大型混流式水輪機的應用現(xiàn)狀與技術發(fā)展

1、水利水電技術 第40卷 2009年第8期R esources a nd H w Eng l N o 8大型混流式水輪機的應用現(xiàn)狀與技術發(fā)展唐 澍, 潘羅平(中國水利水電科學研究院, 北京 100038摘 要:根據(jù)我國水力資源特點, 分析總結了我國大型混流式水輪機技術的應用需求和應用現(xiàn)狀, 以及大型混流式水輪機技術的發(fā)展趨勢, 并分析提出了當今國內外混流式水輪機的技術發(fā)展水平?；炝魇剿啓C模型的最優(yōu)效率已從20世紀80年代的92%93%到90年代的93%94%, 提高到現(xiàn)階段94%95%的水平, 部分水頭段已超過95%, 空化性能和水力穩(wěn)定性較過去有了相當大的改善。關鍵詞:大型混流式水輪機; 水

2、力性能; 應用現(xiàn)狀; 技術發(fā)展中圖分類號:TV 733 1 文獻標識碼:C 文章編號:1000 0860(2009 08 0108 05P resent stat us and technical de velopm ent of application of l a rge Francis t urb i n eTANG Shu , PAN Luo p i n g(China Institute o fW ater R esou rces and H ydropower R esearch , Be iji ng 100038, Ch i naAbstrac t :Based on t he

3、 character istics o f hydrauli c resources i n Ch i na , t he de m and and present status o f the app lica ti on of the technique o f large Franc is t urbi ne are ana l y zed and su mm arized here i n w it h t he d i scussion on the deve l op m ent trend concerned , and t hen the technical deve l op

4、ing leve l o f the turb i ne at ho m e and abroad is ana l y zed and presen ted asw e ll T he opti m a l e fficien cy o f the turb i ne i s enhanced from 92%93%dur i ng the 80years to 93%94%dur i ng the 90years o f the past century , and then to 94%95%at present , even exceeded over 95%f o r part o

5、f the range of w ater head along w ith a consi derab l e i m prove m ent o f bo t h t he cav itati on prope rti es and hydrau lic stab iliti esK ey word s :large F rancis t urbine ; hydraulic property ; present status o f appli cation ; techn i ca l develop m ent收稿日期:2009 06 23作者簡介:唐 澍, 男, 教授級高級工程師,

6、 副總工程師。1 引 言我國具有豐富的水能資源, 據(jù)1980年全國水電資源普查結果, 我國水電資源理論蘊藏量為6 8億k W, 年發(fā)電量5 9萬億k W h , 技術可開發(fā)容量3 78億k W 。20002004年, 中國水電工程顧問集團公司組織了全國水力資源復查, 水電資源理論蘊藏量為6 94億k W, 年發(fā)電量6 08萬億k W h , 其中技術可開發(fā)容量為5 42億k W, 年發(fā)電量2 47萬億k W h ; 經(jīng)濟可開發(fā)容量為4 02億k W, 年發(fā)電量1 75萬億k W h 1。水電作為可再生能源在世界能源中占有越來越重要的位置, 雖然近年來我國水電開發(fā)進程明顯加快, 但總體來看, 我

7、國水能資源利用率還比較低, 開發(fā)利用潛力很大, 繼續(xù)加強水電建設、合理開發(fā)利用水能資源是保障我國能源供應的重要措施2。 十一五!國家能源發(fā)展規(guī)劃制定了在保護環(huán)境和做好移民工作的前提下積極開發(fā)水電的政策, 水電建設近些年來得到快速發(fā)展, 取得了很大的成績, 截至2008年底, 我國水電裝機達到了1 7億k W, 但也僅占技術可開發(fā)容量的31%, 開發(fā)程度還很低, 尤其是水能資源最為豐富的西南部地區(qū)更是沒有得到充分的利用。為此, 國家發(fā)展和改革委員會可再生能源中長期發(fā)展規(guī)劃#明確提出了到2020年建成3億k W 水電裝機容量的發(fā)展目標。目前我國規(guī)劃建設13個大型水電基地, 即:金沙江、雅礱江、大渡

