方 杰,曹春建,方曉紅,李勝兵
(中國電建集團華東勘測設(shè)計研究院有限公司,浙江 杭州 311122)
白鶴灘水電站位于金沙江下游四川省寧南縣和云南省巧家縣境內(nèi),為金沙江下游河段梯級開發(fā)的第二級電站,上接烏東德水電站、下鄰溪洛渡水電站。白鶴灘水電站的開發(fā)任務(wù)以發(fā)電為主,兼顧防洪、航運,并促進地方經(jīng)濟社會發(fā)展。電站裝機容量16 000 MW,多年平均發(fā)電量624.43億kW·h,保證出力5 470 MW。白鶴灘水電站由一壩兩廠組成,采用1 000 MW水輪發(fā)電機組,左、右岸地下廠房各裝設(shè)8臺[1]。
(1)可行性研究推薦采用單機容量1 000 MW機組。遵循安全、可靠、合理、先進的原則,針對1 000 MW水輪發(fā)電機組的特點進行參數(shù)選擇,以保證機組能夠長期地穩(wěn)定、高效運行,獲得最佳效益。
(2)水輪機運行水頭范圍為163.9~243.1 m,具有水頭高且變幅大的特點,運行水頭變幅達79.2 m。
(3)電站汛期加權(quán)平均水頭為192.1 m,非汛期加權(quán)平均水頭為213.1 m,全年加權(quán)平均水頭為207.8 m。在進行水輪機參數(shù)選擇和水力設(shè)計時,需要兼顧汛期和非汛期兩個運行范圍的能量指標。
(4)電站泥沙主要集中在汛期,占全年輸沙量的96.22%;水庫建成初期的汛期過機泥沙含量約為0.349 kg/m3,過機泥沙中值粒徑小,且硬度相對較大。
(5)水輪機參數(shù)選擇時應(yīng)充分考慮地下廠房的布置特點,使整個工程更趨經(jīng)濟合理。
2.2.1 比轉(zhuǎn)速、比速系數(shù)及同步轉(zhuǎn)速
白鶴灘電站水頭高、變幅大、單機容量巨大,有一定的過機泥沙,泥沙粒徑小且硬度大。在進行比轉(zhuǎn)速和比速系數(shù)選擇時,應(yīng)將機組的運行穩(wěn)定性放在首位,同時兼顧水輪機參數(shù)的先進性[2-4]。為了合理選擇水輪機參數(shù),進行了大量的統(tǒng)計分析和計算工作,與國內(nèi)制造廠進行了多次技術(shù)交流,委托了國內(nèi)知名廠家對機組進行了研究和試驗工作,并對國內(nèi)大型電站的運行情況進行了調(diào)研。結(jié)合白鶴灘水電站的特點,選擇水輪機的比轉(zhuǎn)速為150 m·kW左右,相應(yīng)比速系數(shù)在2 132左右。在上述比轉(zhuǎn)速范圍內(nèi),可供選用的發(fā)電機同步轉(zhuǎn)速有107.1、111.1、115.4 r/min。轉(zhuǎn)速為107.1 r/min的磁極數(shù)為56個,發(fā)電機可選支路數(shù)為4、7和8個;111.1 r/min的磁極數(shù)為54個,發(fā)電機可選支路數(shù)為6和9個;115.4 r/min的磁極數(shù)為52個,發(fā)電機可選支路數(shù)為4和13個。按照24 kV或26 kV額定電壓等級考慮,綜合各機組制造廠提供的資料,按目前的設(shè)計制造水平,發(fā)電機采用全空冷方式合理的槽電流約為7 000 A左右,采用定子水冷方式合理的槽電流約為10 000 A左右。當定子并聯(lián)支路數(shù)選擇4和13時,無法選擇到合理的定子槽電流。其他支路數(shù)均有合理的槽電流作為支撐。
因此,綜合發(fā)電機的設(shè)計制造水平,額定轉(zhuǎn)速選擇107.1 r/min或111.1 r/min。
2.2.2 水輪機模型預測參數(shù)
