糯扎渡水電站水力機械設計的主要特點

姚建國，朱惠君，武賽波，鄒茂娟

（中國水電顧問集團昆明勘測設計研究院，云南 昆明 650051）

1 電站基本參數(shù)

糯扎渡水電站位于云南省普洱市思茅區(qū)和瀾滄縣交界處的瀾滄江下游干流上，是瀾滄江中下游河段 “二庫八級”梯級規(guī)劃的第5級，其上游與大朝山水電站銜接，下游與景洪水電站銜接。工程以發(fā)電為主，并兼有防洪、改善下游航運、漁業(yè)、旅游和環(huán)保并對下游電站起補償作用等綜合利用任務。電站主要參數(shù)為：最大水頭215 m，加權平均水頭198.95 m，額定水頭187 m，最小水頭152 m，裝機容量9×650 MW，保證出力2 406 MW，年利用小時數(shù)4 088 h，多年平均年發(fā)電量239.12×108kW·h。

2 水輪機選擇

2.1 機組運行特點及要求

（1）糯扎渡水電站裝機容量大，機組臺數(shù)多，是南方電網系統(tǒng)的主力電站，要求機組在運行中安全、可靠、穩(wěn)定，能承擔各類負荷，適應負荷多變的情況。

（2）電站接入南方電網運行，在系統(tǒng)中擔任調峰、調頻和事故備用，機組啟動、停機頻繁，要求機組具有良好快捷的啟動和停機性能。

（3）電站運行水頭高、變幅大，Hmax-Hmin=63 m，Hmax/Hr=1.15，Hmax/Hmin=1.414，要求水輪機具有寬幅度的水頭適應性和高效率區(qū)域，并在各水頭段、各種負荷工況下都具有良好的穩(wěn)定性。

（4）在電站投產初期，水輪機有可能較長時間在電站未達到正常水位條件下運行，因此要求水輪機在低水頭下運行時具有好的穩(wěn)定性。

2.2 水輪機參數(shù)選擇

2.2.1 水輪機模型目標參數(shù)

水輪機參數(shù)選擇時，首先要把水輪機運行穩(wěn)定性放在首位，保證機組投產后安全、可靠、穩(wěn)定運行，能承擔各類負荷，適應負荷多變的情況，同時又要使所選水輪機達到或超過國內外同類機組的先進水平。結合糯扎渡水電站的具體情況、已建電站的成功經驗，以及國內外水輪機制造業(yè)的發(fā)展，綜合考慮強度、空化、磨損、穩(wěn)定性、效率及經濟效益等各方面因素，最終確定水輪機模型目標參數(shù)如下：比轉速ns為146.3～164.5 m·kW，比速系數(shù)K為2 000～2 250， 最優(yōu)單位轉速 n10為 64～66 r/min， 最優(yōu)工況單位流量Q10為0.43～0.45 m3/s，限制工況單位流量 Q11為 0.56～0.58 m3/s， 模型最高效率ηMmax≥94.0%，模型額定點效率ηMr≥91.0%，模型空化系數(shù)σM為0.06～0.07， 裝置空化系數(shù) σy為0.1～0.11， 尾水管壓力脈動在主要工況下A≤3%，整個范圍內A≤6%。

2.2.2 原型水輪機技術參數(shù)

經招標并經技術經濟綜合比較，糯扎渡水電站1～6號水輪機由哈爾濱電機廠有限責任公司制造，7～9號水輪機由上海福伊特水電設備有限公司制造，水輪機主要技術參數(shù)見表1。

表1 水輪機主要技術參數(shù)

2.3 水輪機結構設計主要特點

2.3.1 轉輪及其現(xiàn)場組裝

水輪機轉輪為鑄焊結構，采用抗空蝕、抗磨蝕和具有良好焊接性能的低碳優(yōu)質不銹鋼材料制造。葉片采用VOD精煉鑄造、五軸數(shù)控機床加工及拋光。轉輪上冠不開泄水孔，泄水錐與上冠鑄造為一個整體。在轉輪上冠和下環(huán)外圓上設有不銹鋼止漏環(huán)，止漏環(huán)直接在轉輪本體上加工成形。