8、河、烏江、長江上游及清江、南盤江紅水河、瀾滄江、黃河上游、黃河中游北干流、湘西、閩浙贛、東北、怒江。考慮到水能豐富、淹沒少、造價低、輸電距離短等因素, 對這13個大水電唐 澍, 等大型混流式水輪機的應用現(xiàn)狀與技術發(fā)展40卷期基地國家已優(yōu)先發(fā)展黃河上游、紅水河、長江上游及烏江四大水電基地。2000年國家提出西部大開發(fā), 水電開發(fā)也已逐步推進到大渡河、瀾滄江、金沙江、雅礱江等地區(qū)。據(jù)不完全統(tǒng)計, 我國已投產(chǎn)的各類大中型水電機組500余臺之多, 其中混流機組320余臺, 從統(tǒng)計數(shù)據(jù)看, 混流式水輪機應用最多。我國百萬千瓦及以上的大型水電站100余座, 其中已建成的20座, 在建和待建90余座, 根據(jù)

9、在建和待建電站水力資源特點, 選用大中型混流機組居多。目前共有150余臺大型機組在運行、安裝和設計制造中。其中三峽水電站共裝32臺70萬k W, 溪洛渡水電站安裝18臺77萬k W, 向家壩水電站安裝8臺80萬k W, 小灣水電站安裝6臺70萬k W, 龍灘水電站安裝7臺70萬k W, 拉西瓦水電站安裝6臺70萬k W, 龍盤(上虎跳 水電站安裝6臺70萬k W, 金安橋水電站安裝6臺60萬k W, 錦屏一級安裝6臺60萬k W, 二級安裝8臺60萬k W, 糯扎渡水電站安裝9臺65萬k W, 觀音巖水電站安裝5臺60萬k W, 瀑布溝和構皮灘兩座水電站分別安裝6臺55萬k W 等大型混流式機

10、組3。最近有關單位開始籌劃和組織論證100萬k W 大型混流機組在烏東德和白鶴灘水電站安裝的可行性和裝備制造的科技攻關?；炝魇剿啓C是國內投入運行最早、應用最多, 應用前景最為廣闊的機型。經(jīng)過近50年的實踐, 我國混流式水輪機技術已取得巨大進步, 在400m 水頭段以下已達到國際先進水平。2 混流式水輪機的應用現(xiàn)狀混流式水輪機是當今應用最普遍的一種水輪機機型, 其適用水頭范圍可從十幾米到數(shù)百米, 實際應用水頭多在20700m 之間, 適用于水頭和流量變幅均較大的電站, 具有尺寸小、重量輕、結構緊湊、操作維護方便、效率高等優(yōu)點, 是開發(fā)中高水頭水力資源的優(yōu)良機型。目前在建和待建的巨型機組均選用混

11、流式水輪機機型, 通過三峽、龍灘、拉西瓦等大型水電站的建設和一大批70萬k W 級混流式機組的成功投產(chǎn), 大型混流式水輪機技術在我國得到了廣泛應用, 技術上取得了巨大進步。近幾年, 隨著國外先進技術的引進和消化吸收, 高水頭混流式水輪機技術也取得了較大進展, 對于400600m 水頭段的水電站, 以往因水輪機技術限制只能采用沖擊式水輪機機型, 目前許多水電站亦開始采用混流式機型。從近幾年混流式水輪機的應用情況看, 其技術發(fā)展趨勢將是容量更大、水頭更高、穩(wěn)定運行范圍更寬。到目前為止, 已投運的最高水頭的混流式水輪發(fā)電機組最高水頭為734m , 是由瑞士愛雪維斯公司于1982年制造的H ausli

