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1000MW水轮发电机组创新研究思路探讨

人民长江 2013-02-07 05:45:50

[导读] 摘要:通过对巨型水轮发电机组及其应用现状的分析,探讨了1000MW巨型机组创新研究思路。1000MW巨型机组的创新研究作为一个系统工程应分阶段进行研究。第1阶段开展1000MW水轮发电机组在工程应用中的研究;第2阶段开展1000MW级机组总体研究和专项研究;第3阶段开展1000MW级机组“新技术、新工艺和新材料”创新研究。对于1000MW级机组在工程应用中的可行性研究可从电站水头条件、机组性能参数水平、结构尺寸及设计要求、材料应用、冷却方式、加工制造能力、设计制造难度、大件运输方式、安装技术、水能条件及机

 

 

中国分类号:TV734 文献标识码:A

1 混流式巨型水轮发电机组现状

1.1 总体状况

国内外中、低水头段巨型混流式水轮发电机组基本上为700MW级,并普遍装设在水量充沛的大江大河上的巨型水电站中。

近年来,大于700MW的水轮发电机组也正在投入使用和制造中,其中中国三峡水力发电厂26台756MW/840MVA水轮发电机组已全部投产运行,溪洛渡水力发电厂18台774MW/860MVA水轮发电机组和向家坝水力发电厂8台MW/888.9MVA水轮发电机组正在投产制造中。向家坝800MW巨型机组是目前正在生产制造的容量最大的巨型机组。

700MW级巨型水轮电机组具有应用水头低、尺寸大、转速低的特点。其,三峡电站机组最大水头113m,转速71.5r/min,直径10.71m,是最低水头、转速150r/min,直径6.5m,是最高水头、转速和最小直径的巨型机组。

在性能参数水平方面,除大古力、三峡水轮机比速系数大于2350以外,其他机组均小于该值,特别是近年来,随着对水轮机稳定运行要求的提高,一些大型机组的比速系数的取值为2000-2250;投运电站水轮机#####最大值为12962;投运电站发电机额定电压最高值为20kV,在建电站向家坝机组部分电机额定电压已提高到23kV,但还没有运行经验;发电机S?nf最大值为217800;每极容量最大值为19.45MVA(风冷);推力轴承推力负荷最大为5750t;额定电流最大值为27636A(水冷);定子槽电流最大值为9211A(水冷)。

结构设计方面,结构分析主要采用美国Structural Dynamics Research Corporation(SDRC)的I-DEAS、美国ANSYS公司的ANSYS等有限元分析软件,并大量地应用于工程实践。随着机组容量和尺寸的增加,水轮机结婚部件的刚度降低,固有频率下降,振动模态趋于复杂,在各种频率较宽的水力激振作用下,会诱发结构振动甚至共振,产生过量变形、附加动应及疲劳破坏,由于水力扰动作用的部位、强度、频率的复杂性,目前还不能很好地进行结构动应力和疲劳应力的量化分析研究。尽管如此,人们还是通过各种方法来减轻水力不确定性对结构破坏的影响。如增大转轮静应力安全度(不小于5倍),静态应力水平大幅度降低到110MPa以下,为抵抗动应力留下足够的裕量;开展空气中和水中两种介质条件下的整体转轮和单个叶片的动力特性以及其他大部件的动力特性研究,避开幅度值较大的水力脉动频率;建立转轮疲劳强度的评估方法,增大疲劳安全系数(如三峡左岸疲劳安全系数为2.85,右岸为3.3,构成滩为3.4)提高,转轮抗裂纹的能力。

1.2 水力设计及模型试验现状

随着计算流体动力学(CFD)数值求解技术和计算机技术的高速发,水轮机水力设计优化粘性流动计算技术日益趋于成熟。有公司曾用18个电站水轮机模型试验数据验证CFD精度,结果表明,在最优单位转速下,在优工况点,CFD分析的误差带在±0.2%以内,与模型试验误差带±0.2%具有较好的一致性,在偏离最优工况点后,CFD分析的误差增大,在±10%负荷内,最大误差为0.9%,在±15%负荷内,最大误差为1.25%,在±20%负荷内,最大误差为1.5%。由此可见,在水轮机设计工况点,CFD技术给出了足够的精度,完全可以用于叶型优化,提高水力设计水平。但在非设计工况点,计算误差带加大,特别是在非稳定工况区,实际流态与目前的计算技术存在较大差距。尽管目前各研究机构正在大力进行非定常流的CFD计算技术和模型试验技术的研究,但基于非定常流的CFD技术还不能在工程应用上给予很好帮助。尽管如此,现代CFD分析数字模似预测技术在水轮机水力设计中还是得到了普遍应用,彻底地改变了传统的水轮机水力开发过程,大大提高了水轮机水力设计优化的效率和可靠性。

