1 000 MW水輪發(fā)電機(jī)組研究新進(jìn)展

程永權(quán),胡偉明,鄒祖斌,劉潔

(中國長江三峽集團(tuán)公司,湖北省宜昌市,443002)

0 引言

金沙江下游河段規(guī)劃中的烏東德、白鶴灘兩電站即將動工建設(shè),計劃 2020年投產(chǎn)。基于三峽700 MW水輪發(fā)電機(jī)組引進(jìn)、消化、吸收的經(jīng)驗和成果,三峽集團(tuán)公司聯(lián)合相關(guān)設(shè)計、制造、科研等單位,對 2電站裝設(shè)單機(jī)容量1 000 MW機(jī)組的工程條件和設(shè)計制造的可行性進(jìn)行了研究。本文對 1 000MW機(jī)組研究的新進(jìn)展進(jìn)行了總結(jié),并指出了下階段研究的重點方向。

1 概述

金沙江干流全長約3 500 km,天然落差約5 100m,水能資源十分豐富,是全國最大的水電能源基地之一,理論蘊(yùn)藏量為 121 GW,其中經(jīng)濟(jì)可開發(fā)裝機(jī)容量103GW,占長江流域的43.6%,全國水電經(jīng)濟(jì)可開發(fā)裝機(jī)容量的 25.6%。金沙江下游河段水量大、落差集中,又是金沙江流域乃至長江流域水能資源最豐富的河段。在金沙江下游河段規(guī)劃的4個水電梯級裝機(jī)容量約為 38.2 GW,年發(fā)電量約1 700億kW·h,是西電東送的重要電源基地。其中靠下游溪洛渡、向家壩電站正在建設(shè),靠上游烏東德、白鶴灘電站也即將開工建設(shè)。烏東德、白鶴灘電站動能條件見表1。

表1 烏東德、白鶴灘電站動能條件Tab.1 Kinetic energy conditions ofW udongde and Baihetan power station

在預(yù)可研和可研階段,對烏東德、白鶴灘電站裝設(shè)單機(jī)容量1 000 MW水輪發(fā)電機(jī)組的必要性和可行性進(jìn)行了論證,主要結(jié)論為:

(1)烏東德、白鶴灘水電站的動能指標(biāo)和壩址情況具備了裝設(shè)1 000MW機(jī)組的條件;

(2)增大單機(jī)容量,減少裝機(jī)臺數(shù)可減少開挖、澆注、安裝等工程量,節(jié)省投資;

(3)加大單機(jī)容量,縮短完建期,提前投產(chǎn)發(fā)電經(jīng)濟(jì)效益和節(jié)能減排環(huán)保效益顯著;

(4)減少裝機(jī)臺數(shù)有利于樞紐工程的總體布置和工程安全可靠性的提高;

(5)通過百萬千瓦水電機(jī)組的研究、設(shè)計、制造,有利于推動我國水電裝備的技術(shù)進(jìn)步,同時該技術(shù)在國內(nèi)外具有廣泛的應(yīng)用前景。

迄今為止,世界上水電機(jī)組最大單機(jī)容量為700MW。為論證百萬千瓦水電機(jī)組的設(shè)計、制造和工程應(yīng)用的可行性,從 2006年初開始到 2010年,中國長江三峽集團(tuán)公司聯(lián)合長江委設(shè)計院、華東水利電力勘測設(shè)計院、哈爾濱電機(jī)廠有限公司(以下簡稱哈電)、東方電機(jī)有限公司(以下簡稱東電)、中科院電工所等組成“科研聯(lián)盟”,全面系統(tǒng)地開展1 000 MW機(jī)組設(shè)計制造及工程應(yīng)用技術(shù)可行性研究,包括對烏東德、白鶴灘 1 000 MW水電機(jī)組可行性研究、機(jī)組總體技術(shù)研究、水力設(shè)計及模型試驗、24 kV/26 kV發(fā)電機(jī)繞組絕緣研制、1 000MW水輪發(fā)電機(jī)組技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范研究等,取得豐碩成果。研究成果表明:立足國內(nèi)技術(shù),烏東德、白鶴灘 1 000 MW水輪發(fā)電機(jī)組設(shè)計、制造、運輸是可行的,不存在大的制約因素。