12、 n g 電站機組, 單機最大容量為18萬k W 。國內已投運水頭最高的混流式水輪發(fā)電機組安裝在四川磽磧水電站, 最高水頭553 6m , 單機容量8 2萬k W, 2006年底投運。已投運的單機出力最大的混流式水輪發(fā)電機組是三峽水電站的75 6萬k W 機組, 已投運的轉輪尺寸最大的混流式水輪機是三峽水電站的直徑10 4m 的水輪機。已投運的水頭較高、出力又較大的混流式水輪發(fā)電機組為加拿大丘吉爾瀑布水電站, 最高水頭322m , 轉輪直徑6 1m, 單機容量47 5萬k W 4。2 1 水輪機容量1905年7月中國第一座水電站臺灣省龜山水電站建成, 裝機600k W 。1912年, 中國大陸

13、第一座水力發(fā)電站云南省昆明石龍壩水電站建成發(fā)電, 裝機480k W, 為2臺單機240k W 的水輪發(fā)電機組, 水輪機由奧地利福伊特公司提供。解放前期, 我國水電機組從無到有, 水電機組設備幾乎依靠進口。建國初期, 依靠建國前從國外學習歸來的工程師們憑借當年國外有關公司的資料, 于1951年底設計制造完成我國第一臺800k W 立式混流式水輪機, 裝在四川省下硐(現(xiàn)蘇雄 水電站, 19531960年學習前蘇聯(lián), 制成北京官廳1 0萬k W 、浙江新安江7 25萬k W 水電機組。19601978年底, 全國貫徹 自力更生、奮發(fā)圖強! 的方針, 自主設計制造了中朝合建云峰10 0萬k W 、劉家

14、峽22 5萬k W 、白山30 0萬k W 、龍羊峽32 0萬k W 等水電機組5。至此, 我國混流式水輪機的容量由建國初期的1 0萬k W 增至32 0萬k W, 水輪機轉輪直徑達到6m 。19902002年這短暫的13年時間, 是中國水電發(fā)展的黃金時期, 水電機組型式以混流式水電機組為主體。以 五朵金花! 為代表的百萬千瓦級水電站建成投產(chǎn)發(fā)電, 其中4座為混流式水電機組。1992年投運的巖灘水電站, 水輪機由哈爾濱電機廠設計制造, 單機容量30 25萬k W, 轉輪直徑8m ; 1993年投運的隔河巖水電站和漫灣水電站, 水輪機分別由加拿大GE 公司和東方電機廠設計制造, 單機容量分別為3

15、0 0萬k W 和22 5萬k W; 1996年投運的湖南五強溪水電站, 水輪機由德國福伊特公司設計制造, 單機容量24 8萬k W, 轉輪直徑8 3m 。 五朵金花! 的成功投運, 標志著我國混流式水輪機的容量達到了30 0萬k W 級, 轉輪直徑8m 。1998年, 由加拿大GE 公司設計制造的四川二灘水電站55 0萬k W 混流109唐 澍, 等大型混流式水輪機的應用現(xiàn)狀與技術發(fā)展第40卷 年第8期式水電機組投產(chǎn)發(fā)電, 大型混流式水輪機容量增至55 0萬k W 。這期間的機組同時也存在著壓力脈動幅值大、穩(wěn)定運行區(qū)小等不利于機組穩(wěn)定運行的振動和葉片裂紋問題。2003年是中國水電建設史上的里

16、程碑, 也是中國水電設備制造史上的里程碑。長江三峽水利樞紐工程首批70 0萬k W 級混流式水電機組成功投產(chǎn)發(fā)電, 使中國從此登上70 0萬k W 級水電機組制造和運行的大舞臺。憑借發(fā)電機組采購合同中的技術轉讓要求, 通過技術轉讓和消化吸收, 哈爾濱電機廠和東方電機廠掌握了德國福伊特公司、加拿大GE 公司、挪威克瓦納公司大型混流式水輪機設計制造關鍵技術。通過三峽機組技術引進和自主創(chuàng)新, 我國大型混流式水輪機技術得到了快速發(fā)展, 2008年, 三峽左右岸水電廠26臺機組全部投產(chǎn)發(fā)電, 國內自主設計制造的8臺機組運行穩(wěn)定, 總體水平達到國際先進水平。機組的壓力脈動幅值下降, 穩(wěn)定運行區(qū)擴大, 機組

