500MW级冲击式水轮机设计制造可行性研究_蔡爽.pdf

.大 电 机 技 术 级冲击式水轮机设计制造可行性研究蔡 爽，杨 彬，张海库，李贵吉，郭连恒，谭晓霞（.大唐西藏能源开发有限公司，拉萨；.大唐水电科学技术研究院有限公司，成都）摘 要 针对适用于西藏地区高水头条件的大型冲击式水电机组，从服务国家战略考虑，大唐集团开展某水电站单机容量从 优化到 级冲击式机组的科研攻坚。通过组织国内相关单位进行科技创新攻坚，从水轮机水力设计、不锈钢转轮锻件制造、转轮锻焊工艺等方面探索 级冲击式水轮机设计制造可行性，对于推动制造业的科技创新，突破技术短板，实现产业链整体升级具有重要作用。关键词 雅鲁藏布江高水头；级冲击式水轮机；水轮机水力设计；不锈钢转轮锻件制造；转轮锻焊工艺；制造业科技创新中图分类号.文献标志码 文章编号（），（，；，）：，：；基金项目：大唐集团公司科研项目基金（）前言根据国家能源局发布的水电发展“十三五”规划的数据，我国水能资源可开发容量约.，大部分集中在四川、云南、西藏等西南地区，约为.，其中西藏地区高水头水能资源开发是以后开发的重点。例如，雅鲁藏布江流域干流水能资源最丰富，理论蕴藏量近 ，其下游的大拐弯地区，汇集了近 的技术可开发资源。国家制定的 年远景目标中也明确提出“实施雅鲁藏布江下游水电开发”。该水电开发，要求水轮发电机组既要满足超高水头，也要满足超大容量运行。就当前的技术，适应的机型主要为冲击式水轮机。目前冲击式机组最大单机容量为，尚不能满足该河段大规模开发的要求。冲击式水轮机未来的发展趋势是在提高效率的同时向高水头、大容量的方向发展。国家亟需在高水头大容量机组设计制造、工程建设管理、电站运营管理等方面形成成熟的技术储备。国外大型冲击式水轮机组制造企业主要为安德里茨公司和福伊特公司。安德里茨公司主要生产和销售机械类产品，经营范围涉及制浆造纸技术、水力设备、自动控制系统、设备和组件以及提供相关产品的服务，有着超过 年的水轮机制造经验和 年的电气设备经验，已安装超过 台水轮机（）。该公司在冲击式机组研发和制造中处于世界领先地 级冲击式水轮机设计制造可行性研究.位，其研发并投运的冲击式机组最大为.（瑞士 水电站，水头），为目前世界之最。福伊特公司是水电设备供应商，不仅为新电站提供设计、制造、安装和调试，同时为老电站提供升级、改造和维护等全方位服务，其产品和服务涵盖水轮机、发电机、水泵和自动化系统，其研发并投运的冲击式机组最大为.。目前，厄瓜多尔美纳斯水电站国内水电设备制造企业已投运的、具有完全知识产权、拥有最大单机容量的冲击式机组，其额定水头为.，单机容量，转轮直径为.；正在制造的最大冲击式机组在秘鲁圣加旺电站，其额定水头为.，单机容量.，转轮直径为.，预计 年投产发电。国内已投产的单机容量最大的冲击式水电机组为四川省田湾河流域金窝水电站，其额定水头为，单机容量.，转轮直径为.，其喷嘴与转轮等核心部件由安德里茨公司制造。国内单机容量 以上的冲击式机组，如大发、仁宗海、冶勒、吉牛、达阿果等电站的水轮机核心部件均由国外厂家制造。某水电站运行水头段接近，主电站装机容量，是目前国内唯一有条件进行高水头、大容量冲击式机组科研攻关并实际应用的水电站。装设单机容量 冲击式水轮发电机组并不能明显有效地提升冲击式机组的设计制造水平，起不到为西藏水电开发提供示范和技术储备的作用。装设单机容量 冲击式水轮发电机组的某水电站将成为西藏水电开发的前奏和中间试验电站，为大型冲击式机组水电设备制造、工程建设和电站运行维护等方面积累丰富的经验。尤其是可突破冲击式机组“卡脖子”的关键技术，进一步提升装备制造业能力，冲刺冲击式机组世界最高水平，提升产业链条，集成创新，更好地服务国家“碳达峰、碳中和”目标，助力提升中国创造、中国技术和中国标准。级冲击式水轮机设计制造可行性.水轮机水力设计水力设计是冲击式水轮机设计的关键环节。以往国内大型冲击式电站的水轮机水力设计和模型试验，被以安德里茨公司为代表的外资企业所垄断。