綜合制造廠的交流成果、相近水頭段優(yōu)秀模型轉(zhuǎn)輪參數(shù)以及委托制造廠進行的水力開發(fā)和模型試驗成果,預期的模型水輪機比轉(zhuǎn)速為141~147 m·kW,相應(yīng)比速系數(shù)為2 004~2 089。最優(yōu)工況點參數(shù)為:水輪機單位轉(zhuǎn)速62.5~67 r/min,單位流量0.4~0.44 m3/s,最優(yōu)點效率94.5%;額定工況點參數(shù)為:水輪機單位流量0.53~0.57 m3/s,效率92.0%,臨界空化系數(shù)0.058~0.067。
2.2.3 水輪機原型主要預測參數(shù)
綜合上述水輪機水力參數(shù)的選擇分析以及國內(nèi)現(xiàn)有的模型轉(zhuǎn)輪,并根據(jù)制造廠針對白鶴灘所開展的水力研發(fā)和模型試驗成果,確定原型水輪機額定水頭202 m,額定出力1 015 MW,轉(zhuǎn)輪直徑8.6 m,額定流量547.8 m3/s;水輪機額定轉(zhuǎn)速107.1 r/min或111.1 r/min,吸出高度-15.43 m。水輪機飛逸轉(zhuǎn)速不大于202 r/min,正常運行范圍內(nèi)的壓力脈動混頻峰峰值△H/H不大于4%。
2.3.1 水輪機主要參數(shù)
左岸電站裝設(shè)1~8號共8臺水輪發(fā)電機組,由東方電氣集團東方電機有限公司供貨;右岸電站裝設(shè)9~16號共8臺水輪發(fā)電機組,由哈爾濱電機廠有限責任公司供貨。左、右岸原型水輪機額定功率1 015 MW、額定水頭202 m,吸出高度-15.43 m,安裝高程570 m。左岸原型水輪機額定流量545.5 m3/s,額定轉(zhuǎn)速111.1 r/min,軸向水推力1 455 t,加權(quán)平均效率95.81%,轉(zhuǎn)輪進口直徑8.47 m,水輪機質(zhì)量3 340 t;右岸原型水輪機額定流量538.8 m3/s,額定轉(zhuǎn)速107.1 r/min,軸向水推力1 550 t,加權(quán)平均效率96.13%,轉(zhuǎn)輪進口直徑8.72 m,水輪機重量3 330 t。
2.3.2 轉(zhuǎn)輪及其現(xiàn)場組裝
轉(zhuǎn)輪采用鑄焊結(jié)構(gòu),葉片采用ZG04Cr13Ni5Mo不銹鋼材料VOD精煉鑄造,五軸數(shù)控機床數(shù)控加工。上冠和下環(huán)采用ZG04Cr13Ni5Mo不銹鋼材料鑄造結(jié)構(gòu)。泄水錐采用ZG04Cr13Ni5Mo不銹鋼板材料制造,焊接到上冠的下端。轉(zhuǎn)輪采用常規(guī)葉片或長短葉片,左岸常規(guī)葉片轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)量15片,右岸長短葉片轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)15+15片。左、右岸水輪機轉(zhuǎn)輪外形尺寸和質(zhì)量分別約為Φ8.6 m×3.92 m/346.5 t、Φ8.9 m×3.8 m/338 t。對外交通條件無法滿足整體轉(zhuǎn)輪運輸?shù)囊螅D(zhuǎn)輪采用散件運輸、現(xiàn)場組焊的方案,其中轉(zhuǎn)輪上冠和下環(huán)均需要分瓣后運輸。
2.3.3 座環(huán)、蝸殼材質(zhì)和加工設(shè)備選擇以及蝸殼澆注方案