由于電站大件運輸條件的限制，轉輪采用現(xiàn)場組焊整體轉輪方案。轉輪上冠、下環(huán)及葉片鑄造成形后，在制造廠完成所需的檢驗和加工后，各部件以散件方式運往工地，在工地轉輪加工車間完成組焊、退火、鏟磨、無損檢測、精加工、靜平衡等工序，最終形成成品轉輪，最后運往主廠房安裝場進行安裝。

2.3.2 座環(huán)加工、蝸殼水壓試驗及保壓澆注混凝土

座環(huán)采用鋼板焊接結構，由上、下環(huán)板與固定導葉組成，上、下環(huán)板由優(yōu)質抗撕裂鋼板焊接制成。受運輸條件限制，座環(huán)分4瓣，分瓣組合面在制造廠進行精加工，并配有錐形定位銷和帶有鉆好孔的連接法蘭。分瓣座環(huán)在工地用預應力螺栓把合后進行立面封焊和環(huán)板焊接、防滲焊接。為校正由于座環(huán)在現(xiàn)場組裝、焊接和澆筑混凝土后產生的變形，配置了一套現(xiàn)場加工座環(huán)與頂蓋、基礎環(huán)與底環(huán)接觸面和鉸擴連接螺栓孔的專用設備，用于對上下固定止漏環(huán)、基礎環(huán)平面、座環(huán)上下環(huán)板內圓、圓筒閥導軌及座環(huán)與頂蓋連接的平面進行加工。為避免在現(xiàn)場蝸殼直接與座環(huán)焊接出現(xiàn)T形焊縫和異種鋼焊接，在座環(huán)與蝸殼之間設有300 mm的過渡連接板，過渡連接板與座環(huán)在廠內焊接，過渡連接板的材料與蝸殼相同。

金屬蝸殼包角345°，進口斷面直徑φ7 200 mm，設計水壓2.8 MPa。蝸殼設計考慮了不少于3 mm的腐蝕裕量。蝸殼采用可焊性好的高強度鋼板焊接制成，在工地現(xiàn)場數(shù)控下料、加工和制作。為了保證水輪機安全穩(wěn)定運行，檢驗蝸殼焊接質量和減少焊接應力，蝸殼設計采用現(xiàn)場進行4.2 MPa水壓試驗和充水保壓澆筑混凝土的技術措施，保壓值為1.8 MPa。蝸殼水壓試驗及保壓澆筑混凝土的主要過程是：水壓從0升至4.2 MPa，保壓30 min后壓力降至2.8 MPa，再保壓30 min后壓力降至1.8 MPa，并在1.8 MPa壓力下進行蝸殼外圍混凝土澆筑。為能利用主廠房橋機進行蝸殼試壓悶頭的安裝和拆御，蝸殼進口與壓力鋼管連接的第一段約4 m長不參加水壓試驗和保壓澆筑混凝土，鋪設彈性墊層。

2.3.3 頂蓋取水

結合糯扎渡水電站水輪機頂蓋取水要求，轉輪上冠采用不開泄水孔的結構形式，將上迷宮漏水全部由頂蓋排水管排出，頂蓋取水口設置在上止漏環(huán)后離旋轉中心較遠處，并設有密封取水腔。頂蓋均壓排水管面積按不少于上止漏環(huán)間隙面積的8倍設計，1～6號機設4根DN350頂蓋排水管，7～9號機設6根DN300頂蓋排水管。將轉輪上迷宮環(huán)漏水以較均勻的壓力通過排水管引出作為機組冷卻用水，不僅水質好，而且廢水利用，節(jié)約能源。

2.3.4 水導軸承及其冷卻方式

水導軸承采用稀油自潤滑、分塊瓦楔子板支承型式，軸瓦采用巴氏合金材料。軸承冷卻采用外循環(huán)方式，每臺水輪機設置兩個外置進口油冷卻器，互為主備用。冷卻器容量選擇考慮了足夠余量，單個油冷卻器容量不小于軸承損耗的1.5倍。油冷卻器布置在水輪機機坑內軸承箱外的頂蓋上，可以方便地檢修和運行維護。水導軸承潤滑油在軸領泵的作用下通過軸瓦自循環(huán)，經計算軸領泵壓力約27 kPa，能滿足冷卻要求，在設計上還考慮增加了外循環(huán)泵的備用措施。油冷卻器采用水冷卻，冷卻水由電站技術供水系統(tǒng)供給，進口水溫不高于20℃，工作水壓為 0.2～0.4 MPa。