通过与国外厂商合作金窝、大发、吉牛等水电站项目，国内哈电、东电等水电设备制造企业逐步积累了冲击式水轮机的设计制造经验，进行过水力开发设计，并建有冲击式水轮机模型试验台，具备进行大型冲击式水轮机水力设计及试验的能力。根据初步研究成果，某待建水电站水轮机主要参数见表。表 水轮机主要参数序号参数名称数值最大水头 加权平均水头 额定水头 最小水头 水轮机额定出力 额定转速 （）.额定流量 （）.水斗数直径比（）.比转速（）.单喷嘴比转速（）.节圆直径 .水力设计参数论证判断水力设计方案的可行性和合理性，可以根据比转速、直径比（）等主要参数与水头的关系，通过对比相应的统计曲线进行方案的预判，下面就从比转速和直径比两方面对某水力方案进行论证。（）比转速的论证验证冲击式水轮机的比转速，主要看单喷嘴的比转速。图 为比转速与水头统计图，为相近水头段单喷嘴比转速与水头的统计结果，图中不同颜色的实线代表不同 对应的曲线（的定义见公式（），其代表了机组水力开发的难度，值小意味着水力开发难度小，但相应机组尺寸、经济性、制造难度都会增加，反之亦然），图中的红色虚线是“免空蚀”曲线，是根据国外厂家经验绘制的冲击式水轮机空蚀破坏临界线，在该曲线之下可避免空蚀。从图中可以看出，本方案所对应的单喷嘴比转速 在“免空蚀”曲线之下，并且与相近水头段电站比转速比较一致，这样就表明了现水力方案的可行性及经济性。.（）式中，为单喷嘴比转速；为额定水头。.大 电 机 技 术图 比转速与水头关系统计图（）直径比（）的论证直径比 是冲击式水轮机重要参数之一，它与水轮机效率、单位流量、比转速、水力性能、水轮机结构和机械强度等密切相关。增加直径比有利于提高水轮机效率，降低水力设计难度，但同时会增加转轮直径，增加制造难度，提高机组造价。减小直径比可以提高比转速、减小转轮直径，进而降低机组制造难度和造价，但减小直径比不利于提高水轮机效率，并会带来结构布置上的困难，同时降低水斗根部强度。图 为直径比与水头统计图，可知某水电站选型合理。图中的公式 为：.（）图中的公式 为：.（）图 直径比与水头统计图.计算原理及方法确定水力设计参数后，需要通过 流动分析技术进行水轮机的水力计算和模型试验验证。（）水轮机流态数值分析技术现代水轮机开发工具主要是各种几何设计软件和流体分析软件。依靠经典理论，进行流场数值分析是水轮机水力设计的主要手段。技术在水轮机设计行业的成功应用把水力开发技术推上一个新的高度，科研人员已成功开展冲击式水轮机流动特性及流固耦合研究。通过分析了解水轮机转轮及过流部件的内部流场结构，从而对水轮机的过流部件几何尺寸进行优化，全面提高水轮机的各项性能，而且可以对整机进行数值模拟，以便探求更为真实的流态及流动特征来作为设计优化的依据，缩短水轮机开发周期，提高水轮机水力设计的质量和快速反应能力。配水环管的主要作用是均匀分配来流。配水环管数值计算可获得可视化的内部流态，通过对配水环管、喷嘴压力梯度、空间流线进行分析，优化喷射机构，最终获得具有合理流动分布的流道。如图 和图 所示，在配水环管分叉位置会有一定的湍流损失，由于分叉的影响，喷管内部形成迪恩涡，尤其是第、号喷管的内部流态最为紊乱。从喷嘴流出的自由射流，其边壁条件由固体壁面变为自由空气约束，射流沿喷针头收缩至一定位置。随着流动发展，射流速度下降，射流直径略有发散。图 配水环管对称面湍流动能分布图 直流喷管流态图 所示为某水电站额定工况下斗内水流状态及水斗压力分布图。图（）为水斗刚切入射流状态，射流主要集中在水斗的切水边上，切水边压力升高，斗内其余部分压力较低。随着转轮的旋转，射流逐渐 级冲击式水轮机设计制造可行性研究.切入水斗内部，图（）为水斗力矩最大时刻射流流态，此时射流主要集中在水斗中央曲率最大的地方，此处压力明显提升。图（）为转轮旋转过程中，由于没有射流的补充，水斗内的水流减少，并沿着出水边逐渐流出，水斗内的压力逐渐降低。每个水斗都经历此循环过程，通过对单个水斗流态数值分析可知，水斗在一个射流周期内流动状态合理，压力变化均匀，未发生漏损及干涉等现象。