乌东德水电站850 MW水轮机总体技术特性分析

李玲 王华军 郑涛平 陈冬波

摘要：乌东德水电站水轮发电机组单机容量850 MW，居世界水电第二;水电站运行条件复杂，机组设计安装难度大。针对以上技术难题，结合工程特点，从水轮机的运行条件、水力设计、结构特性、现场加工安装等方面开展了大量的专项分析研究工作，从而得到了优良的水轮机设计参数和结构;同时，通过开展专项研究，提出了基于“水轮机效率加权因子量化方法”的综合转轮开发方法、地下式联合转轮加工厂设计方案以及基于安装强度指标提高机组安装进度的方法。研究成果为乌东德水电站机组的顺利投产发电提供了保障，可为今后巨型水轮机设计提供参考。

关 键 词：综合转轮开发设计; 地下联合转轮加工厂; 巨型混流式水轮机组; 机组安装; 乌东德水电站

中图法分类号： TM312

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2022.04.035

0 引 言

金沙江中下游梯级主要开发目标是发电，兼具防洪和为三峡水库承担减少泥沙的任务[1]。乌东德水电站是金沙江下游河段4个梯级——乌东德、白鹤滩、溪洛渡和向家坝梯级电站中的第一个梯级电站，位于四川省会东县和云南省禄劝县交界的金沙江下游河段，是“西电东送”的骨干电源点。电站总装机容量为10 200 MW，装机规模居中国第四、世界第七，年发电量为389.1亿kW·h。根据“1 000 MW水轮发电机组总体及专项研究”[2-3]等系列创新研究成果，并结合电站水文、地质和枢纽布置条件[4]，最终确定在乌东德水电站左右岸地下厂房采用各布置6台混流式水轮发电机组（单机额定容量为850 MW）的布置方案。

水轮机技术经历了漫长的发展阶段[5]，虽然中国的水轮机研究起步晚[6]，但经过70 a的发展，特别是最近20 a的快速发展，随着三峡水电站（单机容量700 MW）、向家坝水电站（单机容量800 MW）、溪洛渡水电站（单机容量770 MW）的建成，乌东德水电站（单机容量850 MW）、白鹤滩水电站（单机容量1 000 MW）的陆续投建，中国混流式水轮机单机容量已迈入百万千瓦级[7]。巨型混流式水轮机的能量、空化和稳定性依然是研究的重点[8]。但随着机组容量和尺寸的增大，其振动问题也较突出，因此在追求优良的能量和空化指标条件下，巨型水轮机稳定性设计成为关注的重点[9-11]。

水轮机的稳定性与电站运行条件、水力设计、结构材料设计、制造安装质量和机组运行控制等均有关系。本文从乌东德水电站的开发对机组总体特性要求、水轮机水力设计参数、结构特性和现场安装特点等方面进行了阐述，分析了地形条件对机组装机台数的要求、电站运行条件和水力设计难点等;通过加大水轮机最大导叶开度（131%以上）来获得低水头加大出力设计、基于安装强度指标的大型立式水轮发电机组安装工期的量化计算和评估方法等，实现了百万级机组的设计安装。本文研究成果可为巨型水电站水轮发电机组的设计及安装提供参考。

1 电站开发对机组总体特性的要求

1.1 枢纽布置

乌东德水电站装机容量为千万千瓦级。由于坝址地处峡谷地带，电站厂房布置在两岸的地下，装机台数和机电其他设备的布置受地质地形的影响较大，在这种条件下，增加单机容量减少装机台数可以有效地减少枢纽布置困难，降低运行维护成本。经分析研究，对乌东德水电站采用左右岸地下廠房各布置6台混流式水轮发电机组、引水系统单机单洞、尾水系统采用两机一洞带尾水调压室，并在左右岸各设计2条尾水洞与导流洞结合的布置型式[12]。

