本书开展了紫坪铺高水头电站机组在电调基于水调运行原则的水轮机安全可靠运行关键技术研究，密切关注紫坪铺高水头大变幅水轮机的安全运行，对电站水轮机的水力特性、结构特性及运行可靠性等关键技术进行了联合研究（特别是紫坪铺水电站机组超大变幅运行水头全流道多工况空化数值模拟研究），探索了机组安全可靠运行区域，提出了机组安全运行的对策措施，为电站的安全可靠运行及确保成都市及都江堰灌区用水安全奠定了坚实的理论基础。 本书可作为水电站设计，机组制造、安装与运行管理，以及水资源利用等专业研究生、本科生及广大设计、制造、安装、运行和管理人员的学习参考用书。

第1章　电调基于水调的紫坪铺水电站水轮机运行研究
　　1.1　电调基于水调的机组运行原则
　　1.1.1　紫坪铺水电站在电网中的地位及作用
　　紫坪铺水利枢纽工程的主要任务是灌溉和供水，担负着成都平原工农业供水的任务，是四川电网内唯一一座以电调基于水调方式运行的电站。
　　紫坪铺水库运行分为3个阶段：汛期为6～9月，水库在满足下游综合用水的条件下保证出力发电，并尽快蓄水至850.00m汛限水位，水库蓄满水后基本维持在850.00m水位运行；蓄水期为10～11月，水库由850.00m汛限水位逐
渐蓄水至877.00m正常蓄水位，在蓄水过程中其同样需要满足下游综合用水和水电站出力不低于保证出力的要求；供水期为12月至次年5月，水库将根据综合用水需要按调度图供水，水位逐渐降低。紫坪铺水电站水轮机既要适应
蓄水位的大幅度变化，又必须在供水期满足下游综合用水的条件下低负荷长期运行，这两点对于水轮机的设计而言难度极大。
　　从近几年国内大型水轮发电机组的事故统计结果看，转轮等主要部件的材料选用和制造工艺缺陷所造成的事故占比极大。紫坪铺水电站转轮叶片采用06Cr15Ni4CuMo型高强度钢板，上冠采用08Cr15Ni4CuMo型铸钢，下环采用
06Cr15Ni4CuMo型高强度钢板作为毛坯，从而杜绝了采用铸造毛坯而引起的材质缺陷问题，并且采用模压工艺，同时在工厂组焊退火并整体运到工地。模压使叶片材质质量更高，抗晶间腐蚀和抗水下疲劳性能更好。由于采用了工
厂组焊，应力集中问题也可以得到更好的解决。
　　岷江流域来水充沛、稳定，在科学调度下，水库全年可长时间在高水位运行，机组出力能得到可靠保证，这对于电站参与系统调峰和调频是得天独厚的条件；而且电厂设备先进，机组调节性能好，可充分满足系统需要，大
大缓解四川电网枯水期的调峰困难问题。电站地处负荷中心，送电距离短，有利于提高电网的供电可靠性，保证负荷中心的电能质量。
　　都江堰灌区对电站下泄流量有着严格的要求：丰水期，都江堰内江*大过水流量不能超过450m3/s；枯水期，灌区岁修为每年11月到次年4月上旬，内江流量必须严格控制(一般要求在260～450m3/s)，当流量超过要求(全厂
机组满发时流量将达到840m3/s左右)时，需提外江闸门排水，而水从电站到达都江堰灌区渠首大约需要25min。为保证下游安全，负荷调整要在下泄流量允许的范围内匀速进行。因此，负荷调整有滞后，且调节较慢，难以满足电
力系统快速大负荷调整的要求，从而使机组优良的调节能力无法体现。丰水期外江过水时，也因下游行洪安全等原因，流量不能出现大的波动，从而使电站的调节能力被严重削弱。
　　电站距离负荷中心很近，电站电能质量对系统的稳定运行有很大影响。电站出线仅有一回500kV线路，丰水期电站满负荷运行时，其占成都电网近1/3的负荷，一旦线路跳闸，势必造成全电站甩负荷，对成都电网甚至四川电
网的稳定运行产生极大的影响。
　　紫坪铺水利枢纽水调与电调的工作模式是“以水调电，电调基于水调，水调支持电调”。该模式使电站灵活的运行方式受到一定限制，但电站地理位置优越，具有不完全年调节水库和大容量的混流式机组，因此，只要合理
安排运行方式，在优化机组运行和优化水库调度等方面做好基础工作，就能充分发挥电站优势，充分利用水资源，争取到*优的经济效益和发挥*大的社会效益。
