錦屏二級(jí)水電站水輪機(jī)選型特點(diǎn)及安全穩(wěn)定運(yùn)行策略

黃靖乾，陳祥榮，馮真秋，方 杰

（中國電建集團(tuán)華東勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江杭州，311122）

錦屏二級(jí)水電站水輪機(jī)選型特點(diǎn)及安全穩(wěn)定運(yùn)行策略

黃靖乾，陳祥榮，馮真秋，方 杰

（中國電建集團(tuán)華東勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江杭州，311122）

錦屏二級(jí)水電站為高水頭、大容量、長引水式電站。該電站的水輪機(jī)選型及運(yùn)行有一些特點(diǎn)和難點(diǎn)。筆者回顧了水輪機(jī)結(jié)構(gòu)選擇，以及摘錄了一些性能試驗(yàn)對(duì)比的具體數(shù)據(jù)，標(biāo)志著機(jī)組選型和設(shè)計(jì)制造的成功，同時(shí)根據(jù)電站特點(diǎn)，在機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行、快速反應(yīng)方面提出了建設(shè)性的建議。

錦屏二級(jí)水電站；水輪機(jī)；筒形閥；長引水；運(yùn)行策略

1 水輪機(jī)選型及運(yùn)行特點(diǎn)和難點(diǎn)

錦屏二級(jí)水電站裝機(jī)容量為4 800 MW，單機(jī)容量600 MW，額定水頭288 m，多年平均發(fā)電量242.3億kW·h，保證出力1 972 MW，年利用小時(shí)5 048 h，是雅礱江上水頭最高、裝機(jī)規(guī)模最大的水電站。工程樞紐主要由首部低閘、引水系統(tǒng)、尾部地下廠房等建筑物組成。引水洞采用“四洞八機(jī)”布置，引水隧洞共四個(gè)水力單元。引水系統(tǒng)由電站進(jìn)水口、引水隧洞、上游調(diào)壓室、高壓管道、尾水出口事故閘門室以及尾水隧洞等建筑物組成。進(jìn)水口至上游調(diào)壓室的平均洞線長度約16.7 km。發(fā)電廠房為地下廠房，共裝設(shè)8臺(tái)水輪發(fā)電機(jī)組，是目前300 m級(jí)水頭段容量最大的水輪發(fā)電機(jī)組。錦屏二級(jí)水輪機(jī)選型及運(yùn)行特點(diǎn)和難點(diǎn)歸納起來主要有3點(diǎn)：

（1）錦屏二級(jí)水電站最大凈水頭高達(dá)318.8 m，水輪機(jī)單機(jī)額定功率較大（610 MW）。如此高水頭的大型混流式水輪機(jī)，在中國乃至在世界上也是屈指可數(shù)的，對(duì)設(shè)計(jì)院和制造廠提出了挑戰(zhàn)，投入了更多的研發(fā)資源。

（2）錦屏二級(jí)水電站樞紐布置和單機(jī)容量（機(jī)組尺寸）決定了水輪機(jī)進(jìn)口無法設(shè)置蝶閥或球閥，只能采用筒形閥。因調(diào)壓室規(guī)模大（高約140 m，最大跨度30 m），閘門關(guān)閉時(shí)間要超過30 min，故也無法采用快速閘門保護(hù)機(jī)組，因此筒形閥成為機(jī)組防飛逸的最后一道保護(hù)，必須能夠動(dòng)水關(guān)閉。

（3）錦屏二級(jí)水電站“一洞兩機(jī)”布置，平均洞線長度約16 700 m。長引水電站通常調(diào)度不靈活，需要等待調(diào)壓室水位穩(wěn)定才能增減負(fù)荷。長引水電站往往存在機(jī)組運(yùn)行受限、小波動(dòng)不穩(wěn)，直接影響供電質(zhì)量，造成對(duì)電網(wǎng)響應(yīng)性較差等問題。這些問題需要在分析和研究中找出解決方案。