1.2 电站运行特点

乌东德水电站下游的溪洛渡、向家坝、三峡水库在9月份有较大蓄水要求，乌东德水电站蓄水时间宜与下游水库错开，尽量在8月份完成蓄水任务。乌东德水电站为山区狭长河道型水库，经上游水库调蓄后，枯水期来水比较稳定，水库一般自1月份开始逐步供水，水库水位从正常蓄水位975 m逐步消落，至6月底消落至防洪限制水位952 m或以下，7月1～31日防洪限制水位为952 m，8月初开始蓄水，一般年份8月10日蓄水至960 m，8月20日蓄水至968 m，8月底可蓄水至正常蓄水位975 m。9月份以后，水库尽量维持高水位运行的方式，入库径流小于发电流量后，水库水位逐步消落，直至死水位;次年6月底，水库水位为防洪限制水位。

1.3 电站运行参数

（1） 水头特性。乌东德水电站最大水头为163.4 m，最小水头为106.0 m，全年加权平均水头为144.1 m。水头段出现频率及电量特性分析结果表明，高频水头段通常出现在144～153 m。

（2） 坝下河道水文特性分析。乌东德水电站坝址下游有多处河底高程在810 m左右的反坡，阻水现象严重。在下游30 km范围内分布有多处险滩，水流湍急、落差大，具备实施河道拓挖、降低乌东德水电站尾水位的潜在条件。而且下游梯级白鹤滩水电站每年的丰水期是6月至8月中旬、枯水期为2月下旬至5月，水库运行水位相对较低，平均运行水位均在810 m以下。在此期间，对乌东德水电站尾水位基本无顶托影响，能够发挥乌东德水电站拓挖河道、降低尾水位的作用。

（3） 流量特性。多年平均流量为3 830 m3/s，年内汛期（6～11月）径流量占全年的81.5%，月平均流量大于装机过流量的月份主要集中在8月（8 510 m3/s）和9月（8 390 m3/s）。因此，机组有必要在低水头区适当加大开度以获得汛期电量。

（4） 出力特性。该水电站为不完全年调节电站，电站保证出力为3 150 MW，以单机容量850 MW为例，电站保证出力为单机容量的3.71倍，由于电站出力远大于机组出力，因而使机组在大负荷区运行极为有利。

1.4 泥沙资料

乌东德水电站坝址处的悬移质多年平均输沙量为12 250万t，多年平均含沙量为1.02 kg/m3。建库后，乌东德水电站运行20 a的平均过机含沙量为0.152 kg/m3，电站水轮机的水力参数和结构设计须考虑初期运行时泥沙的磨损问题。AAB27C9B-372A-463D-873F-73948A0DBD64

1.5 大件运输条件

乌东德水电站地处金沙江不通航河段，不具备直接水运条件。对重大件的运输，采用铁路运输至昆明-中转公路和水路运输至水富重大件码头-中转公路相结合的运输方案。根据乌东德水电站运输限制条件及机组重大件运输控制尺寸、重量，转轮及下机架中心体均采取分件运输到现场加工厂，将分瓣件实施组焊加工成整体后再运至主厂房的运输方案。

根据乌东德水电站场内外运输条件和厂房布置的场地条件，通过技术经济比选，转轮现场加工厂采用左岸泄洪洞靠山侧联合地下厂房的布置方案。

2 水轮机水力设计

2.1 水力设计参数

乌东德水电站左岸电站厂房的6台机组由上海福伊特水电公司（简称VHS）供货，右岸电站厂房的6台机组由通用电气水电设备（中国）有限公司（GEHC）供货。机组的基本设计参数如表1所列。

2.2 水力设计特点及难点

乌东德水电站下游河道具备进一步拓挖的潜能条件。为了有效利用该河段水能资源，进一步挖掘乌东德水电站的潜力，通过对137.0 m额定水头、850 MW机组作为基本方案，并适应近远期综合利用各种条件展开了研究，在旬电量平衡加权因子评估法[13]的基础上，采用“水轮机效率加权因子量化方法”进行分析，基于分析结果，最终选用了综合转轮开发方案;同时在可研确定的枢纽布置、厂房布置总体方案不变的前提下，为当前及未来电站综合利用各种可能的额定水头及单机容量组合方案留下了可能。有别于三峡水电站、溪洛渡水电站及向家坝水电站的“发电机按最大容量设计”的思路[14～16]，乌东德水电站则是按“加大水轮机最大导叶开度（131%以上）来获得低水头加大出力设计”的原则，使后期具备潜能利用扩机能力。一方面，可以适应水头变幅大及尾水拓挖潜能开发的要求，提高水轮机水力稳定性;另一方面，兼顾优秀的加权效率指标及获得低水头工况超出力的发电效益。

