莫赫曼德水電站水輪機參數(shù)選擇和結(jié)構(gòu)設(shè)計

馬韌韜 曹世超

1 工程概述

莫赫曼德水電站項目位于巴基斯坦開普爾普赫圖赫瓦省，距離巴首都伊斯蘭堡185 km。工程任務(wù)主要為發(fā)電、灌溉和供水，莫赫曼德水電站水庫總庫容為18 億m3。電站為引水式，總裝機容量800 MW，安裝4 臺單機容量200 MW 的立軸混流式水輪發(fā)電機組。

2 水輪機參數(shù)選擇

2.1 水輪機額定水頭

本電站最大水頭為188.7 m，最小水頭為137.9 m，通過對水庫運行特性的分析可知，水輪機的水頭多數(shù)時間都在164 m 以上，電站在正常情況下均能發(fā)滿出力，考慮到汛期加大出力，結(jié)合EPC 合同要求，水輪機額定水頭為162.5 m。

2.2 水輪機比轉(zhuǎn)速和額定轉(zhuǎn)速

比轉(zhuǎn)速ns是水輪機基本特性參數(shù)之一。通常用比轉(zhuǎn)速ns和比速系數(shù)K值來表征水輪機的經(jīng)濟技術(shù)水平。根據(jù)不同比轉(zhuǎn)速計算公式計算出本電站水輪機比轉(zhuǎn)速ns=110～180 m·kW，相應(yīng)的比速系數(shù)

K=1 402～2 295。

鑒于本電站水庫庫容較大，且年總輸沙量約為509.1 萬m3，總體含沙量較小，電站主要任務(wù)為發(fā)電，發(fā)電效益應(yīng)著重考慮。因此，推薦機組參數(shù)水平在中等偏上范圍內(nèi)選取。結(jié)合本電站水頭及單機容量，推薦本電站水輪機比轉(zhuǎn)速ns＝140～170 m·kW，相應(yīng)的比速系數(shù)K＝1 785～2 167。

水輪機比轉(zhuǎn)速ns＝140～170 m·kW 時，水輪機轉(zhuǎn)速計算值在179.8～218.3 r/min，可選擇的同步轉(zhuǎn)速為187.5、200、214.3 r/min。結(jié)合EPC 合同規(guī)定，機組采用同步轉(zhuǎn)速為200 r/min，從機組性能及參數(shù)水平衡量較為合適。

2.3 最優(yōu)單位轉(zhuǎn)速、單位流量

從比轉(zhuǎn)速與單位參數(shù)的關(guān)系式ns=3.13n11（Q11·η）0.5可知，同樣的ns值，可由不同的單位轉(zhuǎn)速n11和單位流量Q11以及效率η的組合來實現(xiàn)。結(jié)合統(tǒng)計公式和模型轉(zhuǎn)輪資料，ns取140～170 m·kW，最優(yōu)單位轉(zhuǎn)速大多在67～72 r/min。

本電站水庫為年調(diào)節(jié)水庫，水輪機有較多時間處于高水頭區(qū)域運行，對高水頭的運行穩(wěn)定性應(yīng)予關(guān)注。偏離設(shè)計工況不能保證轉(zhuǎn)輪最佳的流動條件，尤其是在低單位轉(zhuǎn)速（對應(yīng)高水頭區(qū)域），易產(chǎn)生振動問題。近年來新建電站的最優(yōu)單位轉(zhuǎn)速有低選趨勢。因此推薦現(xiàn)階段水輪機模型轉(zhuǎn)輪的最優(yōu)單位轉(zhuǎn)速在67～69 r/min，最優(yōu)單位流量處在0.56～0.67 m3/s。

2.4 水輪機效率

水輪機效率是體現(xiàn)水輪機技術(shù)水平的重要指標，也是能量參數(shù)的重要指標。本電站機組運行水頭較高，且所處電網(wǎng)的運行模式復(fù)雜，應(yīng)充分考慮機組的安全、穩(wěn)定運行，在此前提下優(yōu)先考慮水輪機整個運行范圍的合理性。EPC 合同對水輪機效率、加權(quán)平均效率提出了較高的要求，綜合考慮制造廠的技術(shù)水平，水輪機效率指標如下：

（1）模型水輪機最高效率值不低于95%，相應(yīng)的原型水輪機最高效率不低于96.41%。

（2）模型水輪機額定點效率值不低于93%，相應(yīng)的原型水輪機額定點效率不低于95.04%。

（3）水輪機在額定水頭條件下，模型加權(quán)平均效率不低于92.8%，相應(yīng)的原型水輪機的加權(quán)平均效率不低于94.56%。

2.5 空化系數(shù)

電站空化系數(shù)σp的大小，直接影響電站開挖深度和水輪機運行壽命，通常模型空化系數(shù)σm與ns成正比關(guān)系，即隨著ns的提高，模型空化系數(shù)σm也呈上升趨勢。本電站水輪機比轉(zhuǎn)速ns＝140～170 m·kW 時，電站空化系數(shù)σP可在0.068 4～0.119 6之間選取，臨界空化系數(shù)σc可在0.053 9～0.079 8 之間選取。考慮到本電站有較大的水庫庫容，結(jié)合本電站實際情況，在最低尾水位條件下，電站空化系數(shù)與初生空化系數(shù)的比值σp/σi≥1.1，即，安全系數(shù)Kσ≥1.1。

