三峽工程巨型水輪發(fā)電機組設(shè)計與實踐

邵建雄，劉景旺，袁達夫

（長江水利委員會長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究院，武漢 430010）

三峽工程巨型水輪發(fā)電機組設(shè)計與實踐

邵建雄，劉景旺，袁達夫

（長江水利委員會長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究院，武漢 430010）

分析了三峽水輪發(fā)電機組設(shè)計中必須考慮的主要問題；總結(jié)了所進行的關(guān)鍵技術(shù)研究；通過關(guān)鍵技術(shù)問題研究，使得三峽水輪發(fā)電機組參數(shù)達到最優(yōu)化。機組運行結(jié)果表明三峽水輪發(fā)電機組性能良好，能夠長期安全、穩(wěn)定、高效運行，從而有效地驗證了對三峽巨型水輪發(fā)電機組的總體技術(shù)設(shè)計是科學合理的。

三峽工程；700 MW級水電機組；單機容量；設(shè)計研究；運行穩(wěn)定性；實踐

1 前言

三峽左右岸電站共裝設(shè)26臺單機容量為700 MW的水輪發(fā)電機組，其中左岸電站14臺，右岸電站12臺。左岸電站第一批機組于2003年投產(chǎn)發(fā)電，2005年全部機組投產(chǎn)發(fā)電；右岸電站第一批機組于2007年投產(chǎn)發(fā)電，2008年全部機組投產(chǎn)發(fā)電。

工程設(shè)計單位職責是確定三峽電站的裝機規(guī)模、選定水輪發(fā)電機組的形式及單機容量、確定電站的裝機臺數(shù)，并根據(jù)水庫調(diào)度和電站的運行條件，確定水輪發(fā)電機組的性能參數(shù)、總體結(jié)構(gòu)及主要部件的材質(zhì)，明確機組制造廠生產(chǎn)制造水輪發(fā)電機組的技術(shù)條件，對水輪發(fā)電機組安裝和調(diào)試進行指導，實現(xiàn)電站的科學運行維護，確保機組在電站的各種運行方式下安全穩(wěn)定運行，獲得最大化的發(fā)電效益。

2010年水庫水位達到設(shè)計蓄水位175 m，機組運行狀況良好，性能穩(wěn)定。從2003年7月首批機組投入運行到2011年，三峽電站已運行近7年，截至2011年5月10日累計發(fā)電量達4705億kW·h。

2 機組選型與單機容量確定

三峽工程經(jīng)歷了長期的可行性方案論證，電站裝設(shè)什么形式的水輪發(fā)電機組、單機容量選用多大，始終是設(shè)計研究的重大課題之一。

形式：根據(jù)三峽工程的總體布置和水庫的運行調(diào)度，水輪機除了安全可靠外，還必須考慮單機容量大、運行水頭變幅大及汛期含一定的泥沙過機等特點，在各種形式的水輪機中，只有混流式水輪機能較好地適應上述要求，因此選用了混流式水輪發(fā)電機組。

單機容量：對單機容量選用300 MW、450 MW、600 MW、800 MW、1000 MW等方案作了長期、全面研究。當確定三峽工程正常蓄水位為175 m、額定水頭為80.6 m后，又重點對3個方案，即電站裝設(shè)26臺單機容量為680 MW、700 MW、720 MW的發(fā)電機組，分別從國內(nèi)外機組和電氣設(shè)備制造的可行性、樞紐工程布置、大件運輸、電站接入電力系統(tǒng)、發(fā)電效益和經(jīng)濟指標等方面進行了深入、全面的比選，最后推薦選用單機容量700 MW，并經(jīng)國務院長江三峽工程建設(shè)委員會初步設(shè)計審查批淮。

3 700MW水輪發(fā)電機組總體設(shè)計必須考慮的問題

單機容量選定后，如何從機組整體性能最優(yōu)出發(fā)，抓住需要解決的主要技術(shù)問題，必須對電站的固有特性有所了解。三峽工程以防洪為主，采取“一級開發(fā)，一次建成，分期蓄水，連續(xù)移民”的開發(fā)方案，形成了三峽電站水輪發(fā)電機組特有的復雜運行工況，機組總體設(shè)計必須考慮如下特定條件：

1）單機容量大、裝機臺數(shù)多、轉(zhuǎn)輪直徑大。三峽左右岸電站裝設(shè)26臺單機容量700 MW的機組，是當時國內(nèi)選用單機容量最大的機組，也是世界上裝機規(guī)模最大的電站。國外依泰普等水電站也裝有單機容量為700 MW的水輪機組，額定水頭為130 m，轉(zhuǎn)輪直經(jīng)為7.163 m。三峽工程汛期為騰出防洪庫容并考慮水能的充分利用，額定水頭定為80.6 m，水輪機轉(zhuǎn)輪直徑達到9.8 m，機組的尺寸相應加大，增加了機組剛度、強度滿足安全穩(wěn)定運行要求的難度。

