1、三峽電站水輪機(jī)性能和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)評析黃源芳李文學(xué)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(shè)備之一的水輪機(jī)其性能的好壞和運(yùn)行可靠性如何，是能否發(fā)揮工程效益的關(guān)鍵所在。三峽水輪機(jī)額定出力710MW，轉(zhuǎn)輪直徑達(dá)10m，是目前世界上出力最大、尺寸最大的混流式水輪機(jī)。大容量大尺寸混流式水輪機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計和制造工藝也是一個技術(shù)挑戰(zhàn)。茲以三峽水輪機(jī)模型試驗(yàn)為基礎(chǔ)，較為全面地介紹和評析了三峽水輪機(jī)主要部件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

2、和特性。關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞三峽工程水輪機(jī)性能結(jié)構(gòu)三峽水電站共安裝額定容量700MW的水輪發(fā)電機(jī)組26臺。其中左岸電站14臺機(jī)組通過國際公開招標(biāo)、議標(biāo)決標(biāo)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(jī)分別由兩個集團(tuán)負(fù)責(zé)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(tuán)獲得了8臺的合同。合同規(guī)定兩個集團(tuán)采用各自的水力設(shè)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(diǎn)是轉(zhuǎn)輪均為X型葉片。1三峽水輪機(jī)性能特點(diǎn)三峽水輪機(jī)性能特點(diǎn)三峽左岸電站機(jī)組設(shè)計制造合同正在執(zhí)行，水輪機(jī)模型試驗(yàn)已基本完成，轉(zhuǎn)輪的制造也已進(jìn)入實(shí)施階段，水輪機(jī)的性能已基本定型。1.11.1運(yùn)行水頭范圍寬運(yùn)行水頭范圍寬三峽工程的首要任務(wù)是防洪，其次是發(fā)電和航運(yùn)，因此水庫的運(yùn)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(yùn)行，以留出足夠的防洪庫容攔蓄洪水。進(jìn)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(yùn)行以利于上游航運(yùn)和多發(fā)電。這樣，庫水位變幅達(dá)30m，加上層水位變化的影響，使得水輪機(jī)的正常運(yùn)行水頭范圍很寬，達(dá)71～113m。由于三峽工程量大，施工期長達(dá)17年，移民達(dá)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(shè)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(yùn)行。這種初期降低水位投入運(yùn)行的方式，更增大了水輪機(jī)的運(yùn)行水頭范圍，使三峽水輪機(jī)的運(yùn)行水頭范圍達(dá)到61～113m?；炝魇剿啓C(jī)能否適應(yīng)三峽運(yùn)行水頭變幅大的特點(diǎn)，一直是三峽總公司乃至水電界所擔(dān)心的問題。通過招標(biāo)前的技術(shù)交流，各投標(biāo)商對三峽的運(yùn)行條件有

6、了較深刻的了解，因而進(jìn)行有針對性的研究。在機(jī)組招標(biāo)過程中，通過用戶和投標(biāo)商技術(shù)人員面薦的水輪機(jī)在清水中僅因空蝕而導(dǎo)致的金屬失重還低。對于10m直徑轉(zhuǎn)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(yù)期穩(wěn)定性能較好預(yù)期穩(wěn)定性能較好表征水輪發(fā)電機(jī)組穩(wěn)定性的主要參數(shù)為機(jī)組振動，軸線擺度，出力波動，噪音等。造成機(jī)組運(yùn)行不穩(wěn)定的原因是多方面的，就水輪機(jī)的水力設(shè)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(dāng)調(diào)整翼型出水邊型線或直接對真機(jī)進(jìn)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(jī)是不可避免的。葉道渦流會產(chǎn)生噪音；尾水管渦帶將引起尾水管內(nèi)壓力的波動，從而使機(jī)組振動加劇，擺度與出力波動加大。三峽水輪機(jī)模型驗(yàn)收試驗(yàn)表明，在合同規(guī)定的水輪機(jī)正常運(yùn)行范圍內(nèi)，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(yùn)行范圍內(nèi)，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(biāo)文件的要求。兩個供貨集團(tuán)都明確保證，真機(jī)將能在整個運(yùn)行范圍內(nèi)安全穩(wěn)定運(yùn)行。實(shí)際上在正常運(yùn)行區(qū)域，在很寬的工作水頭范圍內(nèi)，壓力脈動的絕對值都不大于8m，達(dá)到了國際較好水平，預(yù)期的穩(wěn)定性能較好。1.51.5出力大出力大三峽水輪機(jī)的初期運(yùn)行水頭范圍為61～113m，后期運(yùn)行水頭范

9、圍為71～113m，額定水頭為80.6m。這就是說，在相當(dāng)大的運(yùn)行水頭范圍內(nèi)(80.6～113m)，水輪機(jī)的實(shí)際出力將可以超過額定出力710MW。在接近最高水頭運(yùn)行時，水輪機(jī)的出力將遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于710MW。為此，在高水頭運(yùn)行時，為避免和減輕小開度運(yùn)行時產(chǎn)生激烈的壓力脈動，發(fā)電機(jī)設(shè)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(jī)在最大容量下能長期連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。由于功率因數(shù)可在0.9～1.0之間變化，發(fā)電機(jī)的最大有功將

10、可以在756～840MW之間變化，相應(yīng)的水輪機(jī)出力將達(dá)767～852MW，導(dǎo)葉開度將可相應(yīng)增大8%左右。按這一原則設(shè)計的三峽機(jī)組，適當(dāng)改善了水輪機(jī)在高水頭小開度運(yùn)行的穩(wěn)定性能，水輪機(jī)出力也提高了8%～20%，還可增大電站的調(diào)峰備用容量。模型驗(yàn)收試驗(yàn)表明，三峽水輪機(jī)在額定水頭時的出力裕度約為3%，在84～85m時出力即可達(dá)767MW，在91m左右即可達(dá)852MW。從這個意義上說，三峽水輪機(jī)是世界上出力最大的水輪機(jī)。2結(jié)構(gòu)特點(diǎn)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)2.1