2.3.5 圓筒閥

為了保護水輪機導水機構，減輕導水機構的空蝕和泥沙磨損，水輪機設置了圓筒閥。圓筒閥具有自關閉性能和動水關閉能力，可作為機組防飛逸的設施。

圓筒閥安裝在固定導葉與活動導葉之間，關閉時落于底環(huán)上、截斷水流并與頂蓋和底環(huán)形成密封，開啟時全部提升到頂蓋內，閥體底邊與頂蓋抗磨板齊平，不干擾水流流態(tài)。1～6號機圓筒閥外徑、高度、 壁厚分別為 φ9 650、 1 540、190 mm， 7～9號機圓筒閥分別為φ9 613、1 436、194 mm。受運輸條件限制，閥體分兩瓣運輸，現(xiàn)場采用高強度螺栓聯(lián)接并封焊。圓筒閥能在152～215 m水頭范圍內、機組發(fā)最大功率條件下動水關閉，并能在閥體外側有230 m靜水壓力、內側尾水壓力的情況下開啟，開啟、關閉時間在60～90 s內可調。圓筒閥設置6個油壓操作、雙作用、液壓直缸接力器，操作接力器的壓力油由油壓裝置供給，額定工作油壓6.3 MPa。圓筒閥配套設有一套高精度的電液同步系統(tǒng)，能對6個接力器進行調整和保持同步。

水輪機設置圓筒閥平均每臺機組增加投資約935萬元，增加的投資非常微小，且不增加廠房尺寸和土建投資。設置圓筒閥能延長機組大修周期，減少大修費用，經測算每臺機每年可減少檢修費用約40萬元，9臺機共減少360萬元。本電站設有多年調節(jié)水庫，機組在系統(tǒng)中承擔調頻、調峰和事故備用任務，裝設圓筒閥減少的機組漏水量可儲存于水庫內，充分利用，多發(fā)電量，經初步計算每年節(jié)約的水可發(fā)電1.03×108kW·h，按上網電價0.21元/（kW·h）計算，增收約2 163萬元/年。設置圓筒閥所增加的投資大約3.34年就可收回，經濟效益明顯。

3 輔助系統(tǒng)主要設計特點

3.1 機組冷卻供水系統(tǒng)

機組冷卻供水系統(tǒng)供水對象包括發(fā)電機空冷器、上導軸承、推力軸承、下導軸承、水導軸承，每臺機組設備用水量為1 740 m3/h(1～6號機組)，1 500 m3/h （7～9 號機組)。

機組冷卻供水采用單元供水方式，設有水泵供水和頂蓋取水兩種方式。技術供水設備容量選擇考慮了適當余量，每臺機組設置兩臺流量1 850～2 000 m3/h、揚程50～45 m、電機功率355 kW的蝸殼中開臥式離心泵，水源取自下游尾水。兩路水泵供水互為備用，由供水總管上的壓力變送器自動控制運行。頂蓋取水為試驗項目，若試驗成功，則以頂蓋供水作為主供水方式，兩路水泵供水作為備用。頂蓋取水通過電動三通閥切換實現(xiàn)向機組供水或向尾水排水。頂蓋取水管路上設有安全泄壓閥，若水壓過高，安全泄壓閥自動打開排水并報警。為保證供水可靠，設計上采用了正反沖切換供水方式，反沖通過電動四通閥切換實現(xiàn)，并設有旁通管路，電動四通閥故障時可切換到旁通管路供水，以便進行電動四通閥的檢修。

頂蓋取水供機組冷卻用水為廢 （漏）水利用，水質好，不消耗水能和電能，設備布置簡單，維護檢修工作量小，運行費用低，是機組冷卻供水很好的水源。本電站以頂蓋取水作為機組冷卻的一個獨立水源，與水泵供水互為備用，簡化了整個機組冷卻供水系統(tǒng)，減少維護檢修工作量，減少運行費用，提高了機組運行可靠性。經初步計算，若頂蓋取水試驗成功并投入運行，1臺機組投運每年可減少運行費用約30萬元，9臺機組投運后每年可節(jié)約運行費用約270萬元，經濟效益明顯。

3.2 主變冷卻供水系統(tǒng)

