水利工程：三峡左岸水轮机总体设计及合同实践

1、水利工程：三峡左岸水轮机总体设计及合同实践     作者：黄源芳简介：国内外机电行业历经数10年，特别是自上世纪80年代初期以来，对三峡左岸电站水轮机机组展开了大规模的研究、设计、制造、安装等工作，取得了重大突破。对1992年4月全国人大通过兴建三峡工程以来，三峡左岸水轮机的研究、招标采购和总体设计及合同实践作了简要回顾。关键字：水轮机，合同，三峡工程1前言中国三峡总公司从1993年9月成立依始，就在当年11月与三峡建委办公室、长江水利委员会一道组织了国内外大公司就三峡机组技术进行交流研讨。10年过去了，按照工程建设进度，迎来了三峡左岸第一批机

2、组并网发电的时刻。水轮机总体设计就是研究并依据其运行条件，论证与当今技术发展水平相适应的性能要求，并在此基础上量化为主要技术参数，包括性能参数和结构参数，对影响全局的重要部件的重要结构形式和材料以及特殊制造工艺进行设计。论证其适用标准包括设计标准、制造标准、验收标准等。在总体设计经审批后再进一步进行设备的招标设计。2运行条件（1）三峡左岸机组的运行条件，随着三峡工程不同蓄水位方案的论证、不同施工方案的比较、不同建设方案的评估结果不同而异。三峡左岸水轮机最终运行条件的确定，是依据国务院审定的长江三峡水利枢纽建设方案，即“一级开发、一次建成、分期蓄水、连续移民”，按照三期导流的施工方案建设，即在开

3、工建设后的第11年利用已建成的左岸大坝和右岸碾压混凝土围堰挡水的条件下实施左岸电站第1批机组发电，初期发电蓄水位为135.0m，以后随着泥沙研究和移民进展，水库蓄水位再提高到156.0m，最终正常蓄水位为175.0m。左岸水轮机的运行条件，既要适应初期蓄水位较低时的安全发电要求，又必须适应最终在高蓄水位长期运行的安全经济运行要求。象三峡这样大型混流式水轮机必须在正常蓄水位变幅达40m条件下运行，这是前所未有的，这也是三峡左岸电站不能改变的运行条件。（2）三峡电站的尾水与电站下游40km的迳流式葛洲坝电站相接，两梯级电站的联合调度涉及汛期防洪安全、长江航运和综合发电效益。葛洲坝电站正常蓄水位66

4、m，正常消落最低至6263m，三峡电站下游水位还受长江来水量的影响。这样，三峡左岸电站水轮机设计采用的运行水头范围为61113m（表1）。长江是中国第一大河，水量丰沛。坝址多年平均水量4500亿m3，水库库容为393亿m3，汛期大量弃水。由于左岸电站运行条件的特殊性，根据水轮机特性和动能经济比较，三峡电站运行水头的分布出现了“非典型状态”，而一般运行水头会比较集中在某一范围，只有一个集合点（区），而三峡运行水头比较集中在高低水头两个区。对典型的水头分布，比较适合叶片不能调节的混流式特点。非典型的水头分布，一般宜采用叶片可调节的转浆式、斜流式水轮机。但经多年研究，对三峡这样的大型机组，采用叶片调

5、节的水轮机是不现实的。这样就大大增加了左岸电站水轮机的设计难度。实践证明，左岸电站水轮机的水力设计者正是由于逐步加深对这运行条件的认识，设计并经多次试验，推出了综合性能水平较高的左岸电站水轮机。3技术性能31水力特性水轮机的技术性能，主要体现在水力特性上，即能量特性（效率水平，电量大小）、空化性能（安装高程、维修周期）、稳定性能（叶道涡、卡门涡、尾水管内压力脉动）。模型水轮机与原型水轮机在能量、空化特性方面有一定的对应关系，而在稳定性能方面，原型水轮机稳定性涉及的顶盖振动、大轴摆度、噪音等与结构强度、刚度等机械要素有关的问题。国际水轮机界还未建立相应的比对关系。通过广泛的国内外技术交流及针对三

