1 000 MW水轮发电机组研究新进展

程永权,胡伟明,邹祖斌,刘洁

(中国长江三峡集团公司,湖北省宜昌市,443002)

0 引言

金沙江下游河段规划中的乌东德、白鹤滩两电站即将动工建设,计划 2020年投产。基于三峡700 MW水轮发电机组引进、消化、吸收的经验和成果,三峡集团公司联合相关设计、制造、科研等单位,对 2电站装设单机容量1 000 MW机组的工程条件和设计制造的可行性进行了研究。本文对 1 000MW机组研究的新进展进行了总结,并指出了下阶段研究的重点方向。

1 概述

金沙江干流全长约3 500 km,天然落差约5 100m,水能资源十分丰富,是全国最大的水电能源基地之一,理论蕴藏量为 121 GW,其中经济可开发装机容量103GW,占长江流域的43.6%,全国水电经济可开发装机容量的 25.6%。金沙江下游河段水量大、落差集中,又是金沙江流域乃至长江流域水能资源最丰富的河段。在金沙江下游河段规划的4个水电梯级装机容量约为 38.2 GW,年发电量约1 700亿kW·h,是西电东送的重要电源基地。其中靠下游溪洛渡、向家坝电站正在建设,靠上游乌东德、白鹤滩电站也即将开工建设。乌东德、白鹤滩电站动能条件见表1。

表1 乌东德、白鹤滩电站动能条件Tab.1 Kinetic energy conditions ofW udongde and Baihetan power station

在预可研和可研阶段,对乌东德、白鹤滩电站装设单机容量1 000 MW水轮发电机组的必要性和可行性进行了论证,主要结论为:

(1)乌东德、白鹤滩水电站的动能指标和坝址情况具备了装设1 000MW机组的条件;

(2)增大单机容量,减少装机台数可减少开挖、浇注、安装等工程量,节省投资;

(3)加大单机容量,缩短完建期,提前投产发电经济效益和节能减排环保效益显著;

(4)减少装机台数有利于枢纽工程的总体布置和工程安全可靠性的提高;

(5)通过百万千瓦水电机组的研究、设计、制造,有利于推动我国水电装备的技术进步,同时该技术在国内外具有广泛的应用前景。

迄今为止,世界上水电机组最大单机容量为700MW。为论证百万千瓦水电机组的设计、制造和工程应用的可行性,从 2006年初开始到 2010年,中国长江三峡集团公司联合长江委设计院、华东水利电力勘测设计院、哈尔滨电机厂有限公司(以下简称哈电)、东方电机有限公司(以下简称东电)、中科院电工所等组成“科研联盟”,全面系统地开展1 000 MW机组设计制造及工程应用技术可行性研究,包括对乌东德、白鹤滩 1 000 MW水电机组可行性研究、机组总体技术研究、水力设计及模型试验、24 kV/26 kV发电机绕组绝缘研制、1 000MW水轮发电机组技术标准和规范研究等,取得丰硕成果。研究成果表明:立足国内技术,乌东德、白鹤滩 1 000 MW水轮发电机组设计、制造、运输是可行的,不存在大的制约因素。

2 1 000 MW水电机组研究过程和主要内容

1 000 MW机组研究工作依托乌东德、白鹤滩工程条件进行,课题研究总体上划分 3个阶段。

第1阶段:1 000 MW级机组在工程应用中可行性和经济合理性研究,该项工作于 2007年完成。

第2阶段:1 000MW机组总体研究和专项研究,主要论证1 000 MW水电机组是否具备设计制造运输能力。其中专项研究包括:乌东德、白鹤滩水电站1 000 MW水轮发电机组总体研究,水轮机水力设计及模型试验研究;24 kV/26 kV定子线棒绝缘技术及仿真试验研究;1 000MW水轮发电机组技术要求和规范研究。第 2阶段研究工作于 2010年完成并通过验收。

第3阶段:1 000MW级水轮发电机组创新研究,主要论证能否设计制造出技术性能更好的1 000MW级水轮发电机组。研究内容包括在前 2个阶段研究的基础上,针对1 000 MW水轮发电机组本身的制约因数和技术难点,开展新技术、新材料、新工艺的开发研究。第 3阶段研究工作即将正式启动。