2）水輪機需適應蓄水初期和后期兩種水頭，水頭變幅大。三峽水輪機分為初期運行和后期運行兩個階段，初期水頭變幅為61～94 m，后期水頭變幅達71～113 m，最大水頭與最小水頭比值為1.85，是目前世界上已投入運行單機容量500 MW以上混流式水輪機運行水頭變幅最大的機組。根據(jù)三峽水庫調(diào)度的方式，水輪機在較低水頭區(qū)（低于78.5 m）和高水頭區(qū)（100～113 m）運行時間各占全年運行時間在30%以上。要求在兩個主要運行區(qū)內(nèi)均有較高的效率和穩(wěn)定性能，俗稱運行特性“雙黃蛋”，這偏離了按照常規(guī)設(shè)計的水輪機運行最優(yōu)工況區(qū)，也難以同時滿足上述兩運行區(qū)的需要，致使水輪機在一年的運行中有較長運行時間偏離最優(yōu)工況區(qū)運行，不僅影響機組效率，也對安全穩(wěn)定運行產(chǎn)生不利。為此對水輪機提出“枯水期要效率（此時水頭高水量少），汛期要出力（此時水頭低水量大）”。

3）過機水流中含有泥沙，水輪機過流部件面臨泥沙磨損問題。三峽河段天然來水量中多年平均含沙量1.20 kg／m3，電站建庫后，預計水庫運用頭10年的出庫泥沙含量平均值為0.379 kg／m3。

4）電力系統(tǒng)中的骨干電站。三峽電站地處中國腹地，是電力系統(tǒng)中的骨干電站，并依托華中電網(wǎng)實現(xiàn)東、西、南、北跨地區(qū)電網(wǎng)的聯(lián)接，促進全國統(tǒng)一電網(wǎng)的形成；競價上網(wǎng)是電力市場發(fā)展的必然趨勢，為此除充分發(fā)揮水電是清潔能源、啟?？焖俚葍?yōu)勢外，應能根據(jù)電力市場需求，在電網(wǎng)中可承擔基荷、腰荷、峰荷和事故備用。

5）工程建設(shè)依靠發(fā)電效益還貸。三峽工程綜合益巨大，但防洪、改善航運等是社會效益，而工程建設(shè)需依靠巨大的發(fā)電效益取得的經(jīng)濟收入還貸。

三峽工程在國內(nèi)首次采用700 MW巨型水輪發(fā)電機組，從700 MW機組總體設(shè)計必須考慮的問題中可以看出，如此大的水頭變幅在700 MW巨型水輪發(fā)電機組的工程設(shè)計中是首次遇到，無先例可循，超出已有的經(jīng)驗和技術(shù)，工程實踐表明，機組的許多枝術(shù)難題無不與此有關(guān)。當國外著名機組制造專家了解到上述特點后，對我們這樣說：三峽工程的機電設(shè)計不僅是對中國同行的挑戰(zhàn)，也是對世界同行的挑戰(zhàn)！

4 設(shè)計研究主要解決的技術(shù)問題

使機組有先進的能量指標、在運行區(qū)內(nèi)不產(chǎn)生汽蝕、盡量減小各種運行方式下的水力脈動并控制在可接受的范圍內(nèi)，始終把機組長期安全、穩(wěn)定運行放在首位，為實現(xiàn)以上目標，進行了約25個主要技術(shù)問題的設(shè)計研究。

4.1 機組主要參數(shù)的選擇

機組主要參數(shù)的選擇決定了機組的性能，關(guān)系到電站在各種運行方式下能否按預想出力安全穩(wěn)定運行。與國內(nèi)外著名制造廠進行了多次技術(shù)交流，在研究確定機組主要參數(shù)時，不是把世界上各同類機組頂尖參數(shù)堆積起來，而是求得整體性能的最優(yōu)，經(jīng)綜合平衡后，該用的高參數(shù)必須用。機組參數(shù)選擇以穩(wěn)定性為第一，從追求先進的能量指標和汽蝕指標，轉(zhuǎn)為建立適應三峽機組的穩(wěn)定性指標體系。