2 1 000 MW水電機(jī)組研究過程和主要內(nèi)容

1 000 MW機(jī)組研究工作依托烏東德、白鶴灘工程條件進(jìn)行,課題研究總體上劃分 3個階段。

第1階段:1 000 MW級機(jī)組在工程應(yīng)用中可行性和經(jīng)濟(jì)合理性研究,該項工作于 2007年完成。

第2階段:1 000MW機(jī)組總體研究和專項研究,主要論證1 000 MW水電機(jī)組是否具備設(shè)計制造運輸能力。其中專項研究包括:烏東德、白鶴灘水電站1 000 MW水輪發(fā)電機(jī)組總體研究,水輪機(jī)水力設(shè)計及模型試驗研究;24 kV/26 kV定子線棒絕緣技術(shù)及仿真試驗研究;1 000MW水輪發(fā)電機(jī)組技術(shù)要求和規(guī)范研究。第 2階段研究工作于 2010年完成并通過驗收。

第3階段:1 000MW級水輪發(fā)電機(jī)組創(chuàng)新研究,主要論證能否設(shè)計制造出技術(shù)性能更好的1 000MW級水輪發(fā)電機(jī)組。研究內(nèi)容包括在前 2個階段研究的基礎(chǔ)上,針對1 000 MW水輪發(fā)電機(jī)組本身的制約因數(shù)和技術(shù)難點,開展新技術(shù)、新材料、新工藝的開發(fā)研究。第 3階段研究工作即將正式啟動。

3 1 000MW水電機(jī)組研究各階段的結(jié)論成果

3.1 第 1階段研究成果

(1)必要性。

烏東德、白鶴灘電站具備裝設(shè)1 000 MW機(jī)組的動能、工程地質(zhì)及樞紐布置、電力系統(tǒng)、機(jī)組設(shè)計制造等條件。為適應(yīng)巨型電站開發(fā),簡化樞紐工程的總體布置、方便運行維護(hù)管理、節(jié)省投資,在烏東德、白鶴灘研究電站裝設(shè)1 000 MW機(jī)組是必要的。同時,依托烏東德、白鶴灘水電站研制和發(fā)展1 000MW級水輪發(fā)電機(jī)組的關(guān)鍵技術(shù),將有利于推動我國特大型水電設(shè)備設(shè)計制造技術(shù)的創(chuàng)新和發(fā)展,全面提升我國機(jī)械裝備工業(yè)的競爭力。

(2)機(jī)電設(shè)備。

三峽右岸 700 MW機(jī)組轉(zhuǎn)輪直徑為 9.88和10.71 m,質(zhì)量為440～473.2 t;烏東德1 000 MW機(jī)組水輪機(jī)直徑約為9.6 m,質(zhì)量約為435 t;白鶴灘1 000MW機(jī)組水輪機(jī)直徑約為8.4m,質(zhì)量約為335 t。烏東德、白鶴灘電站機(jī)組尺寸、質(zhì)量與三峽機(jī)組相當(dāng),設(shè)計、制造、運輸不存在重大制約因素。烏東德、白鶴灘1 000MW機(jī)組發(fā)電機(jī)額定電壓要從目前的20 kV提高到24 kV,通過研究,1 000 MW水輪發(fā)電機(jī)組發(fā)電機(jī)額定電壓提高到24 kV是可行的。此外變壓器、高壓配電裝置設(shè)計制造已基本達(dá)到與 1 000 MW機(jī)組相配套的水平和能力。

(3)廠房開挖。

烏東德電站1 000 MW機(jī)組主廠房開挖尺寸為280m×32m×87.5 m,白鶴灘電站1 000 MW機(jī)組主廠房開挖尺寸為400m×31.5m×84.8 m,目前最大的三峽地下廠房開挖尺寸為309.8 m×31.0 m× 87.3 m。從地下廠房跨度而言,烏東德、白鶴灘電站略大于三峽電站。根據(jù)烏東德電站地下廠房洞室圍巖穩(wěn)定初步分析研究,廠房圍巖應(yīng)力、位移值以及塑性區(qū)范圍在現(xiàn)有各大洞室中處于中等水平,穩(wěn)定條件較好,白鶴灘電站地下廠房地質(zhì)條件也較好,2電站裝設(shè)1 000MW機(jī)組不存在大洞室群圍巖穩(wěn)定制約因素。