17、穩(wěn)定性有了較大程度的改善。近幾年開工建設的數(shù)百萬千瓦以上的大型水電站, 包括:龍灘、拉西瓦、小灣、三峽地下電站、溪洛渡、向家壩、龍盤、金安橋、錦屏一級和二級、官地、糯扎渡、觀音巖、瀑布溝、構皮灘等水電站都將安裝60 0萬80 0萬k W 的大型混流式水電機組。正在設計的烏東德和白鶴灘水電站還有可能裝設百萬千瓦的巨型混流式水電機組。經(jīng)過近50年的技術發(fā)展, 我國混流式水輪機組的容量由最早石龍壩的幾百千瓦發(fā)展到了今天三峽等的70 0萬k W 級, 以及2012年即將投運的向家壩的80 0萬k W 級, 轉輪直徑由最早石龍壩的71c m 發(fā)展到了目前三峽的10 4m 。2 2 水輪機水頭國外高水頭混

18、流式水輪機應用較多, 時間也較早, 特別是在歐洲應用廣泛。到目前為止, 已投運的最高水頭的混流式水輪機最高水頭為734m, 由瑞士愛雪維斯公司于1982年制造的H ausling 水電站機組, 單機最大容量為18 0萬k W 。雖然國外高水頭混流式機組的設計及制造技術已較成熟, 甚至已運用至600700m 水頭段, 但國內目前超過400m 水頭的混流式機組還比較少。我國高水頭混流式水輪機的設計和制造起步相對較晚, 經(jīng)過國外先進技術的引進以及近2030年的摸索和實踐, 逐漸積累了經(jīng)驗。從20世紀80年代中期的魯布革水電站引進國外先進技術開始, 隨著魯布革、姚河壩、冷竹關、周寧、自一里、磽磧等一批

19、大中型水電站的相繼投入, 我國在高水頭混流式機組的研究、設計和應用等方面均取得了很大的進步。80年代前, 國內有代表性的高水頭混流式水輪機主要有最高水頭337m 、單機容量1 56萬k W 的云南省綠水河水電站和最高水頭318m 、單機容量4 15萬k W 的四川省漁子溪水電站。1987年最高水頭372 5m 、單機容量15 3萬k W 的魯布革水電站決定從挪威引進技術、中外合作生產(chǎn)電站4臺機(第1臺全進口, 逐步到第4臺整機國內制造, 為我國400m 水頭段混流式水輪機的設計和制造奠定了基礎, 使國內高水頭混流式水輪機的開發(fā)應用得到了快速的發(fā)展。1999年最高水頭307m 、單機容量4 0萬

20、k W 的姚河壩水電站, 最高水頭387 5m 、單機容量6 0萬k W 的冷竹關水電站采用長、短葉片的混流式水輪機, 且為國內生產(chǎn)設計制造(國外母公司技術支持, 標志著我國400m 水頭段長、短葉片的混流式水輪機已從引進開發(fā)邁向完全國產(chǎn)的階段。2001年單機容量12 5萬k W 、最高水頭437m 的周寧水電站首先采用混流式機組, 表明我國高水頭混流式水輪機的設計和制造已從400m 水頭段向500m 水頭段邁出了實質性的一步6, 7。到目前為止, 國內已投運水頭最高的混流式水輪機安裝在四川省磽磧水電站, 最高水頭553 6m, 單機容量8 2萬k W 。我國正在建設中的錦屏二級水電站最大凈水

