500 MW沖擊式水輪發(fā)電機組設(shè)計制造可行性研究

梁華 周彥 郭連恒 熊小康 何峰 胡定輝

收稿日期：2023-09-18

作者簡介：

梁? 華，男，高級政工師、工程師，主要從事電力工程管理等方面的工作。E-mail：307431576@qq.com

通信作者：

何? 峰，男，高級工程師，碩士，主要從事水利水電工程水力機械設(shè)計咨詢研究工作。E-mail：369121223@qq.com

引用格式：

梁華，周彥，郭連恒，等.

500 MW沖擊式水輪發(fā)電機組設(shè)計制造可行性研究

［J］.水利水電快報，2024，45（6）：94-98.

摘要：

500 MW沖擊式水輪發(fā)電機組超出了國內(nèi)外現(xiàn)有沖擊式機組單機容量應(yīng)用實例范圍，其核心部件的設(shè)計制造難度較大，為了研究其設(shè)計制造可行性，利用統(tǒng)計分析、數(shù)值模擬計算、模型試驗等方法，對機組設(shè)計、水輪機核心部件制造、發(fā)電機高海拔防電暈結(jié)構(gòu)等方面進行創(chuàng)新研究。研究結(jié)果表明：扎拉水電站500 MW沖擊式機組的設(shè)計制造不存在制約性因素，可立足于國內(nèi)自主完成。研究成果可為增強中國水電行業(yè)裝備制造能力以及高水頭水電站開發(fā)提供參考。

關(guān)鍵詞：

500 MW沖擊式水輪機； 機組選型； 轉(zhuǎn)輪鍛件制造； 高海拔防電暈； 扎拉水電站

中圖法分類號：TM312

文獻標(biāo)志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.06.016

文章編號：1006-0081（2024）06-0094-05

0? 引? 言

為順應(yīng)水電行業(yè)發(fā)展需求，中國相關(guān)科研單位結(jié)合具體工程項目，開展了高水頭、大容量沖擊式水電機組設(shè)計制造可行性的研究工作。目前，在水力設(shè)計方面，中國現(xiàn)有的自主研制的大型沖擊式水輪機轉(zhuǎn)輪水力效率低于91%，與優(yōu)秀轉(zhuǎn)輪水力效率93%相差較遠，需要采用更加先進的手段和方法進行轉(zhuǎn)輪優(yōu)化設(shè)計。在生產(chǎn)制造方面，轉(zhuǎn)輪供貨產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)的加工工藝和裝備僅能滿足小尺寸整鍛結(jié)構(gòu)沖擊式水輪機轉(zhuǎn)輪的制造，對大型不銹鋼轉(zhuǎn)輪鍛件的加工和鍛焊結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)輪的焊接工藝及質(zhì)量控制手段研究較少［1］。本文基于扎拉水電站的工程條件，從機組設(shè)計、水輪機核心部件、發(fā)電機高海拔防電暈結(jié)構(gòu)等方面研究500 MW沖擊式機組的設(shè)計制造技術(shù)，為高水頭、大容量水電站的開發(fā)積累經(jīng)驗，對進一步提高中國水電開發(fā)能力及裝備制造水平具有重要意義。

1? 研究背景

國外單機容量最大的沖擊式水輪機機組為瑞士

的畢奧德隆電站機組，其額定水頭1 869 m，單機容量423.13 MW，轉(zhuǎn)輪直徑3.993 m。中國單機容量最大的沖擊式水輪機機組為金窩水電站機組，其額定水頭為595 m，單機容量143.6 MW，轉(zhuǎn)輪直徑為2.43 m。這兩個電站的沖擊式機組核心部件均由國外機組制造企業(yè)安德里茨設(shè)計制造供貨。

目前，中國水電設(shè)備制造企業(yè)已投運的、具有完全知識產(chǎn)權(quán)、單機容量最大的沖擊式機組為厄瓜多爾美納斯水電站，其額定水頭為474.51 m，單機容量90 MW，轉(zhuǎn)輪直徑2.46 m。通過在金窩、大發(fā)、吉牛等水電站項目中與國外廠商合作，中國哈電、東電等機組廠家積累了一定的沖擊式機組設(shè)計、制造經(jīng)驗，且均已建有沖擊式水輪機模型試驗臺，具備進行大型沖擊式水輪機研制工作的能力。