3 1 000MW水电机组研究各阶段的结论成果

3.1 第 1阶段研究成果

(1)必要性。

乌东德、白鹤滩电站具备装设1 000 MW机组的动能、工程地质及枢纽布置、电力系统、机组设计制造等条件。为适应巨型电站开发,简化枢纽工程的总体布置、方便运行维护管理、节省投资,在乌东德、白鹤滩研究电站装设1 000 MW机组是必要的。同时,依托乌东德、白鹤滩水电站研制和发展1 000MW级水轮发电机组的关键技术,将有利于推动我国特大型水电设备设计制造技术的创新和发展,全面提升我国机械装备工业的竞争力。

(2)机电设备。

三峡右岸 700 MW机组转轮直径为 9.88和10.71 m,质量为440～473.2 t;乌东德1 000 MW机组水轮机直径约为9.6 m,质量约为435 t;白鹤滩1 000MW机组水轮机直径约为8.4m,质量约为335 t。乌东德、白鹤滩电站机组尺寸、质量与三峡机组相当,设计、制造、运输不存在重大制约因素。乌东德、白鹤滩1 000MW机组发电机额定电压要从目前的20 kV提高到24 kV,通过研究,1 000 MW水轮发电机组发电机额定电压提高到24 kV是可行的。此外变压器、高压配电装置设计制造已基本达到与 1 000 MW机组相配套的水平和能力。

(3)厂房开挖。

乌东德电站1 000 MW机组主厂房开挖尺寸为280m×32m×87.5 m,白鹤滩电站1 000 MW机组主厂房开挖尺寸为400m×31.5m×84.8 m,目前最大的三峡地下厂房开挖尺寸为309.8 m×31.0 m× 87.3 m。从地下厂房跨度而言,乌东德、白鹤滩电站略大于三峡电站。根据乌东德电站地下厂房洞室围岩稳定初步分析研究,厂房围岩应力、位移值以及塑性区范围在现有各大洞室中处于中等水平,稳定条件较好,白鹤滩电站地下厂房地质条件也较好,2电站装设1 000MW机组不存在大洞室群围岩稳定制约因素。

(4)枢纽布置。

乌东德电站装设 10×1 000 MW方案比装设12×833.3MW、14×714.3 MW方案进水口分别减小 30和 60 m,可较好地避免进水口不良地质带来的风险,有利于建筑物的布置,减小边坡的设计难度和风险。白鹤滩电站14×1 000 MW机组方案比装设16×875 MW、18×777.8MW方案,地下厂房洞室长度分别减小 19,39 m,对大型洞室群围岩稳定的不利影响将有所缓解。

(5)工期。

乌东德、白鹤滩电站1 000 MW方案与833.3MW (875MW)、714.3 MW(777.8 MW)方案相比。完建总工期更短,可分别提前4个月和 8个月完工,并可带来提前完工发电效益。

(6)投资。

乌东德电站10×1 000 MW的装机方案比14× 714.3 MW和12×833.3 MW方案可分别节省6.52亿元和2.46亿元。白鹤滩电站14×1 000MW方案较18×778MW方案静态投资节省约7.38亿元。

综上所述,乌东德、白鹤滩电站具备装设1 000MW水轮发电机组条件,在工程应用中不存在大的制约因素,具有较好的经济效益。

3.2 第 2阶段研究主要成果

3.2.1 1 000 MW水轮发电机组总体研究

哈电、东电根据乌东德、白鹤滩电站的条件,对机组进行了总体设计研究,主要结论如下。

(1)推荐参数。

乌东德1 000MW机组额定水头135m,在电站参数、机组参数分析和计算流体动力学(computational fluid dynamics,CFD)及模型试验优化的基础上,哈电、东电分别推荐乌东德电站1 000MW水轮发电机组采用机型分别为HLA1024-LJ-1007(A)和HLD530-LJ-995(B)两种机型,同步转速为83.3 r/ min,发电机电压等级为24 kV,冷却方式采用空冷(并联支路数8)或蒸发冷却方式(并联支路数6),如表2。

白鹤滩电站1 000 MW机组水轮机额定水头为202m,哈电推荐长短叶片转轮,水轮机型号HLA 1017-LJ-860(C),额定转速107.1 r/min。东电推荐常规叶片转轮,水轮机型号HLD545-LJ-845(D),额定转速111.1 r/m in。发电机电压等级为24 kV,发电机冷却方式采用空冷(并联支路数7)或蒸发冷却(并联支路数6),如表3。

表2 乌东德、白鹤滩电站2种推荐机型发电机参数Tab.2 Parametersof proposed generators for W udongde and Bahetan power station

表3 乌东德、白鹤滩电站2种推荐机型水轮机参数Tab.3 Parametersof proposed hydro-turbines for W udongde and Bahetan power station