6、峡特点的研究，对三峡左岸水轮机的性能取得了共识。32比速系数K上世纪80年代水轮机最高已达到K2548，平均为K21002350的情况下，在国内实际电站运行中并未反映出K值低的水轮机运行就一定稳定。论证专家一致同意三峡电站左岸水轮机K2300。经过2002年对10个电站混流式水轮机的运行状况调研，表明机组在采取避开振动区运行后，与三峡左岸水轮机K值相近的水轮机运行状况，并不比其他K值较低的水轮机差，实际上其转轮损坏的程度，经过10年运行仍属最佳之列。选择K2300是合适的。33机组转速机组转速是总体设计中影响其技术性能、发电机设计及工程效益的重要条件，三峡左岸水轮机的转速主要集中研究71.4r

7、/min和75r/min两种方案。由于两者只相差3.6r/min，所以在影响其效率、发电量、空化性能、尾水管压力脉动、泥沙磨损方面差别并不大。而对发电机设计而言，75r/min方案对发电机电压无论采用20kV或18kV，定子采用空冷还是水冷，槽电流都比较合适。而71.4r/min只有采用发电机电压20kV、空冷方式时，槽电流才比较合理。而对机组重量的影响，71.4r/min与75r/min相比，每台机组重量增加约300t。所以左岸水轮机比较一致认为采用75r/min是合适的。但也有专家认为选用71.4r/min的K值和比转速会有所降低，即综合参数水平较低，有利于改善运行稳定性。这仅是理论上一种

8、分析，工程上的差异可能并不如此。34效率水平在计算机技术广泛应用于水轮机水力设计、性能预测、稳定性分析的情况下，效率水平有了很大提高。实践证明，三峡左岸水轮机明确水轮机模型最优效率不低于93%，原型水轮机最优效率不低于95.2%，以无弃水期的加权平均效率确定加权平均效率是合适的，设计和模型试验实践都证明能达到并高于这个性能要求，从而保证三峡发电量达到规划设计的发电量要求。35空化性能多少年来的经验表明，混流式水轮机在偏离设计工况时不可避免会出现叶型空蚀破坏。水轮机运行维护中一项极其重要的工作就是对空蚀破坏的部位进行处理，补焊并修复叶型。三峡水轮机能否做到在正常运行区域范围内无空化运行，无空化运

9、行的技术能否应用到大水轮机上经过研究分析，结论是肯定的，总体设计中的结论是：在已设定的安装高程（57.0m）和设计吸出高度（5.0m）条件下，在正常运行区域（高水头下70%100%负荷范围内）内不出现空蚀破坏，即空化限制线不在正常运行范围内。经过模型验收试验和共同努力，合同方全部满足该项技术要求。在运行实践中，还要密切观察在正常运行条件满足上述要求的情况下，是否有空蚀破坏发生。36稳定运行范围所谓稳定运行区域，就是机组在运行特性曲线上的这一区域运行时不会出现异常的振动、噪音等不稳定现象。在该区域的运行时间不受限制。由于混流式水轮机叶片不可调节的限制，其稳定运行范围不可能覆盖在整个水头范围内从零

10、负荷到满负荷的区域。三峡水轮机正常运行范围的确定，既要充分发挥水电机组运行灵活的特点，又要依据以往700MW机组过去运行的经验实例（如：美国大古力第三电厂的600MW和700MW机组，巴西巴拉圭伊泰普电站的700MW），保证机组的安全。因此，三峡左岸水轮机规定的稳定运行范围是：净水头在额定水头80.6m及以下，负荷为相应出力的70%以上。在净水头为80.6m至最大水头113m时运行负荷为额定出力的70%以上。国内水电站设计规范规定，机组稳定运行为各水头下出力的45%以上。水电站水质较好且水中含沙量少；其充分条件是通过模型验收试验预测真机在低负荷运行各项稳定性数值，并据此调整运行范围。10个电站

11、混流式水轮机运行状况调查表明，水轮机转轮叶片出现的裂纹破坏与较长时间低负荷或超低负荷有关运行有关。经过运行实践，10个电站对其混流式水轮机规定的运行范围最低负荷都高于45%，一般而言，象三峡左岸这样的运行条件，稳定运行范围最低限定在70%负荷是必要的。37稳定性能通常是指原型水轮机的运行稳定性能。原型水轮机的稳定性能是指水轮机固定部件的振动、转动部件摆度（径向振动）、与调速器和/或电网影响有关的出力摆动等。这些指标的大小直接与水轮机通流部件包括转轮的水力设计、结构机构设计有关。一般而言，无论是水力因素还是结构因素引起的振动（摆度），只要其值在规范和经验允许范围内就是安全的。因为这些具有外特征的