扎拉水電站水頭范圍689.2～668.5 m，擬安裝2臺單機容量500 MW的沖擊式水輪發(fā)電機組，是目前國內(nèi)具備條件進行高水頭、大容量沖擊式機組科研攻關(guān)并實際應(yīng)用的水電站。扎拉水電站500 MW沖擊式機組雖超出了現(xiàn)有應(yīng)用實例范圍，但立足國內(nèi)進行設(shè)計制造，雖有一定的研發(fā)基礎(chǔ)，但仍需要更加深入地從機組選型設(shè)計、水力設(shè)計、核心部件生產(chǎn)制造及高海拔防電暈措施等方面進行攻關(guān)研發(fā)。

2? 水輪發(fā)電機組選擇

2.1? 大型沖擊式水輪機參數(shù)水平分析

水輪機比轉(zhuǎn)速ns是衡量水輪機能量特性、經(jīng)濟性和先進性的綜合性指標(biāo)。沖擊式水輪機的比轉(zhuǎn)速ns與噴嘴數(shù)的平方根成正比，增加噴嘴數(shù)可以提高水輪機比轉(zhuǎn)速。

單噴嘴比轉(zhuǎn)速ns1與相對直徑D1/d0直接相關(guān)，提高比轉(zhuǎn)速的主要途徑就是優(yōu)化相對直徑D1/d0，根據(jù)理論分析和資料統(tǒng)計，沖擊式水輪機單個噴嘴的比轉(zhuǎn)速為12～22 m·kW［2］。前蘇聯(lián)型譜K600型轉(zhuǎn)輪ns1≈20 m·kW；國內(nèi)廠商給出的統(tǒng)計參考公式為

ns1=284.2Hr-0.438 8

式中：Hr為額定水頭。

相對直徑D1/d0是沖擊式水輪機重要參數(shù)之一，與水輪機效率、單位流量、比轉(zhuǎn)速、水力性能、水輪機結(jié)構(gòu)和機械強度等密切相關(guān)。減小相對直徑可以提高比轉(zhuǎn)速，但過多減小相對直徑將會帶來結(jié)構(gòu)布置上的困難，水斗不易布置，水斗根部強度差，容易裂紋或斷斗，而且水輪機效率偏低［3］。增加相對直徑可以提高水輪機效率，但過多增加相對直徑，將導(dǎo)致水輪機轉(zhuǎn)輪較薄，水斗數(shù)多，水斗尺寸小，制造困難。轉(zhuǎn)輪斗葉的應(yīng)力水平與水頭成正比，而與D1/d0的平方成反比，為使斗葉應(yīng)力保持在容許應(yīng)力的水平，高水頭水輪機應(yīng)選擇合適的D1/d0值。一般情況下D1/d0的范圍為10～18，且真機的相對直徑應(yīng)盡量與模型一致，根據(jù)國內(nèi)外100多個已運行沖擊式水輪機的數(shù)據(jù)得出統(tǒng)計公式為

D1/d0=248.55ns1-1.055

2.2? 機組選型設(shè)計

扎拉水電站最大水頭為689.2 m，最小水頭為668.5 m，加權(quán)平均水頭為677 m，額定水頭為671 m。通過上述水輪機參數(shù)水平研究和相應(yīng)統(tǒng)計公式

來計算單噴嘴比轉(zhuǎn)速和相對直徑D1/d0，初定扎拉水電站水輪機單噴嘴比轉(zhuǎn)速為15.0～19.5 m·kW，相對直徑D1/d0為11.0～16.5。

對于大容量的沖擊式水輪機，其噴嘴數(shù)的研究和選擇至關(guān)重要［4］。在500 MW機組選型設(shè)計中，對5噴嘴、6噴嘴和8噴嘴3個方案進行了對比研究，3個方案的水輪機參數(shù)見表1。

由表1數(shù)據(jù)和綜合比選分析得出：

（1） 噴嘴數(shù)少，水輪機轉(zhuǎn)輪直徑大，機組成本和廠房土建工程量大。增加噴嘴數(shù)可提高比轉(zhuǎn)速，降低機組的造價及減小廠房尺寸，但會導(dǎo)致水輪機的空蝕、泥沙磨損及穩(wěn)定性等性能惡化，水輪機綜合性能降低［5］。