(4)樞紐布置。

烏東德電站裝設(shè) 10×1 000 MW方案比裝設(shè)12×833.3MW、14×714.3 MW方案進(jìn)水口分別減小 30和 60 m,可較好地避免進(jìn)水口不良地質(zhì)帶來的風(fēng)險,有利于建筑物的布置,減小邊坡的設(shè)計難度和風(fēng)險。白鶴灘電站14×1 000 MW機(jī)組方案比裝設(shè)16×875 MW、18×777.8MW方案,地下廠房洞室長度分別減小 19,39 m,對大型洞室群圍巖穩(wěn)定的不利影響將有所緩解。

(5)工期。

烏東德、白鶴灘電站1 000 MW方案與833.3MW (875MW)、714.3 MW(777.8 MW)方案相比。完建總工期更短,可分別提前4個月和 8個月完工,并可帶來提前完工發(fā)電效益。

(6)投資。

烏東德電站10×1 000 MW的裝機(jī)方案比14× 714.3 MW和12×833.3 MW方案可分別節(jié)省6.52億元和2.46億元。白鶴灘電站14×1 000MW方案較18×778MW方案靜態(tài)投資節(jié)省約7.38億元。

綜上所述,烏東德、白鶴灘電站具備裝設(shè)1 000MW水輪發(fā)電機(jī)組條件,在工程應(yīng)用中不存在大的制約因素,具有較好的經(jīng)濟(jì)效益。

3.2 第 2階段研究主要成果

3.2.1 1 000 MW水輪發(fā)電機(jī)組總體研究

哈電、東電根據(jù)烏東德、白鶴灘電站的條件,對機(jī)組進(jìn)行了總體設(shè)計研究,主要結(jié)論如下。

(1)推薦參數(shù)。

烏東德1 000MW機(jī)組額定水頭135m,在電站參數(shù)、機(jī)組參數(shù)分析和計算流體動力學(xué)(computational fluid dynamics,CFD)及模型試驗優(yōu)化的基礎(chǔ)上,哈電、東電分別推薦烏東德電站1 000MW水輪發(fā)電機(jī)組采用機(jī)型分別為HLA1024-LJ-1007(A)和HLD530-LJ-995(B)兩種機(jī)型,同步轉(zhuǎn)速為83.3 r/ min,發(fā)電機(jī)電壓等級為24 kV,冷卻方式采用空冷(并聯(lián)支路數(shù)8)或蒸發(fā)冷卻方式(并聯(lián)支路數(shù)6),如表2。

白鶴灘電站1 000 MW機(jī)組水輪機(jī)額定水頭為202m,哈電推薦長短葉片轉(zhuǎn)輪,水輪機(jī)型號HLA 1017-LJ-860(C),額定轉(zhuǎn)速107.1 r/min。東電推薦常規(guī)葉片轉(zhuǎn)輪,水輪機(jī)型號HLD545-LJ-845(D),額定轉(zhuǎn)速111.1 r/m in。發(fā)電機(jī)電壓等級為24 kV,發(fā)電機(jī)冷卻方式采用空冷(并聯(lián)支路數(shù)7)或蒸發(fā)冷卻(并聯(lián)支路數(shù)6),如表3。

表2 烏東德、白鶴灘電站2種推薦機(jī)型發(fā)電機(jī)參數(shù)Tab.2 Parametersof proposed generators for W udongde and Bahetan power station

表3 烏東德、白鶴灘電站2種推薦機(jī)型水輪機(jī)參數(shù)Tab.3 Parametersof proposed hydro-turbines for W udongde and Bahetan power station