2 水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪選擇和性能驗(yàn)證

為了較全面地分析和研究錦屏二級(jí)水電站水輪發(fā)電機(jī)組預(yù)期參數(shù)的合理性、制造可行性和運(yùn)行穩(wěn)定性，以及設(shè)想的轉(zhuǎn)輪選擇長短葉片等，2003年，華東院委托國內(nèi)主機(jī)制造廠對(duì)本電站水輪發(fā)電機(jī)組的預(yù)期參數(shù)、制造可行性和運(yùn)行穩(wěn)定性等進(jìn)行綜合分析和論證。同時(shí)，還邀請(qǐng)國內(nèi)的合資水輪機(jī)制造公司進(jìn)行了多次技術(shù)交流。推薦的錦屏二級(jí)水電站水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪型式主要有兩種，即長短葉片轉(zhuǎn)輪和常規(guī)轉(zhuǎn)輪，常規(guī)葉片轉(zhuǎn)輪的葉片數(shù)均在17片及以上。從CFD分析計(jì)算和模型試驗(yàn)結(jié)果來看，常規(guī)葉片轉(zhuǎn)輪與長短葉片轉(zhuǎn)輪相比，最高效率前者略高，加權(quán)平均效率后者略高；過流能力前者比后者稍強(qiáng)；壓力脈動(dòng)和運(yùn)行穩(wěn)定性，后者優(yōu)于前者。

水輪發(fā)電機(jī)組采用國內(nèi)公開招標(biāo)方式采購?？紤]到300 m水頭段單機(jī)容量600 MW水輪機(jī)的設(shè)計(jì)、制造難度，要求投標(biāo)廠家自帶轉(zhuǎn)輪模型及模型試驗(yàn)報(bào)告參加投標(biāo)，開標(biāo)前進(jìn)行模型轉(zhuǎn)輪同臺(tái)對(duì)比試驗(yàn)。在截標(biāo)前共收到天津阿爾斯通水電設(shè)備有限公司、東方電機(jī)股份有限公司、上海福伊特水電設(shè)備有限公司和哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司共4家水輪機(jī)制造廠家的投標(biāo)文件。開標(biāo)前，先在水科院（第三方）進(jìn)行模型轉(zhuǎn)輪同臺(tái)對(duì)比試驗(yàn)。為保證技術(shù)評(píng)標(biāo)的公平與客觀，在技術(shù)評(píng)標(biāo)完成后再公開商務(wù)報(bào)價(jià)。經(jīng)過綜合評(píng)標(biāo)，《水輪機(jī)、圓筒閥及其附屬設(shè)備采購》標(biāo)最終由上海福伊特水電設(shè)備有限公司獲得（以下簡稱上海福伊特）。通過模型同臺(tái)對(duì)比試驗(yàn)，錦屏二級(jí)水電站長短葉片模型轉(zhuǎn)輪比常規(guī)葉片模型轉(zhuǎn)輪穩(wěn)定性要好。

