白鹤滩水电站水力机械设计主要特点

2021-01-22曹春建方晓红李胜兵

水力发电 2021年8期

方杰，曹春建，方晓红，李胜兵

(中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江杭州 311122)

1 工程概况

白鹤滩水电站位于金沙江下游四川省宁南县和云南省巧家县境内，为金沙江下游河段梯级开发的第二级电站，上接乌东德水电站、下邻溪洛渡水电站。白鹤滩水电站的开发任务以发电为主，兼顾防洪、航运，并促进地方经济社会发展。电站装机容量16 000 MW，多年平均发电量624.43亿kW·h，保证出力5 470 MW。白鹤滩水电站由一坝两厂组成，采用1 000 MW水轮发电机组，左、右岸地下厂房各装设8台[1]。

2 水轮机选择

2.1 机组运行特点及要求

(1)可行性研究推荐采用单机容量1 000 MW机组。遵循安全、可靠、合理、先进的原则，针对1 000 MW水轮发电机组的特点进行参数选择，以保证机组能够长期地稳定、高效运行，获得最佳效益。

(2)水轮机运行水头范围为163.9～243.1 m，具有水头高且变幅大的特点，运行水头变幅达79.2 m。

(3)电站汛期加权平均水头为192.1 m，非汛期加权平均水头为213.1 m，全年加权平均水头为207.8 m。在进行水轮机参数选择和水力设计时，需要兼顾汛期和非汛期两个运行范围的能量指标。

(4)电站泥沙主要集中在汛期，占全年输沙量的96.22%；水库建成初期的汛期过机泥沙含量约为0.349 kg/m3，过机泥沙中值粒径小，且硬度相对较大。

(5)水轮机参数选择时应充分考虑地下厂房的布置特点，使整个工程更趋经济合理。

2.2 水轮机参数选择

2.2.1 比转速、比速系数及同步转速

白鹤滩电站水头高、变幅大、单机容量巨大，有一定的过机泥沙，泥沙粒径小且硬度大。在进行比转速和比速系数选择时，应将机组的运行稳定性放在首位，同时兼顾水轮机参数的先进性[2-4]。为了合理选择水轮机参数，进行了大量的统计分析和计算工作，与国内制造厂进行了多次技术交流，委托了国内知名厂家对机组进行了研究和试验工作，并对国内大型电站的运行情况进行了调研。结合白鹤滩水电站的特点，选择水轮机的比转速为150 m·kW左右，相应比速系数在2 132左右。在上述比转速范围内，可供选用的发电机同步转速有107.1、111.1、115.4 r/min。转速为107.1 r/min的磁极数为56个，发电机可选支路数为4、7和8个；111.1 r/min的磁极数为54个，发电机可选支路数为6和9个；115.4 r/min的磁极数为52个，发电机可选支路数为4和13个。按照24 kV或26 kV额定电压等级考虑，综合各机组制造厂提供的资料，按目前的设计制造水平，发电机采用全空冷方式合理的槽电流约为7 000 A左右，采用定子水冷方式合理的槽电流约为10 000 A左右。当定子并联支路数选择4和13时，无法选择到合理的定子槽电流。其他支路数均有合理的槽电流作为支撑。

因此，综合发电机的设计制造水平，额定转速选择107.1 r/min或111.1 r/min。

2.2.2 水轮机模型预测参数

综合制造厂的交流成果、相近水头段优秀模型转轮参数以及委托制造厂进行的水力开发和模型试验成果，预期的模型水轮机比转速为141～147 m·kW，相应比速系数为2 004～2 089。最优工况点参数为：水轮机单位转速62.5～67 r/min，单位流量0.4～0.44 m3/s，最优点效率94.5%；额定工况点参数为：水轮机单位流量0.53～0.57 m3/s，效率92.0%，临界空化系数0.058～0.067。