12、稳定性指标是可以用传统的方法测定的，是可以通过原型水轮机的在线监测或定期监测诊断系统给出的。近年来大型混流式运行的状况令人担扰，一方面是实际运行范围与合同规定的允许运行范围有较大变化，即较长时间运行在合同规定不允许或应限制（时间）运行的运行工况。另一方面是在这种运行条件下大多数机组的水轮机叶片或出现裂纹或受空蚀破坏。在1999年4月三峡总公司在北京召开的“三峡水轮机模型试验成果评审会”的会议纪要反映了国内专家对三峡水轮机稳定性的认识：“四个国际著名的水轮机公司经过不懈的努力研制开发的模型虽然达到了很高的水平，但仍未能使其压力脉动全面达到合同保证值。三峡水轮机水头变幅为61113m，最大水头与最

13、小水头之比达1.85倍，且负荷权重集中在高低两个水头段。这样特殊的运行条件加上混流式水轮机的固有特性，给三峡水轮机的水力设计带来很大的难度，补充见证试验再一次证实了这一点。专家们认为在此条件下要全面地达到合同中的压力脉动保证值是极其困难的。”实际上，过去大型混流式水轮机模型试验从未全面达到过合同保证值（见表2），只不过三峡左岸水轮机模型验收试验是第一个明确揭露这个问题而引起各方关注和震惊而已。表2只列出其中一项指标为例说明未满足合同要求而已。前述电站模型验收试验尾水管压力脉动值都没有全面达到合同保证值，都获得通过。道理很简单，因为IEC/TL4规定模型验收试验是在水轮机轴中心孔未进行自然补气的

14、条件下测定的。实际上模型试验时模拟自然补气后尾水管压力脉动都有所降低。原型水轮机轴中心孔都设有自然补气装置。总之，对稳定性的要求，首先是不允许出现以任何理由发生在任何运行工况下的共振，叶片高应力区的动应力加强观测并确认在允许范围内，在正常运行范围内不允许有害的叶道涡，有害的卡门涡发生，尾水管压力脉动值要求不应高于H7m，并有相应的辅助补气措施。4部件的总体设计部件的总体设计，主要目的是为业主和/或工程设计单位进行电站厂房总体设计所需的控制性参数，如蜗壳宽度、尾水管高度等。为给机组供货单位作为总图设计所需的控制性参数，如导叶高度，导叶分布周直径等。为招标文件编制反映业主意图的对主要部件的结构和材

15、料要求，如转轮是否整体或分半，是否采用不锈钢材料等。41与电站厂房总体设计有关的因素电站厂房的型式由枢纽布置的总体规划确定，电站厂房总体设计根据水轮机总体设计的要求而定。影响电站厂房主要尺寸的因素，如机组段尺寸、厂房长度和顺水流方向的厂房宽度、尾水管高度、水轮机安装高程等则由水轮机总体设计确定。三峡左岸电站为坝后式厂房，经过多种方案比较和与国内外厂家研讨的结果，从有利于改善水轮机性能包括稳定性能出发，尾水管高度和长度比常规的100m水头段的尾管尺寸要大，即采用h3.0D和L5.0D。尾水管高度（至导叶中心线计）为30m，长度为80m。国内外厂家推荐的三峡电站水轮机尾水管尺寸见表3。机组段尺寸适

16、应充水打压试验的蜗壳又适应外包弹性层的需要，确定为34.325m。详见表3。水轮机安装高程一般宜在工厂进行初步设计并经模型试验后才由工厂提出建议。但三峡左岸电站却需要在招标文件中作为一项已定条件提出，以便有利工程设计和施工。在综合权衡各方案的利弊之后，考虑到各公司水力设计的差异的影响，左岸电站水轮机Hs5m，相应于下游最低水位62m的水轮机安装高程为57.0m。三峡左岸电站的工程实践和左岸电站水轮机合同执行的实践证明，上述水轮机总体参数在水轮机合同签订前的确定，为工程设计和施工提供了方便，特别有利于位于左岸岸坡厂房部分的施工，为开工后第11个年头即2003年4台700MW机组发电奠定了坚实的基