表1 兩種形式轉(zhuǎn)輪穩(wěn)定性Table 1 Stability of the two forms of runner

2008年4月，完成了錦屏二級(jí)水輪機(jī)模型驗(yàn)收試驗(yàn)，各項(xiàng)水力性能均滿足合同要求。驗(yàn)收試驗(yàn)后，上海福伊特根據(jù)其在其他電站類似機(jī)組上完成的真機(jī)動(dòng)態(tài)性能測試結(jié)果，分析認(rèn)為錦屏二級(jí)水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的動(dòng)態(tài)應(yīng)力偏高，葉片可能產(chǎn)生裂紋，影響水輪機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行。為此，上海福伊特對(duì)錦屏二級(jí)水電站水輪機(jī)設(shè)計(jì)進(jìn)行了進(jìn)一步的優(yōu)化。優(yōu)化的主要內(nèi)容是對(duì)轉(zhuǎn)輪葉片進(jìn)水邊和活動(dòng)導(dǎo)葉進(jìn)行修形，適當(dāng)擴(kuò)大導(dǎo)葉的節(jié)圓直徑，加大轉(zhuǎn)輪葉片與上冠、下環(huán)的焊接圓腳及過渡段厚度。為了驗(yàn)證優(yōu)化設(shè)計(jì)成果，2009年5月，在德國海德海姆福伊特水電設(shè)備有限公司總部水力實(shí)驗(yàn)室的高水頭水輪機(jī)實(shí)驗(yàn)臺(tái)上，進(jìn)行了優(yōu)化后的轉(zhuǎn)輪模型復(fù)核見證試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，修型后的轉(zhuǎn)輪、導(dǎo)葉以及導(dǎo)葉分布圓直徑的增大，對(duì)水輪機(jī)水力性能基本無影響，結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的加權(quán)平均真機(jī)效率比優(yōu)化前降低了0.03%，優(yōu)化后的模型水輪機(jī)的水力性能指標(biāo)（效率、出力、空化、壓力脈動(dòng)等）仍滿足合同保證值的要求。轉(zhuǎn)輪的動(dòng)態(tài)應(yīng)力明顯降低。

錦屏二級(jí)水電站的1號(hào)、2號(hào)機(jī)組于2012年底并網(wǎng)發(fā)電，8號(hào)機(jī)組已于2014年11月投入商業(yè)運(yùn)行。2014年11月20日，當(dāng)時(shí)電站毛水頭為308.6 m，對(duì)8號(hào)機(jī)組帶不同負(fù)荷時(shí)的振動(dòng)擺度進(jìn)行了實(shí)測，機(jī)組各部位振動(dòng)、擺度和壓力脈動(dòng)見表2、表3。

由表2、表3可看出，在各個(gè)負(fù)荷下，水輪機(jī)穩(wěn)定性指標(biāo)好于合同保證值的要求，說明水輪機(jī)選型是非常合適和成功的。

3 筒形閥動(dòng)水關(guān)閉試驗(yàn)

錦屏二級(jí)水電站筒形閥及其附屬設(shè)備主要由閥體、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)、密封、接力器、同步控制裝置、油壓裝置、漏油裝置、監(jiān)測系統(tǒng)儀表、自動(dòng)化元件、盤柜及控制裝置、閥門、管道、導(dǎo)線、電纜等組成。筒形閥作為可動(dòng)水切斷水流的隔斷閥，安裝在水輪機(jī)的固定導(dǎo)葉和活動(dòng)導(dǎo)葉之間。筒形閥一般處于全開或全關(guān)位置，不作流量調(diào)節(jié)用。錦屏二級(jí)水電站筒形閥設(shè)置6個(gè)油壓操作、雙作用直缸接力器。筒形閥操作接力器的壓力油由筒形閥油壓裝置供給，額定工作壓力為6.3 MPa。接力器及其零部件按油源系統(tǒng)最大操作油壓以及動(dòng)水關(guān)閉過程中產(chǎn)生的最大油壓設(shè)計(jì)。因沒有快速閘門，筒形閥成為機(jī)組防飛逸的最后一道保護(hù)。

為驗(yàn)證筒形閥動(dòng)水關(guān)閉的可靠性，2013年9月27日在3號(hào)機(jī)組調(diào)試過程中進(jìn)行了筒形閥動(dòng)水關(guān)閉試驗(yàn)。計(jì)劃在空載、25%、50%、75%和100%額定負(fù)荷下做筒形閥動(dòng)水關(guān)閉試驗(yàn)。進(jìn)行50%額定負(fù)荷動(dòng)水關(guān)閉試驗(yàn)過程中，實(shí)測發(fā)現(xiàn)筒形閥接力器下腔油壓和蝸殼內(nèi)水壓力過大等情況，現(xiàn)場中止了后續(xù)試驗(yàn)。上海福伊特進(jìn)行了相關(guān)研究，采取了以下措施后在5號(hào)機(jī)組上再次進(jìn)行筒形閥動(dòng)水關(guān)閉試驗(yàn)：（1）筒形閥關(guān)閉規(guī)律調(diào)整為二段關(guān)閉，拐點(diǎn)為95%的開度；（2）筒形閥靜水關(guān)閉時(shí)間調(diào)整為85 s；（3）接力器行程最大偏差不大于3.5 mm，比例閥啟調(diào)靈敏度不大于2.0 mm。