（2） 機組運行時，8噴嘴相較于6噴嘴具有更好的負荷調(diào)節(jié)靈活性且軸承載荷均衡，在部分負荷運行時，可用直徑對稱的噴嘴運行，軸承附加載荷小。

（3） 噴嘴個數(shù)多使噴嘴射流干涉影響變強，導(dǎo)致水斗內(nèi)表面出現(xiàn)局部空化，機組設(shè)備間的布置也相對更擁擠。經(jīng)綜合比較，500 MW沖擊式水輪機選擇6噴嘴最優(yōu)。經(jīng)計算，6噴嘴500 MW沖擊式機組主要參數(shù)見表2。

2.3? 水力設(shè)計

水輪機的水力設(shè)計參數(shù)確定后，通過CFD流場數(shù)值分析技術(shù)進行水輪機的水力計算和水力優(yōu)化設(shè)計。CFD的主要計算原理和方法是求解流體力學(xué)的連續(xù)性方程、運動方程和能量方程。水輪機內(nèi)的流動多處于湍流范圍，因此求解時需要增加湍流方程［6］。在計算中選用集成了k-epsilon模型和k-omega模型優(yōu)點的SST湍流模型封閉RANS方程。該模型在近壁面區(qū)域調(diào)用k-omega模型模擬，收斂性好；在湍流充分發(fā)展區(qū)域調(diào)用k-epsilon模型模擬，計算效率高。

以500 MW沖擊式水輪機在6噴嘴設(shè)計工況點

為例進行水力計算，獲得水輪機轉(zhuǎn)輪流態(tài)分布及射

流與水斗的干涉。圖1和圖2分別為轉(zhuǎn)輪中面的壓力分布和速度分布。圖3為射流與水頭干涉的監(jiān)

測。從計算結(jié)果流態(tài)分析可以看出，轉(zhuǎn)輪內(nèi)部流動較為均勻合理，水斗出口水流分布均勻，沒有與前后水斗形成劇烈干涉，無明顯水斗背面受出流撞擊的現(xiàn)象，具有良好的出力性能和水力穩(wěn)定性。

3? 水輪發(fā)電機組制造

3.1? 水輪機制造可行性分析

3.1.1? 配水環(huán)管

（1） 制造難度分析。配水環(huán)管制造難度系數(shù)通常用配水環(huán)管進口斷面的最大設(shè)計（工作）水壓P（m）與進口直徑D（m）的乘積來表征。烏東德電站的蝸殼制造難度系數(shù)為2 645，白鶴灘電站的蝸殼制造難度系數(shù)為3 010。扎拉500 MW沖擊式水輪機配水環(huán)管制造難度系數(shù)為2 436，在沖擊式機組配水環(huán)管中制造難度系數(shù)最大，與大型混流式機組的蝸殼制造難度基本相當(dāng)。

（2） 制造可行性。烏東德電站、白鶴灘電站等項目蝸殼采用800 MPa級鋼板，國內(nèi)廠家擁有成熟的焊接工藝及制造能力。500 MW沖擊式水輪機配水環(huán)管同樣采用800 MPa級鋼板，經(jīng)計算，管節(jié)最后鋼板厚度為80 mm，月牙肋板厚度為130 mm，均在800 MPa級鋼板加工制造經(jīng)驗范圍內(nèi)。

3.1.2? 轉(zhuǎn)? 輪

3.1.2.1? 制造難度分析

轉(zhuǎn)輪制造是大型沖擊式機組制造的關(guān)鍵因素。扎拉水電站水輪機轉(zhuǎn)輪節(jié)圓直徑4.9 m、外徑6.2 m，其容量和轉(zhuǎn)輪尺寸制造難度系數(shù)非常大。

3.1.2.2? 轉(zhuǎn)輪制造工藝分析

（1） 制造方式分析。大型沖擊式轉(zhuǎn)輪制造主要分整鑄、整鍛、鍛焊3種制造工藝［7］，各種工藝的適應(yīng)性見圖4。整鑄因其固有的夾渣、夾砂、縮孔、縮松、裂紋等鑄造缺陷，無法滿足大型沖擊式轉(zhuǎn)輪質(zhì)量要求。整鍛方式采用整鍛毛坯，能有效改善坯件的組織性能，有利于提高轉(zhuǎn)輪疲勞強度；從材料性能考慮，整體鍛件方式性能最佳，但整鍛方式毛坯材料利用率低（僅約30%），且大尺寸鍛件制造受鍛造能力限制，表層和內(nèi)部性能存在差異。鍛焊方式采用轉(zhuǎn)輪輪轂、水斗分別制造，保持水斗根部的幾何完整性。轉(zhuǎn)輪輪轂采用鍛件，外部水斗可采用鍛件對焊和增材制造兩種方式［8］。