2.6 振動和壓力脈動

考慮到電站整個運行范圍內(nèi)加權(quán)平均效率要求較高，應(yīng)綜合考慮性能指標與全水頭段和負荷范圍內(nèi)的穩(wěn)定性。據(jù)此提出：

（1）在電站運行水頭條件下，負荷在50%～110%P范圍內(nèi)，水輪機均可長期穩(wěn)定運行，無有害的振動和壓力脈動。在0～50%P范圍內(nèi)能運行。

（2）尾水管管壁壓力脈動值（混頻雙振幅峰值ΔH），在主要工況（80%P～207 MW 范圍內(nèi)）運行時，ΔH/H不大于3%；在其他部分負荷（50%～80%P范圍內(nèi)）運行時，ΔH/H最大不超過5%（H為運行水頭）。

（3）結(jié)合EPC 合同要求，頂蓋垂直振動和水導(dǎo)軸承擺度應(yīng)符合ISO DIS 20816-5（E）《機械振動-機械振動的測量和評價》中的規(guī)定。水輪機導(dǎo)軸承處為0.180 mm；發(fā)電機下導(dǎo)軸承處為0.180 mm；發(fā)電機上導(dǎo)軸承處為0.160 mm。

2.7 推薦的模型參數(shù)

綜上所述，推薦的水輪機模型參數(shù)如下：

最優(yōu)單位轉(zhuǎn)速n110：67～69 r/min；

最優(yōu)單位流量Q110：0.56～0.67 m3/s；

額定工況點效率ηo：≥93%；

最優(yōu)工況點效率ηmax：≥94%；

限制工況空化系數(shù)δp：≤0.09。

2.8 水輪機真機參數(shù)

水輪機真機參數(shù)如下：

水輪機轉(zhuǎn)輪直徑D1：～4.56 m；

比轉(zhuǎn)速ns：156 m·kW；

額定轉(zhuǎn)速nr：200 r/min；

額定水頭Hr：162.5 m；

額定流量Qr：135.32 m3/s；

額定出力Nr：204 MW；

最大出力Nmax：207 MW；

額定工況點效率ηtr：≥95.04%；

吸出高度Hs：-4.5 m；

水輪機安裝高程：360.00 m。

3 水輪機主要結(jié)構(gòu)及材料要求

3.1 轉(zhuǎn)輪

轉(zhuǎn)輪包括上冠、葉片和下環(huán)，為不銹鋼整體鑄焊結(jié)構(gòu)。轉(zhuǎn)輪采用ASTM A743，CA-6NM（對應(yīng)中國牌號ZG0Cr13Ni4Mo）的不銹鋼材料制造。轉(zhuǎn)輪葉片采用VOD 或AOD 精煉鑄造成型，葉片采用五軸數(shù)控機床加工，并采用精確的樣板進行表面檢查。轉(zhuǎn)輪上冠和下環(huán)上設(shè)置止漏環(huán)，與轉(zhuǎn)輪同鑄。帶止漏環(huán)的轉(zhuǎn)輪，加工完成后在廠內(nèi)進行靜平衡試驗。

3.2 主軸及主軸密封

水輪機軸為帶軸領(lǐng)的中空結(jié)構(gòu)，軸身及法蘭采用鍛造制成，鍛件的材料牌號為20Mn5N（國內(nèi)牌號Q355B）。主軸與轉(zhuǎn)輪采用剪切銷套+螺柱連接，液壓拉伸器預(yù)緊。水輪發(fā)電機組轉(zhuǎn)動部件的臨界轉(zhuǎn)速不低于最大飛逸轉(zhuǎn)速的130%。

主軸密封采用靜壓動平衡式端面密封。由支撐環(huán)、密封壓環(huán)、嵌入式密封環(huán)、滑環(huán)、彈簧、積水室和供水環(huán)管等部件組成。工作密封由彈簧預(yù)壓，可以適應(yīng)不同尾水位及各種運行工況水位；密封結(jié)構(gòu)及材料能夠抗一定的泥沙磨損，配置精密旋流器、磨損指示器，密封的允許磨損量12 mm。

3.3 導(dǎo)軸承和油潤滑系統(tǒng)

水導(dǎo)軸承采用巴氏合金里襯，油潤滑，分塊類型軸承。導(dǎo)軸承安裝在轉(zhuǎn)輪上方頂蓋上的瓦架支撐上，導(dǎo)軸承由調(diào)節(jié)螺絲、可拆卸軸瓦、軸瓦瓦架、油槽、蓋板以及其他附件組成。軸瓦采用具有高性能的巴氏合金層里襯，并有進出油邊保證軸承潤滑。導(dǎo)軸承采用外置冷卻器的型式，潤滑油通過循環(huán)系統(tǒng)與冷卻器交換熱量。