700MW级混流式水轮机模型试验主要通过外特性及部分光学观察技术完成,试验装置配置和试验水平均有了大幅提高。多个巨型机组水轮机模型试验表明,这一水头段的转轮除通常的尾水管涡带压力脉动区影响水轮机不稳定运行外,还存在另外两类影响水轮机不稳定运行的区域:①所谓的高部分负荷压力脉动区,该区压力脉动混频峰值偏大、脉动频率往往等于或大于机组转频;②在水头低于额定水头的大流量区,产生水力激振现象并具有共振特征。第①类不稳定区是中低水头水轮机的固有现象,不易消除,只能减轻。第②类不稳定区如在模型试验中发现,则必须修改水力设计或改变运行区域,直至消除。

1.3 不稳定运行在真机上的主要表现

经对国内外一些大型水电站机组运行情况调查分析,水轮机产生破坏的主要原因为:机组及厂房振动过大;投运初期或运行不久,转轮出水边靠上冠或下环处就产生贯穿性裂纹;在保证期后出现逐渐扩散的贝尾裂纹;由于结构设计或制造、安装工艺不足导致机组的其他故障和缺陷等。引起上述主要问题的根源在于水力设计结构设计及电站运行区域超出了人们预想和技术掌控的程度。一般认为,过大的压力脉动幅值,增加了机组振动和转轮动应力幅值,刚度和强度裕量不足的转轮产生裂纹的风险会随之增加;强度较大的水力激扰频率与机组部件乃至厂房结构固有频率相近将产生过量振动乃至共振,增加了机组部件乃至厂房结构破坏或疲劳破坏的风险;结构设计产生的应力集中,或焊缝处及其热影响区由于材质和工艺原因存在较大的残余应力等,也增加了转轮产生裂纹风险。

因此,水轮机产生不稳定运行的主要原因与水力设计结构设计及结构动力特性、疲劳破坏特性、材质及制造焊接工艺直接相关。

2 1000MW巨型水轮发电机组创新研究设想

如前所述,700MW级巨型机组设计及其应用取得了巨大进展,但还面临着许多技术问题。1000MW机组容量巨大,面临的技术问题比其他巨型机组有过之而无不及,其应用的必要性、可行性、应用前景、应用范围,都是需要认真研究的。因此,1000MW巨型机组的创新研究,必须分层次、分步骤进行。研究的思路如下:

第1阶段,开展1000MW水轮发电机组在工程应用中的研究;

第2阶段,开展1000MW级机组总体研究和专项研究;

第3阶段,开展1000MW级机组“新技术、新工艺和新材料”创新研究。

3个阶段的研究工作顺序进行,互相衔接,互为前提和支撑。

2.1 1000MW水轮发电机组在用中的研究

受河床地形地热的影响,装机容量巨大的巨型电站往往需要更大的单机容量和较少的机组台数组合,来满足有限的枢纽前沿布置宽度,或以较小的发电建筑物前沿宽度、纵向尺寸,灵活布置,避开不良地形地质条件,达到减小工程投资和工程风险的目的。1000MW水轮发电机组的创新研究,应结合装机大于1000MW的巨型水电工程,首先开展工程应用的必要性和可行性研究。

必要性研究可从电站的动能条件、装机容量、年发电量、接入系统及系统对大机组的调度需求、节能优越性、工程枢纽总体布置及地形地质条件等对巨型机组在技术上和经济上的合理需求,得出1000MW级比700MW级机组对工程总体而言技术更优越、经济更合理的结论;其次,可结合大江大河梯级水库的综合利用水平、水情预报水平、调节调度水平的提高等有利因素,研究水库实际整体水位提高而大幅提高巨型电站实际发电容量和发电电量水平对巨型机组增容的合理需求,得出可再生水电清洁能源可持续发展的前景预期等;最后,在新技术、新材料、新工艺等方面的成就对其他型式的巨型机组可起到示范带动作用,从而推动机电设备设计制造技术的创新和发展。

可行性研究可从电站水头条件、机组性能参数水平、结构尺寸及设计要求、材料应用、冷却方式、加工制造能力、设计制造难度、大件运输方式、安装技术、水能条件及机组运行调度灵活性、配套电气设备等方面全面进行。