表2 8號(hào)機(jī)組的振動(dòng)擺度實(shí)測與合同要求對(duì)比（20～240 MW）Table 2 Measured value and contracted value of vibration of unit No.8(20～240 MW)

表3 8號(hào)機(jī)組的振動(dòng)擺度實(shí)測與合同要求對(duì)比（360～600 MW）Table 3 Measured value and contracted value of vibration of unit No.8(360～600 MW)

在5號(hào)機(jī)組筒形閥動(dòng)水關(guān)閉試驗(yàn)進(jìn)行到385 MW負(fù)荷動(dòng)水關(guān)閉試驗(yàn)時(shí)，實(shí)測發(fā)現(xiàn)筒閥下拉力出現(xiàn)較大脈動(dòng)，其最大峰值達(dá)到8 492 kN，單個(gè)接力器最大拉力達(dá)到1 720 kN，為了保證設(shè)備安全，再次中止了試驗(yàn)。此后，上海福伊特根據(jù)專家的建議，認(rèn)真研究了減小筒閥筒體與座環(huán)徑向間隙的幾種方案，并進(jìn)行了二維和三維建模計(jì)算分析，據(jù)此于2014年10月對(duì)8號(hào)機(jī)筒形閥相關(guān)部件進(jìn)行了以下的進(jìn)一步改進(jìn)措施：（1）在座環(huán)上環(huán)板內(nèi)側(cè)（靠筒閥側(cè)）焊接全高度的不銹鋼鋼板，控制座環(huán)上環(huán)板與筒形閥的間隙在5 mm左右；（2）調(diào)整筒形閥二段關(guān)閉拐點(diǎn)到98%的開度；（3）延長筒形閥關(guān)閉時(shí)間到95 s。

通過上述改進(jìn)，8號(hào)機(jī)的筒形閥動(dòng)水關(guān)閉試驗(yàn)得以順利完成，各項(xiàng)試驗(yàn)參數(shù)均滿足相關(guān)合同和規(guī)范的要求，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表4。其他機(jī)組筒形閥根據(jù)8號(hào)機(jī)筒形閥的處理方案處理完善，并且每個(gè)引水單元均選擇了1臺(tái)機(jī)組進(jìn)行了筒形閥動(dòng)水關(guān)閉試驗(yàn)，各項(xiàng)試驗(yàn)參數(shù)均滿足相關(guān)合同和規(guī)范的要求。筒形閥動(dòng)水關(guān)閉試驗(yàn)的成功，為機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行提供了可靠的保證。

表4 8號(hào)機(jī)組筒形閥動(dòng)水關(guān)閉試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 4 Test data of shutdown in flow of the ring gate of unit No.8

4 機(jī)組運(yùn)行策略

超長輸水系統(tǒng)高水頭大容量機(jī)組的水力特性及運(yùn)行方式研究是一門涵蓋了水力學(xué)、機(jī)械、電氣、智能控制和電站運(yùn)行調(diào)度管理等多方面的綜合性技術(shù)課題。高水頭大容量超長輸水發(fā)電系統(tǒng)一般都有水力波動(dòng)幅度大、波動(dòng)周期長等特點(diǎn)，這些特點(diǎn)同時(shí)也與機(jī)組的水力特性相互影響，給機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性、電站供電質(zhì)量以及機(jī)組和輔助設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、水力特性分析帶來了較大的難度，給超長輸水系統(tǒng)的安全和穩(wěn)定運(yùn)行控制提出了極高的要求。