3.4 蝸殼、座環(huán)和固定導(dǎo)葉

蝸殼采用S355NL（S550Q）鋼板焊接結(jié)構(gòu)。蝸殼的設(shè)計按在不考慮與混凝土聯(lián)合受力的條件下，單獨承受最大內(nèi)壓（含水錘壓力）不小于2.5 MPa。蝸殼按ASME《鍋爐和壓力容器規(guī)程》進行設(shè)計。鋼板厚度考慮足夠的腐蝕余量。蝸殼與混凝土接觸外表面噴涂環(huán)氧漆，內(nèi)表面涂防銹漆。蝸殼在現(xiàn)場做打壓試驗并保壓澆混凝土，打壓試驗的壓力為設(shè)計壓力的1.5 倍。在澆筑蝸殼時保證蝸殼內(nèi)的壓力暫定為設(shè)計水頭的50%。

座環(huán)由上、下環(huán)板與固定導(dǎo)葉剛性地連接到一起組成。固定導(dǎo)葉及上、下環(huán)板采用優(yōu)質(zhì)抗撕裂鋼板焊接制成。

3.5 頂蓋和底環(huán)

頂蓋由可焊接鋼板制造，分兩瓣運輸。頂蓋通過螺栓與座環(huán)連接，頂蓋包含軸承支撐和主軸密封。頂蓋能將軸承負載傳遞到座環(huán)。頂蓋為活動導(dǎo)葉的自潤滑軸套提供上部密封。

底環(huán)和基礎(chǔ)環(huán)采用鋼板焊接結(jié)構(gòu)，具有足夠的強度和剛度。底環(huán)作為獨立可拆卸部件與座環(huán)和基礎(chǔ)環(huán)分開。底環(huán)包括用于活動導(dǎo)葉下軸頸的自潤滑軸套。底環(huán)上設(shè)置有可更換的抗磨板和導(dǎo)葉密封。

3.6 導(dǎo)葉和導(dǎo)葉操作機構(gòu)、接力器

活動導(dǎo)葉采用整體不銹鋼，材料性能不低于ASTM A743，CA-6NM（對應(yīng)中國牌號ZG0Cr13Ni4Mo）。活動導(dǎo)葉由3 個自潤滑軸套支撐，2 個位于頂蓋上，1個布置在底環(huán)上。每個上軸頸有1 個可調(diào)整的自潤滑推力軸承來承擔活動導(dǎo)葉重量，并承受頂蓋、底環(huán)、基礎(chǔ)環(huán)和抗磨環(huán)作用在導(dǎo)葉上任何向上或者向下的推力。活動導(dǎo)葉應(yīng)盡量減少滲漏水量，水輪機導(dǎo)葉全關(guān)時，投入商業(yè)運行8 000 h 內(nèi)不超過0.45 m3/s。

控制環(huán)由2 臺接力器、2 根鍛鋼連桿驅(qū)動，從而使控制環(huán)驅(qū)動導(dǎo)葉連桿和拐臂。接力器活塞和控制環(huán)之間的聯(lián)桿帶有自潤滑軸套。導(dǎo)葉控制環(huán)是焊接金屬結(jié)構(gòu)，在加工前消除應(yīng)力。

每個導(dǎo)葉的連接結(jié)構(gòu)是獨立可調(diào)的，以確保導(dǎo)葉在全關(guān)位置相互結(jié)合，且在任意開度，所有導(dǎo)葉間具有相等開度。每個導(dǎo)葉通過鍵連接到轉(zhuǎn)臂，轉(zhuǎn)臂再通過剪斷銷連接到連接板，并通過連桿連接到控制環(huán)。在每套導(dǎo)葉聯(lián)接機構(gòu)中提供剪斷銷，剪斷銷可更換。

接力器為2 個油壓操作、雙向液壓缸型，通過控制環(huán)操作活動導(dǎo)葉。額定操作油壓為16 MPa。接力器液壓缸和端蓋采用不低于20Mn5N 的材料鍛造，法蘭連接管路、填料盒或密封。在密封上面安裝外部活塞桿導(dǎo)向支撐，以避免在密封缸或密封上的橫向負載，確保接力器腔體充分潤滑?；钊氰T鋼制造，并配有合適的密封環(huán)。安裝排空閥和管路用來排出接力器腔體內(nèi)的壓力油和空氣。在每個液壓缸兩側(cè)安裝測壓計，在測頭上安裝閥門。

4 結(jié) 語

莫赫曼德水電站工程已于2019 年9 月開工建設(shè)，工程執(zhí)行國際標準，由多家國際知名咨詢公司和巴基斯坦本地設(shè)計公司組成聯(lián)合體承擔工程咨詢，咨詢工程師對水輪發(fā)電機組的參數(shù)水平、制造、工藝和試驗等均提出了較高的標準，對中國企業(yè)適應(yīng)國際市場競爭提出了較高的要求。在機組設(shè)計中，制造廠充分體現(xiàn)了當今的設(shè)計水平及其制造特點，對海外工程的設(shè)計具有一定的借鑒作用。