座環(huán)采用平行板式結(jié)構(gòu),上、下環(huán)板采用SXQ500D-Z35抗層狀撕裂鋼板,板厚250~265 mm。左岸固定導葉采用SXQ550D,右岸固定導葉采用鍛ASTM A668E鋼板焊接組成。上、下環(huán)板上帶有蝸殼過渡板,用于改善過渡帶的應(yīng)力,同時也便于現(xiàn)場蝸殼環(huán)板與之對焊。由于座環(huán)尺寸大,焊接、運輸過程和澆注混凝土后產(chǎn)生較大變形,座環(huán)和頂蓋、底環(huán)結(jié)合面、座環(huán)內(nèi)圓密封面在廠內(nèi)粗加工,待座環(huán)安裝完畢,并澆注混凝土后,采用專用工具車削平面、鉆孔、攻絲及打磨等,使之達到精度要求。
蝸殼按獨立承受包括升壓水頭在內(nèi)的最大工作水壓設(shè)計,采用鋼板焊接結(jié)構(gòu),機組蝸殼的材料選用可焊性好的高強度鋼板制作,采用抗拉強度為800 MPa級高強度鋼板,蝸殼最大厚度左岸約為83 mm,右岸約為97 mm。為降低工地安裝難度和現(xiàn)場焊接工作量,蝸殼延伸段和包角段分節(jié)蝸殼尾部在廠內(nèi)直接裝于座環(huán)上,并進行退火處理。經(jīng)了解,國內(nèi)外其他行業(yè)已有卷制類似鋼板能力的卷板機,為減少運輸費用,其余部分可在工地進行卷制。蝸殼推薦采用墊層方案澆注。
2.3.4 主軸密封供水方式
各制造廠主軸密封結(jié)構(gòu)均推薦采用軸向端面密封方式,密封塊采用高分子合成材料。其中,潤滑水質(zhì)要求最高的顆粒度不大于0.03 mm。白鶴灘主軸密封供水主用水源取自下游尾水隧洞,最大顆粒度為3 mm,并將廠外自來水水源作為主軸密封供水的備用水源,二次過濾(精過濾裝置)由機組廠家考慮。
2.3.5 水輪機主軸同鏜加工
水輪機軸為中空、帶軸領(lǐng)鍛焊式結(jié)構(gòu),材料為全鍛鋼25MnSX。左岸主軸的水輪機端法蘭為中法蘭結(jié)構(gòu),發(fā)電機端法蘭為外法蘭結(jié)構(gòu),主軸水輪機端法蘭外徑3 610 mm,主軸發(fā)電機端法蘭外徑4 260 mm,主軸長6 270 mm,重約118 t。右岸水輪機軸的水輪機端法蘭和發(fā)電機端法蘭均為中法蘭結(jié)構(gòu),主軸水輪機端法蘭外徑3 760 mm,主軸發(fā)電機端法蘭外徑3 980 mm,主軸長6 575 mm,重約140 t。左岸主軸同鏜加工在工地完成;右岸水輪機軸與發(fā)電機軸聯(lián)接銷套孔在HEC工廠內(nèi)鏜模加工,并通過立式聯(lián)軸同軸度找正檢查合格后出廠。
白鶴灘調(diào)速器額定油壓為6.3 MPa。
綜合機組廠家資料和以往類似工程經(jīng)驗[5-6],導葉接力器有效容積按1.03 m3考慮,根據(jù)水力過渡過程計算成果,導葉快關(guān)段的全行程關(guān)閉時間8 s。為了保證調(diào)速器性能穩(wěn)定,調(diào)速系統(tǒng)不宜選擇過高流速。目前大型混流式水輪機調(diào)速系統(tǒng)最大管內(nèi)流速為3.9 m/s。綜合調(diào)速器制造廠的意見,白鶴灘1 000 MW機組調(diào)速系統(tǒng)管內(nèi)流速暫按照不超過3.5 m/s控制。根據(jù)上述條件,調(diào)速器主配壓閥直徑選擇200 mm等級。
招標的調(diào)速器主要參數(shù)如下:調(diào)速器型式為冗余結(jié)構(gòu)的數(shù)字型電液調(diào)速器(PID調(diào)節(jié)規(guī)律),主配壓閥直徑φ200 mm,額定操作油壓6.3 MPa,調(diào)速器油壓裝置型號為YZ-28/2-6.3,壓力油罐容積為28 m3(2×14 m3)。