2.3 性能参数

（1） 水轮机出力。

乌东德水电站水轮机出力及其长期安全稳定运行范围如表2所列。

（2） 水轮机效率。

乌东德水电站水轮机效率如表3所列。

（3） 水轮机空化性能。

合同规定了最低尾水位条件下，电站空化系数与水轮机初生空化系数的比值σp/σi以及电站空化系数与水轮机临界空化系数的比值σp/σ1的保证值。部分工况点σp/σi及σp/σ1与厂家提供的特性性能保证值存在出入，但均满足招标文件要求的σp/σi≥1.1和σp/σ1≥1.6的要求。

（4） 尾水管压力脉动。

水轮机在电站空化系数和不补气的条件下，原型、模型水轮机在各种运行工况时，距转轮出口处0.3D2（D2为转轮出口直径）的上、下游侧的尾水管测压孔测得的压力脉动混频双振幅值如表4所列。试验结果与初步试验结果基本一致。说明压力脉动值基本满足合同要求，仅在空载个别工况下的压力脉动值稍微超出了合同保证值。

（5） 高水头高部分负荷的压力脉动带。

要求经优化设计及试验后，在长期连续安全稳定范围内，不允许出现高水头高部分负荷的压力脉动带。高部分负荷压力脉动带定义为频率大于或接近机组转频，压力脉动时域峰-峰值ΔH/H大于或等于4%。模型试验中未发现高部分负荷高频压力脉动带。

3 水轮机结构特性和现场安装

3.1 水轮机尺寸

水轮机外形控制尺寸是确定厂房控制尺寸的主要因数之一。水轮机主要外形控制尺寸及控制高程如表5所列。

3.2 水轮机结构特点

总体上，水轮机采用立式带金属蜗壳弯肘型尾水管结构。蜗壳进口管节板厚度最大为68 mm，末端厚度小，材料采用SX780CF高强度钢板。对SX780CF高强度钢板，需要进行充分可靠的焊接工艺评定及焊接程序，由于蜗壳不进行打压试验，因此必须对蜗壳的全部焊缝进行严格的无损探伤检查。

转轮包括上冠、叶片和下环3个部分。有15个叶片，转轮叶片采用ZG04Cr13Ni4Mo不锈钢材料、VOD精炼铸造成型、五轴数控机床数控加工，上冠和下环采用ZG04Cr13Ni4Mo不銹钢材料铸造。

转轮在工地进行组焊加工的工序组成如下：上冠、下环分瓣件的组焊、散件画线、装配、焊接（4次整体翻身），探伤、退火、车削加工和镗孔、静平衡、整体平吊转运。单台转轮制造工期约10个月，最长工序占用工位工期约3个月。

乌东德水电站选用地下厂房联合布置的方案。联合地下转轮加工厂房布置在左岸泄洪洞靠山侧，联合转轮加工厂房方案以左、右岸独立转轮加工厂房方案为基础，对使用率较低的重复工位进行简化。根据招标文件要求，年产6台转轮和下机架，并同时满足每4个月同时交货2台转轮和下机架，联合转轮加工厂房方案共布置15个工位。

3.3 转轮加工

根据机组大部件尺寸及运输条件，水轮发电机组需现场加工的大部件主要为水轮机转轮和下机架中心体两大部件。转轮包括上冠、叶片和下环3个部分。根据水陆联运运输条件，转轮上冠、下环、叶片需散件运至工地，在工地厂房完成组焊、退火、加工、静平衡等制造过程。