(2)发电机电压。

哈电、东电分别试制了24 kV/26 kV定子线棒,并进行了型式试验和真实环境模拟实验,试验结果满足1 000 MW水轮发电机的要求。从乌东德、白鹤滩电站发电机电磁参数、结构、冷却方式等多种因素综合考虑,现阶段推荐发电机选择24 kV电压等级。

(3)发电机冷却方式。

三峡机组多数发电机定子主要采用水冷方式,哈电自主研发的空冷技术也在三峡 4台机组成功应用,中科院电工所和东电联合研发的蒸发冷却水轮发电机也即将在三峡地下电站上应用。哈电、东电经过分析研究,认为全空冷、蒸发冷却 2种方式均能满足1 000 MW机组的要求。基于各自的经验和优势,分别推荐全空冷和蒸发冷却方式。

中科院电工所负责1 000 MW机组蒸发冷却的仿真试验和计算,主要结论见表 4。

表4 1 000MW发电机蒸发冷却仿真计算结果Tab.4 Evaporation cooling simulation results for 1 000 MW generator ℃

空心导线实验和计算都是用的介质时ZXB-7 (沸点 55℃),汇流铜环用的是 ZXB-16(沸点47.6℃),仿真试验和计算未考虑通风的冷却效应,冷凝器按照零介质压力设计。

(4)机组结构设计。

在上述机型及机组参数的基础上,哈电、东电研究水轮机结构设计与 700 MW水轮机基本相同,由于电站水头较高,蜗壳钢板需要 94 mm厚钢板,座环钢板厚度达到320mm。发电机结构设计哈电采用了斜元件结构、东电采用常规结构,对全空冷机组,结构设计成立的基本条件是发电机磁轭钢板强度要达到750 MPa及以上。1 000MW水轮机转轮主要结构参数见表5。

表5 1 000MW水轮机转轮主要结构参数Tab.5 Main structural parameters for 1 000MW hydro-turbine runners

综合考虑水轮发电机组机参数分析、水力设计及模型试验、发电机24 kV/26 kV电压绝缘及仿真试验专题研究成果的技术支持,机组结构设计、刚强度计算、材料应用研究成果,总体研究结论是:乌东德、白鹤滩电站 1 000 MW水轮发电机组设计、制造可行,但对包括进一步提高机组性能,改善结构设计及应力水平,加强关键部件材料配套能力还需进一步研究(如厚蜗壳钢板及750MPa磁轭钢板)。

3.2.2 1 000MW水轮机水力设计及模型试验专题研究

乌东德水轮机水力设计及模型试验进行了HLA 1020、HLA 1024、HLD530-F13、HLD543-F15、D546-F15五种机型的优化研究。乌东德电站水轮机水力设计表明,流道水力参数合理、分布均匀,有利于机组高效稳定运行。水轮机模型试验结果显示,水轮机能量性能、空化性能、稳定性能良好。

白鹤滩电站水轮机水力设计及模型试验进行了HLA 1014、HLA 1017、HLD545-F15、HLD547-F15、HLD548-F15五种机型的优化研究。白鹤滩电站水轮机水力设计表明,流道水力参数合理、分布均匀,有利于机组高效稳定运行。水轮机模型试验结果显示,水轮机能量性能、空化性能、稳定性能良好。

3.2.3 24 kV/26 kV绝缘技术及仿真试验专题研究

哈电、东电24 kV/26 kV线棒采用的绝缘技术在绝缘材料、结构、工艺等方面均不相同,表 6列出了 2厂及 2个电压等级的绝缘技术的异同点。

哈电采用多胶模压的成型工艺,其24 kV/26 kV线棒主绝缘的厚度值较东电少胶真空压力浸渍线棒取值高,相应场强取值与东电相比较低。2种工艺线棒常规性能参数均能较好的满足本项目技术条件的要求。

在环境模拟试验方面,哈电24 kV/26 kV线棒的介损和局放均无明显增加;东电24 kV个别线棒则在试验后上述 2参数出现较大变化,为此东电进行了专门的分析,提出了相应的改进和补充试验措施。

表6 定子线棒 2种绝缘工艺比较Tab.6 Com parison between two insulation technologies of stator bar

综合而言,哈电的多胶模压和东电的少胶VPI绝缘技术均是成熟可靠的,2种方式下的 24 kV/ 26 kV线棒常规性能参数均能较好的满足本项目技术条件的要求。另外,哈电采用的绝缘技术方案和工艺能较好地适应环境模拟试验的要求,东电24 kV线棒则需要在绝缘结构、导线、工艺及场强参数取值等方面进行适当改进和调整,以满足环境模拟试验的相关要求。