4.1.1 水輪機

1）額定水頭和加權(quán)因子。額定水頭和加權(quán)因子都是電站水庫調(diào)度運行的特征參數(shù)，影響機組制造難度與運行特性，左岸電站經(jīng)過多年論證和動能多種方案的計算比選，提出額定水頭為80.6 m。三峽左岸電站水輪機模型試驗結(jié)果表明，穩(wěn)定性指標均未全面達到合同保證值，在機組正常運行范圍內(nèi)存在著一個較強的壓力脈動帶，可能影響高水頭區(qū)機組穩(wěn)定性能，并使出力調(diào)節(jié)范圍變小，不利于機組的靈活調(diào)度。額定水頭選取是關(guān)系到電站的發(fā)電效益、水輪機的水力特性和機組安全穩(wěn)定運行、機組控制尺寸和重量等方面的一個關(guān)鍵綜合參數(shù)。為進一步提高三峽右岸電站機組運行的穩(wěn)定性，從1999年11月開始，對右岸電站機組的額定水頭選用80.6 m、83 m、85 m、90 m、95 m 五個方案及主要參數(shù)再次進行全面論證研究。研究表明：

既要考慮到提高額定水頭發(fā)電效益有所減少，也要考慮到機組性能改進有利于提高機組運行的穩(wěn)定性和增加了發(fā)電量，兩者相輔相成，以求得電站總體效益最大化進行綜合平衡。按照長系列水文資料和左岸電站水輪機運轉(zhuǎn)特性曲線的發(fā)電量計算結(jié)果表明，由于左岸電站14臺機組的額定水頭已是80.6 m，當右岸電站12臺機組的額定水頭提高到85 m，發(fā)電量減少不多，對三峽電站的發(fā)電效益影響不大。對水輪機效率、進口邊空化、葉道渦、特殊壓力脈動帶等方面進行了研討，結(jié)果表明：結(jié)合三峽電站的實際運行工況，提高額定水頭有利于提高水輪機運行的穩(wěn)定性，鑒于此，右岸電站額定水頭從80.6 m提高到 85 m。

一個水電站根據(jù)多年積累的水文資料和水庫運行調(diào)度原則，一年中機組運行所經(jīng)歷的各種水頭的不同頻率是客觀存在的。據(jù)此動能規(guī)劃計算，在不同蓄水期分別提出水頭出現(xiàn)頻率的加權(quán)因子，作為水輪機最優(yōu)效率區(qū)的設(shè)計導向。

2）水輪機轉(zhuǎn)速選擇。根據(jù)三峽電站的特征水頭，經(jīng)分析和計算，三峽電站水輪機額定工況比轉(zhuǎn)速應在245 m·kW與256 m·kW之間，相應的比速系數(shù)為2200～2300。在確保機組安全穩(wěn)定運行的前提下，水輪機參數(shù)具有相對的先進性。確定水輪機比速系數(shù)在2300左右，可供選擇的轉(zhuǎn)速有75 r／min和 71.4 r／min。 兩種轉(zhuǎn)速方案中水輪機參數(shù)和性能相近，發(fā)電機75 r／min方案在電氣參數(shù)、電磁及結(jié)構(gòu)設(shè)計上明顯優(yōu)于71.4 r／min方案，且71.4 r／min 方案與 75 r／min 方案相比，機組重量多300 t，因此左岸電站推薦采用75 r／min。在右岸電站和地下電站機組招標設(shè)計中，通過總結(jié)左岸電站機組設(shè)計的經(jīng)驗，在分析研究的基礎(chǔ)上，確定兩種轉(zhuǎn)速對機組設(shè)計的影響在本質(zhì)上差異不大，從充分利用機組制造廠的設(shè)計和制造經(jīng)驗出發(fā)，招標文件中允許機組制造廠家在 75 r／min和 71.4 r／min兩種轉(zhuǎn)速中選取，因此右岸和地下電站，哈爾濱電機廠和東方電機有限公司提供的機組轉(zhuǎn)速為75 r／min，天津ALSTON提供的機組轉(zhuǎn)速為71.4 r／min。

3）空蝕系數(shù)和吸出高度。三峽水輪機額定轉(zhuǎn)速 75 r／min，比轉(zhuǎn)速261.725 m·kW，從有利于水輪機運行區(qū)內(nèi)不產(chǎn)生汽蝕、減少廠房的開挖和混凝土澆筑量出發(fā)，并參考已建國內(nèi)外同類電站水輪機吸出高度的實際值和制造廠對吸出高度的推薦值，并留有一定的裕度，三峽電站水輪機裝置空蝕系數(shù)為0.188，吸出高度（以導葉中心線計）選用－5 m，三峽電站下游最低尾水位為62 m，因此水輪機安裝高程為57 m。

4）水輪機效率。效率的高低標志著水輪機能量指標的優(yōu)劣。若機組的效率增加0.5%，三峽電站相當于增加了9.1萬kW的裝機，因此提高效率一直是我們追求的目標之一。在20世紀70—80年代投產(chǎn)發(fā)電的700 MW級水輪機（如大古力、古力、依泰普等水電站）真機最高效率為 94.5% ～95.8%，模型最高效率為 91.7% ～93.3%，而三峽模型水輪機最高效率達到94.61%，真機效率達到96.5%。

