风光水多能互补混流式水轮机全负荷范围稳定经济运行设计

张军智，何振忠，王子瑞，苑连军，段宏江

(1.中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，西安 710065;2.青海黄河李家峡发电分公司，青海 坎布拉 811999)

0 前 言

随着近年来青海省太阳能发电、风力发电的大力发展，李家峡水电站承担调峰及备用任务更加突出，水电站机组的运行方式已由传统运行方式逐步转变为配合风光水多能互补的新型运行方式，即灵活调节出力以平抑风光等出力的波动性。在此背景下，李家峡水电站水轮机需适应风光水多能互补的运行方式，并要求长时间运行在低负荷甚至超低负荷工况。同时，李家峡水电站4台机组自投运以来，转轮叶片相继发生不同程度的裂纹，虽经反复修补仍未得到根本解决，叶片裂纹仍然发生。机组每年的2次C级检修均需对转轮裂纹进行补焊处理，转轮叶片裂纹的存在和重复发生是影响电站机组安全稳定运行的最主要因素，电站决定对水轮机转轮进行改造以彻底解决转轮裂纹问题。基于此，为了实现李家峡水电站水轮机转轮改造目标，解决转轮叶片裂纹问题，还需在此基础上扩大水轮机的稳定运行范围，实现水轮机全负荷范围稳定经济运行，即实现水轮机在0～100%全负荷范围稳定经济运行且不发生裂纹,以满足风光水多能互补运行的要求。

本文依托李家峡水电站水轮机转轮改造工程，对风光水多能互补混流式水轮机全负荷范围稳定经济运行设计进行总结，旨在提出风光水多能互补混流式水轮机全负荷运行的水轮机转轮改造设计关键点，为风光水多能互补运行水电站水轮机设计提供借鉴。

1 风光水多能互补运行中水电站功能发挥

风光水多能互补运行中水电站功能发挥(混流式水轮机0～100%全负荷范围稳定经济运行由来)。

1.1 李家峡水电站水轮机转轮裂纹情况

李家峡水电站是黄河上游龙羊峡-青铜峡河段规划的第三座大型梯级电站。电站共设计安装5台混流式水轮发电机组，单机容量400 MW，总装机容量2 000 MW。目前装机4台，预留1台。李家峡水电站与西北330 kV电网联网，主供西北四省，在系统中担任调峰、调频任务。

李家峡水电站1号、2号、3号、4号机组分别于1997年2月、1997年12月、1998年5月、1999年12月投产。自1997年2月首台机正式并网投入运行至今，4台机组转轮叶片相继发生不同程度的裂纹，裂纹发生部位主要集中在叶片出水边与上冠连接焊缝处，叶片出水边与下环连接焊缝处也出现过裂纹，裂纹多为贯穿性裂纹。多年来，相关单位从材料、焊接工艺、模型和真机尾水管压力脉动及转轮动力响应等方面作了大量的分析和试验工作，分析了裂纹原因。相关单位亦进行了多次修复工作，但在后续的检查中，仍有裂纹出现，各台机裂纹情况也有所不同。转轮裂纹问题多年来一直未得到根本解决，很多叶片经过多次返修焊接，叶片材料及焊接性能不断降低，部分叶片裂纹反复出现，甚至发现转轮叶片有掉片现象，机组的安全稳定运行已经受到严重的威胁。水轮机转轮裂纹已成为制约李家峡水电站安全稳定运行的重大设备隐患。

1.2 配合新能源运行的现实需求

图1和图2为李家峡水电站某一台水轮机2个典型日内的负荷变化情况。从中可以看出，一天内的负荷变化呈现高频率、大变幅的特点。随着近年来青海省太阳能发电、风力发电的大力发展，在进行李家峡水电站转轮改造解决裂纹问题的同时，必须考虑以后电站经常“水光互补”、“水风互补”的现状，即电站的运行方式已转变为配合风光水多能互补运行方式的新问题。转轮裂纹问题的解决是当前电站安全稳定运行最重要的研究课题，而电站新的运行方式及特点，又是保证机组运行稳定性、解决转轮裂纹问题的难点所在。李家峡水电站转轮改造的任务就是在解决转轮裂纹的基础上尽可能扩大水轮机的稳定运行范围，能实现水轮机全负荷范围稳定经济运行，即实现水轮机0～100%全负荷范围稳定经济运行且不发生裂纹,以满足风光水多能互补运行的要求。