　　电网除实行“丰水期/枯水期”电价差外，还有每日的峰、平、谷段电价差，枯水期高峰时段电价较丰水期低谷时段电价高2～3倍，同等电量可产生数倍经济效益。四川电网枯水期电力缺口大，有水库且调节能力强的电厂在
枯水期可获得更大的经济效益。可利用水库将丰水期的低谷电量转化为枯水期高价电，以及枯水期夜间利用水库在低谷时段全停蓄水，将有限的水量尽可能转化为高峰电量，以获取*大的经济效益。而紫坪铺水电站因供水原因
，在运行方式上机组必须常年带一定基荷，低谷时段电量占相当大的比例，从而严重影响电站的经济效益。因此，要保证机组的稳定运行、安全供水和争取到*大的经济效益，就必须从设备运行管理、机组检修和水库调度等多
方面规范管理，加强协同。
　　电站*大水头为132.76m，*小水头为68.40m，加权平均水头为107.00m，额定水头为100.00m。*大与*小水头之比达1.94，在国内中水头水电站中属*大。机组运行*显著的特点是水头变幅大，关键问题即为机组运行的
稳定性。
　　由于电站机组在系统内要担任调峰和调频任务，负荷调整频繁、变化幅度大，这对于水轮机是一个严峻的挑战。机组运行既要适应水位的大幅度变化，又必须经受供水期高水头、低负荷的长期安全运行考验，且混流式水轮
机叶片不可调，在偏离*优工况时，易在叶片头部产生一定的冲击和脱流；而在高水头部分负荷区，由于转轮有较大的出口负环量和更大的进口边背面脱流，水轮机在该区域将产生较强的涡带以及严重的叶道涡，三者(较大的出
口负环量、较强的涡带和严重的叶道涡)共同作用将使水轮机的振动加剧，从而严重影响水轮机的安全运行。由于电站特殊的运行模式(电调基于水调)，机组带部分负荷运行时间较长，机组运行的稳定性比较差，故对机组寿命极
为不利。因此，在运行中应注意几个问题。
　　(1)由于紫坪铺水电站特定的运行条件限制，在下游反调节水库形成以前，机组将长时间带部分负荷运行。由于混流式水轮机的固有特性，在部分负荷下机组运行的稳定性比较差，长期在这种工况下运行对机组的寿命极为不
利。
　　从PO140转轮特性看，紫坪铺水电站在运行时应尽量注意以下问题：①水轮机在低水头35%～45%预想出力范围内、在高水头40%～70%预想出力范围内的压力脉动较大，应尽可能避免在该区域运行；②水轮机具有较大的出力
余量，在额定水头下可超发约8000kW；③在高水头区域，应尽可能运行在大负荷工况下，为适应这一工况，建设下游反调节水库对水轮机安全运行极其有利。
　　(2)枯水期应充分利用水库的调节能力，根据岷江来水、供水需求和水库运行图安排发电量和机组检修。岷江流域1～3月来水在100m3/s左右，此阶段电厂运行模式除根据供水要求保持一定基荷外，余下容量用于系统调峰调
频。而枯水期高峰时段电力缺口大，电厂可利用自身的有利条件争取多发高峰电。每日负荷平谷段，在满足下游供水的前提下，应尽量减少机组空载或低负荷运行。日发电量按水库运行曲线和来水情况制定，可安排电量(360～
400)×104kW h，以避免水位下降过快，同时延长水库在高水位运行的时间，这样既可降低发电耗水率，又可充分利用来水发高峰电。4月以后，来水逐渐加大，水库水位在月底时*好拉至*低，将水量尽可能转换为电量，同时
该月电量计划应适当增加，每日可安排电量(600～700)×104kW h。5～9月，库区进入汛期，来水达500m3/s以上，而该时段因防汛要求，水库水位必须保持在850.00m高程汛限水位以下，电厂运行模式也以带基荷为主，应尽量
利用来水发电，减少弃水，每日可安排电量1400×104kW h以上。10月至次年1月，水库水位由850.00m高程汛限水位逐渐升至877.00m高程正常蓄水位，在蓄水过程中，每日可安排电量(600～700)×104kW h。进入枯水期后，
水库可根据综合用水需要供水，发电应根据来水发电，每日可安排电量(360～400)×104kW?h，水库保持在*高水位运行。这样，全年电量可达到30×108kW h左右，机组利用时间可达到4000h左右。
