周霖

（國(guó)電大渡河瀑布溝水力發(fā)電總廠，四川 漢源 625304）

瀑布溝電站600 MW水輪發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

周霖

（國(guó)電大渡河瀑布溝水力發(fā)電總廠，四川 漢源 625304）

介紹了瀑布溝電站600 M W水輪發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和體會(huì)。

機(jī)組結(jié)構(gòu)；特點(diǎn)；體會(huì)

1 概況

水輪機(jī)、發(fā)電機(jī)主要參數(shù)分別見(jiàn)表1和表2：

表1 水輪機(jī)主要參數(shù)

瀑布溝水電站是大渡河干流水電梯級(jí)規(guī)劃的第17級(jí)電站，壩址位于大渡河中游、尼日河匯口上游覺(jué)托附近，地跨四川省西部漢源縣和甘洛縣兩縣境內(nèi)。電站采用壩式開(kāi)發(fā)，是一座以發(fā)電為主，兼有防洪、攔沙等綜合利用效益的大型水電工程。該電站按“無(wú)人值班，少人值守”進(jìn)行設(shè)計(jì)，全地下廠房。供四川電網(wǎng)，主要送電方向?yàn)槌啥己痛ㄎ鞅钡貐^(qū)，采用500 kV電壓等級(jí)接入系統(tǒng)。電站出線6回，其中4回至眉山東坡500 kV變電站，線路長(zhǎng)約171 km；1回接深溪溝水電站，線路長(zhǎng)約25 km；備用1回。

電站攔河大壩采用礫石土心墻堆石壩，大壩最高186 m。水庫(kù)正常蓄水位850.00 m，汛期運(yùn)行限制水位841.00 m，死水位790.00 m，消落深度60 m，總庫(kù)容53.37億m3，其中調(diào)洪庫(kù)容10.53億m3、調(diào)節(jié)庫(kù)容38.94億m3，為不完全年調(diào)節(jié)水庫(kù)。電站分二期蓄水，一期水位790.00 m，二期水位850.00 m。

電站采用6臺(tái)單機(jī)容量600 MW的混流式水輪發(fā)電機(jī)組，其中2號(hào)、4號(hào)、6號(hào)水輪機(jī)由東方電機(jī)廠（以下簡(jiǎn)稱“東電”）生產(chǎn)，1號(hào)、3號(hào)、5號(hào)水輪機(jī)由GE公司生產(chǎn)，1號(hào)～6號(hào)發(fā)電機(jī)由東電生產(chǎn)?？傃b機(jī)容量3 600 MW，最大水頭181.7 m，最小水頭114.3 m，額定水頭 156.70m（2號(hào)、4號(hào)、6號(hào)）/154.60m（1 號(hào)、3 號(hào)、5 號(hào)），保證出力 916 MW，多年平均年發(fā)電量147.9億kW·h。

6 號(hào)、5號(hào)機(jī)組分別于2009年12月13日、23日投入運(yùn)行。自投運(yùn)以來(lái)，兩臺(tái)機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定。

2 水輪發(fā)電機(jī)組主要參數(shù)

表2 發(fā)電機(jī)主要參數(shù)

瀑布溝電站運(yùn)行水頭范圍為114.3～181.7 m，根據(jù)目前瀑布溝電站的水頭參數(shù)和模型試驗(yàn)情況，其

3 水輪發(fā)電機(jī)組主要結(jié)構(gòu)介紹

3.1 水輪機(jī)結(jié)構(gòu)形式

（1）額定水頭選擇和機(jī)組最大容量設(shè)計(jì)簡(jiǎn)述

瀑布溝電站水頭較高（Hmax=181.7 m），最大水頭與最小水頭之比達(dá)1.590，額定水頭與最小水頭之比達(dá)0.815，水頭變幅達(dá)67.4 m，單機(jī)額定容量600 MW，機(jī)組尺寸大，相對(duì)剛度較低，機(jī)組高水頭運(yùn)行穩(wěn)定性較差。