3.2.4 《1 000 MW水轮发电机组技术标准和规范专》题研究

《1 000 MW水轮发电机组技术标准和规范》是在乌东德、白鹤滩电站1 000 MW机组总体研究和专项研究的基础上,参考国内包括三峡机组在内的巨型机组的应用经验上提出的,符合乌东德、白鹤滩电站具体条件及巨型机组设计、制造、安装、运行等方面的实际情况,可以作为今后1 000MW机组进一步研究的基本依据和参考。

4 需要进一步解决的研究问题

第 1、2阶段研究成果表明无论是工程的建设条件、工程设计、机组自身的设计和制造以及经济合理性等方面,乌东德和白鹤滩2电站采用1 000 MW级水轮发电机组是可行的。但是如何在上述研究成果的基础上,进一步提高1 000 MW级水轮发电机组的设计和制造技术水平,增加新技术、新工艺、新材料的创新含量,继续开展第 3阶段1 000MW级机组新技术、新工艺、新材料创新研究是非常必要的。研究重点初步拟定为:

(1)不同单机容量土建工程的可靠度研究;

(2)不同单量机组对电网系统稳定性影响研究(正在进行);

(3)1 000 MW机组大负荷、大瓦面积推力轴承及试验研究(正在进行);

(4)1 000MW全空冷发电机通风模型试验研究(正在进行);

(5)1 000MW蒸发冷却发电机冷却模型试验研究、新型冷却介质研究;

(6)1 000MW水轮机水力设计及模型试验优化研究;

(7)发电机定子低频振动的研究;

(8)轴系与机电耦合振动研究;

(9)推力轴承磁悬浮减载系统的调研;

(10)1 000 MW水轮机主要部件材料研究;

(11)1 000 MW发电机关键部件材料的研究;

(12)1 000 MW水轮发电机组附属配套设备研究。

5 结语

依托乌东德、白鹤滩电站工程进行百万千瓦机组的研究,具有重要的现实意义和较广阔的应用前景。乌东德、白鹤滩水电站具备装设1 000 MW水轮发电机组的条件,且技术可行,经济合理。从本阶段的研究成果来看,无论是总体技术研究、专项研究,还是技术标准的制定,都表明立足国内技术,乌东德、白鹤滩1 000 MW水轮发电机组总体设计和制造是可行的。通过第3阶段的研究,有信心进一步提高1 000 MW水轮发电机组的设计、制造。1 000 MW水轮发电机组的研究、设计、制造,并应用于乌东德、白鹤滩工程,必将进一步巩固我国水电行业在世界的领先地位。

[1]华东勘测设计研究院.金沙江白鹤滩水电站预可行性研究报告[R].杭州:华东勘测设计研究院,2004.

[2]华东勘测设计研究院.金沙江白鹤滩水电站装设百万机组可行性研究报告[R].杭州:华东勘测设计研究院,2007.

[3]长江勘测规划设计研究院.金沙江乌东德水电站装设百万机组可行性研究报告[R].武汉:长江勘测规划设计研究院,2007.

[4]中国长江三峡集团公司.大型混流式水轮发电机组调查总结报告[R].宜昌:中国长江三峡集团公司,2009.

[5]哈尔滨电机厂有限责任公司.金沙江白鹤滩 1 000MW机组水轮机水力开发报告[R].哈尔滨:哈尔滨电机厂有限责任公司,2009.

[6]哈尔滨电机厂有限责任公司.金沙江白鹤滩 1 000MW机组总体设计报告[R].哈尔滨:哈尔滨电机厂有限责任公司,2009.

[7]哈尔滨电机厂有限责任公司.金沙江乌东德 1 000MW机组水轮机水力开发报告[R].哈尔滨:哈尔滨电机厂有限责任公司,2009.

[8]哈尔滨电机厂有限责任公司.金沙江乌东德 1 000MW机组总体设计报告[R].哈尔滨:哈尔滨电机厂有限责任公司,2009.

[9]东方电机有限公司.金沙江白鹤滩 1 000MW机组水轮机水力开发报告[R].德阳:东方电机有限公司,2009.

[10]东方电机有限公司.金沙江白鹤滩 1 000MW机组总体设计报告[R].德阳:东方电机有限公司,2009.

[11]东方电机有限公司.金沙江乌东德 1 000MW机组水轮机水力开发报告[R].德阳:东方电机有限公司,2009.

[12]东方电机有限公司.金沙江乌东德 1 000MW机组总体设计报告[R].德阳:东方电机有限公司,2009.