2.2.3 水轮机原型主要预测参数

综合上述水轮机水力参数的选择分析以及国内现有的模型转轮，并根据制造厂针对白鹤滩所开展的水力研发和模型试验成果，确定原型水轮机额定水头202 m，额定出力1 015 MW，转轮直径8.6 m，额定流量547.8 m3/s；水轮机额定转速107.1 r/min或111.1 r/min，吸出高度-15.43 m。水轮机飞逸转速不大于202 r/min，正常运行范围内的压力脉动混频峰峰值△H/H不大于4%。

2.3 机组招标后的水轮机主要参数及结构

2.3.1 水轮机主要参数

左岸电站装设1～8号共8台水轮发电机组，由东方电气集团东方电机有限公司供货；右岸电站装设9～16号共8台水轮发电机组，由哈尔滨电机厂有限责任公司供货。左、右岸原型水轮机额定功率1 015 MW、额定水头202 m，吸出高度-15.43 m，安装高程570 m。左岸原型水轮机额定流量545.5 m3/s，额定转速111.1 r/min，轴向水推力1 455 t，加权平均效率95.81%，转轮进口直径8.47 m，水轮机质量3 340 t；右岸原型水轮机额定流量538.8 m3/s，额定转速107.1 r/min，轴向水推力1 550 t，加权平均效率96.13%，转轮进口直径8.72 m，水轮机重量3 330 t。

2.3.2 转轮及其现场组装

转轮采用铸焊结构，叶片采用ZG04Cr13Ni5Mo不锈钢材料VOD精炼铸造，五轴数控机床数控加工。上冠和下环采用ZG04Cr13Ni5Mo不锈钢材料铸造结构。泄水锥采用ZG04Cr13Ni5Mo不锈钢板材料制造，焊接到上冠的下端。转轮采用常规叶片或长短叶片，左岸常规叶片转轮叶片数量15片，右岸长短叶片转轮叶片数15+15片。左、右岸水轮机转轮外形尺寸和质量分别约为Φ8.6 m×3.92 m/346.5 t、Φ8.9 m×3.8 m/338 t。对外交通条件无法满足整体转轮运输的要求，转轮采用散件运输、现场组焊的方案，其中转轮上冠和下环均需要分瓣后运输。

2.3.3 座环、蜗壳材质和加工设备选择以及蜗壳浇注方案

座环采用平行板式结构，上、下环板采用SXQ500D-Z35抗层状撕裂钢板，板厚250～265 mm。左岸固定导叶采用SXQ550D，右岸固定导叶采用锻ASTM A668E钢板焊接组成。上、下环板上带有蜗壳过渡板，用于改善过渡带的应力，同时也便于现场蜗壳环板与之对焊。由于座环尺寸大，焊接、运输过程和浇注混凝土后产生较大变形，座环和顶盖、底环结合面、座环内圆密封面在厂内粗加工，待座环安装完毕，并浇注混凝土后，采用专用工具车削平面、钻孔、攻丝及打磨等，使之达到精度要求。

蜗壳按独立承受包括升压水头在内的最大工作水压设计，采用钢板焊接结构，机组蜗壳的材料选用可焊性好的高强度钢板制作，采用抗拉强度为800 MPa级高强度钢板，蜗壳最大厚度左岸约为83 mm，右岸约为97 mm。为降低工地安装难度和现场焊接工作量，蜗壳延伸段和包角段分节蜗壳尾部在厂内直接装于座环上，并进行退火处理。经了解，国内外其他行业已有卷制类似钢板能力的卷板机，为减少运输费用，其余部分可在工地进行卷制。蜗壳推荐采用垫层方案浇注。

2.3.4 主轴密封供水方式

各制造厂主轴密封结构均推荐采用轴向端面密封方式，密封块采用高分子合成材料。其中，润滑水质要求最高的颗粒度不大于0.03 mm。白鹤滩主轴密封供水主用水源取自下游尾水隧洞，最大颗粒度为3 mm，并将厂外自来水水源作为主轴密封供水的备用水源，二次过滤(精过滤装置)由机组厂家考虑。