額定水頭是水輪機(jī)發(fā)額定出力的最小水頭，為了提高水輪機(jī)的平均效率和運(yùn)行穩(wěn)定性，一般選擇額定水頭接近或等于電站加權(quán)平均水頭的0.9～1.0倍來(lái)看，瀑布溝電站額定水頭選擇在148 m以上，最終定為148 m。

近十年來(lái)，在投運(yùn)的轉(zhuǎn)輪直徑6 m以上、功率在250 MW至700 MW的水輪機(jī)，設(shè)計(jì)制造廠家均采用了先進(jìn)的水力設(shè)計(jì)和剛強(qiáng)度設(shè)計(jì)方法，但大多數(shù)都發(fā)生了不同程度的壓力脈動(dòng)和振動(dòng)問(wèn)題，有的在運(yùn)行初期就出現(xiàn)嚴(yán)重的轉(zhuǎn)輪裂紋。國(guó)外的大型水輪機(jī)在偏離設(shè)計(jì)工況時(shí)也出現(xiàn)不穩(wěn)定的水力振動(dòng)現(xiàn)象，影響了機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。為吸取國(guó)內(nèi)外大型水輪機(jī)的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，在技術(shù)方面看重的是高水頭區(qū)機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行，以減少風(fēng)險(xiǎn)。

設(shè)置機(jī)組最大容量，可改善高水頭運(yùn)行工況的穩(wěn)定性，使高水頭時(shí)水輪機(jī)出力與發(fā)電機(jī)容量更匹配，充分發(fā)揮水輪機(jī)性能。為了增加導(dǎo)葉開(kāi)度，減少尾水管壓力脈動(dòng)，改善水輪機(jī)高水頭運(yùn)行的穩(wěn)定性，設(shè)置機(jī)組最大容量是必要的。當(dāng)然機(jī)組最大容量設(shè)置應(yīng)滿足水輪機(jī)高水頭下的穩(wěn)定運(yùn)行為前提，盡量選擇較小的發(fā)電機(jī)最大容量，以降低制造難度，節(jié)約投資。在水輪機(jī)最高效率點(diǎn)附近為無(wú)渦的穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)，無(wú)渦區(qū)附近有較寬的調(diào)節(jié)范圍，有利于機(jī)組承擔(dān)調(diào)峰和負(fù)荷分配。

（2）水輪機(jī)圓筒閥設(shè)置

大渡河屬多泥沙河流，水質(zhì)中沙粒粗，粒徑大，中值粒徑達(dá)0.024 mm。夏天堅(jiān)硬沙量占沙量的30%～45%。根據(jù)同河流上龔嘴電站30多年的運(yùn)行情況，這種沙粒對(duì)水輪機(jī)、過(guò)流部件的危害性相當(dāng)大，可能造成機(jī)組開(kāi)停機(jī)困難的后果。同時(shí)，瀑布溝電站單機(jī)容量大，水頭較高，水頭變幅大，導(dǎo)葉出口流速達(dá)16～30 m/s，機(jī)組停機(jī)時(shí)導(dǎo)葉端面間隙的水流速達(dá)40～60 m/s。為了消除導(dǎo)葉漏水，減少水輪機(jī)部件磨損，有效防止機(jī)組飛逸和縮短充水時(shí)間及機(jī)組運(yùn)行靈活性，適應(yīng)電站在電網(wǎng)系統(tǒng)中調(diào)峰和調(diào)頻的要求，瀑布溝電站水輪機(jī)設(shè)置圓筒閥是必要的。

