三峡电站混流式水轮机水力稳定性研究

1、收稿日期:1999-11-10作者简介:田子勤, 男, 长江水利委员会设计院机电处, 高级工程师, 硕士。文章编号:1001-4179(2000 05-0001-03三峡电站混流式水轮机水力稳定性研究田子勤 刘景旺(长江水利委员会设计院, 湖北武汉430010摘要:三峡电站水轮机是目前世界上运行水头变幅最大的巨型混流式水轮机之一, 其运行稳定性是设计、研究、制造和使用部门关注的首要课题。在左岸电站机组招标文件和合同执行过程中, 明确提出水力稳定性是首要考虑的问题, 并具体规定了模型和真机的稳定性指标。在水轮机模型验收试验中, 发现一些现象与众所周知的部分负荷的压力脉动不同, 表现为在运行水头范

2、围内存在压力脉动峰值带, 频率较高, 且从蜗壳进口至尾水管的几个部位均同时出现较大的压力脉动幅值。根据模型试验的结果, 分析了空蚀系数和补气对压力脉动的影响, 提出了改善三峡电站水轮机水力稳定性的几点措施。关 键 词:混流式水轮机; 水力稳定性; 压力脉动; 模型试验; 三峡水利枢纽中图分类号:TM 312 文献标识码:A1 概述运行稳定性是水轮发电机组长期安全运行的重要保证。三峡电站水轮发电机组是世界上最大的水电机组之一, 水轮机额定出力710MW, 最大出力为852MW, 水轮机的外形尺寸和重量也是混流式水轮机之最, 加之电站初期和终期运行水头变幅大, 又担任调峰任务, 负荷变化大, 机组

3、能否在这种苛刻的运行条件下稳定运行, 是水电界普遍关注的问题。在三峡工程左岸电站机组招标文件和合同执行过程中, 明确提出将水力稳定性放在首位加以考虑, 并具体地规定了模型和真机的稳定性指标。经过合同谈判, 法国ALS THOM HYDRO 赢得8台水轮机的份额, 其中, 挪威克瓦纳能源公司(简称KE 负责水力设计; VGS (VOITH+GE Canada+SIMENS 赢得6台水轮机的份额。根据上述两个供货商的模型目击验收试验结果, 其稳定性指标均未全面达到合同规定的保证值, 水轮机尾水管和顶盖处(转轮叶片前和导叶后空腔区域 存在一个明显的严重不稳定区域(即压力脉动峰值带 , 其表现为压力脉

4、动的幅值大(最大达13. 1%, 频率较高, 其现象与岩滩电站机组存在某些相似之处。上述问题已引起各方包括决策层领导的极大关注。近年来, 国内外大型机组不断出现振动问题, 如国外的大古力、塔贝拉和古里电站, 国内的岩滩和五强溪等电站。因此, 进行三峡电站机组稳定性的研究和预测是十分必要的。本文在KE 模型验收试验的基础上, 分析了三峡电站水轮机的水力稳定性以及空蚀系数和补气对压力脉动的影响, 并提出了改善三峡电站水轮机稳定性的措施。2 影响机组稳定性的特殊运行条件三峡工程是以防洪为主、兼顾发电和航运的综合利用工程。汛期上游来水量大, 为了防洪需要, 库水位一般维持在防洪限制水位145m, 电站

5、水头较低。枯水期为保持库尾有较大的航深及维持电站较高水头多发电, 根据水库调度方式的要求, 电站将尽可能维持高水头运行。这样就形成了三峡电站水轮机特有的复杂运行工况。(1 水轮机需适应的水头变化幅度大。三峡水轮机分为初期运行和后期运行两个阶段, 后期水头变幅为71113m, H max /H min 为1. 59, 初期水头变幅为6194m , 结合初期后期考虑, 三峡电站H max /H min 高达1. 85, 仅次于巴基斯坦塔贝拉电站440MW 机组(H max /H min =2. 74 , 是目前世界上已投入运行的500MW 以上混流式水轮机运行水头变幅最大的机组。(2 水轮机在高、