2.3.5 水轮机主轴同镗加工

水轮机轴为中空、带轴领锻焊式结构，材料为全锻钢25MnSX。左岸主轴的水轮机端法兰为中法兰结构，发电机端法兰为外法兰结构，主轴水轮机端法兰外径3 610 mm，主轴发电机端法兰外径4 260 mm，主轴长6 270 mm，重约118 t。右岸水轮机轴的水轮机端法兰和发电机端法兰均为中法兰结构，主轴水轮机端法兰外径3 760 mm，主轴发电机端法兰外径3 980 mm，主轴长6 575 mm，重约140 t。左岸主轴同镗加工在工地完成；右岸水轮机轴与发电机轴联接销套孔在HEC工厂内镗模加工，并通过立式联轴同轴度找正检查合格后出厂。

3 调速器

3.1 油压等级

白鹤滩调速器额定油压为6.3 MPa。

3.2 主配直径

综合机组厂家资料和以往类似工程经验[5-6]，导叶接力器有效容积按1.03 m3考虑，根据水力过渡过程计算成果，导叶快关段的全行程关闭时间8 s。为了保证调速器性能稳定，调速系统不宜选择过高流速。目前大型混流式水轮机调速系统最大管内流速为3.9 m/s。综合调速器制造厂的意见，白鹤滩1 000 MW机组调速系统管内流速暂按照不超过3.5 m/s控制。根据上述条件，调速器主配压阀直径选择200 mm等级。

3.3 调速器主要参数

招标的调速器主要参数如下：调速器型式为冗余结构的数字型电液调速器(PID调节规律)，主配压阀直径φ200 mm，额定操作油压6.3 MPa，调速器油压装置型号为YZ-28/2-6.3，压力油罐容积为28 m3(2×14 m3)。

4 辅助系统主要设计特点

4.1 主要桥式起重机

根据主厂房布置，主厂房桥式起重机的跨度为30.0 m，采用岩壁吊车梁。根据主厂房内最重起吊件重量(发电机转子起吊质量约2 335 t)和2台桥机起吊时的平衡梁质量(约200 t)，确定其主钩起吊质量为1 300 t。除了整体转轮、顶盖、转子、定子、下机架、主变压器等重大件利用主钩起吊外，一些部件，如分瓣座环、分瓣顶盖、转子中心体、主轴以及下机架中心体等部件的重量介于100～150 t之间，所以选择副钩额定起重量为160 t。考虑到两岸同时使用的可能性较小，左、右岸共设置一根2 400 t平衡梁。桥机最大轮压按照起吊转子时的极限位置确定为1 200 kN。目前国内还没有单台起重量达到1 300 t的桥式起重机业绩，主要参考国内已投运的1 200 t桥式起重机确定。1 300 t桥式起重机主要参数为：主钩额定起重量1 300 t，副钩额定起重量160 t，主钩起升高度38 m，副钩起升高度48 m，主钩起升速度1.5/0.15 m/min，副钩起升速度4/0.4 m/min，大车运行速度为22/2.2 m/min，小车运行速度为8.5/0.85 m/min。

为满足施工进度要求，提高生产率，两岸地下主厂房内各设置一台辅助桥机。辅助桥机先于主厂房桥机投入使用。辅助桥机主要用于吊运地下厂房土建施工器材(如钢筋、模板、水泥槽罐车等)以及机组部件、埋件的安装。除机组少数部件外，大部分起吊部件(包括分瓣座环在内)的起吊重量不超过135 t，因此选择1台160 t/160 t双小车桥机，并布置在与大桥机同层的辅助安装场侧。