（3）水輪機(jī)座環(huán)和固定導(dǎo)葉

瀑布溝電站座環(huán)共分2瓣到貨，現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行整體拼裝、焊接、調(diào)整。座環(huán)按蝸殼現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行水壓試驗(yàn)和投運(yùn)后安全承受上部機(jī)墩混凝土結(jié)構(gòu)和機(jī)組重量的要求設(shè)計(jì)和制造。座環(huán)由上、下環(huán)板與固定導(dǎo)葉組成。上、下環(huán)板采用優(yōu)質(zhì)的ASTMA516MGrade.485焊接制成，環(huán)板厚度不低于210 mm。固定導(dǎo)葉采用16Mn實(shí)心鋼板制成，過(guò)渡板采用HITEN610U2鋼板制成，部分固定導(dǎo)葉出水邊應(yīng)設(shè)置經(jīng)機(jī)械加工用于對(duì)圓筒閥運(yùn)動(dòng)進(jìn)行導(dǎo)向的導(dǎo)軌，上環(huán)板以上的相應(yīng)位置至少設(shè)有1/3圓筒閥高度的導(dǎo)軌。

（4）蝸殼

蝸殼采用鋼板焊接結(jié)構(gòu)，蝸殼的材料選用ADB620鋼板制作。蝸殼應(yīng)包括進(jìn)口延伸段及湊合節(jié)段，蝸殼上部外面設(shè)置彈性層，同時(shí)蝸殼焊接完后使用專用堵頭進(jìn)行耐壓試驗(yàn)，并進(jìn)行保壓澆注混凝土至設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求。它與蝸殼X＇-X＇（蝸殼X＇-X＇與廠房X-X軸線成順時(shí)針?lè)较?9°夾角）軸線距離約為10.0 m的壓力鋼管在現(xiàn)場(chǎng)焊接，壓力鋼管與蝸殼進(jìn)口延伸段采用漸變相連。蝸殼應(yīng)在不考慮與混凝土聯(lián)合受力條件下能單獨(dú)承受最大內(nèi)水壓力 （含水擊壓力）2.45 MPa和靜水試驗(yàn)壓力3.675 MPa。蝸殼上設(shè)置一直徑不小于Φ600 mm的外開(kāi)鉸接式進(jìn)人門(mén)。為便于排出壓力鋼管和蝸殼內(nèi)的積水，在蝸殼最低高程處設(shè)1個(gè)直徑Φ400 mm的錐形排水閥，采用油壓操作，積水經(jīng)排水閥、管道排至尾水管。

（5）導(dǎo)水機(jī)構(gòu)

導(dǎo)水機(jī)構(gòu)設(shè)置24只導(dǎo)葉用于控制和引導(dǎo)水流到水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪，導(dǎo)葉采用焊接性能良好的ZG06Cr16Ni5Mo不銹鋼整體鑄造。

底環(huán)和基礎(chǔ)環(huán)材料為Q235—B，采用鋼板焊接分瓣結(jié)構(gòu)，底環(huán)和基礎(chǔ)環(huán)預(yù)留有補(bǔ)壓縮空氣的管口。底環(huán)和頂蓋通過(guò)螺栓固定在座環(huán)的上下平面上，作為機(jī)組中心的座環(huán)上下鏜口及與底環(huán)、頂蓋組合面在現(xiàn)場(chǎng)加工。底環(huán)、頂蓋和導(dǎo)葉在現(xiàn)場(chǎng)預(yù)裝進(jìn)行同鉸定位銷孔和螺栓孔。

操作機(jī)構(gòu)由導(dǎo)葉、拐臂、連桿、連桿銷、控制環(huán)等組成。導(dǎo)葉和拐臂之間由2個(gè)錐銷傳遞控制環(huán)的操作力矩，同時(shí)拐臂與頂蓋之間設(shè)有自潤(rùn)滑的導(dǎo)葉止推環(huán)。連桿設(shè)有雙夾板的偏心銷結(jié)構(gòu)，以彌補(bǔ)各連桿之間的加工誤差。在頂蓋上設(shè)有雙向?qū)~限位塊，防止導(dǎo)葉剪斷銷剪斷后撞擊相鄰導(dǎo)葉。

