溪洛渡水电站水轮机总体技术特性评析

黄源芳

（中国长江三峡集团公司，湖北 宜昌 443002）

金沙江多年平均流量492 m3/s，多年平均年径流量1 550亿m3，天然落差5 100 m。在金沙江中下游规划兴建梯级电站12座。其中，溪洛渡水电站建成后，三峡库区入库含沙量将比此前天然状态减少34%以上。溪洛渡水电站的电力，将远送我国东部、中部和南部地区，送电距离在1 000 km以上，采用超高压直流输电。

1 电站开发对机组总体特性的要求

溪洛渡水电站位于金沙江峡谷河段，主坝为拱坝。电站总体布置上，要求单机容量尽可能大，机组台数较少较有利。因而，水轮机大件运输应满足公路或水路运输的要求。具体安排上都需在左、右岸 （即云南、四川两省范围）各布置一座厂房。左右岸地下厂房各装9台单机额定容量770 MW的水轮发电机组。

1.1 关于水轮机泥沙磨损

溪洛渡坝址处多年平均含沙量1.72 kg/m3，汛期6月～9月平均含沙量2.42 kg/m3。实测河水最大含沙量24.2 kg/m3（1984年）。水轮机的水力参数和结构设计都必须考虑初期运行泥沙磨损问题。因此，溪洛渡水轮机增设圆筒阀，以减缓水轮机过流部件的泥沙磨损，使水轮机的正常寿命保持在30 a以上。

1.2 关于水库的运用方式

溪洛渡水库在每年6月初电站按保证出力发电， 6月～9月上旬正常情况下库水位不超过汛期限制水位560 m，汛后至9月底蓄至正常蓄水位600 m，并继续在这蓄水位下运行，12月下旬水库开始消落，至次年5月底库水位降至死水位540 m。水库年内水位变幅达60 m。运行水头变化幅度都较大，水轮机的设计和运行性能必须兼顾这一特点。

1.3 关于场外运输条件

溪洛渡地处高山峡谷河段，无现成的公路铁路可以利用，水路又不能抵达坝下，机电设备特别是超大件 （超尺寸的重件如水轮机转轮）的设计，必须考虑这一运输限制因素，并需在电站现场布置转轮总装加工基地。

2 水轮机水力设计参数

溪洛渡电站水轮机基本参数：水轮机为立轴混流式水轮机，额定水头197 m，最大水头229.4 m，最小水头 154.6 m， 出力加权平均水头 223.48 m，额定出力784 MW，额定转速125 r/min，额定流量430.5 m3/s， 吸出高度 （至导叶中心）Hs为-10.81 m，安装高程359.00 m，机组台数9/9台。

参与溪洛渡电站机组投标的5家制造厂商在投标时提交了水轮机模型试验成果，包括能量特性、空化特性和尾水管压力脉动等运行稳定特性的数据和性能曲线；并按协议规定在双方同意的中国囯内第三方试验台进行复核试验。在此基础上进行综合评标，授标后的水轮机模型验收试验在合同方的试验台上进行。

水轮机模型验收试验按国际标准和合同条件进行。中标的3家制造厂商的试验成果均满足合同要求，个别工况点的水轮机尾水管压力脉动值略高于合同规定的保证值。本次见证验收试验的重点是：在能量试验中，主要是见证水轮机的出力裕度；在空化试验中，主要是见证初生空化线和叶道涡发展线的出现区域；在稳定性试验中，主要验证高水头高部分负荷时尾水管内的压力脉动特性。以下性能参数是三家中标厂家中的一家模型验收试验结果。

（1）水轮机最优效率。模型验收试验结果表明，最高效率ηopt，M=95.64%，大于合同保证值 95.57%；对应的原型机的最优效率工况点 （H=199.03 m，Q=328.61 m3/s，P=618.2 MW）原型机的最优效率为ηopt，P=96.95%，大于合同保证值96.91%。