4.1 理論分析計(jì)算

錦屏二級(jí)超長輸水系統(tǒng)的水力特性主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面，甩負(fù)荷調(diào)整過程中，水力波動(dòng)振幅較大，最大達(dá)70多m；受調(diào)壓室的調(diào)節(jié)作用，同時(shí)表現(xiàn)出周期性波動(dòng)，且周期時(shí)間較長，一個(gè)波動(dòng)周期達(dá)8～9 min。

本電站機(jī)組總關(guān)閉時(shí)間13 s，為一段直線關(guān)閉，遠(yuǎn)小于超長輸水系統(tǒng)的波動(dòng)周期。

機(jī)組調(diào)節(jié)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)周期一般為20 ms，遠(yuǎn)小于超長輸水系統(tǒng)的波動(dòng)周期。

電網(wǎng)要求機(jī)組具有AGC功能，水電機(jī)組每分鐘的負(fù)荷調(diào)整幅度不低于額定負(fù)荷的80%，也遠(yuǎn)小于超長輸水系統(tǒng)的波動(dòng)周期。

通過上述比較可知，機(jī)組的調(diào)節(jié)系統(tǒng)調(diào)節(jié)和電網(wǎng)要求機(jī)組的負(fù)荷調(diào)節(jié)周期時(shí)間遠(yuǎn)小于超長輸水系統(tǒng)的水力波動(dòng)周期，只要單位時(shí)間內(nèi)的水力波動(dòng)幅值控制在一定范圍，則機(jī)組的調(diào)節(jié)系統(tǒng)完全可以跟得上電站輸水系統(tǒng)的水力波動(dòng)，保證電站和機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行。根據(jù)以上分析，利用數(shù)值計(jì)算模型，模擬了不同的典型工況下，機(jī)組增減負(fù)荷方式對(duì)調(diào)壓室水位衰減的影響。通過計(jì)算分析，說明只要適當(dāng)調(diào)整機(jī)組導(dǎo)葉參與調(diào)節(jié)的時(shí)間，當(dāng)調(diào)壓室水位處于上升過程時(shí)，增加機(jī)組負(fù)荷，當(dāng)調(diào)壓室水位處于下降過程時(shí)，減少機(jī)組負(fù)荷，就完全可以達(dá)到快速消減調(diào)壓室涌浪水位波動(dòng)的目標(biāo)。

表5 不同典型工況下調(diào)壓室水位波動(dòng)衰減幅度對(duì)比Table 5 Water level change in pressure chamber with different working conditions

4.2 運(yùn)行控制的實(shí)踐

根據(jù)上節(jié)的分析成果，在1號(hào)引水發(fā)電系統(tǒng)2號(hào)機(jī)原型機(jī)組試驗(yàn)過程中，進(jìn)行了初步的實(shí)踐，原型機(jī)組實(shí)測出力及調(diào)壓室實(shí)測水位變化過程如圖3所示。在1號(hào)引水發(fā)電系統(tǒng)原型機(jī)組試驗(yàn)過程中，適當(dāng)調(diào)整了機(jī)組增負(fù)荷的方式。在調(diào)壓室水位上升過程中，按照調(diào)度要求增加機(jī)組負(fù)荷；在調(diào)壓室水位下降過程中，暫停增負(fù)荷，利用這種臺(tái)階形間歇式的增負(fù)荷方式，達(dá)到了快速衰減調(diào)壓室涌浪的目的。1號(hào)水力單元原型機(jī)組試驗(yàn)已初步實(shí)踐了這一優(yōu)化方案。

圖5是利用數(shù)值計(jì)算模型，模擬了原型機(jī)組試驗(yàn)過程的增負(fù)荷方式。從計(jì)算結(jié)果看，數(shù)值計(jì)算的調(diào)壓室水位波動(dòng)變化過程和原型試驗(yàn)實(shí)測調(diào)壓室水位波動(dòng)過程基本是一致的。