　　紫坪铺水电站在投运时即实行了“无人值班(少人值守)”，电站设备自动化水平起点高，先天性能好，机组振动摆度监测装置等先进仪器在投产时即投入实际应用。一方面，电站在投产时就开展了可靠性管理工作，对发电
机、水轮机和主变压器(简称主变)等主设备的运行情况进行了跟踪记录和可靠性评价，使开展状态检修有了先天有利条件；另一方面，电站现有的在线监测手段尚不健全，时机还不成熟，可以考虑在计划性检修的基础上安排状
态检修。例如，在小修安排上，若机组运行情况良好、性能稳定，则可视情况或缩短检修时间，或减少小修次数(如将年末的小修和次年前的小修合并安排，或根据当时机组的缺陷情况和需要进行的主要工作决定小修工期)。可
采取如下形式进行检修：冬季消缺性检修主要是设备消缺和到期的预防性试验，工期为3～5天；春季整顿性小修主要是常规标准项目检修和有针对性的易损件更换，以提高机组的可靠性，确保汛期多发电，工期为7～10天。按上
述方式可逐步形成集预防性检修和以可靠性为中心的状态检修于一体的优化检修方式，进而提高机组可用时间和等效可用系数。
　　紫坪铺水电站要确保安全供水和机组安全稳定运行，除需加强设备运行和维护外，还要在水库优化调度和检修管理等方面深入进行研究，强化设备和人员管理。只有这样，才能真正做到机组的安全稳定运行，获取*大的经
济效益和社会效益。
　　1.1.2　安全供水及调度
　　紫坪铺水库兴利调度的供水对象为都江堰供水区，包括都江堰已成灌区、毗河供水灌区和天府新区。
　　都江堰已成灌区调整后的设计灌溉面积为1134.41万亩，全灌区分内江平原直灌区、外江灌区、人民渠1～4期、东风渠1～4期、人民渠6期、人民渠5期及7期、东风渠5期和东风渠6期共8个区域。
　　毗河供水灌区设计灌溉面积为333.23万亩，其中，毗河一期供水灌区设计灌溉面积为125.49万亩，毗河二期供水灌区设计灌溉面积为207.74万亩。
　　都江堰供水区供水范围为8市41县(区)，其供水包括灌区内城市生活和工业用水，灌区内乡镇生活用水和乡镇企业生产用水，灌区乡村居民和牲畜的饮水，灌区农田灌溉用水，以及灌区内的生态环境用水，并对通济堰供水区
补水。
　　2016年都江堰供水区(不含毗河供水灌区)鱼嘴断面需供水量为91×108m3，设计2030年都江堰供水区鱼嘴断面多年平均需供水量为119×108m3。
　　农业灌溉设计保证率：都江堰平原直灌区为90%，都江堰丘陵扩灌区为80%，毗河供水灌区为70%。成都市工业、生活供水设计保证率为97%，其他城镇工业、生活供水设计保证率为95%。全灌区综合设计保证率为90%。
　　都江堰水利工程为无坝引水，分别通过内江宝瓶口和外江沙黑总河进口向供水区供水，其中内江宝瓶口设计引水流量为480m3/s，外江沙黑总河进口设计引水流量为120m3/s。
　　1.2　电站水库运行方式
　　1.2.1　水库容量
　　紫坪铺水利枢纽工程位于四川省都江堰市境内岷江上游的龙池镇，距成都市六十余公里，是一座以灌溉和供水为主，兼有发电、防洪、环境保护和旅游等综合功能的大型水利枢纽工程，也是都江堰供水区和成都市的水源调
节工程。
　　工程坝址以上控制流域面积为22662km2，占岷江上游面积的98%；多年平均流量为469m3/s，年径流总量为148×108m3，占岷江上游径流总量的97%；控制岷江上游暴雨区洪水的90%，上游泥沙来量的98%，能有效调节上游水
量以及控制洪水和泥沙。
　　水库正常蓄水位为877.00m，汛限水位为850.00m，死水位为817.00m，防洪高水位为861.60m，设计洪水位为871.20m，校核洪水位为883.10m，总库容为11.12×108m3，正常水位以下库容为9.98×108m3，水库防洪库容为
1.67×108m3，电站装机容量为4×190MW。本工程等级为Ⅰ等，主要建筑物为1级。
　　枢纽主要建筑物包括混凝土面板堆石坝、溢洪道、引水发电系统、冲沙放空洞、1#泄洪排沙洞、2#泄洪排沙洞和左岸堆积体处理工程。混凝土面板堆石坝坝高156m，坝顶高程为884.00m。