(2)發(fā)電機(jī)電壓。

哈電、東電分別試制了24 kV/26 kV定子線棒,并進(jìn)行了型式試驗和真實環(huán)境模擬實驗,試驗結(jié)果滿足1 000 MW水輪發(fā)電機(jī)的要求。從烏東德、白鶴灘電站發(fā)電機(jī)電磁參數(shù)、結(jié)構(gòu)、冷卻方式等多種因素綜合考慮,現(xiàn)階段推薦發(fā)電機(jī)選擇24 kV電壓等級。

(3)發(fā)電機(jī)冷卻方式。

三峽機(jī)組多數(shù)發(fā)電機(jī)定子主要采用水冷方式,哈電自主研發(fā)的空冷技術(shù)也在三峽 4臺機(jī)組成功應(yīng)用,中科院電工所和東電聯(lián)合研發(fā)的蒸發(fā)冷卻水輪發(fā)電機(jī)也即將在三峽地下電站上應(yīng)用。哈電、東電經(jīng)過分析研究,認(rèn)為全空冷、蒸發(fā)冷卻 2種方式均能滿足1 000 MW機(jī)組的要求?；诟髯缘慕?jīng)驗和優(yōu)勢,分別推薦全空冷和蒸發(fā)冷卻方式。

中科院電工所負(fù)責(zé)1 000 MW機(jī)組蒸發(fā)冷卻的仿真試驗和計算,主要結(jié)論見表 4。

表4 1 000MW發(fā)電機(jī)蒸發(fā)冷卻仿真計算結(jié)果Tab.4 Evaporation cooling simulation results for 1 000 MW generator ℃

空心導(dǎo)線實驗和計算都是用的介質(zhì)時ZXB-7 (沸點 55℃),匯流銅環(huán)用的是 ZXB-16(沸點47.6℃),仿真試驗和計算未考慮通風(fēng)的冷卻效應(yīng),冷凝器按照零介質(zhì)壓力設(shè)計。

(4)機(jī)組結(jié)構(gòu)設(shè)計。

在上述機(jī)型及機(jī)組參數(shù)的基礎(chǔ)上,哈電、東電研究水輪機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計與 700 MW水輪機(jī)基本相同,由于電站水頭較高,蝸殼鋼板需要 94 mm厚鋼板,座環(huán)鋼板厚度達(dá)到320mm。發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計哈電采用了斜元件結(jié)構(gòu)、東電采用常規(guī)結(jié)構(gòu),對全空冷機(jī)組,結(jié)構(gòu)設(shè)計成立的基本條件是發(fā)電機(jī)磁軛鋼板強(qiáng)度要達(dá)到750 MPa及以上。1 000MW水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪主要結(jié)構(gòu)參數(shù)見表5。

表5 1 000MW水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪主要結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.5 Main structural parameters for 1 000MW hydro-turbine runners

綜合考慮水輪發(fā)電機(jī)組機(jī)參數(shù)分析、水力設(shè)計及模型試驗、發(fā)電機(jī)24 kV/26 kV電壓絕緣及仿真試驗專題研究成果的技術(shù)支持,機(jī)組結(jié)構(gòu)設(shè)計、剛強(qiáng)度計算、材料應(yīng)用研究成果,總體研究結(jié)論是:烏東德、白鶴灘電站 1 000 MW水輪發(fā)電機(jī)組設(shè)計、制造可行,但對包括進(jìn)一步提高機(jī)組性能,改善結(jié)構(gòu)設(shè)計及應(yīng)力水平,加強(qiáng)關(guān)鍵部件材料配套能力還需進(jìn)一步研究(如厚蝸殼鋼板及750MPa磁軛鋼板)。

3.2.2 1 000MW水輪機(jī)水力設(shè)計及模型試驗專題研究

烏東德水輪機(jī)水力設(shè)計及模型試驗進(jìn)行了HLA 1020、HLA 1024、HLD530-F13、HLD543-F15、D546-F15五種機(jī)型的優(yōu)化研究。烏東德電站水輪機(jī)水力設(shè)計表明,流道水力參數(shù)合理、分布均勻,有利于機(jī)組高效穩(wěn)定運行。水輪機(jī)模型試驗結(jié)果顯示,水輪機(jī)能量性能、空化性能、穩(wěn)定性能良好。