主變冷卻供水系統(tǒng)供水對象包括主變冷卻器和主變室風機盤管，以每臺機組對應的3臺單相主變及風機盤管為一個單元，總用水量為350 m3/h。

主變室冷卻供水系統(tǒng)采用水泵單元供水方式。供水設備容量選擇考慮了適當余量，每個單元設置兩臺流量400～500 m3/h、揚程55～50 m的蝸殼中開臥式離心泵，水源取自下游尾水。兩路水泵供水互為備用，由供水總管上的壓力變送器自動控制運行。

冷卻供水系統(tǒng)設計考慮了機組檢修時對應的主變冷卻供水需要，主變室設有1根供水聯(lián)通總管，每臺單相主變壓器設1根供水聯(lián)通管并設有手動閘閥。當一臺機組檢修時，可通過手動閥門切換操作，由相鄰主變段供水系統(tǒng)向檢修機組對應的主變冷卻器提供冷卻水，滿足電網的運行考核要求。

3.3 檢修排水系統(tǒng)

檢修排水系統(tǒng)主要排出機組檢修時留存在壓力鋼管、蝸殼、尾水管和尾水支洞內的積水，及上、下游閘門漏水。檢修排水采用間接排水方式，在主廠房右端副安裝場段下游側設有檢修集水井。機組檢修時蝸殼和壓力鋼管內的集水通過蝸殼排水盤形閥排至尾水管，然后通過尾水排水盤形閥、檢修排水廊道排至檢修集水井中，再由排水泵排至下游。集水井采用承壓密封設計，設有2個DN300、PN1.6 MPa的復合式補排氣閥，布置在集水井頂部高程593.00 m，以消除檢修井內氣錘。

檢修排水系統(tǒng)設置3臺流量1 000 m3/h、揚程66 m的長軸深井泵，布置在集水井頂部593.00 m高程。機組停機檢修時，手動開啟3臺深井泵將水排到尾水調壓井。集水井內另設有1套投入式水位計用于水位監(jiān)視?？紤]尾水調壓井和尾水隧洞檢修需要，檢修排水總管分為兩路，分別排至1、2號尾水調壓井，排水總管上設有手動切換閥門。為便于排水管路上與下游尾水連接的第一個閥門檢修更換，排水管出口位置設置在9臺機組發(fā)電運行尾水位以上。

3.4 廠房滲漏排水系統(tǒng)

廠房滲漏排水系統(tǒng)主要排出廠房水工建筑物滲漏水和機電設備滲漏水。在主廠房右端副安裝場段上游側設有滲漏集水井，所有滲漏水通過排水管、滲漏排水廊道排至滲漏集水井中，再由排水泵排至下游。

滲漏排水系統(tǒng)設置4臺流量650 m3/h、揚程90 m的潛水深井泵，布置在集水井頂部588.00 m高程。潛水深井泵的啟停由浮球式液位開關自動控制。集水井內另設有1套投入式水位計用于水位監(jiān)視。集水井內還設有2臺射流泵，可用于排除集水井內的淤泥和配合潛水深井泵排水。射流泵由安裝在588.00 m高程處的電動閥控制啟停，驅動水源取自靠近滲漏集水井的1號、2號水輪機蝸殼進口段?？紤]尾水調壓井和尾水隧洞檢修的需要，潛水深井泵排水總管、射流泵排水總管各分為兩路，分別排至1號、2號尾水調壓井，排水總管上設有手動切換閥門。為便于排水管路上與下游尾水連接的第一個閥門檢修更換，排水管出口位置設置在下游最高尾水位以上。

4 地下廠房及設備布置優(yōu)化

4.1 主廠房、安裝場及橋式起重機布置

糯扎渡水電站主廠房總長396 m，從左至右（順水流方向）依次為主安裝場、機組段和副安裝場。機組段從左至右依次為9號～1號機組，機組間距34 m。主、副安裝場與發(fā)電機層同一高程，主安裝場設在9號機組端，長度為70 m。副安裝場設在1號機組端，長度為20 m。主廠房凈寬26.6 m，其中機組中心線至上游邊墻10.3 m，中心線至下游邊墻16.3 m。主廠房共分為發(fā)電機層、中間層、水輪機層、蝸殼層、供水設備層、尾水管層6層，由尾水管底板至吊項總高度為66 m。進廠交通由主廠房運輸洞承擔，運輸洞設在主安裝場外側，緊靠主廠房下游側布置。