4.1.2 水輪發(fā)電機

1）額定電壓。額定電壓的確定與機組容量、轉(zhuǎn)速、冷卻方式、合理的槽電流以及與發(fā)電機電壓配電裝置和主變壓器的選擇有著密切的關(guān)系。全空冷發(fā)電機合理的槽電流范圍為5500～6500 A；半水內(nèi)冷則為10000 A左右。當時世界上已運行發(fā)電機的最大槽電流，空冷以二灘發(fā)電機最大，為6543 A，水冷以大古力Ⅲ發(fā)電機最大，為9220 A。三峽發(fā)電機定子槽電流值計算見表1。

表1 三峽發(fā)電機定子槽電流值Table 1 Current values of stator slot of Three Gorges Project（TGP） generator

當額定電壓采用20 kV時，無論是空冷還是水冷方式，槽電流均在合理的范圍內(nèi)。由于發(fā)電機設(shè)置了最大容量，額定電壓采用20 kV與18 kV相比，大電流封閉母線的電流從26.97 kA降為24.3 kA，降低了封閉母線制造難度。20 kV是國內(nèi)水輪發(fā)電機首次選用的最高額定電壓，與采用18 kV相比，定子線棒絕緣厚度需適當增加，線棒絕緣成型工藝仍可采用真空壓力浸漬（vacuum pressure impregnation，VPI）或多膠模壓固化工藝，絕緣耐壓可滿足要求。綜上所述，選用20 kV。

2）額定功率因數(shù)選擇。發(fā)電機功率因數(shù)越高，視在功率越小，消耗的有效材料越小，效率越高。500 kV交流輸電時首端功率因數(shù)約0.95，在三峽工程附近，左、右岸均建有±500 kV直流輸電直流換流站，為滿足其無功需要，經(jīng)計算功率因數(shù)為0.8892，選用 0.9。

3）縱軸瞬變電抗 x′d、縱軸次瞬變電抗 x″d、短路比SCR。這些電氣參數(shù)關(guān)系到電力系統(tǒng)的穩(wěn)定、短路電流的大小、過載能力和電壓調(diào)節(jié)性能，需滿足電站接入電力系統(tǒng)的要求。而這些參數(shù)彼此間又相互制約，影響發(fā)電機的造價。綜合優(yōu)選后，x′d選用0.35，x″d選用不小于 0.2，SCR 不小于 1.1。

4）發(fā)電機冷卻方式選擇。大型水輪發(fā)電機的冷卻方式關(guān)系到水輪發(fā)電機參數(shù)選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計、重量和造價、是否能長期安全穩(wěn)定運行等方面。20世紀70年代后投運的500 MW以上的水輪發(fā)電機，發(fā)電機定子多半采用水冷、轉(zhuǎn)子采用空冷的半水冷卻方式?？紤]到三峽機組啟停頻繁，為了定子線棒溫度分布較均勻并減少鐵芯翹曲變形，根據(jù)當時技術(shù)水平，參照較好的運行經(jīng)驗，三峽左岸電站14臺水輪發(fā)電機全部采用了半水內(nèi)冷方式。工程實踐表明采用半水內(nèi)冷方式，需增加一套純水裝置和相應的管路系統(tǒng)，占有一定布置空間，在壩后式廠房中，空間較大布置易解決，在地下廠房中空間相對窄小，給布置帶來困難。另外安裝調(diào)試、運行維護相對復雜。鑒于此，隨著冷卻技術(shù)的進步并經(jīng)論證，三峽右岸電站首次成功選用了由哈電自主開發(fā)的全空冷發(fā)電機。而我國具有自主知識產(chǎn)權(quán)的蒸發(fā)冷卻技術(shù)，在長江三峽集團公司的支持下，經(jīng)過工業(yè)化真機模擬試驗，解決了在700 MW級水輪發(fā)電機上應用的關(guān)鍵技術(shù)問題，在三峽地下電站中得以采用。當今世界，巨型水輪發(fā)電機可能選用的3種冷卻方式在三峽電站都得到了使用和研究，這是水輪發(fā)電機冷卻技術(shù)的進步。

5）推力軸承。推力軸承是支撐機組轉(zhuǎn)動部件的關(guān)鍵設(shè)備，20世紀在國內(nèi)由于推力軸承發(fā)生燒瓦故障而導致機組不能正常運行的情況時有發(fā)生。當時世界上已投運機組的最大推力負荷，美國大古力水電站700 MW水輪發(fā)電機組為4700 t，國內(nèi)最大推力負荷葛洲壩水電站170 MW水輪發(fā)電機組為3800 t。經(jīng)計算并綜合研究了國內(nèi)外各制造廠提出的推力負荷值，從偏于安全出發(fā)，推力負荷按6000 t（實際最大推力負荷為5290 t）等級進行攻關(guān)。對推力軸承承受的推力負荷、瓦塊材料、支撐方式、冷卻系統(tǒng)和推力軸承布置等方面進行了長期的設(shè)計研究。根據(jù)研究成果，對推力軸承提出全面系統(tǒng)的技術(shù)要求，推薦采用鎢金瓦，在各種運行方式下瓦溫不得大于80℃。