圖1 典型增～增負(fù)荷工況調(diào)壓室水位波動(dòng)對(duì)比Fig.1 Water level change in pressure chamber in increasing load condition

圖2 典型減～減負(fù)荷工況調(diào)壓室水位波動(dòng)對(duì)比Fig.2 Water level change in pressure chamber with load shed?ding

圖3 2號(hào)機(jī)組甩100%額定負(fù)荷實(shí)測資料Fig.3 Monitored data as 100%rated load rejection of unit No.2

根據(jù)研究成果和現(xiàn)場試驗(yàn)情況，提出了錦屏二級(jí)超長輸水系統(tǒng)巨型差動(dòng)式調(diào)壓室水位波動(dòng)“帶時(shí)間窗口的能量回饋泄壓消能”的概念，攻克了超長輸水系統(tǒng)水力衰減慢、機(jī)組運(yùn)行靈活性差等難題，實(shí)現(xiàn)了錦屏二級(jí)高水頭大容量機(jī)組的全部功能。

經(jīng)過近3年多的實(shí)際運(yùn)行檢驗(yàn)，錦屏水電站運(yùn)行策略完全滿足電站運(yùn)行要求，解決了超長輸水系統(tǒng)水力衰減慢、機(jī)組運(yùn)行靈活性差等難題。

圖4 2號(hào)機(jī)組甩100%額定負(fù)荷實(shí)測截屏圖片F(xiàn)ig.4 Screenshot of monitored data as 100%rated load rejec?tion of unit No.2

圖5 2號(hào)機(jī)組甩100%額定負(fù)荷實(shí)測和計(jì)算結(jié)果對(duì)比Fig.5 Comparison between measured data and calculated re?sults as 100%rated load rejection of unit No.2

5 結(jié)語

通過錦屏二級(jí)水電站的實(shí)踐，解決了高水頭大容量水輪機(jī)的一些設(shè)計(jì)技術(shù)難題；成功完成了筒形閥動(dòng)水關(guān)閉試驗(yàn)；解決了超長輸水系統(tǒng)水力衰減慢、機(jī)組運(yùn)行靈活性差的問題。錦屏二級(jí)水電站安全穩(wěn)定運(yùn)行的經(jīng)驗(yàn)可為類似電站提供借鑒。

[1]方杰,吳疆.雅礱江錦屏二級(jí)水電站機(jī)組運(yùn)行方式研究報(bào)告[R].

[2]陳祥榮,馮真秋,陳順義,等.超長輸水系統(tǒng)高水頭大容量機(jī)組水力特性及運(yùn)行策略關(guān)鍵技術(shù)[R].

[3]四川省電力工業(yè)調(diào)試試驗(yàn)所.8號(hào)水輪發(fā)電機(jī)組新機(jī)啟動(dòng)穩(wěn)定性驗(yàn)收試驗(yàn)報(bào)告[R].

2016-07-19

黃靖乾（1977-），男，浙江杭州人，高級(jí)工程師，從事水力機(jī)械設(shè)計(jì)工作。

作者郵箱：huang_jq@ecidi.com

Selection of hydraulic turbine and safe operation at Jinping II hydropower station

HUANG Jingqian,CHEN Xiang-rong,FENG Zhen-qiu and FANG Jie

PowerChina Huadong Engineering Co.,Ltd.

Jinping II hydropower station has the characters of high head,large capacity and long tunnel.There are some special characteristics and difficulties with the turbine selection and the operation of power station.This article reviews the selection of hydraulic turbine structure and extracts a number of specific data of performance comparisons which marks the success of unit selection,design and manufac?turing.Meanwhile,based on the characteristics of the power station,suggestions are put forward for sta?ble operation and rapid response of the unit.

Jinping II hydropower station;hydraulic turbine;ring gate;long tunnel;operation strategy

TV734

B

1671-1092（2017）05-0048-05