為了實現(xiàn) “2＋4＋3”發(fā)電投產目標，主安裝場布置了3個轉子工位，以滿足發(fā)電機安裝工期的需要。因發(fā)電機轉子荷重較大，其安裝工位下均為巖石實體。主安裝場還布置了1個轉輪工位、1個下機架工位、1個主軸工位，副安裝場布置了一個上機架工位，頂蓋、圓筒閥、控制環(huán)等設備工位布置在發(fā)電機層機組段之間。發(fā)電機定子機座組圓、焊接、疊片、下線安排在機坑內進行，安裝場不設定子工位。

電站主廠房內設置2臺8 000 kN/1 600 kN單小車電動雙梁橋式起重機供機組安裝和檢修使用，跨度為27 m。為方便1 000 kN以下貨物的裝卸，提高安裝高峰期橋機的使用率，主廠房另外配有1臺1 000 kN/320 kN單小車電動雙梁橋式起重機，跨度為27 m。為了不增加廠房的高度，保證洞室的整體穩(wěn)定性，同時節(jié)省土建投資，3臺橋式起重機采用同高程布置方式，共用同一軌道、安全滑線及阻進器。結合主廠房布置、轉子工位及吊鉤運行范圍統(tǒng)一考慮，兩臺8 000kN/1 600 kN大橋機靠主安裝場方向布置，1 000kN/320 kN小橋機靠副安裝場方向布置，以滿足3個轉子工位的吊運要求。

4.2 透平油系統(tǒng)設備優(yōu)化布置

在可研設計階段，透平油系統(tǒng)按廠內、外兩部部分布置設計。廠內油系統(tǒng)設備布置在水輪機層左端安裝場下層，油罐及油處理設備按滿足機組中最大一個充油設備的用油量配置。廠外油系統(tǒng)設備布置在主廠房運輸洞口外，油罐及油處理設備按滿足一臺機組設備的用油量配置。

考慮透平油系統(tǒng)分兩部分布置系統(tǒng)相對復雜、運行維護不便及安裝場3個轉子工位布置要求等原因，將廠外油系統(tǒng)設備與廠內油系統(tǒng)設備合并，布置在進廠運輸洞離廠房約35 m處的運輸洞右側，尺寸為39 m×9 m，地面高程為607.273 m。透平油罐室凈油罐位置高于充油設備，可自流充油，也可采用油處理室內的固定油泵或移動油泵充油。機組油盆添油采用手動操作方式，自流供給。調速器油壓裝置和圓筒閥油壓裝置可由油箱內設置的液位信號計控制自動添油閥進行自動添油，也可手動添油。為便于現(xiàn)地進行油處理和輸送，在每臺機組的進出油管、筒閥油壓裝置的進出油管、調速器油壓裝置的進出油管上分別裝設了快換接頭及閥門。通過對透平油系統(tǒng)設備布置進行優(yōu)化，簡化了整個透平油系統(tǒng)，減少了檢修維護工作量及運行費用。

4.3 壓縮空氣系統(tǒng)設備優(yōu)化布置

在可研設計階段，低壓制動氣系統(tǒng)、低壓檢修氣系統(tǒng)設備布置在中間層左端主安裝場下層，中壓氣系統(tǒng)設備布置在水輪機層左端低壓氣系統(tǒng)設備室下層。

考慮本電站機組臺數(shù)多、機組尺寸大、廠房長度長，中、低壓空壓機室布置在主安裝場下層將造成供氣管路太長、管路壓力損失大、各個機組段供氣壓力不均勻，尤其對低壓制動氣系統(tǒng)的影響更大。經分析研究，將壓縮空氣系統(tǒng)設備調整到母線洞下層布置。另外因為洞室開挖尺寸過大將對圍巖穩(wěn)定造成不利影響，因此，將3個氣系統(tǒng)設備分開布置，在3、5、8號機組段母線洞下層各開挖一個尺寸為10 m×12 m的洞室，分別作為中壓空壓機室、低壓制動空壓機室、低壓檢修空壓機室，3個空壓機室地面高程均為593.00 m。在主廠房下游側水輪機層布置有中壓供氣總管、制動供氣總管及檢修供氣總管。

壓縮空氣系統(tǒng)設備布置優(yōu)化調整后，各個系統(tǒng)相當獨立、干擾少，設備及管路布置更加合理，運行維護更加方便，同時減少了安裝場下層的開挖量，保證3個轉子工位下均為巖石實體，減化了土建結構，便于施工，節(jié)約土建工程投資。