（6）頂蓋

瀑布溝電站2號(hào)、4號(hào)、6號(hào)機(jī)組頂蓋由東電制造，1號(hào)、3號(hào)、5號(hào)機(jī)組頂蓋由GE公司制造，頂蓋用來(lái)支撐水輪機(jī)導(dǎo)軸承、水輪機(jī)軸封、圓筒閥和圓筒閥操作機(jī)構(gòu)。頂蓋采用鋼板焊接結(jié)構(gòu)，主要材料為ASTMA36M，分兩瓣運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)組裝，圓筒閥接力器、水輪機(jī)導(dǎo)軸承和檢修密封裝置、主軸密封裝置和導(dǎo)葉控制環(huán)安裝其間。頂蓋內(nèi)設(shè)置有3臺(tái)排水泵，頂蓋預(yù)留有強(qiáng)迫補(bǔ)氣系統(tǒng)管道接口。

（7）轉(zhuǎn)輪

瀑布溝電站2號(hào)、4號(hào)、6號(hào)機(jī)組轉(zhuǎn)輪由東電制造，1號(hào)、3號(hào)、5號(hào)機(jī)組轉(zhuǎn)輪由GE公司制造，具體參數(shù)前面已有介紹。兩個(gè)制造廠家的轉(zhuǎn)輪采用13個(gè)X型葉片的斜分瓣結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)輪設(shè)計(jì)成上冠和下環(huán)為焊接的結(jié)構(gòu)。轉(zhuǎn)輪上冠、下環(huán)和葉片采用VOD精煉鑄造。葉片用五軸數(shù)控機(jī)床加工。上冠設(shè)有與水輪機(jī)軸連接的法蘭。兩瓣運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行裝配、焊接、加工，最后進(jìn)行探傷、應(yīng)力測(cè)試和靜平衡試驗(yàn)。只是GE亞洲水電的轉(zhuǎn)輪采用階梯形式兩瓣，確保葉片的完整性和受力不變。

水輪機(jī)采用二根軸結(jié)構(gòu)，即水輪機(jī)軸和發(fā)電機(jī)軸。主軸為中空結(jié)構(gòu)，內(nèi)徑滿足補(bǔ)氣的要求，采用外法蘭形式。水輪機(jī)軸采用ASTMA668 Gr.D鍛制，主軸與轉(zhuǎn)輪扭矩傳遞采用摩擦加聯(lián)軸螺栓傳遞扭矩結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)輪的互換。

（8）水輪機(jī)圓筒閥

瀑布溝電站2號(hào)、4號(hào)、6號(hào)機(jī)組圓筒閥（基本參數(shù)見(jiàn)表3）由東電制造，1號(hào)、3號(hào)、5號(hào)機(jī)組圓筒閥由GE公司制造。圓筒閥為可緊急關(guān)機(jī)的隔斷閥，安裝在水輪機(jī)的固定導(dǎo)葉和活動(dòng)導(dǎo)葉之間。圓筒閥關(guān)閉時(shí)，在水輪機(jī)的固定導(dǎo)葉和活動(dòng)導(dǎo)葉間作為止水閥；開(kāi)啟時(shí)，位于水輪機(jī)座環(huán)和頂蓋間空腔室內(nèi)，不干擾水流流態(tài)。閥體采用優(yōu)質(zhì)ASTMA516M—grade 60鋼板制造，筒體厚度不小于160 mm，其上部與密封條接觸面為不銹鋼，在閥體下部30 mm范圍內(nèi)為不銹鋼。圓筒閥設(shè)置油壓操作直缸接力器，接力器數(shù)量為6只。操作接力器的壓力油由液壓源系統(tǒng)的油壓裝置供給，額定工作壓力為6.3 MPa。東電制造的圓筒閥，采用6個(gè)同步鏈輪機(jī)構(gòu)同步協(xié)調(diào)；GE公司制造的圓筒閥，采用6個(gè)電氣同步結(jié)構(gòu)協(xié)聯(lián)裝置。在固定導(dǎo)葉出口邊有圓筒閥導(dǎo)向塊，保證圓筒閥運(yùn)行中不發(fā)卡。

表3 圓筒閥基本參數(shù)

（9）水輪機(jī)調(diào)速器

調(diào)速器采用PID+PSS調(diào)節(jié)規(guī)律的雙微機(jī)調(diào)速器，三套配置實(shí)時(shí)跟蹤，實(shí)現(xiàn)無(wú)擾動(dòng)切換功能。主配壓閥直徑為200 mm，壓力等級(jí)為6.3 MPa。