6、低水头区的运行时间较长。由于三峡电站汛期防洪、排沙的需要, 在汛期到来前, 即每年的5月底或6月初, 库水位将从175m 降低至防洪限制水位145m ; 每年汛末即9月底或10月初, 水库水位逐步由145m 上升至175m , 因而形成了三峡电站水轮机在较低水头区(H 78. 5m 运行时间和高水头区(100113m 运行时间各占全年运行时间30%以上的状况。这样, 三峡水轮机将不得不长时间在偏离最优工况的高、低水头区运行, 这是与一般电站水轮机常在额定水头附近的最优运行区运行情况有显著的不同。(3 负荷变化剧烈。三峡电站在电力系统中承担调频、调峰和事故备用, 导致负荷变化剧烈, 机组开机、停

7、机操作频繁, 故不仅要求机组能在高负荷区, 而且亦能在低负荷区稳定、安全地运行。(4 下游水位有一定的变幅。三峡电站建在葛洲坝电站水库回水区内(正常蓄水位为66. 0m , 正常运行时可利用葛洲坝水库进行反调节。在遭遇不大于1000年一遇洪水时, 枢纽下泄量将控制在70000m 3/s 左右, 相应下游水位为76. 4m 。而正常情况下, 葛洲坝水库运行水位可降低到62m, 三峡电站下游尾水位为6276. 4m 。第31卷第5期人 民 长 江Vol. 31, No. 52000年5月Yangtze River May, 2000根据上述三峡电站特定的运行条件, 要确保水轮机在整个运行范围内安全

8、稳定运行, 且具有良好的能量和空蚀性能, 对水轮机设计者将是一个严峻的挑战。3 水轮机水力稳定性研究3. 1 水力稳定性影响水轮机水力稳定性的因素比较复杂, 其中叶道涡流和尾水管涡带是影响水力稳定性的关键因素。3. 1. 1 叶道涡流塔贝拉电站的振动分析表明, 叶道涡是振动发生的激振源1。因此, 在三峡水轮机的合同中, 明确要求在规定的整个正常运行范围内不允许存在初生叶道涡。初生叶道涡的强度较弱, 不会造成危害, 一般也不足以引起振动。但叶道涡发展到严重程度时, 就会在叶片负压面造成空化, 并引发高频振动。根据规定, 初生叶道涡定义为随着工况的变化, 同时在3个叶道间开始出现可见的涡流。在Al

9、stom/KE 提供的三峡水轮机模型初步试验报告中, 叶道涡起始线在高水头小负荷运行工况区的小范围内均伸进了规定的运行范围。目击试验中, 在该叶道涡起始线抽查了5个工况点, 即H =110m , P =450MW 、115MW ; H =80. 6m , P =315MW 、360MW 和H =113m , P =497MW 。抽查的结果基本上与初步试验报告中给出的叶道涡起始线位置相符合。因此, 在正常运行范围内, 除在高水头(H =103113m , 出力大于497MW 的小范围内有初生叶道涡外, 其余工况均没有叶道涡。由此, 可以预计三峡电站水轮机在正常运行范围不会产生由于叶道涡引起的高频

10、振动现象。3. 1. 2 压力脉动为了全面了解三峡电站水轮机的水力稳定性, 在模型试验中, 从蜗壳进口至尾水管肘管均进行了压力脉动测量, 主要测点如下:¹蜗壳进口, PP101; º顶盖(导叶后和转轮前区域 , PP201; »尾水管锥管, 距转轮出口0. 3D 2处上下游, PP502和PP505; ¼尾水管肘管, 凸凹侧各1测点, PP401和PP402。压力脉动试验的工况点覆盖了三峡电站水轮机正常的运行范围。主要包括:预期压力脉动比较大的区域, 高、低水头部分负荷区域, 额定工况点, 最大出力767MW 和852MW 运行点。为了与电站真机实际运行

