三峽電站水輪機性能和結構特點評析

1、三峽電站水輪機性能和結構特點評析黃源芳李文學摘要摘要三峽工程投資巨大，其回收投資的唯一手段是三峽電站的發(fā)電收益。因此作為電站核心設備之一的水輪機其性能的好壞和運行可靠性如何，是能否發(fā)揮工程效益的關鍵所在。三峽水輪機額定出力710MW，轉輪直徑達10m，是目前世界上出力最大、尺寸最大的混流式水輪機。大容量大尺寸混流式水輪機的結構設計和制造工藝也是一個技術挑戰(zhàn)。茲以三峽水輪機模型試驗為基礎，較為全面地介紹和評析了三峽水輪機主要部件的結構特點

2、和特性。關鍵詞關鍵詞三峽工程水輪機性能結構三峽水電站共安裝額定容量700MW的水輪發(fā)電機組26臺。其中左岸電站14臺機組通過國際公開招標、議標決標的方式，于1999年9月正式簽訂了合同。14臺額定水頭80.6m，額定出力710MW的混流式水輪機分別由兩個集團負責供貨，VGS聯(lián)營體(德國Voith、加拿大GEHydro、德國Soemems)獲得了6臺的合同，法國AISTOM集團獲得了8臺的合同。合同規(guī)定兩個集團采用各自的水力設計，VGS采

3、用該聯(lián)營體開發(fā)的水力模型，AISTOM則被要求采用挪威KVAERENER能源公司(以下簡稱KEN)開發(fā)的水力模型。這兩個模型最大的共同點是轉輪均為X型葉片。1三峽水輪機性能特點三峽水輪機性能特點三峽左岸電站機組設計制造合同正在執(zhí)行，水輪機模型試驗已基本完成，轉輪的制造也已進入實施階段，水輪機的性能已基本定型。1.11.1運行水頭范圍寬運行水頭范圍寬三峽工程的首要任務是防洪，其次是發(fā)電和航運，因此水庫的運行必須服從防洪的要求。每年汛期69

4、月的大部分時間，水庫必須維持145m低水位運行，以留出足夠的防洪庫容攔蓄洪水。進入10月，水庫開始蓄水，直至正常蓄水位175m，并盡量維持高水位運行以利于上游航運和多發(fā)電。這樣，庫水位變幅達30m，加上層水位變化的影響，使得水輪機的正常運行水頭范圍很寬，達71～113m。由于三峽工程量大，施工期長達17年，移民達110萬，為了盡早發(fā)揮工程效益，減少施工期資金壓力，決定采分期蓄水，連續(xù)移民的建設方案，即在2003年至2006年，利用已建成

5、的壩體和三期圍堰擋水發(fā)電，此時上游水位限制在135m；2006年汛后，水位允許上升到156m，但汛期水位仍限制在135m；2009年汛后，庫水位才蓄至正常水位175m，汛期則維持145m低水位運行。這種初期降低水位投入運行的方式，更增大了水輪機的運行水頭范圍，使三峽水輪機的運行水頭范圍達到61～113m?；炝魇剿啓C能否適應三峽運行水頭變幅大的特點，一直是三峽總公司乃至水電界所擔心的問題。通過招標前的技術交流，各投標商對三峽的運行條件有

6、了較深刻的了解，因而進行有針對性的研究。在機組招標過程中，通過用戶和投標商技術人員面薦的水輪機在清水中僅因空蝕而導致的金屬失重還低。對于10m直徑轉輪，IEC609推薦的金屬失重量上下限約為46.8～187.2kg，金屬剝蝕深度約為15.5～23.2mm。1.41.4預期穩(wěn)定性能較好預期穩(wěn)定性能較好表征水輪發(fā)電機組穩(wěn)定性的主要參數(shù)為機組振動，軸線擺度，出力波動，噪音等。造成機組運行不穩(wěn)定的原因是多方面的，就水輪機的水力設計而言，主要有尾

7、水管渦帶，葉道渦流和卡門渦流等。其中卡門渦流可以通過適當調整翼型出水邊型線或直接對真機進行修型而得到改善，而層水管渦帶和葉道渦流對混流式水輪機是不可避免的。葉道渦流會產生噪音；尾水管渦帶將引起尾水管內壓力的波動，從而使機組振動加劇，擺度與出力波動加大。三峽水輪機模型驗收試驗表明，在合同規(guī)定的水輪機正常運行范圍內，沒有出現(xiàn)葉道渦流，且尾水管無渦帶區(qū)較寬。在出現(xiàn)尾水管渦帶的區(qū)域，尾水管壓力脈動值也較小。在正常運行范圍內，在80.6m以下的低

8、水頭區(qū)，尾水管壓力脈動值在3%以下；在80.6m以上的水頭區(qū)，尾水管壓力脈動值一般在8%以下。盡管按合同規(guī)定，尾水管壓力脈動值未全面滿足保證值要求，但基本滿足了原招標文件的要求。兩個供貨集團都明確保證，真機將能在整個運行范圍內安全穩(wěn)定運行。實際上在正常運行區(qū)域，在很寬的工作水頭范圍內，壓力脈動的絕對值都不大于8m，達到了國際較好水平，預期的穩(wěn)定性能較好。1.51.5出力大出力大三峽水輪機的初期運行水頭范圍為61～113m，后期運行水頭范

9、圍為71～113m，額定水頭為80.6m。這就是說，在相當大的運行水頭范圍內(80.6～113m)，水輪機的實際出力將可以超過額定出力710MW。在接近最高水頭運行時，水輪機的出力將遠遠高于710MW。為此，在高水頭運行時，為避免和減輕小開度運行時產生激烈的壓力脈動，發(fā)電機設置了840MVA的最大容量，且規(guī)定在額定功率因數(shù)Cosφ＝0.9時，發(fā)電機在最大容量下能長期連續(xù)穩(wěn)定運行。由于功率因數(shù)可在0.9～1.0之間變化，發(fā)電機的最大有功將

10、可以在756～840MW之間變化，相應的水輪機出力將達767～852MW，導葉開度將可相應增大8%左右。按這一原則設計的三峽機組，適當改善了水輪機在高水頭小開度運行的穩(wěn)定性能，水輪機出力也提高了8%～20%，還可增大電站的調峰備用容量。模型驗收試驗表明，三峽水輪機在額定水頭時的出力裕度約為3%，在84～85m時出力即可達767MW，在91m左右即可達852MW。從這個意義上說，三峽水輪機是世界上出力最大的水輪機。2結構特點結構特點2.1