图1 李家峡水电站调频数据

2 混流式水轮机0～100%全负荷范围稳定经济运行设计关键点

李家峡水电站转轮改造的难点是解决转轮裂纹问题，而电站配合新能源互补的新运行方式及特点，又是保证机组运行稳定性、解决转轮裂纹问题的难点所在。在李家峡水电站转轮改造设计中，要实现在水轮机转轮不发生裂纹的基础上实现水轮机0～100%全负荷范围稳定经济运行，涉及到两个重点问题：一是寻求李家峡水电站转轮裂纹成因；二是寻求李家峡水轮机转轮改造设计关键点并提出解决思路。

图2 李家峡水电站调频数据

2.1 李家峡水电站水轮机转轮裂纹成因分析

李家峡水电站转轮裂纹历时时间长、裂纹问题严重、裂纹成因复杂。为探讨裂纹成因，有关单位进行了部分的试验研究工作，进行了1号机组水轮机转轮叶片动应力测试等试验。从目前已知的水轮机转轮叶片裂纹的事例来看，叶片裂纹产生的主要原因应该是疲劳破坏，也就是动应力作用的结果。产生动应力的原因主要包括卡门涡、周期性脱流、尾水涡带振动、转轮进口的压力脉动和动静干扰等水动力作用，也可能包括机械不平衡或者电磁力的作用。但对于一台具体的机组，究竟是哪一种因素引起的动载荷是主要因素，该载荷引起的应力幅值又有多大，却很难判断，需通过详细的分析和试验等进行判断。在目前尚不能对动应力进行准确数学计算的情况下，开展真机实测几乎是掌握转轮叶片在运行状态下的动应力状况的唯一途径。

为了解李家峡转轮叶片裂纹成因，对转轮叶片进行了动应力测试，以掌握在各运行工况下的动应力和静应力水平分布情况及动应力的频率特征，以判别各因素对动应力的影响，从而分析裂纹成因。根据测试结果，在各稳定工况下，从各测点和各工况的数据分析，动应力幅值最大的几个频率分别是41.7、1.6、2.1 Hz，这分别是20倍转频、类转频和转频。影响最大的应力数据见表1。

从上表1可知，其中41.7 Hz的应力,其频率为20倍的转频，李家峡水电站活动导叶数为20个，活动导叶对转轮叶片的干扰所引起的动应力频率就是20倍转频，从原理上分析，此频率应力应该为活动导叶出口处的周期性速度分布引起的“动静干扰”引起。频率为1.6 Hz的动应力为受涡带影响而发生的类转频引起，频率为2.1 Hz的动应力为转频引起。稳定工况下，动应力通频幅值大体上等于上述3个分频值(41.7、1.6、2.1 Hz)的和，说明其它因素所产生的动应力幅值较小。测量中没有卡门涡、叶道涡等因素所引起的动应力。说明这些因素所引起的动应力幅值较小，这些因素不是产生裂纹的主要原因。

表1 影响最大的应力数据

综合以上各点,其中频率为41.7 Hz的动应力，其分布范围广、幅值大、频率高，是造成李家峡水电站转轮叶片裂纹的主要原因。故李家峡水电站转轮裂纹是在叶片上较高的残余应力叠加实测的静应力，在交变的动应力作用下产生的疲劳裂纹。

国内外很多混流式水轮机在运行中出现不同程度的转轮裂纹，纵观各电站裂纹情况，转轮裂纹产生的原因各不相同且原因非常复杂。以上仅基于已做的试验研究分析推断李家峡转轮裂纹成因，考虑转轮裂纹成因的复杂性及李家峡水电站的具体特点，还需组织召开行业内专家研讨会，以进一步明确李家峡转轮裂纹成因及提出解决措施。

2.2 水轮机转轮改造设计关键点

2.2.1水力设计边界条件、水轮机运行加权因子

为开发出符合李家峡水电站实际运行情况的水轮机，有必要对水轮机加权因子进行研究以指导水轮机水力设计。以往电站水轮机加权因子主要基于水轮机稳定运行范围为相应水头下保证功率的45%～100%，按照水能计算发电量最大而确定，而随着光伏、风电等新能源的发展，水轮机运行方式发生了变化，水电站已由发电最优转向调能最优这一现实需要，水轮机实际运行范围不是仅限于相应水头下保证功率的45%～100%，对此种情况的水轮机运行加权因子如何确定尚没有研究先例，为此基于实际运行情况的统计设计法来寻求李家峡水电站水轮机运行加权因子。以各机组长系列运行资料为前提，建立了基于数理统计的水轮机运行加权因子计算模型，将各机组的出力和水头进行分区、筛选、组合，构建联合分布函数，采用统计方法获得每种组合的样本数，与总样本数的比值即为各机组在不同出力、水头区间内的加权因子。