4.2 水輪機運行穩(wěn)定性

眾所周知，由于混流式水輪機葉片不能隨運行工況的變化而改變，水輪機只有在最優(yōu)工況的小范圍運行區(qū)為無渦區(qū)，在該范圍內(nèi)水輪機尾水管內(nèi)不會出現(xiàn)渦帶且壓力脈動較小。當偏離最優(yōu)工況運行時，潛在著產(chǎn)生尾水管渦帶、葉道渦流、空化、高水頭部分負荷壓力脈動帶（特殊壓力脈動帶）等不穩(wěn)定運行因素，要在電站運行水頭范圍內(nèi)，實現(xiàn)調(diào)度自如的安全穩(wěn)定運行，是巨型混流式水輪機的世界性難題。三峽機組具有單機容量大、水頭變幅大、過機水流含有一定泥沙等苛刻的運行條件，對于700 MW巨型混流式水輪機是首次碰到。若機組不能在三峽電站水頭范圍內(nèi)實現(xiàn)安全穩(wěn)定運行，選用的水輪機是失敗的，更談不上三峽工程巨大的發(fā)電效益。因此，機組能否安全穩(wěn)定運行關(guān)系到電力系統(tǒng)安全、電站靈活調(diào)度和工程發(fā)電效益最大化。三峽機組能否安全穩(wěn)定運行引起了各方面的關(guān)注，我們自始至終將此問題作為設(shè)計研究的重中之重，為了攻克該問題，曾研究過變速運行的變極發(fā)電機、交流勵磁方案、變頻方案、設(shè)初期和后期轉(zhuǎn)輪等方案。由于單機容量過大，這些方案有的在技術(shù)上短時期內(nèi)不可能成熟，有的使機組制造復雜反而影響了運行可靠性，有的在工程實施中增加更換轉(zhuǎn)輪工序給機組安裝和電站運行帶來困難，因此都被一一否定。最終方案要求采用一種能適應三峽水庫分期蓄水、不同水頭段都能安全穩(wěn)定運行的機組。對影響三峽水輪機穩(wěn)定性的各種因素進行了研究，提出了提高水輪機穩(wěn)定運行的措施。

1）優(yōu)化水輪機的主要參數(shù)、轉(zhuǎn)輪和流道。從提高水輪機穩(wěn)定性出發(fā)，進一步優(yōu)化水輪機參數(shù)的協(xié)調(diào)配置，如適當提高了右岸電站水輪機的額定水頭Hr；合理選擇和優(yōu)化水輪機的設(shè)計水頭Hd。Hd的選擇既需要保證高水頭工況的穩(wěn)定性，又要兼顧低水頭的空蝕和泥沙磨損。針對三峽水輪機情況，研究表明，提高Hd值有利于水輪機高水頭區(qū)的穩(wěn)定運行，因此在設(shè)計中打破常規(guī)選擇，要求Hd不小于98 m，左岸電站兩種機組實際分別選用103 m、101 m。

設(shè)計研究表明，轉(zhuǎn)輪及流道的優(yōu)化，可在不降低水輪機總體性能的前提下，增加低水頭運行的出力，提高高水頭運行的穩(wěn)定性，特別是在導葉、頂蓋等通流部件上消除或削弱壓力脈動區(qū)；減小葉片局部應力集中，提高葉片強度和使用壽命。

2）建立水輪機穩(wěn)定性考核體系。在整個運行水頭范圍內(nèi)，首次提出了按水頭、負荷分區(qū)對水輪機尾水管、無葉區(qū)等各測量部位壓力脈動幅值的量化考核穩(wěn)定性指標，并在設(shè)計中將水輪機模型的穩(wěn)定性試驗首次列為驗收試驗的項目之一。三峽水輪機招標文件、合同文件對尾水管壓力脈動的要求見圖1。

圖1 三峽水輪機招標文件、合同文件對尾水管壓力脈動的要求Fig.1 Requirements of draft tube pressure pulsation mentioned in bidding and contract document

3）設(shè)置發(fā)電機最大容量。由于水頭變幅很大，水輪機在高水頭發(fā)額定出力時，導葉開度僅為55%。國內(nèi)外大型機組運行實踐表明，在60%開度以上運行時穩(wěn)定性較好，在小開度運行時易出現(xiàn)水力不穩(wěn)定現(xiàn)象。如大古力電站和伊泰普電站在30%～60%開度區(qū)域出現(xiàn)明顯振動。為改善水輪機高水頭運行的穩(wěn)定性，提出了發(fā)電機組設(shè)置最大容量的問題，并對最大容量設(shè)置增加6%、9%、12%三個方案進行了分析研究。