根據(jù)主廠房布置,主廠房橋式起重機的跨度為30.0 m,采用巖壁吊車梁。根據(jù)主廠房內(nèi)最重起吊件重量(發(fā)電機轉(zhuǎn)子起吊質(zhì)量約2 335 t)和2臺橋機起吊時的平衡梁質(zhì)量(約200 t),確定其主鉤起吊質(zhì)量為1 300 t。除了整體轉(zhuǎn)輪、頂蓋、轉(zhuǎn)子、定子、下機架、主變壓器等重大件利用主鉤起吊外,一些部件,如分瓣座環(huán)、分瓣頂蓋、轉(zhuǎn)子中心體、主軸以及下機架中心體等部件的重量介于100~150 t之間,所以選擇副鉤額定起重量為160 t??紤]到兩岸同時使用的可能性較小,左、右岸共設(shè)置一根2 400 t平衡梁。橋機最大輪壓按照起吊轉(zhuǎn)子時的極限位置確定為1 200 kN。目前國內(nèi)還沒有單臺起重量達到1 300 t的橋式起重機業(yè)績,主要參考國內(nèi)已投運的1 200 t橋式起重機確定。1 300 t橋式起重機主要參數(shù)為:主鉤額定起重量1 300 t,副鉤額定起重量160 t,主鉤起升高度38 m,副鉤起升高度48 m,主鉤起升速度1.5/0.15 m/min,副鉤起升速度4/0.4 m/min,大車運行速度為22/2.2 m/min,小車運行速度為8.5/0.85 m/min。
為滿足施工進度要求,提高生產(chǎn)率,兩岸地下主廠房內(nèi)各設(shè)置一臺輔助橋機。輔助橋機先于主廠房橋機投入使用。輔助橋機主要用于吊運地下廠房土建施工器材(如鋼筋、模板、水泥槽罐車等)以及機組部件、埋件的安裝。除機組少數(shù)部件外,大部分起吊部件(包括分瓣座環(huán)在內(nèi))的起吊重量不超過135 t,因此選擇1臺160 t/160 t雙小車橋機,并布置在與大橋機同層的輔助安裝場側(cè)。
白鶴灘水電站技術(shù)供水系統(tǒng)供水對象主要包括水輪發(fā)電機組和主變壓器冷卻用水,并同時考慮了全廠其他公用設(shè)備用水。
4.2.1 機組和主變壓器供水系統(tǒng)
機組和主變壓器的供水對象主要包括發(fā)電機空氣冷卻器、發(fā)電機上導軸承冷卻器、發(fā)電機推力/下導軸承冷卻器、水輪機導軸承冷卻器、水輪機主軸密封潤滑冷卻、水冷式主變壓器冷卻器。參考制造廠提供資料和類似機組經(jīng)驗,單臺機組的冷卻供水水量約為2 000 m3/h,單臺主變壓器的滿載冷卻供水量為360 m3/h,空載冷卻供水量為115 m3/h??紤]到機組和主變壓器聯(lián)合水泵供水,容量較大,且機組蝸殼尺寸較大,有條件設(shè)置上下兩層泵房,機組和主變壓器分別采用單元供水方式,水泵加壓密閉供水方式,水源取自下游尾水。每臺機組冷卻供水設(shè)置2臺流量為2 200 m3/h、揚程為38 m、電機功率為315 kW的臥式雙吸離心泵,互為備用;每臺主變壓器滿載冷卻供水設(shè)置2臺流量為400 m3/h、揚程為42 m、電機功率為75 kW的臥式雙吸離心泵,互為備用;每臺主變壓器空載冷卻供水設(shè)置2臺流量為120 m3/h、揚程為30 m、電機功率為22 kW的立式雙吸離心泵,互為備用,供水管接入主變壓器滿載供水管,兩臺機組的空載供水排水管之間設(shè)置有聯(lián)絡(luò)管,供機組檢修時使用。機組冷卻供水泵布置在蝸殼下層泵房,地板高程為564.9 m;主變冷卻供水泵布置在蝸殼上層泵房,地板高程為570.9 m。
4.2.2 公共供水系統(tǒng)