扎拉500 MW沖擊式水輪機轉(zhuǎn)輪的最大外徑約6.2 m，有21個水斗，材料選用低碳馬氏體不銹鋼0Cr13Ni5Mo。經(jīng)調(diào)研，轉(zhuǎn)輪整鍛所需尺寸超過了鍛件生產(chǎn)廠商制造0Cr13Ni5Mo鍛件的加工能力，轉(zhuǎn)輪鍛件制造成為了500 MW沖擊式水輪機設(shè)計制造需解決的關(guān)鍵問題。因此，扎拉電站500 MW沖擊式轉(zhuǎn)輪采用鍛焊工藝，所需的轉(zhuǎn)輪輪轂鍛件尺寸外徑約4.9 m，厚度約1.2 m，鍛件毛坯重約303 t。

（2） 轉(zhuǎn)輪鍛件制造工藝研究。針對500 MW沖擊式轉(zhuǎn)輪輪轂鍛件的參數(shù)，一重、二重等國內(nèi)大型鍛件廠進行了專項研究，開展了一系列試件試驗和300 t級鋼錠的數(shù)值模擬研究，擬定了扎拉電站500 MW沖擊式轉(zhuǎn)輪鍛件的制造方案：扎拉水電站水輪機轉(zhuǎn)輪鍛件毛坯采用VOD冶煉和真空澆注的工藝，3臺高爐協(xié)作提供鋼水合澆生產(chǎn)；15 000 t水壓機進行鍛造；鍛件熱處理淬火推薦采用鼓風(fēng)冷卻的方式；坯件鍛造完成后采用100％超聲波探傷方式進行缺陷檢查。鍛件鍛造數(shù)值模擬成果見圖5，研究成果表明，300 t級04Cr13Ni5Mo鍛件在材料冶煉、鍛造、熱處理、檢測等方面不存在制約性因素，0Cr13Ni5Mo鍛件毛坯的化學(xué)成分和力學(xué)性能分別能滿足表3和表4的要求。

（3） 焊接接頭性能研究。沖擊式轉(zhuǎn)輪母材04Cr13Ni5Mo的沖擊功一般可以達到90 J（0 ℃）以上的水平，但其焊接材料ER410NiMo焊絲的沖擊功一般為50 J，與母材性能差距較大。

為提升04Cr13Ni5Mo焊接接頭的力學(xué)性能，國內(nèi)企業(yè)從焊接材料、新型焊接設(shè)備和方法等方面進行研究，結(jié)果表明：焊接線能量對焊縫熔敷金屬沖擊韌性的影響較大，選擇合適的線能量，0 ℃沖擊功可達到70 J以上，焊縫接頭的疲勞性能可以達到母材的80%；通過優(yōu)化焊接材料及匹配合理的焊接工藝，水斗分瓣時考慮避讓根部高應(yīng)力區(qū)（分瓣處的應(yīng)力水平低于根部的80%），可實現(xiàn)鍛鋼04Cr13Ni5Mo鍛焊沖擊式轉(zhuǎn)輪焊接接頭疲勞壽命與水斗根部的疲勞壽命等同。

3.2? 發(fā)電機制造可行性分析

3.2.1? 制造難度分析

水輪發(fā)電機的制造難度通常用S·nf表征，S為水輪發(fā)電機最大容量，MVA;nf為機組飛逸轉(zhuǎn)速，r/min。扎拉水電站水輪發(fā)電機與國內(nèi)大容量水輪發(fā)電機制造難度對比見表5。

從統(tǒng)計數(shù)據(jù)可知，扎拉500 MW方案發(fā)電機制造難度與小灣、溪洛渡基本相當(dāng)。

3.2.2? 發(fā)電機防暈結(jié)構(gòu)設(shè)計制造

扎拉水電站海拔高程約2 200 m，環(huán)境溫度低，定子繞組端部絕緣防電暈問題和定子線圈絕緣耐低溫性能是設(shè)計制造的重難點。因此，開展了定子線棒及定子模擬繞組高海拔條件下的絕緣性能試驗研究和定子試驗線圈低溫老化和低溫循環(huán)試驗研究。試驗結(jié)果表明：