　　紫坪铺水利枢纽工程的主体工程于2001年3月29日正式开工，2005年9月30日下闸进入初期蓄水阶段，2005年11月首批两台机组投产发电，2006年5月*后一台机组提前半年投产发电，2

目录
第1章　电调基于水调的紫坪铺水电站水轮机运行研究　1
1.1　电调基于水调的机组运行原则　1
1.1.1　紫坪铺水电站在电网中的地位及作用　1
1.1.2　安全供水及调度　3
1.2　电站水库运行方式　4
1.2.1　水库容量　4
1.2.2　水库调度运行方式　6
1.2.3　水调管理　9
1.2.4　水调与电调的协同关系　9
第2章　大变幅水头机组在紫坪铺水电站的应用　10
2.1　大变幅水头机组的水力稳定性及对紫坪铺水电站的影响　10
2.1.1　传统的逼近水轮机特性的方法　12
2.1.2　基于人工神经网络的逼近水轮机特性的方法　14
2.1.3　基于支持向量机的逼近水轮机特性方法及计算实例　20
2.2　紫坪铺水电站水轮机压力脉动特性　24
2.2.1　水轮机尾水管水力振动信号的处理　24
2.2.2　涡带所引起的压力脉动分析　25
2.2.3　尾水管水流低频脉动特性　25
第3章　紫坪铺水电站水轮机及水轮发电机设计特点　29
3.1　紫坪铺水电站水轮机结构设计的主要特点　29
3.1.1　蜗壳　29
3.1.2　座环　33
3.1.3　导水机构　35
3.1.4　尾水管　44
3.1.5　顶盖　48
3.1.6　底环　50
3.1.7　控制环　51
3.2　紫坪铺水电站水轮发电机结构设计的主要特点　51
3.3　紫坪铺水电站转轮设计的主要特点　52
3.3.1　转轮设计理论　52
3.3.2　转轮结构型式　55
3.3.3　混流式转轮受力分析　56
3.3.4　混流式水轮机转轮的止漏装置　59
3.4　紫坪铺水电站轴承设计的主要特点　64
3.4.1　小湾水电站水导轴承结构　64
3.4.2　龙滩水电站水导轴承结构　65
3.4.3　三峡水电站水导轴承结构　66
3.4.4　溪洛渡水电站水导轴承结构　66
3.5　水轮机主要零部件的强度分析成果　67
3.5.1　水轮机基本参数　67
3.5.2　转动部分强度计算　68
3.5.3　导水机构部分强度计算　72
3.5.4　接力器部分强度计算　85
3.5.5　埋入部分强度计算　88
第4章　电调基于水调的紫坪铺水电站水轮机目标参数选择及稳定性分析　97
4.1　电调基于水调的紫坪铺水电站水轮机目标参数选择　97
4.1.1　比转速　97
4.1.2　水轮机效率　99
4.1.3　空蚀系数和吸出高度　99
4.2　水力稳定性分析　100
4.2.1　结构场计算模型　101
4.2.2　改善水轮机稳定性的措施　104
4.3　紫坪铺水电站水轮机运行区域分析及优化　104
4.3.1　水轮机设计性能　105
4.3.2　水轮机运行区域优化　108
第5章　紫坪铺水电站水力过渡过程数值仿真及分析　111
5.1　数学模型的建立　115
5.2　水轮机边界条件　117
5.3　水轮机特性及数据处理　119
5.3.1　水轮机特性　119
5.3.2　水轮机特性的数据处理　121
5.3.3　水轮机特性的三维建模　123
第6章　“5 12汶川大地震”对紫坪铺水电站安全运行的影响分析　131
6.1　“5 12汶川大地震”水轮发电机组震损及恢复情况　131
6.2　“5 12汶川大地震”对水轮机和发电机等安全运行的影响　132
6.2.1　混凝土面板堆石坝工程　132
6.2.2　泄洪建筑物　133
6.2.3　厂房及地面建筑物(含道路和桥梁)　133
6.2.4　机电和金属结构　134
6.2.5　安全监测与监控　135
6.3　紫坪铺水电站水库大坝安全稳定性计算分析及溃坝演算成果　137
第7章　紫坪铺水电站水轮机运行分析　143
7.1　起动试运行　143
7.2　3#机组全水头振区测试试验研究　148
7.3　试验水头为82m的测试分析　150
7.4　试验水头为120m的测试分析　154