17、础。上述水轮机总体参数值的确定，通过合同谈判落实和水轮机模型验收试验的观测，有力地保证了水轮机综合性能达到国际较高水平。特别是尾水管高度和长度比常规尺寸有所增加，在三峡左岸运行条件不利的情况，对尾水管压力脉动的改善起到重要作用。安装高程的确定，是基于下游最低尾水位62m这一条件，由于在电站实际运行时下游水位很可能比这要高，实际上也为电站运行留下安全裕度。对大型机组的总体设计，从有利于工程施工出发，在机组合同签订前，需明确水轮机总体设计控制参数时，必须从水轮机安全运行出发，为合同厂家进行水力设计和结构设计考虑，对其控制参数水平要留有足够余地。否则，当水轮机性能不能满足要求时，厂房设计和土建开挖木

18、以成舟，土建方案将难以改变，会给水轮机总体设计和安全运行留下“终身”遗憾。42与水轮机总图设计有关的因素除前述与电站厂房总图设计有关的蜗壳尺寸，尾水管尺寸以及水轮机安装高程（导叶中心线）以外，与水轮机总图设计有关的因素主要是，导叶高度、导叶中心分布圆直径以及水轮机坑直径等，这些都与转轮直径、机组转速等有关。三峡左岸电站水轮机转速经长期研究和比选，在71.4rpm和75rpm之间确定为后者。转轮直径在机组转速已定，机组额定出力700MW和水轮机额定水头80.6m已定的前提下可以由投标者自行决定。在研究三峡左岸水轮机稳定性能时，通过统计分析，一种意见认为通过提高额定水头，减少转轮直径，降低导叶高度

19、，当然也缩小导叶分布周直径，可以提高水轮机运行稳定性指标。一种意见认为三峡左岸电站水轮机模型验收试验已达到的稳定性能，优于已有大型水轮机的验收试验所达到的指标，原型水轮机的运行表现还有待观察。设计阶段提高额定水头，将使原型机增加汛期出力受阻的机会，而稳定性能是否能获得改善或有多大改进，还有待密切关注。43主要部件结构型式和材料要求在水轮机总体设计中，主要部件的结构型式及应用材料，直接关系到制造工艺、运输方式、工地条件以及价格水平等因素，所以对主要部件的基本尺寸、结构型式和应用材料必须进行全面研究设计，供业主和投标厂商优化决策，以指导相关工作顺利进行。水轮机主要部件为导水机构、转轮、主轴、顶盖、

20、座环等，在总体设计阶段都应有所研究，但重点应研究转轮、座环等。三峡左岸水轮机转轮的结构型式，曾比较过应用于美国大古力第三电厂水轮机，在现场将上冠、下环、叶片组焊成整体加工、退火然后在工地交付业主的方式。这种在电站工地组焊加工成整体的形式，在三峡电站多达26台转轮，每年交付4台的情况，经过论证是经济的、可行的。最终决定采用由供货方将整体转轮运输到电站现场的方式，一是国内哈电、东电已按在其工厂内用常规的加工方式进行大型车间改建的工作，如果在现场加工则其大型车间内的大型立车和大型桥机将无用武之地；二是三峡有非常有利的水运条件，国外设备可以海运至上海再沿长江运输到三峡工地，整体转轮重约450t，上海港

21、和三峡重件码头都可满足安全吊运转轮的要求。在三峡左岸14台水轮机合同执行过程中，VGS供货的6台转轮完全按原投标建议方案的分工，其中2台在加拿大GE水电公司制造，由蒙特利尔港直达上海。2台由伏依特巴西工厂将转轮叶片，上冠、下环分别加工完成，海运到上海希科公司，由希科公司在其车间内完成组焊、加工、退火等工序，然后由黄埔江码头驶入长江抵达三峡工地。最后2台东电公司在其车间内完成上冠、下环、叶片的加工、装配、退火、静平衡等工序，由大件运输公路驶达大渡河码头直接进入长江运抵三峡重件码头。在三峡断航期间，受影响的设备采用提前或推后交货等避开断航时段的方式进行。阿尔斯通供货的8台转轮，业主指定有3台分包给