21、頭318 8m, 轉輪直徑6 56m, 水輪機額定出力61 0萬k W, 電站總裝機容量480 0萬k W, 將是目前世界上水頭最高且單機容量和裝機規(guī)模最大的水電站。2 3 水輪機穩(wěn)定運行區(qū)目前, 大型混流式水輪機水力設計和結構設計的主要任務是保持和進一步提高機組的能量特性, 進一步擴大水輪機的穩(wěn)定運行范圍, 提高機組可利用率。重點是降低尾水管和無葉區(qū)的壓力脈動, 以及研究并減小壓力脈動對主要結構部件的動態(tài)影響。90年代, 在混流式水輪機模型轉輪的水力性能上, 與國外差距較大, 國內大部分項目的轉輪均采用國外引進技術, 自主開發(fā)的轉輪最高效率為93%左右, 而國外轉輪最高效率在94%以上。通過

22、三峽機組技術引進和自主創(chuàng)新, 特別是引進國外先進的三維粘性流體計算軟件和分析方法后, 國內在大型混流式水輪機水力設計方面取得了本質性的進展, 開發(fā)了一批性能優(yōu)良的模型轉輪, 最高模型效率超過95%, 尾水管和無葉區(qū)的壓力脈動得到進一步控制, 水輪機穩(wěn)定運行范圍進一步擴大, 空化性能和水力穩(wěn)定性較過去有了相當大的改善。最近完成招標的向家壩水電唐 澍, 等大型混流式水輪機的應用現(xiàn)狀與技術發(fā)展40卷期站水輪機穩(wěn)定運行范圍為60%100%, 溪洛渡、錦屏一級和二級等水電站為50%100%。在穩(wěn)定運行范圍內, 尾水管和無葉區(qū)的壓力脈動相對混頻峰峰值進一步下降, 已可控制在招標文件的技術要求范圍內。穩(wěn)定運

23、行范圍內能滿足無空化運行, 無卡門渦、葉道渦及水力共振等現(xiàn)象。3 混流式水輪機水力性能的發(fā)展水平3 1 水力設計與試驗技術近幾年水力設計與試驗技術的進步主要體現(xiàn)在以下幾方面:(1 采用從蝸殼進口至尾水管出口的整體水力設計與優(yōu)化技術方法, 大大提高了水輪機的水力效率; (2 采用先進的三維粘性流體動力CFD 分析技術, 使轉輪葉片流態(tài)和壓力脈動分布更趨合理, 改善并提高了水輪機水力穩(wěn)定性和提高了抗空化性能, 擴大了水輪機穩(wěn)定運行范圍; (3 初步開展的過流部件流固藕合計算及動力響應研究為提高機組穩(wěn)定性和耐疲勞特性打下基礎; (4 高精度的水力機械模型試驗臺及其轉輪流態(tài)成像觀測系統(tǒng)和現(xiàn)代化的測試技

24、術, 已可觀測尾水管渦帶和轉輪葉片間部分流態(tài)的發(fā)生發(fā)展、葉道渦的形成和葉片進口邊的脫流狀況, 為水力設計的優(yōu)化和模型驗證與驗收提供了先進手段; (5 近年來加強了對原型電站機組的性能全面測試, 開展了轉輪葉片動態(tài)應力的測試研究, 試驗裝備的現(xiàn)代化及分析手段的提高, 為獲取準確數(shù)據(jù), 分析原模型間的相似性, 處理現(xiàn)場運行問題, 合理劃分機組運行區(qū), 優(yōu)化水力設計, 提供了強有力的技術支持。3 2 最優(yōu)和加權效率水輪機的最優(yōu)效率和加權平均效率直接反映了水輪機水力設計的水平, 混流式水輪機模型的最優(yōu)效率已從80年代92%93%到90年代的93%94%, 提高到現(xiàn)階段94%95%的水平, 部分水頭段已

25、超過95%。加權平均效率同時還反映了水能的利用率高低, 它的高低還與電站設計者相關。以下數(shù)據(jù)是依據(jù)近年來開發(fā)應用的部分優(yōu)秀混流式轉輪資料統(tǒng)計得出。(1 模型最優(yōu)效率 mop t , 見表1。表1 混流式水輪機轉輪模型最優(yōu)效率水頭段/m導葉相對高B 0N 10/r m i n -1Q 10/L s -1 mopt /%3000 120 1462 463 824530094 294 82000 170 2061 565 039145895 095 51000 250 2969 072 558578294 895 2(2 加權平均效率, 見表2。表2 混流式水輪機加權平均效率水頭段/m導葉相對高B