在设计过程中，共收集了李家峡水电站2014—2016年小时尺度运行资料，主要包括小时尺度的发电流量，上下游水位，单机出力资料。同时考虑随着青海大量光伏电站及新能源电站投入运行，李家峡水电站承担的角色逐步发生了变化，为了充分研究分析光伏电站运行对李家峡水电站的影响，本次研究将李家峡水电站的运行分成3个时段，分别是无光伏影响时段(2000—2012年)，弱光伏影响时段(2013—2014年)，强光伏影响时段(2015—2016年)，其中2015年和2016年电站实际运行情况类似于未来电站的运行模式，比较有代表性。李家峡水电站水轮机运行加权因子对比结果如图3所示。

结合青海目前光伏发电、风力发电等新能源的发展及将来李家峡水电站运行模式的预估，论证适合于李家峡水电站实际情况的水轮机运行加权因子，并与改造前水轮机运行加权因子进行对比，如图4所示。

从图3和图4可知，随着青海光伏、风电等新能源的不断发展和逐步扩大，李家峡水电站水轮机运行加权因子发生了大的变化，随着青海光伏、风电等新能源的持续快速发展，电站水轮机运行方式基本上是白天较小的出力，夜间较大的出力，水轮机运行加权因子分布呈现0～100%全负荷范围分布、权重大的负荷主要分布在低负荷和高负荷区。基于电站实际运行情况并预估将来适应风光水多能互补的运行方式，通过统计设计法寻求电站将来的水轮机运行加权因子，明确水轮机水力设计的方向和重点，从而指导李家峡水电站水轮机转轮改造水轮机设计，是本项目设计的关键因素。

图3 李家峡水电站水轮机运行加权因子对比

图4 李家峡水电站水轮机运行加权因子对比

2.2.2水轮机0～100%全负荷范围内稳定经济运行设计关键点

李家峡水电站水轮机转轮改造设计是在水轮机转轮不发生裂纹的基础上实现0～100%全负荷范围稳定经济运行，转轮的防裂纹设计是水轮机设计工作的重点内容之一，防裂纹设计的主要原则是转轮要具有足够的疲劳强度和抗裂纹扩展能力。因此，预防转轮裂纹主要应从水力设计、结构设计、振动、材质、制造工艺以及运行工况等诸多方面进行考虑。随着国内外加工制造水平的提高，在材质和制造工艺方面均有大的发展，主要关键点集中在水力设计和结构设计中。李家峡水电站转轮改造设计实现了水力设计与结构设计的结合。图5为水轮机水力设计基本流程。

图5 水轮机集成设计过程

水力设计的重点是在不改变机组原有流道及埋件的前提下，研究、开发、设计、制造出适用于电站实际运行工况的、在所有运行区域内转轮都不再发生裂纹、运行稳定性优良的新型转轮。主要进行了活动导叶和模型转轮的优化设计，对活动导叶翼型、个数、分布圆直径和转轮结构进行优化设计，并在消除卡门涡、预防叶道涡的同时，降低全负荷区压力脉动幅值。

结构设计与水力设计同步进行，设计过程中要求转轮叶片设计的最大静应力不得超过材料屈服强度的1/5(且不超过90 MPa)；考虑动应力时叶片计算的最大应力不应超过材料屈服强度的1/4，进一步量化应力考核标准，对水轮机结构设计指明方向。结构设计重点是进一步提高转轮的疲劳强度和抗裂纹扩展能力，对叶片出水边与上冠以及下环交接处进行局部加厚，施加降低应力的三角块；进行转轮疲劳强度分析和断裂力学评估分析，通过降低静应力水平，避免动静干涉和相位共振发生，降低压力脉动幅值来提高转轮的疲劳强度。

3 李家峡水电站水轮机转轮改造效果

在招标设计阶段，考虑李家峡水电站转轮改造难度大，为充分调动各潜在机组投标厂的积极性，将各设计关键点落在实处，按照“好中选优”的指导思想，李家峡水电站水轮机转轮改造招标采用带模型转轮同台对比的招标方式。经过近1 a的转轮模型研发，主机厂按照改造设计总体要求，开展活动导叶和转轮的研发，进行双列叶栅水力优化设计和通流部件CFD数值计算与优化设计，在此基础上进行模型装置和模型转轮的车间加工，依据模型试验结果重新修改优化水力设计和CFD计算，经过多轮次的厂内模型试验后选定最优方案。于2018年3月至5月在中国水利水电科学研究院水力机械实验室TP3试验台上完成了模型转轮同台对比试验。试验结果表明，3个同台对比厂家模型试验中，各项指标均满足招标文件要求，均能满足水轮机0～100%全负荷范围稳定运行，也间接促进了水力机械行业的技术进步。