在高水頭區(qū)（水頭為113 m）水輪機出力與導葉開度的關(guān)系見表2。

表2 在各工況下的水輪機開度值Table 2 Opening values of turbine in various operating conditions

從表2可以看出，與發(fā)額定容量700 MW相比，設(shè)置最大容量可適當增加導葉的開度，設(shè)置的容量越大，對提高水輪機穩(wěn)定運行越有利，但受發(fā)電機容量增大導致尺寸、重量、造價增加的制約；另外，發(fā)電機容量的增加使發(fā)電機電壓配電裝置的額定電流和短路電流增加，不僅增加造價且使制造難度大大增加。經(jīng)綜合比選后，確定發(fā)電機容量增加8%的方案，即發(fā)電機的視在容量從777.8 MVA增至840 MVA。

4）機組劃分安全穩(wěn)定運行區(qū)。目前水輪機技術(shù)制造水平不可能做到在任何水頭和預想出力下都能安全穩(wěn)定運行?；炝魇剿啓C有一壓力脈動過大的部分負荷區(qū)，經(jīng)對國內(nèi)已投運9個水電站大型水輪發(fā)電機組實際運行情況調(diào)查表明，為滿足電力系統(tǒng)的要求，機組長期在不良工況中運行，導致這些機組在運行時振動過大，葉片產(chǎn)生裂縫，某些部件易損壞，修復后轉(zhuǎn)輪依然產(chǎn)生裂紋，無法收斂。造成這些原因固然有水力設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計、制造工藝等方面的原因，但運行方式不良是重要的原因之一?？梢?，科學的運行管理是提高水輪發(fā)電機組安全穩(wěn)定運行的措施之一。根據(jù)合同規(guī)定的運行區(qū)并經(jīng)過真機運行的驗證，將機組運行劃分為安全運行區(qū)、許可運行區(qū)、禁止運行區(qū)，嚴禁在禁止運行區(qū)運行。

5）機組與廠房結(jié)構(gòu)相關(guān)問題的研究。機組靠廠房結(jié)構(gòu)支撐，為了機組安全穩(wěn)定運行，必須研究機組在運行時與廠房結(jié)構(gòu)密切相關(guān)的問題。

電站抗震研究：國內(nèi)個別水電站運行中發(fā)生過由于水輪機的水力脈動激發(fā)發(fā)電機層樓板的振動，導致布置在發(fā)電機層樓板上的電氣設(shè)備不能安全運行。在左岸電站水輪機模型驗收試驗中發(fā)現(xiàn)，在高水頭區(qū)部分負荷時存在壓力脈動峰值帶，過大的水力脈動是否會激發(fā)廠房結(jié)構(gòu)局部較強振動，運行中人員經(jīng)常出現(xiàn)的部位，振動幅值是否會危極運行人員健康和設(shè)備的安全運行，都必須考慮。為此，在國內(nèi)首次對廠房結(jié)構(gòu)的動力響應影響進行了仿真計算，并在135～156 m水位，在機組運行工況下對廠房結(jié)構(gòu)振動進行了實測，結(jié)果表明動力影響的計算結(jié)果與監(jiān)測結(jié)果基本一致，振動應力和位移都在設(shè)計的安全范圍內(nèi)，且不會產(chǎn)生共振。

蝸殼埋設(shè)方式：三峽電站蝸殼最大斷面直徑達12.4 m，HD 值達1773 m2（H 為水頭，D 為蝸殼進口直徑），蝸殼外徑34.83 m，容積約6000 m3，是世界上最大的混流式水輪機蝸殼。流道和蝸殼外圍混凝土結(jié)構(gòu)受力復雜，而鋼蝸殼的埋設(shè)方式關(guān)系到水輪機流道、外圍混凝土結(jié)構(gòu)和廠房整體結(jié)構(gòu)的動、靜力特性，對結(jié)構(gòu)安全、機組穩(wěn)定運行等有著直接影響。對巨型蝸殼的埋設(shè)方式有3種，即保壓澆筑蝸外圍砼、蝸殼表面敷設(shè)彈性墊層澆筑外圍砼和蝸殼直接澆筑外圍砼。究竟采用何種澆筑方式。國內(nèi)各方專家意見不一。對左岸電站14臺蝸殼借鑒國外工程實踐經(jīng)驗，從有利于減小機組振動出發(fā)，采用了保溫保壓澆筑方式。工程實踐表明，這種澆筑方式在施工過程中需增加悶頭、密封環(huán)、保溫保壓裝置等輔助設(shè)施，施工程序多，既延長直線工期又增加費用，在地下廠房中要實施該方案將會遇到更大的困難。為了適應三峽地下電站和金沙江一批大型地下電站建設(shè)的需要，需研究巨型蝸殼采用彈性墊層、直埋的埋設(shè)方式。在長江三峽集團公司的支持下，長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究院會同有關(guān)高校、研究所和機組制造廠，從總結(jié)和提高保壓方案的設(shè)計理論與施工技術(shù)入手，對保壓、墊層、直埋等方案的結(jié)構(gòu)動、靜力特性進行同等深度的對比研究，按線彈性和非線性對直埋方案的配筋進行計算，并進行了物理模型試驗。通過上述試驗研究解決了巨型蝸殼3種埋設(shè)方式存在的關(guān)鍵技術(shù)問題，提出了墊層和直埋相結(jié)合的組合新型埋設(shè)方式，探清了機組在運行中減小振動擺渡與蝸殼埋設(shè)方式的關(guān)系，提出確保機組穩(wěn)定運行座環(huán)周圍混凝土柔度，充許發(fā)電機下機架不對稱上抬量的設(shè)計指標。