白鶴灘電站水輪機(jī)水力設(shè)計及模型試驗進(jìn)行了HLA 1014、HLA 1017、HLD545-F15、HLD547-F15、HLD548-F15五種機(jī)型的優(yōu)化研究。白鶴灘電站水輪機(jī)水力設(shè)計表明,流道水力參數(shù)合理、分布均勻,有利于機(jī)組高效穩(wěn)定運行。水輪機(jī)模型試驗結(jié)果顯示,水輪機(jī)能量性能、空化性能、穩(wěn)定性能良好。

3.2.3 24 kV/26 kV絕緣技術(shù)及仿真試驗專題研究

哈電、東電24 kV/26 kV線棒采用的絕緣技術(shù)在絕緣材料、結(jié)構(gòu)、工藝等方面均不相同,表 6列出了 2廠及 2個電壓等級的絕緣技術(shù)的異同點。

哈電采用多膠模壓的成型工藝,其24 kV/26 kV線棒主絕緣的厚度值較東電少膠真空壓力浸漬線棒取值高,相應(yīng)場強(qiáng)取值與東電相比較低。2種工藝線棒常規(guī)性能參數(shù)均能較好的滿足本項目技術(shù)條件的要求。

在環(huán)境模擬試驗方面,哈電24 kV/26 kV線棒的介損和局放均無明顯增加;東電24 kV個別線棒則在試驗后上述 2參數(shù)出現(xiàn)較大變化,為此東電進(jìn)行了專門的分析,提出了相應(yīng)的改進(jìn)和補(bǔ)充試驗措施。

表6 定子線棒 2種絕緣工藝比較Tab.6 Com parison between two insulation technologies of stator bar

綜合而言,哈電的多膠模壓和東電的少膠VPI絕緣技術(shù)均是成熟可靠的,2種方式下的 24 kV/ 26 kV線棒常規(guī)性能參數(shù)均能較好的滿足本項目技術(shù)條件的要求。另外,哈電采用的絕緣技術(shù)方案和工藝能較好地適應(yīng)環(huán)境模擬試驗的要求,東電24 kV線棒則需要在絕緣結(jié)構(gòu)、導(dǎo)線、工藝及場強(qiáng)參數(shù)取值等方面進(jìn)行適當(dāng)改進(jìn)和調(diào)整,以滿足環(huán)境模擬試驗的相關(guān)要求。

3.2.4 《1 000 MW水輪發(fā)電機(jī)組技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范?！奉}研究

《1 000 MW水輪發(fā)電機(jī)組技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范》是在烏東德、白鶴灘電站1 000 MW機(jī)組總體研究和專項研究的基礎(chǔ)上,參考國內(nèi)包括三峽機(jī)組在內(nèi)的巨型機(jī)組的應(yīng)用經(jīng)驗上提出的,符合烏東德、白鶴灘電站具體條件及巨型機(jī)組設(shè)計、制造、安裝、運行等方面的實際情況,可以作為今后1 000MW機(jī)組進(jìn)一步研究的基本依據(jù)和參考。

4 需要進(jìn)一步解決的研究問題

第 1、2階段研究成果表明無論是工程的建設(shè)條件、工程設(shè)計、機(jī)組自身的設(shè)計和制造以及經(jīng)濟(jì)合理性等方面,烏東德和白鶴灘2電站采用1 000 MW級水輪發(fā)電機(jī)組是可行的。但是如何在上述研究成果的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步提高1 000 MW級水輪發(fā)電機(jī)組的設(shè)計和制造技術(shù)水平,增加新技術(shù)、新工藝、新材料的創(chuàng)新含量,繼續(xù)開展第 3階段1 000MW級機(jī)組新技術(shù)、新工藝、新材料創(chuàng)新研究是非常必要的。研究重點初步擬定為:

(1)不同單機(jī)容量土建工程的可靠度研究;

(2)不同單量機(jī)組對電網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定性影響研究(正在進(jìn)行);