11、情况相符, 采用的空蚀系数参考面为导叶中心线, 且均在电站装置空蚀系数下进行 。图1 三峡水轮机压力脉动由图1可以看出, 各测点压力脉动随运行工况变化的趋势基本相同, 大致可分为以下4个区域:¹区域1, 大流量区, 压力脉动值随导叶开度增加略有升高, 最大压力脉动峰 峰值$ H 8. 为1100m 3/s 。其它工况点的压力脉动值均小于3%。º区域2, 高效率区, 压力脉动很小, 尾水管处$H /H 约为0. 5%1. 0%, 导叶后转轮前$H /H 约为1. 0%2. 5%。»区域3, 部分负荷(小流量 区, 尾水管压力脉动$H /H 值在4%7. 5%范围内。

12、导叶后转轮前的压力脉动较尾水管处小, 约为2. 0%4. 0%。该区域内水轮机运行平稳、噪音很低。¼压力脉动峰值区4, 介于区域2和区域3之间, 流量约为600700m 3/s , 压力脉动在该区域跳跃到最大值, 其值为其附近压力脉动的2倍左右, 尾水管处最大压力脉动$H /H 为13. 1%, 导叶后转轮前为11%, 相应流量为669. 7m 3/s 。可见, 该区域内的压力脉动比一般的压力脉动高得多, 且导叶后转轮前的压力脉动频率较高, 为24. 654. 7Hz 。在岩滩电站的水轮机模型试验和真机实测均发现了类似的现象, 并被认为是引起该电站机组和厂房产生振动的主要原因。为进一

13、步减小压力脉动, KE 公司进行了转轮泄水锥的优化设计和试验, 经比较并推荐采用一种新型的半锥形泄水锥(cone 6B 。结果表明, 与原泄水锥(Or iginal cone 相比, 尾水管压力脉动较有明显改善, 例如, 在H =89. 4m 时, 压力脉动双振幅相对值降低约2%, 如图2。此外, 压力脉动峰值区的范围显著减小, 以H =105m 为例, 原泄水锥的压力脉动峰值区流量范围为633702m 3/s , 半锥形泄水锥为638674m 3/s , 其范围减小约50%(以流量计 。图2 H =89. 4m 时带6B 泄水锥与原泄水锥压力脉动比较3. 1. 3 压力脉动峰值带为了进一步确

14、定压力脉动峰值带, 在模型验收目击验收试验中, 对KE 公司带原泄水锥和6B 泄水锥的模型进行了试验。压力脉动峰值带定义为频率较高即f /f n >1和压力脉动幅值$H /H 较大的区域, 其中f 为压力脉动频率, f n 为模型的转动频率。经对试验结果分析发现, 导叶后转轮前区域的压力脉动与尾水管压力脉动的工况范围相重合, 在整个运行范围内只有一个压力脉动峰值区。无论是带原泄水锥和6B 泄水锥的模型, 压力脉动峰值区随运行水头的提高向大负荷方向偏移, 当水头H =112m 时, 其负荷已接近或达到100%Pr 。这个区域的压力脉动现象曾经在岩滩电站等大容量水轮机上出现过, 且造成了比较

15、严重的后果, 但到目前为止, 对上述现象的机理。模型与真机的对应关系的研究尚处于探索阶段。尽管在三峡电站水轮机模型上发生的这些现象并不一定意味着真机也会出现同样的频率和振动幅值, 但参照国内外一些工程实例, 认真研究这个区域出现的2455Hz 频率的压力脉动, 以及减弱这些振动值的措施, 避免与电站厂房土建结构固有频率产生2人 民 长 江2000年3. 2 空化对压力脉动的影响根据真机的统计结果和模型试验发现, 压力脉动(特别是大的压力脉动 对空化非常敏感, 空化系数的改变会使大压力脉动产生本质性的变化。在模型试验中, 为了解空化系数对压力脉动的影响, 对工况H p =89. 4m , P p