乌东德、白鹤滩装机容量均大于10000MW,电站最大水头分别为163m和241m。乌东德、白鹤滩水电站装设1000MW水轮发电机组可行性研究结论表明:电站具备装设1000MW机组的动能条件、工程地质及枢纽布置条件、1000MW机组在工程应用中不存在大的、不可克服的制约因素,并在简化枢纽工程的总体布置、方便运行维护管理、节省投资等方面具有较大的优越性,目前的技术和装备也基本具备设计制造1000MW水轮发电机组及配套电气设备的水平和能,因此,乌东德、白鹤滩水电站装设1000MW水轮发电机组总体上述可行,经济合理。

2.2 1000MW水轮发电机组总体研究和专项研究

乌东德、白鹤滩电站装设1000MW机组可行性研究表明,尽管不存在大的制约条件,但在设计、制造等方面仍存在一些主要技术难点,仍在大量需要解决和进一步提高的技术问题。因此,1000MW水轮发电机组的研究应作为一个系统工程,从水力、机械、电气、材料、工艺等方面开展综合研究。

2.2.1 700MW级巨型机组技术总结研究

700MW级巨型机组设计、制造及运行的经验是开菜1000MW级巨型机组研究的基础和出发点,调查巨型水轮发电机组性能参数、几何参数、结构设计、材料应用、运行情况、故障及其处理、保证机组安全稳定运行措施等相关资料,在此基础上进行整理分析总结,为1000MW级机组的创新研究及技术进步提供实践依据。

2.2.2 1000MW水轮发电机组总体研究

针对1000MW机组容量大、尺寸大、应用水头高的特点,总体研究的主要目标是提出优化的1000MW机组主要技术参数,优化的部件结构设计方案和高强、超厚、性能优良的材料应用及配套方案,根据电站运输条件,提出大件工厂加工及工地制作工艺方案,全面提出1000MW机组设计、制造、运行总体可行性评价。除此之外,1000MW机组还需要进一步研究并提高的主要技术问题如下:

(1)如前所述,由于机组容量和尺寸增加,机组结构部件的刚度相对降低,机组运行的稳定性将更加突出。稳定性研究的关键技术为:高水头、超大容量机组运行稳定性指标的确定和评价,大型水力过流部件动力特性分析技术,叶片动荷载、动应力的分析及评价,转轮疲劳、裂纹破坏机理及抗裂纹措施研究、焊接工艺技术等。

(2)1000MW机组尺寸大,应用水头高,机组部件的外荷载水平比现有机组大幅提高,对机组结构及材料配套提出了新要求。如水轮机蜗壳外荷载PD值,乌东德、白鹤滩1000MW机组水轮机蜗壳PD值在三峡右岸基础分别增加了1.36倍和1.44倍,三峡左岸水轮机蜗壳采用NKK-HITEN610U2调质钢,右岸采用鞍钢生产的ADB610D钢,TPCP(TMCP+高温回火)法生产的低焊接裂纹敏感性高强钢,屈服极限490MPa,壳体最大板厚60mm,舌板厚120mm,按此估算乌东德、白鹤滩1000MW机组蜗壳壳体板材厚度将达到80mm和85mm以上,舌板厚度更厚。由于对专用厚板材料本身性能和焊接性能均有较高要求,因此1000MW机组结构设计、材料配套及高性能材料研究将是一个主要课题。

(3)目前在多数工程领域都在采用以概率理论为基础的极限状态设计法,用可靠度指标度量结构构件的可靠度。水轮发电机组是一个涉及水、机、电的复杂旋转体,以静态的、常规的安全系数法难以完全准确给出机组各部件的刚度和强度特性,因此,结合本次1000MW机组的系统研究,研究建立新一代结构设计及刚度和强度计算体系、规范将是一个有益课题。

(4)由于机组运行环境复杂性,研究工程应用中成熟、可靠的典型结构设计型式,并赋予参数化结构设计和计算程序,可有效克服设计人员对结构的适应性认识不足而产生的设计失败。

2.2.3 1000MW机组专项研究

1000MW水轮发电机组有很多项目需要进行专项研究,近期要考虑的主要内容包括如下几个方面:水轮机水力设计及模型试验;发电机定子绝缘技术及耐压仿真试验;发电机冷却方式及通风模型仿真试验研究;推力轴承设计及仿真试验研究,配套设备研究等专项研究项目。