4.2 供水系统

白鹤滩水电站技术供水系统供水对象主要包括水轮发电机组和主变压器冷却用水，并同时考虑了全厂其他公用设备用水。

4.2.1 机组和主变压器供水系统

机组和主变压器的供水对象主要包括发电机空气冷却器、发电机上导轴承冷却器、发电机推力/下导轴承冷却器、水轮机导轴承冷却器、水轮机主轴密封润滑冷却、水冷式主变压器冷却器。参考制造厂提供资料和类似机组经验，单台机组的冷却供水水量约为2 000 m3/h，单台主变压器的满载冷却供水量为360 m3/h，空载冷却供水量为115 m3/h。考虑到机组和主变压器联合水泵供水，容量较大，且机组蜗壳尺寸较大，有条件设置上下两层泵房，机组和主变压器分别采用单元供水方式，水泵加压密闭供水方式，水源取自下游尾水。每台机组冷却供水设置2台流量为2 200 m3/h、扬程为38 m、电机功率为315 kW的卧式双吸离心泵，互为备用；每台主变压器满载冷却供水设置2台流量为400 m3/h、扬程为42 m、电机功率为75 kW的卧式双吸离心泵，互为备用；每台主变压器空载冷却供水设置2台流量为120 m3/h、扬程为30 m、电机功率为22 kW的立式双吸离心泵，互为备用，供水管接入主变压器满载供水管，两台机组的空载供水排水管之间设置有联络管，供机组检修时使用。机组冷却供水泵布置在蜗壳下层泵房，地板高程为564.9 m；主变冷却供水泵布置在蜗壳上层泵房，地板高程为570.9 m。

4.2.2 公共供水系统

空调设备冷却水量1 000 m3/h和8台主变压器空载冷却供水量920 m3/h，由厂内公用供水系统供给。考虑空调冷冻机组运行台数将根据电站机组发电功率进行调整，综合空调冷冻机组和主变压器空载运行的运行台数组合工况，公共供水系统的用水量按照1 500 m3/h，取自DN500全厂公用供水总管，全厂公共供水系统取自尾水管检修闸门外的尾水隧洞，通过支管为各用户设备供水。

4.3 检修排水系统

机组检修排水系统主要是为了机组检修时及时排除压力钢管、蜗壳、尾水管及尾水洞内的积水，采用集水井间接排水方式。蜗壳和压力钢管积水通过蜗壳排水阀与尾水管连通，压力钢管、蜗壳、尾水管以及尾水连接洞内的积水通过尾水管排水阀，借助贯穿全厂的排水汇集廊道汇至厂房端部的检修排水集水井，再由排水泵通过厂区排水廊道埋设的管路和自流排水洞，排至下游。集水井采用承压密封设计，设置有2个DN400、PN1.6 MPa的复合式补排气阀。

检修排水系统设置6台流量为1 000 m3/h、扬程为115 m、电机功率为450 kW的长轴深井泵，布置在集水井顶部左岸569.4 m(右岸557.75 m)高程。机组停机检修时，6台水泵同时启动排水，当尾水管内的积水全部排空后，改由1台泵轮流排除来自上、下游闸门的渗漏水。在厂房检修集水井内，装设有UQK型液位信号器1套和潜水式液位变送器2套，用于对深井水泵的运行控制和检修集水井内的水位监视。

4.4 厂房渗漏排水系统

包括2个渗漏排水系统，分别为厂内渗漏排水系统和厂区渗漏排水系统。

4.4.1 厂内渗漏排水系统

地下厂房厂内渗漏排水系统主要包括厂房内水工建筑物各部位以及厂区第5、6层南侧排水廊道、厂区第7层排水廊道的渗漏水和机电设备渗漏水。所有渗漏水通过渗漏排水廊道、排水管排至渗漏集水井中，由排水泵通过厂区排水廊道埋设的管路和自流排水洞，排至下游。系统设置4台流量为1 000 m3/h、扬程为115 m、电机功率为450 kW的长轴深井泵，两主两备。在渗漏集水井内，装设有UQK型液位信号器1套和潜水式液位变送器2套，用于对深井水泵的运行控制和渗漏集水井内的水位监视。

4.4.2 厂区渗漏排水系统

地下厂房厂区渗漏排水系统的排水对象主要包括厂区第5、6层北侧排水廊道、进厂交通洞等其他辅助洞室的渗漏水。系统设置5台流量为375 m3/h、扬程为67 m、电机功率为110 kW的长轴深井泵，三主两备。在渗漏集水井内，装设有UQK型液位信号器1套和潜水式液位变送器2套，用于对深井水泵的运行控制和渗漏集水井内的水位监视。