(3)1 000 MW機(jī)組大負(fù)荷、大瓦面積推力軸承及試驗研究(正在進(jìn)行);

(4)1 000MW全空冷發(fā)電機(jī)通風(fēng)模型試驗研究(正在進(jìn)行);

(5)1 000MW蒸發(fā)冷卻發(fā)電機(jī)冷卻模型試驗研究、新型冷卻介質(zhì)研究;

(6)1 000MW水輪機(jī)水力設(shè)計及模型試驗優(yōu)化研究;

(7)發(fā)電機(jī)定子低頻振動的研究;

(8)軸系與機(jī)電耦合振動研究;

(9)推力軸承磁懸浮減載系統(tǒng)的調(diào)研;

(10)1 000 MW水輪機(jī)主要部件材料研究;

(11)1 000 MW發(fā)電機(jī)關(guān)鍵部件材料的研究;

(12)1 000 MW水輪發(fā)電機(jī)組附屬配套設(shè)備研究。

5 結(jié)語

依托烏東德、白鶴灘電站工程進(jìn)行百萬千瓦機(jī)組的研究,具有重要的現(xiàn)實意義和較廣闊的應(yīng)用前景。烏東德、白鶴灘水電站具備裝設(shè)1 000 MW水輪發(fā)電機(jī)組的條件,且技術(shù)可行,經(jīng)濟(jì)合理。從本階段的研究成果來看,無論是總體技術(shù)研究、專項研究,還是技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的制定,都表明立足國內(nèi)技術(shù),烏東德、白鶴灘1 000 MW水輪發(fā)電機(jī)組總體設(shè)計和制造是可行的。通過第3階段的研究,有信心進(jìn)一步提高1 000 MW水輪發(fā)電機(jī)組的設(shè)計、制造。1 000 MW水輪發(fā)電機(jī)組的研究、設(shè)計、制造,并應(yīng)用于烏東德、白鶴灘工程,必將進(jìn)一步鞏固我國水電行業(yè)在世界的領(lǐng)先地位。

[1]華東勘測設(shè)計研究院.金沙江白鶴灘水電站預(yù)可行性研究報告[R].杭州:華東勘測設(shè)計研究院,2004.

[2]華東勘測設(shè)計研究院.金沙江白鶴灘水電站裝設(shè)百萬機(jī)組可行性研究報告[R].杭州:華東勘測設(shè)計研究院,2007.

[3]長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究院.金沙江烏東德水電站裝設(shè)百萬機(jī)組可行性研究報告[R].武漢:長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究院,2007.

[4]中國長江三峽集團(tuán)公司.大型混流式水輪發(fā)電機(jī)組調(diào)查總結(jié)報告[R].宜昌:中國長江三峽集團(tuán)公司,2009.

[5]哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司.金沙江白鶴灘 1 000MW機(jī)組水輪機(jī)水力開發(fā)報告[R].哈爾濱:哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司,2009.

[6]哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司.金沙江白鶴灘 1 000MW機(jī)組總體設(shè)計報告[R].哈爾濱:哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司,2009.

[7]哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司.金沙江烏東德 1 000MW機(jī)組水輪機(jī)水力開發(fā)報告[R].哈爾濱:哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司,2009.

[8]哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司.金沙江烏東德 1 000MW機(jī)組總體設(shè)計報告[R].哈爾濱:哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司,2009.

[9]東方電機(jī)有限公司.金沙江白鶴灘 1 000MW機(jī)組水輪機(jī)水力開發(fā)報告[R].德陽:東方電機(jī)有限公司,2009.

[10]東方電機(jī)有限公司.金沙江白鶴灘 1 000MW機(jī)組總體設(shè)計報告[R].德陽:東方電機(jī)有限公司,2009.

[11]東方電機(jī)有限公司.金沙江烏東德 1 000MW機(jī)組水輪機(jī)水力開發(fā)報告[R].德陽:東方電機(jī)有限公司,2009.

[12]東方電機(jī)有限公司.金沙江烏東德 1 000MW機(jī)組總體設(shè)計報告[R].德陽:東方電機(jī)有限公司,2009.