16、 =515. 9MW 和H p =80. 6m , P p =710. 0MW 进行了试验, 结果如图3。试验时, 先测量能量工况的压力脉动, 然后逐步减小空化系数。由图3可知, 随着空化系数的增加, 压力脉动幅值大致呈抛物线。当空化系数减到某一数值时, 压力脉动升到能量工况的3倍左右, 之后随着空化系数的进一步减小, 水力脉动降低。因此, 压力脉动(特别是大的压力脉动 对空化非常敏感, 空化系数的改变会使大压力脉动产生本质性的变化。从图3中不难看出, 水头为80. 6m 和89. 4m 时的最大压力脉动$H /H 分别为5. 2%和10. 3%, 相应的空蚀系数R 为0. 13和0. 166

17、, 而上述两个水头下的电站装置空蚀系数R p , 分别为0. 164和0. 186。由此可见, 相应的压力脉动位于最大压力脉动值的右侧。当增加电站装置空蚀系数, 即提高电站下游尾水位时, 相应的压力脉动值有减小的趋势, 但变化平缓。因此, 提高电站下游尾水位, 有利于减小水轮机的压力脉动值 。图3 尾水管压力脉动幅值与空化系数的关系(6B 泄水锥3. 3 补气对压力脉动的影响为了研究补气对压力脉动的影响, 分别进行了大轴中心孔自然补气和通过顶盖、底环和基础环的压缩空气补气试验。自然补气量分别为水轮机流量的0. 1%, 0. 25%和0. 3%, 试验结果表明, 大轴中心孔自然补气对由尾水管涡带

18、引起的压力脉动有所改善, 特别对减轻压力脉动峰值带的压力脉动幅值比较明显, $H /H 减小约2%4%。通过顶盖补压缩空气降低压力脉动值的效果不如大轴中心孔自然补气明显。通过底环和基础环补压缩空气对降低压力脉动几乎没有影响。4 提高稳定性的技术措施根据上述分析, 在水轮机模型已验收的情况下, 要减小三峡电站水轮机的压力脉动, 提高机组的稳定性, 可采取以下措施。(1 合理选择机组的运行范围, 避开不稳定区运行。在大电力系统中运行的大型混流式水轮机, 应尽可能在水轮机性能优良的区域中运行, 对机组和电力系统的安全经济性有利, 如克拉斯诺雅尔斯克电站500MW 机组, 一般是在基荷及对混流式水轮机

19、来说经济合理的负荷范围内运行; 大古力第三厂房的6台大容量机组限制的运行范围, 尽可能控制在额定负荷60%100%的高效率区运行, 30%60%额定负荷范围内限制运行。三峡电站机组台数多, 水轮发电机组又有启、停和增减负荷快的特点, 通过电站的合理调度, 使机组避开不稳定运行区域运行, 尽量安排水轮机在高效率区运行, 既确保三峡电站机组的运行安全, 又可获得最好的经济效益。(2 优化泄水锥设计, 可减小压力脉动。泄水锥是涡带的起始点, 它对涡带的产生有着重要的影响。根据KE 公司为三峡电站水轮机研制的新型半锥形泄水锥(Semi-tapered runner cone 的试验结果, 该型式的泄水

20、锥降低压力脉动较显著, 特别是缩小了压力脉动峰值带的范围, 可以使机组在更大的范围内稳定运行。(3 通过葛洲坝电站与三峡电站联合调度, 提高三峡电站下游尾水位, 增加电站的装置空蚀系数, 有利于减小压力脉动。(4 采取自然补气并充分预留各种可能的补气措施。对于巨型水轮机, 自然补气几乎是唯一可行的减轻涡带压力脉动的有效措施。模型试验表明, 通过大轴中心孔补入小于0. 3%水轮机流量的自然空气, 尾水管的压力脉动即降低到正常水平, 可以满足合同文件的规定值。除设置通过主轴中心的自然补气系统外, 在水轮机的结构设计和电站设计中, 在适当位置(顶盖, 底环和基础环 预留补压缩空气的管道, 供将来必要