（2）水轮机加权平均效率。模型验收的加权平均效率为94.56%，高于合同保证值94.48%；原型的加权平均效率为95.88%，高于合同保证值95.82%。

（3）水轮机保证出力。合同规定的各水头的出力保证值，都能满足要求。

（4）出力裕度。合同规定水轮机在额定水头197 m、额定转速125 r/min下运行时，出力裕度不低于3%额定出力。验收试验结果表明，模型水轮机出力裕度满足合同的要求。

（5）电站空化系数下压力脉动试验。共选择了Hp=229.4～154.6 m之间共9个水头。在每个水头下，从空载到该水头下的可能最大出力负荷区间，按导叶开度每隔2°间隔 (在高部分负荷区每隔0.1°～0.2°)选择了约20个工况点进行了水轮机尾水管压力脉动试验 （见表1）。试验结果与初步试验结果基本一致，压力脉动值基本满足合同要求，仅在空载个别工况压力脉动值稍微超出了合同保证值。

（6）补气试验。在电站空化系数下进行了补气试验，试验结果表明，补气对运行特性有增加其平稳性的作用。补气条件下的压力脉动比没有补气条件下的压力脉动要低，尤其是在存在空腔涡带的工况，补气效果明显。在变空化系数下不补气的工况，在电站空化系数附近的压力脉动相对较小。

（7）圆筒阀下拉力测试。圆筒阀下拉力试验是在最大水头229.4 m，在不同的导叶开度，对11个不同的筒阀开度的轴向下拉力进行了测量。试验结果表明：在筒阀开度大于2%的各开度下，筒阀具有自关闭趋势。验收试验结论与初步试验结果基本一致。

3 结构特性和现场工程设施

3.1 水轮机转轮

表1 溪洛渡原型和模型水轮机尾水锥管压力脉动时域峰峰值△H/H保证值

溪洛渡电站水轮机为立轴混流式水轮机，叶片采用负倾角叶片，叶片数为15片。转轮采用铸焊结构，上冠、叶片、下环为不锈钢，分件铸造加工。其叶片、上冠、下环加工完成的散件，经专用公路运到电站转轮组焊加工基地加工制造。现场加工制造在我国已有成功经验，如：小浪底电站 （6台）、三峡右岸电站 （4台）、龙滩电站 （7台）、拉西瓦电站 （5台）。

3.2 水轮机主要部件尺寸、质量

溪洛渡水轮机主要部件尺寸、质量 （其中以中标厂家中的一家为代表）为：转轮标称直径6 077.6 mm，进口直径7 655 mm，喉部直径6 077.6 mm，出口直径6 143 mm，最大外径7 755 mm，转轮进口高度1 350 mm，转轮总高3 575 mm，叶片数15。材料为A743 CA6 NM（ASTM），叶片最大许用应力：正常86.2 MPa，异常214.4 MPa。转轮质量195 t。

溪洛渡水轮机运行水头高，其水轮机尺寸小于三峡水轮机，但对外交通不便，增加了设计、制造难度。

3.3 水轮机圆筒阀

圆筒阀设置6只油压操作的液压直缸接力器，圆筒阀可在现地和中控室监控进行手动和自动操作。其关闭时的密封性需模拟可预见的对机组最不利的运行工况，通过模型试验来确定密封圈的几何形状，并对密封圈材质、性能进行测试和检验。圆筒阀在90 s内完成紧急关闭和90 s内完成正常开启，并且启、闭时间均可在60～120 s内可调。其在正常开启和关闭过程中任何情况下不会卡死。

溪洛渡圆筒阀技术特性：阀体外径9 935 mm、内径9 535 mm、高度1 500 mm，圆筒阀开启时间90 s，60～120 s可调，圆筒阀关闭时间90 s，60～120 s可调，圆筒阀体分瓣数2瓣，分瓣外形尺寸（L×B×H） 9 935 mm ×4 968 mm ×1 500 mm， 分瓣质量38.5 t，总质量77 t，材料S235J2G3，止水方式密封围带。