图6 改造前后顶盖振动对比

图6和图7为李家峡水电站水轮机转轮改造前后真机运行顶盖振动和压力脉动的对比情况，从稳定性试验表明，在全负荷范围内顶盖振动、顶盖压力脉动、水导摆度和水车室噪音等指标与改造前相比明显改善(400 MW负荷下，改造前顶盖水平振动29.9 μm、垂直振动24.7 μm、压力脉动17.95 kPa，改造后顶盖水平振动13.54 μm、垂直振动13.95 μm、压力脉动15.76 kPa)。全负荷范围内转轮叶片最大静压力不大于82.5 MPa，动应力小于20 MPa，可以满足0～100%全负荷运行要求。

图7 改造前后顶盖压力脉动对比

李家峡水电站水轮机转轮改造首台机3号机组完成改造自2020年6月10日并网发电，机组运行方式为风光水多能互补的运行方式，截止至2021年1月7日C级检修已运行了4 882 h，经探伤检查未发现裂纹，实现了无裂纹的目标。李家峡水电站水轮机转轮改造工程主要目标是解决转轮叶片裂纹问题，为适应风光水多能互补的运行方式和机组长时间运行在低负荷甚至超低负荷的状况，水轮机转轮改造设计以安全稳定性为主，侧重于低负荷甚至超低负荷的稳定性，兼顾高负荷的效率，实现0～100%全负荷范围安全稳定运行。改造后的水轮机转轮的水力设计和结构强度表现出对风光水多能互补运行良好的适应性，极大提高了机组运行稳定性，全面提升了电站形象。

4 结 论

李家峡水电站转轮裂纹历时时间长、裂纹问题严重、裂纹成因复杂，困扰电站20多年，同时考虑我国新能源的大力发展，李家峡水电站转轮改造设计同时面临着风光水多能互补运行的要求，通过对风光水多能互补混流式水轮机全负荷范围稳定经济运行设计进行分析总结，得出结论如下：

(1) 李家峡水轮机活动导叶对转轮叶片的干扰所引起的动应力频率为41.7 Hz的动应力，其分布范围广、幅值大、频率高，是造成李家峡水电站转轮叶片裂纹的主要原因。转轮裂纹是在叶片上较高的残余应力叠加实测的静应力，在交变的动应力作用下产生疲劳裂纹。

(2) 从水力设计、结构设计、振动、材质、制造工艺以及运行工况等方面考虑，提升转轮的疲劳强度和抗裂纹扩展能力，实现裂纹预防。

(3) 以各机组长系列运行资料为前提，建立了基于数理统计的水轮机运行加权因子计算模型，将各机组的出力和水头进行分区、筛选、组合，构建联合分布函数，提出了适应电站实际运行情况、满足多能互补运行需要的水轮机运行加权因子分布设计方法。

(4) 为适应风光水多能互补的运行方式和机组长时间运行在低负荷甚至超低负荷的状况，水轮机转轮改造设计以安全稳定性为主，侧重于低负荷甚至超低负荷的稳定性，兼顾高负荷的效率，实现了0～100%全负荷范围安全稳定运行。

5 结 语

目前中国风光清洁能源大力发展深度改变了传统水电站水轮机运行方式，水电站已由发电最优转向调能最优，本文结合李家峡水电站水轮机转轮改造工程，对风光水多能互补运行水电站提出了设计思路和建议，对转轮叶片裂纹成因进行了总结分析，并在转轮改造设计中首次提出水轮机需满足0～100%全负荷稳定运行这一课题，给风光水多能互补运行下水电站水轮机设计提供了新的视角。李家峡水电站首台改造转轮为3号机转轮，2020年6月10日，3号机组完成改造，经72 h试运行，正式投产发电。截至2021年1月7日，3号机组已稳定运行了4 882 h，经C级检修，转轮未发现裂纹，并实现了0～100%全负荷范围安全稳定运行，改造后的转轮基本达到既定的目标。

为助力实现碳达峰、碳中和的目标，我国将构建以新能源为主体的新型电力系统，风电、光伏发电等新能源将大规模高比例发展。为平抑风光等出力的波动和促进风、光新能源的消纳，未来水电站水轮机运行方式将发生更为深刻的变化，风光水多能互补运行中水轮机实现0～100%全负荷范围稳定经济运行将成为现实选择。李家峡水电站水轮机转轮改造虽取得了一些经验，但实现风光水多能互补运行中混流式水轮机0～100%全负荷范围稳定经济运行还需进一步深入研究。