3.2 發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)形式

（1）定子

瀑布溝發(fā)電機(jī)定子由定子機(jī)座、定子鐵芯和定子繞組等組成。定子鐵芯采用浮動(dòng)定位筋結(jié)構(gòu)，有效防止鐵芯變形。定子鐵芯由進(jìn)口優(yōu)質(zhì)冷軋薄硅鋼片50M270疊成，分4瓣運(yùn)到現(xiàn)場(chǎng)組裝成圓，全圓由45片組成，鐵芯外徑為14 200 mm，內(nèi)徑13 810 mm，總長(zhǎng)3 050 mm；鐵芯軸向均勻設(shè)有高度為5 mm的通風(fēng)溝75個(gè)，通風(fēng)槽鋼采用非磁性鋼制成；鐵芯現(xiàn)場(chǎng)疊片，分段冷壓和整體熱壓方式進(jìn)行。繞組為三相6支路連接方式，雙層條形波繞組，絕緣等級(jí)為F級(jí)，線棒接頭用銀銅焊機(jī)釬焊而成，三相6支路匯流銅環(huán)集中引至定子機(jī)座-X方向與封閉母線連接。定子機(jī)座考慮足夠的強(qiáng)度和必要的剛度，能承受定子繞組短路時(shí)產(chǎn)生的切向力和半數(shù)轉(zhuǎn)子繞組短路時(shí)產(chǎn)生的單向磁拉力。定子鐵芯用足夠數(shù)量的雙鴿尾形定位筋固定于定子機(jī)座上。

（2）轉(zhuǎn)子

轉(zhuǎn)子支架為圓盤(pán)式焊接結(jié)構(gòu)，由轉(zhuǎn)子中心支架、磁軛、磁極、引線、磁極鍵和制動(dòng)抗磨環(huán)等組成。中心體和分瓣扇形支臂在現(xiàn)場(chǎng)焊接為整體；轉(zhuǎn)子支架中心體上端與上端軸相連，下端與發(fā)電機(jī)主軸相連，并通過(guò)十字鍵傳遞扭矩。磁軛采用優(yōu)質(zhì)高強(qiáng)度鋼板（2.5 mmM5937-A80）沖片迭壓而成，轉(zhuǎn)子磁軛在現(xiàn)場(chǎng)分層疊壓用螺栓緊固，磁軛與轉(zhuǎn)子中心體用徑向、切向復(fù)合鍵結(jié)構(gòu)，磁軛與轉(zhuǎn)子支架采用熱打鍵的連接方式。

磁極由鐵芯、線圈和阻尼繞組等組成，磁極鐵芯采用1.5 mm厚的DJL350薄鋼板沖片迭壓而成，并采用鴿尾結(jié)構(gòu)與磁軛相連。

（3）發(fā)電機(jī)軸承結(jié)構(gòu)

瀑布溝電站發(fā)電機(jī)為半傘式結(jié)構(gòu)。轉(zhuǎn)子上方設(shè)有上導(dǎo)軸承，上導(dǎo)軸瓦為16塊稀油潤(rùn)滑的巴氏合金瓦，發(fā)電機(jī)下機(jī)架上分別設(shè)置有推力軸承和下導(dǎo)軸承。推力軸承推力負(fù)荷為2 900 t，共設(shè)有20塊扇形瓦，瓦面為彈性金屬氟塑復(fù)合材料；推力軸承采用多波紋彈性油箱支撐方式，20個(gè)彈性油箱間油路互相聯(lián)通；軸承潤(rùn)滑油冷卻采用外加泵外循環(huán)冷卻方式，設(shè)置8個(gè)列管式冷卻器，懸掛于下機(jī)架支腿間。下導(dǎo)軸瓦為24塊稀油潤(rùn)滑的巴氏合金瓦，上導(dǎo)軸承、下導(dǎo)軸承和推力軸承均設(shè)有吸油霧裝置。