22、挪威克瓦纳公司（并购后现为通用电气水电公司挪威公司）。这3台转轮曾希望采用质量更好的模压成型的叶片，合同中明确有模压叶片工艺技术转让的条款。但由于三峡左岸水轮机叶片的尺寸大无法实现，最终还是采用铸件叶片。由挪威克瓦纳租用哈电在葫芦岛的大件加工厂由克瓦纳负责将其加工好的上冠、下环在大件车间内完成组焊、加工、退火等工序，整体转轮由渤海经水路运抵三峡工地。其中3台转轮由法国阿尔斯通公司供货，合同规定整体转轮应在法国格勒诺布尔（Grenoble）加工完成，由公司运抵法国马赛港。在第三次设计联络会上，法方列出10多条理由说明难以按原承诺将整体转轮从格市运到马赛港。最终方案为在格市将叶片、上冠、下环分别加

23、工完成后公路运输到海边小城拉西约塔（LA?CIO），在车间内完成组焊、加工、退火等工序，利用大船厂船坞的起吊设备，海运到上海港。由于组焊工艺等原因，由阿尔斯通制造的3台转轮交货期已经滞后，分包给哈电制造的2台转轮，上冠、下环、叶片在哈尔滨工厂内分别加工完成后运到葫芦岛大件加工厂，在取得克瓦纳组焊加工的技术转让和操作工人具有加工实践以后，完成哈电自己供货的2台转轮在大件厂的工序不应存在什么问题。表4列出三峡左岸电站转轮与国内外大型电站转轮结构特征比较。转轮的材料应用是总体设计中重要一环。三峡左岸水轮机在水中有一定泥沙的条件下运行，下游葛洲坝转浆式水轮机叶片空蚀、磨损都较严重，且近年来国内外不锈钢

24、材料与20SiMn材料价差缩小，各方对转轮的上冠、下环和叶片全部采用不锈钢材料并无异议。大型不锈钢的上冠、叶片铸件，在合同执行实践中，需对阿尔斯通订购的重达180t的上冠不锈钢铸件，由于出现长达1m的贯穿性裂纹而被拒收的情况。14台转轮中多数叶片铸件存在合同规定必须拒收的缺陷，经过清除或补焊处理后经无损探伤检查质量均满足要求。个别叶片有较重大铸造缺陷位于主要受力部位，经补焊后探伤质量也满足要求。鉴于国内一些电站出现过叶片铸造缺陷，补焊后由于补焊金属与叶片母材并未熔化成一体，在较恶劣的运行工况下，运行中很快出现局部裂纹的教训，类似叶片只允许在运行中“监督使用，以观后效”。5验收试验和出厂检验水轮

25、机总体设计必须明确验收试验和出厂检验的项目、验收（检验）标准及预计检验的时间安排。因为这关系到供货方的设计进度、原材料和铸、锻件采购安排和交货进度，与工程总体进度息息相关。验收试验中最主要的是水轮机模型（目击）验收试验，出厂检验中最重要的导水机构组装试验和转轮出厂检验。51水轮机模型验收试验为了保证模型试验的客观、公正、可比性，根据目前的技术水平，验收试验一般规定在清水中进行，稳定性能试验规定在没有补气（自然补气和压缩空气补气）的情况下进行。长江水中含有泥沙，需研究这是否必要进行浑水试验以便更确切了解在含沙水流中能量、空化、稳定性能的变化和泥沙磨损的影响，但最终舍弃了进行这种试验的必要性。因为

26、浑水模型试验难以建立泥沙特性（浓度、粒径、成分、形状）和性能指标与原型水轮机相关参数之间的对应关系。三峡左岸电站水轮机模型验收试验共进行了5次。ALSTOM/KE分别在1998年8月、1999年元月和2000年8月进行了3次试验。第1次是按IEC的规定进行全面试验，第2次是采用不同形式的转轮泄水锥进行改善稳定性试验，第3次是按ALSTOM的结构要求进行全模拟试验，即转轮结构设计由负责水力设计的克瓦纳公司的传统结构，将转轮下迷宫环位置从其下环下部改变为由负责结构设计的ALSTOM的传统结构，即转轮下迷宫环位置置于下环的上部，以及这种改变导致转轮上冠、下环、叶片结构尺寸相应改变。VGS的模型验收试

