要參數和結構。參考類似電站，采用參數統計的方法，委托相關單位開展了水力研發與試驗驗證，并與中國知名制造廠進行交流，提出了1 000 MW水電機組的額定水頭、額定轉速、單位流量和單位轉速以及效率、穩定運行范圍等主要參數指標，選擇了1 000 MW水輪機轉輪、蝸殼、座環和頂蓋方案等主要部件結構、材料，轉輪和座環現場加工和蝸殼埋設方案。

白鶴灘水電站左岸機組額定轉速為111.1 r/min，右機組額定轉速為107.1 r/min，額定水頭均為202 m。目前，左右岸首臺機組已并網發電，機組參數與結構設計與本文推薦的水輪機主要參數與結構研究成果相符合，驗證了相關研究成果的可行性。

參考文獻：

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（編輯：趙秋云）