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三峡电站水轮机性能和结构特点评析

三峡电站水轮机性能和结构特点评析

黄源芳李文学

摘要三峡工程投资巨大，其回收投资的唯一手段是三峡电站的发电收益。因此作为电站核心设备之一的水轮机．其性能的好坏和运行可靠性如何，是能否发挥工程效益的关键所在。三峡水轮机额定出力710MW，转轮直径达10m，是目前世界上出力最大、尺寸最大的混流式水轮机。大容量大尺寸混流式水轮机的结构设计和制造工艺也是一个技术挑战。兹以三峡水轮机模型试验为基础，较为全面地介绍和评析了三峡水轮机主要部件的结构特点和特性。

关键词三峡工程水轮机性能结构

三峡水电站共安装额定容量700MW的水轮发电机组26台。其中左岸电站14台机组通过国际公开招标、议标决标的方式，于1999年9月正式签订了合同。14台额定水头80.6m，额定出力710MW的混流式水轮机分别由两个集团负责供货，VGS联营体(德国Voith、加拿大GEHydro、德国Soemems)获得了6台的合同，法国AISTOM集团获得了8台的合同。合同规定两个集团采用各自的水力设计，VGS采用该联营体开发的水力模型，AISTOM则被要求采用挪威KVAERENER能源公司(以下简称KEN)开发的水力模型。这两个模型最大的共同点是转轮均为X型叶片。

1三峡水轮机性能特点

三峡左岸电站机组设计制造合同正在执行，水轮机模型试验已基本完成，转轮的制造也已进入实施阶段，水轮机的性能已基本定型。

1.1运行水头范围宽

三峡工程的首要任务是防洪，其次是发电和航运，因此水库的运行必须服从防洪的要求。每年汛期6-9月的大部分时间，水库必须维持145m低水位运行，以留出足够的防洪库容拦蓄洪水。进入10月，水库开始蓄水，直至正常蓄水位175m，并尽量维持高水位运行以利于上游航运和多发电。这样，库水位变幅达30m，加上层水位变化的影响，使得水轮机的正常运行水头范围很宽，达71～113m。

由于三峡工程量大，施工期长达17年，移民达110万，为了尽早发挥工程效益，减少施工期资金压力，决定采分期蓄水，连续移民的建设方案，即在2003年至2006年，利用已建成的坝体和三期围堰挡水发电，此时上游水位限制在135m；2006年汛后，水位允许上升到156m，但汛期水位仍限制在135m；2009年汛后，库水位才蓄至正常水位175m，汛期则维持145m低水位运行。这种初期降低水位投入运行的方式，更增大了水轮机的运行水头范围，使三峡水轮机的运行水头范围达到61～113m。

混流式水轮机能否适应三峡运行水头变幅大的特点，一直是三峡总公司乃至水电界所担心的问题。通过招标前的技术交流，各投标商对三峡的运行条件有了较深刻的了解，因而进行有针对性的研究。在机组招标过程中，通过用户和投标商技术人员面对面的澄清再澄清，确认混流式水轮机能够适应三峡61-113m的运行水头范围，因此舍弃了设置临时转轮以适应初期(2003年至2009年)运行条件，永久转轮适应后期运行条件的方案。合同签定后，中标商进行了进一步的模型开发和试验研究。模型验收试验表明，两个用于三峡的水力模型基本上都能适应三峡电站水头变幅大的特点。

1.2能量特性较好

模型试验表明，两个水力模型按合同规定的两步法换算到原型的最优效率均高于合同保证的96.26%。非弃水期原型加权平均效率分别达94.39%和93.96%，非弃水期电量、弃水期电量和总年电量均超过合同保证值，若按三峡26台机组计，总的年平均电量将达880×108kw·h。可以说两个水力模型在能量特性上达到了国际较高水平。水轮机效率和电量比较见表1。

表1水轮机效率和电量比较

模型1

模型2

合同保证值

验收试验值

合同保证值

验收试验值

模型最优效率(%)

94.35

95.26

94.51

94.54

原型最优效率(%)

96.26

96.79

96.26

96.27

单机总年电量(×106kW·h)

3373

3382

3360

3397

1.3空化和耐磨损性能较好

空蚀是水轮机运行中常见的现象。水中含有泥沙时，空蚀常常与泥沙磨损联合作用，导致水轮机过流部件，特别是转轮叶片表面快速破坏，不仅会降低水轮机运行效率，严重时甚至危及部件的结构安全。

长江水中泥沙二峡坝址处多年平均含沙量为1.2kg/m3。虽然建库后泥沙会大量沉积库底，但在最初运行的10间仍有约1/3的泥沙过机。在每年长达4个月的汛期，平均过机泥沙含量将在0.5kg/m3以上。由于汛期水量大，水轮机多处于低水头满开度运行，水轮机内流速大，这更使泥沙磨损加剧。在这种条件下运行，水轮机部件是否会因空蚀和泥沙磨损的联合作用而发生过量金属失重?这也是水轮机设计和运行人员普遍关注的问题。

模型验收试验表明，转轮叶