3.4 装机进度

采用“基于安装强度指标的大型立式水轮发电机组安装工期的量化计算和评估方法”，通过规模相似的已建水电站水轮发电机组重要部件的参数指标，结合现有的安装工艺等，来量化、预估乌东德水电站水轮发电机组的安装周期，达到精细把握单台机组的安装工期;优化了转子安装工位，预留转子跨转子的安装空间，提出2机1组小间隔加快装机进度的方法，有效规划整个水电站的机组安装及发电进度，电站综合安装进度实施方案（8+4方案）比可研（4+6+2方案）时方案全部机组投产时间提前8个月，多获得百亿千瓦时左右的施工完建期电量效益。AAB27C9B-372A-463D-873F-73948A0DBD64

4 現场调试及运行状况

2020年5月8日，乌东德水电站库水位蓄至935 m，首批6号和7号机组开始了首次手动启动运行试验;5月下旬，水库水位蓄水至945 m及以上，机组具备过速、并网及甩负荷试验条件。由于乌东德水电站水轮机是按预留远期潜能开发设计的，具有低水头工况超发预想出力的稳定运行性能，调试期间，127 m水头（额定水头137 m）即可带850 MW额定负荷试验，水轮机运行稳定，水轮发电机组压力脉动、导轴承瓦温、振动、摆度、噪音等各项指标优良。

乌东德水电站机组投产发电以来，运行稳定。尾水管、无叶区和蜗壳进口压力脉动幅值均在允许范围内，导轴承瓦温、振动、摆度、噪音、流量、压力等运行参数均满足设计要求，各项指标优良，运行稳定性良好。由表6可知，5号、6号、7号、8号机组主要运行指标满足优质机组标准要求。

5 结 论

根据乌东德水电站“1 000 MW水轮发电机组总体及专项研究”等系列创新研究成果，并结合水电站水文、地质和枢纽布置条件，从乌东德水电站的工程开发对机组总体特性的要求、水轮机水力设计参数、结构特性和现场安装特点等方面开展了分析研究，从而得到如下水轮机总体技术特性。

（1） 对于水轮机的设计，采用基于“水轮机效率加权因子量化方法”的综合转轮开发设计方案。一方面，该设计方案可以适应水头变幅大及尾水拓挖潜能利用的要求，提高巨型水轮机运行的水力稳定性;另一方面，又兼顾了优秀的加权效率指标及低水头大开度超出力发电的效益。

（2） 水轮机模型试验数据表明：能量特性、空化特性和稳定特性优良，不存在高水头高部分负荷时的特殊压力脉动。

（3） 乌东德水电站转轮选用地下联合转轮加工厂加工的方案，满足年产6台转轮和下机架，每4个月同时交货2台转轮和下机架的进度要求。

（4） 采用安装强度指标、2机1组小间隔来加快整体装机的进度，比可研时全部机组投产时间提前了8个月，多获得百亿千瓦时左右的施工完建期电量效益。

（5） 在低水头下，机组即可超发出力、带850 MW额定负荷进行调试试验。电站投产发电以来，机组运行稳定，各项运行参数均满足设计要求，指标优良。

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（编辑：赵秋云）

Analysis on overall technical characteristics of 850 MW turbine of Wudongde Hydropower Station

LI Ling，WANG Huajun，ZHENG Taoping，CHEN Dongbo

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

Abstract：

The single-unit capacity of the hydro-generator unit in Wudongde Hydropower Station is 850MW，ranking the second in the world，and it is characterized as complex operating conditions and difficult design and installation.In order to solve the above technical problems，a large amount of analysis and research work were carried out on the operating conditions，hydraulic design，structural characteristics，and on-site processing and installation of the turbine in combination with the engineering characteristics，so the excellent turbine design parameters were obtained.At the same time，by conducting special research，a comprehensive runner development method based on the ‘quantification method of hydraulic turbine efficiency weighting factor，a design scheme of underground joint runner processing plant，and a method to advance the installation progress of the unit based on the installation strength index were put forward.The research results had provided a guarantee for the smooth commissioning of the Wudongde Hydropower Station units，promoted the progress of the industry′s science and technology，and obtained significant social and economic benefits，which can provide reference for the design of giant turbines in the future.

Key words：

runner development and design;underground joint runner processing plant;giant Francis water turbine;unit installation;Wudongde Hydropower StationAAB27C9B-372A-463D-873F-73948A0DBD64