(1)水轮机水力设计及模型试验研究。水轮机水力设计及模型试验研究应以现有技术为主,创新为辅,目的是为机组总体研究提供基础资料。在现有技术的基础上,进行多方案的CFD优化和模型试验研究,开发出符合电站动能要求的水轮机转轮,不仅要求高的效率区域,更要求宽广的稳定区域和优良的稳定性指标。作为试验研究,模型试验要在尽可能多的流道测点(甚至研究在可能的转轮叶片流道上)测量尽可能多的水力脉动幅值和频率信息,为真机研究提供有效对比资料。作为创新,1000MW水轮机水力设计及模型试验研究在深度和广度上,可超越现有理论和应用技术,深入研究偏离最优工程区的水力动态特性,初步建立水轮机模型内的特性试验测试技术,为真机动应力分析及预测真机稳定性能提供分析手段和方法。

(2)24kV及以上电压等级定子绕组绝缘技术和仿真试验研究。为了使发电机定子槽的电流和配套电气设备的额定电流等参数控制在合理的范围内,1000MW级水轮发电机的额定电压需提高到24kV及以上。电压等级的提高不仅要求发电机定子绕组具有更高的绝缘水平,同时定子绕组的电场强度加大,加上水电机组环境潮湿、存在粉尖和油雾污染的特性,导致电晕现象更易于发生,因此对发电机定子绕组的绝缘和防电晕性能提出了更高的要求。因此开展24kV及以上电压等级定子绕组绝缘技术及仿真模拟试验研究,确定定子线棒的绝缘水平及防电晕措施,制定和相应的设计制造规范,可为水电机组提高发电机电压等级提供先例。

(3)1000MW发电机冷却方式及试验研究。1000MW机组容量巨大,发电机整体发热量大,额定电压等级提高后,定子铁心高度也会加大。因此应结合发电机电压等级对1000MW发电机的冷却方式进行相应研究。研究工作应结合水轮机、发电机的参数选择、电磁方案设计,针对性地提出不同冷却方式,包括全空冷方式、定子绕组水内冷方式和蒸发冷却方式的可行性及最佳使用范围(应用的边界条件),对发电机线棒温升及其分布、磁及绕组温升及其分布进行理论和试验对比研究。不管哪种冷却方式,均应进行通风CFD计算研究和通风模型试验,蒸发冷却方式还要进行真机模拟试验。

(4)发电机推力轴承结构和试验研究。发电机推力轴承承受机组转动部分的自重和轴向水推力。乌东德、白鹤滩1000MW机组容量大,主轴扭矩、推力轴承负荷、同步转速均较大,明显大于现有已运行的机组。推力轴承需要采用更大的PV值和轴瓦面积设计,而轴瓦压力和温度不平衡更会引起部件局部或整体变形,导致推力瓦局部瓦温度或整体温升过高,影响高PV值和大面积轴瓦推力轴承运行的可靠性。因此必须对1000MW级机组推力轴承进行不同材料的结构设计和热弹流理论计算研究、大推力负荷轴承的仿真试验研究、外循坏冷却方式及效果研究等,提出高可靠性的1000MW级机组推力轴承研究成果。

3 1000MW机组创新研究

1000MW水轮发电机组研究作为一个系统工程,不仅要在机组容量、电压等级等方面实现创新,还要在设计计算手段,试验技术、新材料、新工艺等方面有所创新,以提高1000MW水轮发电机组整体技术含量和创新水平。

初步考虑研究内容如下:

(1)开展精度CFD优化技术和模型试验技术研究。该研究将以第2阶段总体研究和专项研究为基础,尝试进行水轮机非定常流CFD理论和计算方法的研究、模型试验内特性测量技术的研究,目标是进一步提高水轮机整体模型数值效率计算精度,并为转轮真机动荷载和动应力计算及真机运行稳定性预测提供方法和规范。

(2)开展低裂纹敏感性超厚高强钢板等新型基础材料的研究,为大尺寸、高水头巨型水轮机结构材料配套提供依据。

(3)结合新润滑介质等技术,开展新型结构的推力轴承设计和试验研究

(4)其他。

1000MW机组涉及水、机、电及工程应用等一系列学科、水轮机发电机组在工程应用中虽然取得了巨大的成就,但还是存在诸如振动、叶片裂纹等影响安全稳定运行的现象,因此,对1000MW机组,除上述新技术、新材料研究外、还有其他更多的“三新”技术要进行研究,具体内容,可在研究过程中提出。

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