27、验进行了两次，分别1998年8月在德国海登海姆市和1999年4月在加拿大蒙特利尔市进行，后者是在前者综合性能特别是稳定性能不能满足要求下进行的。两个集团最终模型验收试验都比第1次验收时有较大的改善。中国三峡总公司在两个集团的水轮机模型的能量综合特性、空化性能均满足了合同要求，但在某些运行区域的尾水管压力脉动幅值仍未达到合同保证值的情况下，考虑了两个集团已做了大量工作，并比以往任何电站所做工作以及验收次数多的情况，考虑到三峡机组制造进度要求，有条件接受这两个集团的模型试验。在需要进行新转轮设计时，以及在工程建设进度允许时，为了在同等条件下更确切了解各潜在投标者推荐的水轮机的稳定性能，也可以先进行

28、水轮机模型验收试验。52转轮出厂检验水轮机各主要部件制造过程中，转轮制造周期最长，转轮制造工艺最复杂，要求检验的项目最多。在水轮机总体设计必须明确其检验的内容。在转轮出厂检验以前，上冠、下环、叶片的制造质量已经过检验合格。组焊加工后整体转轮的加工已基本完成。转轮作为一个核心部件还需经过全面出厂检验。三峡左岸电站水轮机转轮出厂检验的内容，主要包括：（1）转轮制造过程文件的审查。对转轮各个部分（上冠、下环、叶片、上下止漏环、泄水锥）从设计图纸、设计变更、原材料采购铸造件质量、部件加工，到转轮组焊、无损探伤、热处理、精加工到整体静平衡等整个过程的文件作认真审阅，审阅文件是否完整，有关变更的依据，所有

29、质量检查文件是否都已签字，所有检查项目是否合格。（2）转轮与模型的相似性检查和转轮最终尺寸检验，主要检验依据是经过审批的图纸要求。主要检验叶片进出口边的型线误差、叶片进出口角的偏差以及诸如叶片与上冠、下环连接过渡圆弧的相似性等项目。这些项目的检验在转轮倒置时才便于检验。为了减少转轮翻转次数，加快制造速度，除两个集团第一台转轮外，其他都应供货方要求在制造过程中派员到车间用模板进行检查。转轮最终尺寸检查是目击验收的大项，共进行转轮上、下止漏环外径、转轮进出口直径、转轮总高、转轮各部高度、上冠联轴法兰及法兰孔的直径、进口节距、出口开度等共16项。这项工作的验收需要派出熟练的专业检验人员参加。（3）转

30、轮焊缝质量随机抽查。在听取制造商和驻厂检验人员的报告后，验收小组需对叶片与上冠、下环的连接焊缝质量进行抽查。这项工作由检验小组的无损探伤人员在制造商的配合下进行。分别对选定的2个叶片用PT和UT进行复查。根据叶片出水边较前运行中曾有出现裂纹的情况，也对2个叶片出水边的正压面和负压面500×1500mm的区域做PT抽查。（4）转轮外观最终检查。主要用肉眼和放大镜检查，用手触摸和粗糙度测试检查转轮表面的制造质量。往往能发现一些浅表裂纹、局部表面粗糙度不满足以及联接过渡圆角超标等问题。一经发现，厂家都予以打磨修复直到满足要求。在转轮涂漆或防锈涂层后，仍应对其涂层质量进行检查。（5）转轮静平衡试验。这是出厂验收中一项重要目击的试验。首先对静平衡原理、方法的合格性进行评估，目击初步静平衡的全过程，对初步平衡结果进行分析和商定配合的大小位置。应注意尽量减少配合的件数和配置与上冠焊接质量。直到不平衡力矩满足合同要求。由加拿大GE进行水力设计的云南大朝山电站1#机现场测试的结果，判断转轮叶片出口卡门涡频率与叶片固有频率耦合，引起叶片共振，卡门涡频率避开和消除共振破坏，叶片不再出现裂纹。VGS吸取大朝山的经验，经业