图 斗内水流状态及水斗压力分布 （）水轮机模型测试分析技术行业上对水轮机性能的最终评价往往通过模型试验进行，能量试验对冲击式水轮机最为重要，其主要目的是对水轮机在不同特征水头、不同喷嘴流量下的出力进行测试，以验证是否满足要求。图 所示为某水电站 喷嘴归一化试验结果，图中“”对应转轮的最优效率，效率圈由内向外数值依次减小。图 某水电站 喷嘴归一化综合特性曲线.大 电 机 技 术 冲击式水轮机对流量的适应性较强，对应试验曲线的单位流量范围较宽，可保证机组在 负荷下均有较高的效率；相反，冲击式水轮机对水头的变化比较敏感，效率圈呈扁平状，在设计时需要保证各特征水头均在最优效率圈附近，图 中水轮机最优单位转速 ，某水电站的三个特征水头对应的单位转速均在最优单位转速附近，可保证运行效率较高。此外，喷针在约 行程时即可达到额定出力，某水电站转轮有足够的超发余量。.大型不锈钢锻件研究转轮是冲击式水轮机组的核心部件，运行时承受典型的交变应力载荷作用，容易在转轮水斗根部产生疲劳裂纹，甚至会导致水斗断裂而发生严重事故。铸造转轮由于铸造缺陷等原因已不能满足设计要求，锻件通过塑性变形的方式能够有效降低材料内部缺陷，具备纯净度高、致密性好、抗疲劳性能好、强度和塑韧性高的特点。属于（）型低碳马氏体不锈钢，年底由瑞士（）公司最先发明。该钢种与传统的 马氏体不锈钢相比，由于碳当量降低，可焊性得到改善；铁素体呈脆性，含量增加，冲击韧性降低。由于其具有优良的强度、塑韧性及抗腐蚀性能，该钢种一经发明便广泛应用到水轮机转轮、阀体、叶轮等部件中。某水电站 水轮机转轮尺寸大、质量大，提高使用寿命和检修周期是一项特别重要的工作。材料马氏体不锈钢锻件能有效保证高水头、大容量冲击式转轮高寿命周期的要求。该水电站 冲击式水轮机转轮外径约.。初步分析，所需锻件轮毂直径.、厚度.，锻件毛坯重约，锻件成品重约。如此锻件轮毂外径大，属于厚大饼类件，无工程应用经验，制造难度大。因此，转轮锻件制造是 冲击式水轮机设计制造首先需解决的关键问题。材料化学成分见表，其合金含量接近，属于低碳高合金马氏体不锈钢，炼钢工序研究的重点在于钢锭的成分、纯净度、均匀性以及凝固过程冶金缺陷的控制。表 材料化学成分元素标准.冶炼工艺流程为，碱性电炉初炼钢水，钢包精炼炉合金化，吹氧脱碳，真空精炼，多包合浇真空浇注。因冶炼过程已经通过乌东德及白鹤滩项目的验证，已经完全具备冶炼的能力。研究重点在于凝固过程，故针对钢锭凝固缺陷（疏松、缩孔、裂纹）分布预测、偏析分布等应进行重点分析。整体锻造转轮能够有效提高转轮内部质量和强度，材料抗疲劳性能和抗空蚀性能好，转轮运行寿命长。利用国内 水压机采用多次镦粗加旋转开边的方式，可实现对 级钢锭充分锻造压实和成形的生产。热处理淬火主要有水、油、鼓风冷却等方式。某水电站转轮锻件截面尺寸大，采用水冷方式在截面不同深度的残余应力非常复杂，容易产生锻件开裂等风险；采用油冷方式，需要工厂配备 以上的淬火油槽，对装备要求很高。由于鼓风冷却和油冷方式淬火性能相当，所以暂推荐采用鼓风冷却的方式，保证全截面上依然可以得到马氏体组织。.转轮锻焊工艺研究（）转轮加工工艺选择整体锻件毛坯能有效的改善组织，提高性能，有利于转轮疲劳强度的增加。从材料性能来说，整体锻件性能最佳。但整锻结构材料利用率低（约），加工难度大，成本高，且大尺寸锻件制造受锻造能力限制，表层和内部性能存在差异。整体结构加工可达性差，加工效率低，加工质量控制困难。某水电站冲击式转轮制造工艺方案拟采用“锻焊”结构，转轮水斗根部由大型环形锻件一体数控加工制备，而分瓣水斗采用模锻 数控加工方法分别单独制备，然后分瓣水斗再与轮毂组装焊接，完成转轮的焊接加工制造，转轮装焊工艺如图 所示。锻件中心体毛坯和水斗分瓣结构能有效满足转轮疲劳强度功能需求和制造的工艺性。分瓣位置将由转轮应力分布、真实的几何模型、锻件生产能力、运输条件、制造工艺性决定。图 转轮装焊工艺 级冲击式水轮机