6）補壓縮空氣。為了提高機組的運行穩(wěn)定性，特別是部分負荷運行方式下的穩(wěn)定性，除通過發(fā)電機軸頂部向轉(zhuǎn)輪下方補入自然補氣系統(tǒng)外，還對設(shè)置向頂蓋、底環(huán)、基礎(chǔ)環(huán)強迫補氣進行了研究，比選了單機單元補氣、成組單元補氣、綜合補氣等方式，結(jié)合廠房布置和結(jié)構(gòu)，選用了單機單元補氣方式。

7）轉(zhuǎn)輪葉片出水邊進行修型。國內(nèi)已投運部分水輪機的運行表明，在某個運行區(qū)出現(xiàn)異常噪聲，停機檢查葉片出水邊發(fā)生多條裂紋，是由于在轉(zhuǎn)輪葉片的出水邊產(chǎn)生卡門渦列與葉片產(chǎn)生共振所致。要求機組制造廠對此問題進行復核并應消除轉(zhuǎn)輪葉片與上冠交接處應力集中、降低平均應力和提高坑疲勞能力，為此有的制造廠在現(xiàn)場對轉(zhuǎn)輪葉片出水邊進行了修型。

綜上所述，對涉及機組安全穩(wěn)定運行的相關(guān)因素進行了全面系統(tǒng)的設(shè)計研究，將研究成果應用在三峽機組設(shè)計制造、電廠運行中，解決了高水頭部分負荷區(qū)水力脈動過大的世界難題，確保了三峽700 MW巨型水輪發(fā)電機組在各種運行工況下的長期安全穩(wěn)定運行。

4.3 機組總體結(jié)構(gòu)及主要控制尺寸的確定

三峽左、右岸電站布置在泄水建筑物兩側(cè)，特別是左岸電站有6臺機組位于岸坡，可以先期開挖施工，但前提條件是必須確定機組的控制尺寸，問題在于土建開挖的時間與機組招標時間相距甚遠，此時，制造廠不可能提供精確的機組控制尺寸。另外，機組控制尺寸也制約了大壩體型的確定（引水鋼管的間距受制于機組段的寬度）。三峽電站機組臺數(shù)多，電廠的前沿長度較長，機組段的尺寸對壩線的前沿布置影響頗大。為不誤施工，通過與國內(nèi)外各有關(guān)制造廠的溝通，制定了統(tǒng)一的規(guī)則和布置要求，并留有適當余度，提出了機組主要控制尺寸。

4.3.1 機組總體結(jié)構(gòu)的確定

三峽水輪發(fā)電機組總體結(jié)構(gòu)方式確定為：發(fā)電機為半傘式結(jié)構(gòu)，定子機座采用可吸收徑向和切向變形的結(jié)構(gòu)，發(fā)電機轉(zhuǎn)子采用無軸結(jié)構(gòu)，發(fā)電機下導軸承與推力軸承結(jié)合布置在承重下機架中，推力軸承采用巴士合金瓦，冷卻方式左岸電站發(fā)電機為半水內(nèi)冷，右岸電站發(fā)電機為半水內(nèi)冷和全空冷兩種均可行，地下電站發(fā)電機則半水內(nèi)冷、全空冷和蒸發(fā)冷卻3種方式均可接受，制動方式采用電氣制動與機械制動聯(lián)合，主軸分為水輪機軸和發(fā)電機軸兩部分。水輪機為混流式機型，蝸殼采用全圓蝸殼，采用兩個直缸接力器，水導軸承布置在頂蓋內(nèi)，設(shè)有主軸中心自然補氣系統(tǒng)，并預留強迫補氣接口，水導軸承為分塊瓦結(jié)構(gòu)，采用外循環(huán)冷卻。