空調(diào)設(shè)備冷卻水量1 000 m3/h和8臺主變壓器空載冷卻供水量920 m3/h,由廠內(nèi)公用供水系統(tǒng)供給??紤]空調(diào)冷凍機組運行臺數(shù)將根據(jù)電站機組發(fā)電功率進行調(diào)整,綜合空調(diào)冷凍機組和主變壓器空載運行的運行臺數(shù)組合工況,公共供水系統(tǒng)的用水量按照1 500 m3/h,取自DN500全廠公用供水總管,全廠公共供水系統(tǒng)取自尾水管檢修閘門外的尾水隧洞,通過支管為各用戶設(shè)備供水。
機組檢修排水系統(tǒng)主要是為了機組檢修時及時排除壓力鋼管、蝸殼、尾水管及尾水洞內(nèi)的積水,采用集水井間接排水方式。蝸殼和壓力鋼管積水通過蝸殼排水閥與尾水管連通,壓力鋼管、蝸殼、尾水管以及尾水連接洞內(nèi)的積水通過尾水管排水閥,借助貫穿全廠的排水匯集廊道匯至廠房端部的檢修排水集水井,再由排水泵通過廠區(qū)排水廊道埋設(shè)的管路和自流排水洞,排至下游。集水井采用承壓密封設(shè)計,設(shè)置有2個DN400、PN1.6 MPa的復合式補排氣閥。
檢修排水系統(tǒng)設(shè)置6臺流量為1 000 m3/h、揚程為115 m、電機功率為450 kW的長軸深井泵,布置在集水井頂部左岸569.4 m(右岸557.75 m)高程。機組停機檢修時,6臺水泵同時啟動排水,當尾水管內(nèi)的積水全部排空后,改由1臺泵輪流排除來自上、下游閘門的滲漏水。在廠房檢修集水井內(nèi),裝設(shè)有UQK型液位信號器1套和潛水式液位變送器2套,用于對深井水泵的運行控制和檢修集水井內(nèi)的水位監(jiān)視。
包括2個滲漏排水系統(tǒng),分別為廠內(nèi)滲漏排水系統(tǒng)和廠區(qū)滲漏排水系統(tǒng)。
4.4.1 廠內(nèi)滲漏排水系統(tǒng)
地下廠房廠內(nèi)滲漏排水系統(tǒng)主要包括廠房內(nèi)水工建筑物各部位以及廠區(qū)第5、6層南側(cè)排水廊道、廠區(qū)第7層排水廊道的滲漏水和機電設(shè)備滲漏水。所有滲漏水通過滲漏排水廊道、排水管排至滲漏集水井中,由排水泵通過廠區(qū)排水廊道埋設(shè)的管路和自流排水洞,排至下游。系統(tǒng)設(shè)置4臺流量為1 000 m3/h、揚程為115 m、電機功率為450 kW的長軸深井泵,兩主兩備。在滲漏集水井內(nèi),裝設(shè)有UQK型液位信號器1套和潛水式液位變送器2套,用于對深井水泵的運行控制和滲漏集水井內(nèi)的水位監(jiān)視。
4.4.2 廠區(qū)滲漏排水系統(tǒng)
地下廠房廠區(qū)滲漏排水系統(tǒng)的排水對象主要包括廠區(qū)第5、6層北側(cè)排水廊道、進廠交通洞等其他輔助洞室的滲漏水。系統(tǒng)設(shè)置5臺流量為375 m3/h、揚程為67 m、電機功率為110 kW的長軸深井泵,三主兩備。在滲漏集水井內(nèi),裝設(shè)有UQK型液位信號器1套和潛水式液位變送器2套,用于對深井水泵的運行控制和滲漏集水井內(nèi)的水位監(jiān)視。
4.5.1 壓縮空氣系統(tǒng)
壓縮空氣系統(tǒng)主要包括中壓壓縮空氣系統(tǒng)和低壓壓縮空氣系統(tǒng)。
中壓壓縮空氣系統(tǒng)的主要供氣對象為水輪機調(diào)速器油壓裝置用氣。調(diào)速系統(tǒng)油壓裝置額定工作壓力為6.3 MPa,為提高空氣的干燥度,采用二級供氣,并在空壓機出口設(shè)置空氣干燥裝置。設(shè)2只容積均為8 m3、額定壓力為9.0 MPa的中壓儲氣罐和三臺排氣量為3.0 m3/min、排氣壓力為9.0 MPa的空壓機。首次充氣時三臺空壓機同時工作,補氣時一臺工作兩臺備用,主備用空壓機可以相互切換。為確保供氣管路的可靠性,設(shè)置備用供氣干管,可供主供氣干管檢修時使用,也可以在正常工作時與主供氣干管同時使用。