溪洛渡水电站圆筒阀，总数达18台套。国内外厂家虽都具有相应的设计、制造技术，但制造、安装过程中的质量监督还需严格把关。

4 讨论

4.1 水轮机额定出力与最大容量

为了增加三峡水轮机在高水头运行时的稳定性，三峡左岸电站水轮机按 “最大容量”进行设计。最大容量为852 MW，发电机按额定功率因数下最大容量840 MV·A进行设计。三峡右岸电站水轮机还将额定水头由80.6 m提高至85 m，试图进一步改善高水头运行的稳定性能。但三峡水电机组的铭牌出力仍为700 MW不变。

溪洛渡电站水轮机的额定出力为784 MW，比三峡水轮机额定出力710 MW要大。溪洛渡是直接将 “最大容量”定义为新的 “额定容量”并在铭牌上标示为额定出力。即：在水头186 m时，出力为700 MW；而在水头197 m时，出力为784 MW。发电机在额定容量且功率因数为1.0运行时，水轮机出力能达到870 MW，此时水轮机运行水头为210 m左右。

4.2 水轮机的运行稳定性

（1）大容量水电机组的运行稳定性问题。由于1992年巴基斯坦塔贝拉电站440 MW机组和2009年俄罗斯萨阳舒申斯克电站640 MW机组相继出现了重大事故，因而溪洛渡电站18台784 MW水轮机的安全稳定运行，引发了业内人士的重大关注。三峡机组采用了诸多技术指施，包括 “设置最大容量”，无论是额定水头为80.8 m的14台左岸电站水轮机，还是额定水头为85 m的12台右岸电站水轮机，迄今运行良好。但三峡机组在电网实际运行中，由于国家调度体制上的原因，不能充分发挥 “最大容量”的设计能力，未能实现 “保证安全运行”并“多发电量”的效果。因而，溪洛渡水电站不得不按“最大容量”进行设计，而且明确最大容量就是铭牌出力，以使水轮机在高水头运行时的稳定性更有保证。

（2） 大容量水电机组的运行稳定范围。三峡、大古力、伊泰普等水电站都规定在60%额定出力以上的区域运行，实际上伊泰普水电站几乎是在80%额定出力以上运行，机组运行负荷没有大起大落的变化。溪洛渡水电站要求在50%额定出力以上运行，模型验收试验见证了在这个范围内运行是稳定的。由于模型试验时的压力脉动与原型机运行时并无确定的相似关系；所以在试运行中考察真机的稳定运行性能，并在长期运行中坚持按分区运行的要求进行调度是十分必要的。

（3）高水头高部分负荷时尾水管压力脉动。溪洛渡水轮机模型验收试验以及厂家初步试验中，在高水头高部分负荷时都未出现尾水管压力脉动值突然升高的现象。而三峡左岸水电站水轮机在模型试验时存在这种不稳定现象，但在原型水轮机现场试验和运行时并没有出现这种现象。这可以解释为是模型试验条件和原型水轮机运行条件有很大不同导致的。

4.3 关于 “百万千瓦级”机组

我国正在依托金沙江上的烏东德、白鹤滩水电站研究 “百万千瓦级”水电机组。三峡工程论证阶段研究过这课题。前苏联在图鲁汉斯克电站规划中也研究过 “百万千瓦级”水电机组。

在三峡电站26台700 MW级水电机组在电网稳定运行以后，溪洛渡、向家坝电站 26台800 MW级水电机组正在制造中，我们对 “百万千瓦级”水电机组的研究，有了比较坚实的基础。根据烏东德、白鹤滩水电站规划的运行水头条件， “百万千瓦级”的水轮机的尺寸、重量不会超过三峡、向家坝水电站。水轮机部件应用材料的性能，稍高于溪洛渡水电站，囯内外材料厂家都能供应这样的高性能厚钢板。发电机额定电压高于三峡电站的20 kV，向家坝水电站发电机电压已提高到23 kV。阶段性研究试验结果显示，目前的绝缘材料可以满足高电压等级发电机绝缘材料的要求。随着我国强大电力网的形成，在火电机组已经有了单机容量1 000 MW机组的情况下， “百万千瓦级”水电机组的调度运行不会成为电网安全运行的限制因素。单机容量1 000 MW的水电机组，能否成为现实，不取决于水电机组本身的技术，而更多地取决于对依托工程的总体效益影响的评估。