21、时采用。上述补气方式已在三峡电站设计中采用。(编辑:喻伟#简讯#中国武汉国际水利建设技术与工程机械设备展览会在汉举行由长江水利委员会国际经济技术合作交流中心与中国国际贸促会武汉市分会主办的2000中国武汉国际电工电力技术及设备展览会暨2000中国武汉国际水利建设技术与工程机械设备展览会于4月1215日在武汉华中国际博览中心如期举行。来自法国、德国、奥地利等国以及国内近百家企业展出了先进的水利电力施工机械、工艺、设备以及电力智能监测系统等高新科技产品。长江科学院长江控制设备研究所也在展览中心宣传了研究成果和生产业绩。长江委副总工程师成昆煌和长江重点堤防隐蔽工程建管局副总工程师蒋乃明还应邀就企业关

22、注的清江水布垭水利工程和长江堤防重点隐蔽工程的建设情况向参展商做了介绍, 得到了参展企业很好的反响。长科院、水保局, 设计院规划处、机电处、施工处、枢纽处, 综勘局等单位踊跃组织职工参观展览, 长江委技术专家就有关技术与参展企业进行了认真交流。(长江3第5期田子勤等:三峡电站混流式水轮机水力稳定性研究Study on hydraulic stability of Francis turbineof Three Gorges Power StationTIAN Zi -qin LIU Jing -wang(Design Institute, Changjiang Water Resources

23、Commission, Wuhan 430010, ChinaAbstract: In terms of the variation range of operating water head, the Francis turbine of Three Gorges Power Station isone of the greatest turbines in the world. The operational stability of the turbine has been the top subject for departments of de -sign, research, ma

24、nufacture and operation to be concerned about. During the c ourse of preparing the bidding document and exe -cuting the contract for the left bank po wer plant . s hydro generator units, the hydraulic stability of the turbine was regarded as the most important problem, and specific stability indexes

25、 of the model and prototype turbines were respectively specified in the contract. In the model tests for the turbine model acceptance, the pressure fluctuation in the case of partial load was found to be different from the usual one as people know. Within the range of operating water head, there exi

26、sted a peak value zone of pres -sure fluctuation with higher frequency, and large-amplitude pressure fluctuations simultane ously occurred in several localities from the inlet of the spiral case to the draft tube. On the basis of the results from model tests, the influence of cavitation and aeration

27、 on pressure fluctuation is analyzed, and some measures to improve the hydraulic stability of the turbine of three Gorges Po wer Station are put forward.Key words: Francis turbine; hydraulic stability; pressure fluctuation; model test; Sanxia Multipurpose ProjectComputation model for channel flow co

28、ntrolof the Middle Route Project for S -to -N Water TransferWU Ze -yu 1 Z HOU Bin 2(1. Design Institute, Changjiang Water Resources Commission, Wuhan 430010, China; 2. Middle Route Project Office of S-to-N Water Transfer,Changjiang Water Resources Commission, Wuhan 430010, ChinaAbstract: The main tr

29、unk channel of the Middle Route Project for South-to-North Water Transfer has a long route, a vast water supply distric t and numerous water-diverting outlets along the channel, so it is necessary to well operate and con -trol the main trunk channel. Maintaining c onstant water levels at sluices and

30、 controlling water storage capacities of all channel reaches are the most suitable control modes. Based on the general design results, two computation models for controlling the channel flow by means of maintaining constant water levels at sluices and c ontrolling water storage capacities of channel

31、 reaches are developed. The gate opening of a re gulating sluice can be determined by the computation model and acc ording to diversion discharges of water users. The computation model can be used for the water supply re gulation.Key words: channel flow control; computa tion model; constant water level at sluice; water storage capacity controlDiscussion on rock slope . s stability safety fact