（4）通風(fēng)冷卻系統(tǒng)

發(fā)電機(jī)采用由上、下蓋板和上、下?lián)躏L(fēng)板形成的端部回風(fēng)的密閉自循環(huán)空氣冷卻系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1所示，無(wú)風(fēng)扇的固定擋風(fēng)板，分別安裝于上機(jī)架、下機(jī)架上。

圖1 發(fā)電機(jī)通風(fēng)結(jié)構(gòu)圖

定子機(jī)座外均布16個(gè)空氣冷卻器，空氣冷卻器相互之間并聯(lián)連接于冷卻干管上，通過(guò)兩套供排水管路及閥門(mén)并聯(lián)連接于機(jī)組技術(shù)供排水總管上。上、下?lián)躏L(fēng)板與定子內(nèi)圓之間通過(guò)橡膠密封，確保風(fēng)量損失。

（5）發(fā)電機(jī)上、下機(jī)架

發(fā)電機(jī)上機(jī)架采用能將徑向力轉(zhuǎn)化為切向力的八卦形結(jié)構(gòu)，中心體和16個(gè)斜支臂在現(xiàn)場(chǎng)組裝、焊接成一個(gè)整體，可有效改善發(fā)電機(jī)基礎(chǔ)的受力。上導(dǎo)軸承和勵(lì)磁滑環(huán)等裝在上機(jī)架上。發(fā)電機(jī)下機(jī)架是機(jī)組承重部件，由1個(gè)中心體和12個(gè)箱形支臂在現(xiàn)場(chǎng)組裝、焊接成整體，探傷。下導(dǎo)軸承和推力軸承布置其間，每個(gè)支臂上布置2個(gè)制動(dòng)器。因?yàn)橄聶C(jī)架是承重機(jī)架，要求有足夠的剛度和強(qiáng)度，最大下沉量不超過(guò)3.0 mm，總量約170 t。

（6）發(fā)電機(jī)軸系

發(fā)電機(jī)軸系為兩根軸結(jié)構(gòu)，主軸采用鍛鋼A668CL.D材料，上端軸采用真空去氣的20MnSi鍛鋼材料，并裝有勵(lì)磁滑環(huán)，下端軸一邊與水輪機(jī)軸連接，工廠數(shù)控靠模同鉸鉆孔，確保軸系同心。

4 瀑布溝電站水輪發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu)特點(diǎn)體會(huì)

（1）機(jī)組最大容量設(shè)置，有利于改善機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行的狀態(tài)；

（2）水輪機(jī)圓筒閥設(shè)置，提高了水輪機(jī)運(yùn)行的可靠性、經(jīng)濟(jì)性，為防止機(jī)組飛逸、減少導(dǎo)葉漏水起到很好的作用；

（3）當(dāng)設(shè)備制造廠家為兩家時(shí)，為保證軸系同心，使用靠模同鉸鉆孔，實(shí)際對(duì)機(jī)組軸線影響較大；

（4）發(fā)電機(jī)推力軸承采用外循環(huán)，下機(jī)架內(nèi)布置空間減小，檢修和運(yùn)行不方便，如是進(jìn)、排水管路改在發(fā)電機(jī)機(jī)墩混凝土內(nèi)會(huì)更好；

（5）發(fā)電機(jī)上導(dǎo)軸承冷卻水進(jìn)、出管路，在轉(zhuǎn)子上方設(shè)置法蘭連接，易造成水淋轉(zhuǎn)子，安全隱患大，這一點(diǎn)瀑布溝電站在機(jī)組安裝時(shí)，電廠要求設(shè)計(jì)出更改通知，進(jìn)行了改造；

（6）GE公司的轉(zhuǎn)輪采用階梯形式兩瓣，確保葉片的完整性和受力不變，值得學(xué)習(xí)。

TM312

B

1672-5387（2010）06-0024-04

2010-10-08

周霖（1966-），男，副廠長(zhǎng)，高級(jí)工程師，從事水電站生產(chǎn)管理工作。