4.5 油气系统

4.5.1 压缩空气系统

压缩空气系统主要包括中压压缩空气系统和低压压缩空气系统。

中压压缩空气系统的主要供气对象为水轮机调速器油压装置用气。调速系统油压装置额定工作压力为6.3 MPa，为提高空气的干燥度，采用二级供气，并在空压机出口设置空气干燥装置。设2只容积均为8 m3、额定压力为9.0 MPa的中压储气罐和三台排气量为3.0 m3/min、排气压力为9.0 MPa的空压机。首次充气时三台空压机同时工作，补气时一台工作两台备用，主备用空压机可以相互切换。为确保供气管路的可靠性，设置备用供气干管，可供主供气干管检修时使用，也可以在正常工作时与主供气干管同时使用。

低压压缩空气系统主要供气对象为水轮发电机组制动用气、主轴检修密封空气围带、机组维护检修用气源等。制动系统采用2台机组同时制动，按制动前后的压力降0.1 MPa确定贮气罐容积，选取2只容积均为10 m3、额定压力为0.8 MPa的低压制动储气罐。按照15 min恢复制动专用贮气罐的压力，选取2台排气量为3.5 m3/min、排气压力为0.8 MPa的低压空压机。机组维护检修供气系统设有1只容积为10 m3、额定压力为0.8 MPa的平压储气罐和2台排气量为9.5 m3/min、排气压力为0.8 MPa的低压空压机，空压机并联运行，一台工作一台备用，由压力开关控制空压机的自动开停。机组维护检修用气系统可作为制动用气系统的备用，向机组制动用气系统供气。

4.5.2 油系统

油系统包括厂内透平油系统、厂外透平油系统和厂外绝缘油系统。其中厂内透平油系统设置2只20 m3净油罐，4只20 m3运行油罐。

5 地下厂房及设备布置

白鹤滩水电站设置有左右岸地下厂房，各装设8台单机容量1 000 MW的水轮发电机组。若无特别说明，以下仅对左岸厂房描述。

左岸地下厂房主、副厂房洞呈“一”字形布置：从南到北依次布置副厂房、辅助安装场、机组段和安装场。第一台发电机组(1号机组)布置在副厂房侧，对应靠山体侧尾水隧洞不与导流洞结合，单独成洞，发电日期不受导流洞改建所限，可以保证按时发电，并为提前发电提供有利条件。

主、副厂房洞长为438 m，其中主、辅助安装场的长度分别为79.5、22.5 m，副厂房长度为32 m，机组段总长为304 m。桥机岩壁梁以下发电机层宽度为31 m(净宽28.3 m)，桥机岩壁梁以上宽度为34 m(净宽33.6 m)，厂房顶拱高程624.6 m，尾水管底板高程539.40m。主厂房分为发电机层、中间层、水轮机层、蜗壳上层、蜗壳下层、尾水管操作廊道层以及尾水管层，共7层。进厂交通洞设在主安装场端部，靠主厂房下游侧布置。

白鹤滩水电站地下厂房内机组台数多、单机容量大，机组安装质量要求高。为保证白鹤滩机组按计划顺利投产，考虑转子应有至少2个以上单独的工位进行组装。所以在主安装场设有3个转子工位，另有1个顶盖工位。转轮、主轴其他设备为临时放置，所有机组定子组装在机坑内完成。根据上述要求，结合地下厂房布置，拟定主安装场长度为79.5 m，辅助安装场长度为22.5 m。

辅助安装场下方分4层布置，同发电机高程层590.4 m高程，布置有发电机上机架组装工位；同蜗壳下层高程布置有机组检修和渗漏排水泵房，水泵房下方为渗漏和检修集水井。

副厂房布置在主厂房的南端，长度为32 m，净宽度为29.0 m。在569.4 m和605.9 m高程之间共分8层，其中一、二层分别布置有压缩空气供气设备和油罐及油处理设备。