低壓壓縮空氣系統(tǒng)主要供氣對象為水輪發(fā)電機組制動用氣、主軸檢修密封空氣圍帶、機組維護檢修用氣源等。制動系統(tǒng)采用2臺機組同時制動,按制動前后的壓力降0.1 MPa確定貯氣罐容積,選取2只容積均為10 m3、額定壓力為0.8 MPa的低壓制動儲氣罐。按照15 min恢復制動專用貯氣罐的壓力,選取2臺排氣量為3.5 m3/min、排氣壓力為0.8 MPa的低壓空壓機。機組維護檢修供氣系統(tǒng)設(shè)有1只容積為10 m3、額定壓力為0.8 MPa的平壓儲氣罐和2臺排氣量為9.5 m3/min、排氣壓力為0.8 MPa的低壓空壓機,空壓機并聯(lián)運行,一臺工作一臺備用,由壓力開關(guān)控制空壓機的自動開停。機組維護檢修用氣系統(tǒng)可作為制動用氣系統(tǒng)的備用,向機組制動用氣系統(tǒng)供氣。
4.5.2 油系統(tǒng)
油系統(tǒng)包括廠內(nèi)透平油系統(tǒng)、廠外透平油系統(tǒng)和廠外絕緣油系統(tǒng)。其中廠內(nèi)透平油系統(tǒng)設(shè)置2只20 m3凈油罐,4只20 m3運行油罐。
白鶴灘水電站設(shè)置有左右岸地下廠房,各裝設(shè)8臺單機容量1 000 MW的水輪發(fā)電機組。若無特別說明,以下僅對左岸廠房描述。
左岸地下廠房主、副廠房洞呈“一”字形布置:從南到北依次布置副廠房、輔助安裝場、機組段和安裝場。第一臺發(fā)電機組(1號機組)布置在副廠房側(cè),對應(yīng)靠山體側(cè)尾水隧洞不與導流洞結(jié)合,單獨成洞,發(fā)電日期不受導流洞改建所限,可以保證按時發(fā)電,并為提前發(fā)電提供有利條件。
主、副廠房洞長為438 m,其中主、輔助安裝場的長度分別為79.5、22.5 m,副廠房長度為32 m,機組段總長為304 m。橋機巖壁梁以下發(fā)電機層寬度為31 m(凈寬28.3 m),橋機巖壁梁以上寬度為34 m(凈寬33.6 m),廠房頂拱高程624.6 m,尾水管底板高程539.40m。主廠房分為發(fā)電機層、中間層、水輪機層、蝸殼上層、蝸殼下層、尾水管操作廊道層以及尾水管層,共7層。進廠交通洞設(shè)在主安裝場端部,靠主廠房下游側(cè)布置。
白鶴灘水電站地下廠房內(nèi)機組臺數(shù)多、單機容量大,機組安裝質(zhì)量要求高。為保證白鶴灘機組按計劃順利投產(chǎn),考慮轉(zhuǎn)子應(yīng)有至少2個以上單獨的工位進行組裝。所以在主安裝場設(shè)有3個轉(zhuǎn)子工位,另有1個頂蓋工位。轉(zhuǎn)輪、主軸其他設(shè)備為臨時放置,所有機組定子組裝在機坑內(nèi)完成。根據(jù)上述要求,結(jié)合地下廠房布置,擬定主安裝場長度為79.5 m,輔助安裝場長度為22.5 m。
輔助安裝場下方分4層布置,同發(fā)電機高程層590.4 m高程,布置有發(fā)電機上機架組裝工位;同蝸殼下層高程布置有機組檢修和滲漏排水泵房,水泵房下方為滲漏和檢修集水井。
副廠房布置在主廠房的南端,長度為32 m,凈寬度為29.0 m。在569.4 m和605.9 m高程之間共分8層,其中一、二層分別布置有壓縮空氣供氣設(shè)備和油罐及油處理設(shè)備。
目前白鶴灘水電站輔助系統(tǒng)均已完成安裝、調(diào)試,系統(tǒng)運行正常,白鶴灘水力機械設(shè)計也已經(jīng)過驗證和考核,運行良好,為2021年6月左右岸首批機組均順利并網(wǎng)發(fā)電奠定了良好基礎(chǔ)。