26、0模型 ma v /%原型 pav /%3000 120 1493 293 594 795 12000 170 2093 594 495 095 81000 250 2993 294 094 995 5(3 額定點與設計點流量比值K , 見表3。水輪機額定點與設計點流量比值通常反映了水輪機運行范圍的大小, 也是水輪機設計水平的重要指標。表3 混流式水輪機額定點與設計點流量比值K水頭段/mQ 10/L s -1Q 1r /L s -1K 3002453003113411 101 262003914585236021 291 331005857829259531 201 443 3 空化性能本文僅

27、以混流式水輪機在額定點的空化性能來反映當前空化性能水平, 表4為應用于不同水頭段的部分混流式水輪機額定點的初生空化與臨界空化系數(shù)。表4 混流式水輪機額定點的初生空化與臨界空化系數(shù)水頭段/mN 1r /r m in -1Q 1r /L s -1ci30062 664 53113410 0240 0370 0450 058720063 668 25236020 0450 0600 0600 10010072 673 79259530 0650 0950 1190 130表4中: i 為水輪機初生空化系數(shù), 模型試驗時水輪機3個葉片上同時發(fā)現(xiàn)初生氣泡的空化系數(shù)值。 c 水輪機臨界空化系數(shù), 模型試驗

28、時300m 水頭段為模型水輪機效率下降0 5%, 其他為模型水輪機效率下降1%的空化系數(shù)值。為避免水輪機空化空蝕發(fā)生, 當代混流式水電站尤其是大型混流式機組在電站選型設計中均以電站裝置空化系數(shù)大于水輪機初生空化系數(shù)為前提條件下選擇機組安裝高程。統(tǒng)計資料顯示, 水電站設計時, 選擇水輪機安裝高程時混流式水輪機K i 即電站裝置空化系數(shù)比上水輪機初生空化系數(shù)均大于1 1, K s 即電站裝置空化系數(shù)比上水輪機臨界空化系數(shù)均大于1 5, 見表5。表5 不同水頭的K s 與K i水頭段/mK s K i 3001 61 132001 81 101002 61 353 4 壓力脈動壓力脈動是反映水力穩(wěn)定

29、性的重要指標。相對壓111唐 澍, 等大型混流式水輪機的應用現(xiàn)狀與技術發(fā)展第40卷 年第8期表6 不同水頭段混流式水輪機在不同負荷下的水壓力脈動水頭段/m工 況H/%(0%30%負荷 H /%(30%60%負荷 H/%(60%100%負荷 尾水管(0 3D 2無葉區(qū)尾水管(0 3D 2 無葉區(qū)尾水管(0 3D 2 無葉區(qū)300(最好水平最小水頭2 52 52 3312 5額定水頭3333 51 53最高水頭333 532 53300(平均水平最小水頭343 541 53 5額定水頭343 5423 5最高水頭3 5443 52 53 5水頭段/m工 況HH /%(0%50%負荷 H H /%(

30、50%70%負荷 HH /%(70%100%負荷 尾水管(0 3D 2無葉區(qū)尾水管(0 3D 2 無葉區(qū)尾水管(0 3D 2 無葉區(qū)200(最好水平最小水頭543 532 23額定水頭4 132 731 52 5最高水頭3 83 53323200(平均水平最小水頭5 54432 53額定水頭4 542 741 53最高水頭443423 5水頭段/m工 況HH /%(0%45%負荷 H H /%(45%70%負荷 HH /%(70%100%負荷 尾水管(0 3D 2無葉區(qū)尾水管(0 3D 2無葉區(qū)尾水管(0 3D 2 無葉區(qū)100(最好水平最小水頭84633 53額定水頭855 53 533最高水頭764 5432