4.3.2 機組主要控制尺寸的確定

1）水輪機蝸殼控制尺寸的確定。水輪機蝸殼尺寸是主廠房設(shè)計最關(guān)鍵的尺寸之一，各制造廠推薦的蝸殼總寬度均不大于34.325 m，為留有余地并結(jié)合電站總體布置的可行性，確定蝸殼寬度控制在34.325 m以內(nèi)，并由此確定的機組段寬度為38.3 m。蝸殼Y方向的尺寸直接影響電站主廠房的寬度，研究認為，將該值控制在17.6 m以內(nèi)是合適的。

為滿足電站廠房和廠壩段壓力鋼管的平面布置、大壩分縫與廠房相對位置的設(shè)計需要，必須確定蝸殼進口軸線至Y軸的距離，根據(jù)大壩廠壩段與電站主廠房在總體布置上的需要，并考慮便于壓力鋼管和蝸殼連接，確定為12.5 m，為留有余地，在土建設(shè)計上采取措施允許在12～13 m變動。

2）尾水管主要控制尺寸。按我國傳統(tǒng)的設(shè)計，三峽電站水輪機尾水管高度為2.7D1（D1為水輪機轉(zhuǎn)輪的進口直徑），長度為4.5D1，這樣的設(shè)計沒有充分認識到尾水管對水輪機穩(wěn)定性能的影響，不滿足三峽電站的設(shè)計要求。在大古力電站尾水管的基礎(chǔ)上進行的對比試驗表明，加高尾水管錐管高度及加大錐角的尾水管，水輪機效率和穩(wěn)定性有較大的提高。從有利于提高機組的穩(wěn)定性能出發(fā)，比選后并對土建結(jié)構(gòu)進行分析，研究確定，以導葉中心計的尾水管高度為30 m，長度為50 m，出口寬度（含兩個中墩）為32 m。

3）發(fā)電機控制尺寸的確定。三峽發(fā)電機控制尺寸決定了主廠房上游側(cè)所需要的寬度，各制造廠商推薦的控制尺寸相差較大，為適應今后機組的招標，并為機組的運行維護提供較為便利的條件，確定發(fā)電機坑直徑為25 m。

除上述課題研究外，還對電站裝機進度、是否采用臨時轉(zhuǎn)輪、機組總體結(jié)構(gòu)及推力軸承布置、勵磁與調(diào)速器系統(tǒng)、電站機電聯(lián)調(diào)試及安全措施、如何解決機組調(diào)試中出現(xiàn)的問題等進行了設(shè)計研究，提出了專題報告。

5 結(jié)語

三峽電站2003年7月首批機組投產(chǎn)發(fā)電以來，至今經(jīng)過 135 m、145 m、156 m、172.8 m、175 m 各水位的部分負荷和全負荷運行實踐表明，機組運行穩(wěn)定性良好；對三峽電站5個品種的機組進行了真機驗證試驗考核，長江三峽集團公司邀請參加機電設(shè)備可行性論證和機電單項技術(shù)設(shè)計審查專家組的專家到現(xiàn)場，對真機考核試驗結(jié)果進行評審，一致認為：水輪發(fā)電機組運行安全穩(wěn)定，能量、空蝕和電氣等性能良好，主要性能指針達到或優(yōu)于合同要求。運行試驗表明，工程設(shè)計對機組提出的總體技術(shù)要求，以及機組在設(shè)計、制造、安裝調(diào)試過程中所采取的技術(shù)措施是先進合理的，滿足了三峽電站運行條件的要求。

The design and practice of giant hydro－turbine generating units of Three Gorges Project

Shao Jianxiong， Liu Jingwang， Yuan Dafu

（Changjiang Institute of Survey， Planning， Design and Research，Changjiang Water Resources Commission，Wuhan 430010，China）

In view of the specified design conditions of Three Gorges Project（TGP）， the main technical problems that should be considered in the design of hydro－turbine generating units are analyzed.The key technical researches performed are summarized and the parameters of hydro－turbine generating units are optimized through the study on key technical problems.The unit operation results indicate that the performance of the hydro－turbine generating units is excellent， and the units can operate in a safe，stable and highly efficient mode for a long term.Therefore， it is verified effectively that the general technical design of giant hydro－turbine generating units is scientific and rational.

Three Gorges Project； 700 MW hydro－turbine generating unit； unit capacity； design and research； operation stability； practice

TV734；TM312

A

1009－1742（2011）07－0104－07

2011－05－20

邵建雄（1960—），男，浙江寧波市人，教授級高級工程師，主要從事水利水電工程機電設(shè)計與研究工作；E－mail：shaojianxiong＠cjwsjy.com.cn