（1） 在2 500 m海拔條件下，定子模擬繞組絕緣電阻良好，吸收比滿足GB/T 8564-2023《水輪發(fā)電機組安裝技術(shù)規(guī)范》的規(guī)定；定子線棒起暈電壓大于2.0 Un（Un為水輪發(fā)電機額定線電壓），定子模擬繞組在1.1 Un試驗電壓下的電暈情況良好，同層斜邊及上下層之間未見電暈；定子線棒能夠通過2.75 Un+6.5 kV、1 min的工頻交流耐電壓試驗，且無可見放電、閃絡(luò)和絕緣擊穿現(xiàn)象；定子模擬繞組能夠通過2.5 Un+1.0 kV、1 min的工頻交流耐電壓試驗，且無可見放電、閃絡(luò)和絕緣擊穿現(xiàn)象。

（2） 對定子試驗線圈在-40～40 ℃經(jīng)過250個循環(huán)和定子試驗線圈在-40 ℃環(huán)境下持續(xù)老化14 d分別試驗，與低溫循環(huán)試驗前測試結(jié)果分別進行對比分析，工頻耐電壓、電暈試驗等未出現(xiàn)明顯變化，表明定子線圈經(jīng)低溫循環(huán)試驗后防電暈結(jié)構(gòu)性能穩(wěn)定。

防暈系統(tǒng)設(shè)計制造方案可應(yīng)用于扎拉水電站機組，保證其在高寒高海拔地區(qū)安全可靠運行的性能要求。

4? 結(jié)? 論

（1） 對國內(nèi)外沖擊式機組的應(yīng)用和參數(shù)水平進行分析，確定了扎拉水電站500 MW沖擊式水輪機主要參數(shù)，根據(jù)其水力設(shè)計數(shù)值分析，可以確定轉(zhuǎn)輪具有良好的出力性能和水力穩(wěn)定性。

（2） 對大型沖擊式鍛焊結(jié)構(gòu)不銹鋼轉(zhuǎn)輪的鍛件材料以及焊接材料性能進行專項研究，結(jié)果表明：大型轉(zhuǎn)輪鍛件尺寸及性能和轉(zhuǎn)輪焊接接頭性能滿足扎拉500 MW沖擊式轉(zhuǎn)輪鍛焊結(jié)構(gòu)的要求，其制造加工可行。

（3） 扎拉水電站500 MW發(fā)電機制造難度與小灣、溪洛渡基本相當(dāng)，其設(shè)計制造可行，其防暈系統(tǒng)設(shè)計制造方案和結(jié)構(gòu)性能滿足扎拉電站高寒高海拔安全可靠運行的要求。

（4） 500 MW沖擊式水輪發(fā)電機可以立足于國內(nèi)完成設(shè)計制造，提高中國裝備制造能力。

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（編輯：李? 晗）

Feasibility study on design and manufacturing of 500 MW Pelton turbine generator unit

LIANG Hua1，ZHOU Yan1，GUO Lianheng1，XIONG Xiaokang1，HE Feng2，HU Dinghui2

（1.Datang Xizang Energy Development Co.，Ltd.，Lhasa 850000，China；

2. Changjiang Survey，Planning，Design and Research Co.，Ltd.，Wuhan 430010，China）

Abstract：

The 500 MW Pelton turbine generator unit exceeds unit capacity application examples of existing Pelton units both domestically and internationally. There are many difficulties in the design and manufacturing of the core components. In order to study the feasibility of its design and manufacturing，it is studied from the aspects of unit design，core component manufacturing of turbine，and high-altitude anti corona structures of generators by utilizing methods such as statistical analysis，numerical simulation calculations，and model experiments. The research results indicated that there was no restrictive conditions in the design and manufacturing of the 500 MW Pelton turbine generator unit of Zhala Hydropower Station，and it can be independently completed domestically. The research results can enhance the equipment manufacturing capacity of China′s hydropower industry and provide a successful experience and demonstration role for the development of high head hydropower stations in China.

Key words：

500 MW Pelton turbine generator unit； unit selection； forged welding structure runner manufacturing； high altitude corona resistant； Zhala Hydropower Station