第8章　水轮机部件运行问题原因分析及解决措施　158
8.1　导叶裂纹原因分析及解决措施　158
8.2　叶片及上冠裂纹探伤情况及处理方案　159
8.3　顶盖上止漏环出现开焊现象　164
8.3.1　设计方面的影响　165
8.3.2　制造方面的影响　166
8.3.3　现场安装方面的影响　166
8.3.4　运行环境方面的影响　167
8.3.5　综合因素的影响　167
8.3.6　处理措施　167
8.4　特定水头及功率下的高频振动　169
8.4.1　1#机组在特定水头和出力下出现异常高频振动的问题　169
8.4.2　引起异常高频振动的因素　174
8.5　冷却器冷却水管开焊　175
8.6　水轮发电机组制动闸板及闸墩振动现象　175
8.7　水轮机大轴补气阀问题　176
8.8　水轮机底环在检修时不能被拆出的问题　179
8.9　水轮机技术供水减压阀更换　180
8.9.1　减压阀容易损坏的原因　181
8.9.2　技术供水减压阀损坏的后果　181
8.9.3　活塞式减压阀的技术要求　182
8.9.4　活塞式减压阀的特点　183
8.9.5　对机组技术供水系统减压阀进行改造后能够达到的效果　183
8.10　空气冷却器的改造　183
8.10.1　空气冷却器　183
8.10.2　主变冷却器　185
8.11　重要螺栓的在线检测系统　187
8.11.1　设备温度在线监测的必要性　187
8.11.2　设备温度在线监测技术发展趋势　187
第9章　基于逆向工程的紫坪铺水电站混流式转轮三维模型构建　193
9.1　逆向工程　193
9.1.1　逆向工程的关键技术　193
9.1.2　逆向工程的国内外研究现状　194
9.1.3　逆向工程应用领域及发展趋势　194
9.2　数据测量方法及设备　196
9.2.1　数据测量方法　196
9.2.2　数据测量设备　198
9.3　PO140混流式转轮模型重构　200
9.3.1　数据采集　200
9.3.2　基于逆向工程软件的点云数据处理　203
9.3.3　基于正向CAD/CAM软件的模型重构　205
第10章　紫坪铺水电站全流道多工况数值模拟分析　211
10.1　计算模型的建立　211
10.2　计算工况点的选择　212
10.2.1　单相定常模拟条件设置　213
10.2.2　单相非定常模拟条件设置　214
10.2.3　空化两相流动模拟条件设置　215
10.3　流场计算结果　215
10.3.1　各水头下水轮机能量特性　215
10.3.2　定常流动下水轮机全流道流线分布　218
10.3.3　蜗壳静压分析　220
10.3.4　活动导叶速度分布　221
10.3.5　转轮叶片工作面静压分布　223
10.3.6　转轮叶片背面静压分布　225
10.3.7　蜗壳流线分布　227
10.3.8　固定导叶流线分布　228
10.3.9　尾水管涡带　230
10.3.10　全流道空化计算结果分析　232
10.4　大变幅混流式水轮机异常高频振动工况下尾水管空化流动分析　247
10.4.1　尾水管空化定常结果分析　248
10.4.2　尾水管空化非定常结果分析　253
10.5　高频振动区域工况下的转轮流固耦合分析　256
10.5.1　流固耦合计算方法　256
10.5.2　模态分析基础　256
10.5.3　预应力下的转子模态设置　257
10.5.4　转轮高频振动工况下的流固耦合计算结果分析　257
第11章　电调基于水调的紫坪铺水电站水轮机运行关键技术及研究　261
11.1　电调基于水调及自动发电控制运行下的水库运行模式　261
11.2　多物理场耦合下的高水头大变幅水轮机运行区域优化　262
11.3　高水头大变幅水轮机特定高频振动区域的发现及其减振技术　262
11.3.1　导致机组振动的因素　262
11.3.2　机组减振的方法　262
11.3.3　机组减振结构的优化　263
11.4　机组关键连接部位的螺栓在线智能监测技术　263
11.4.1　点线面结合，温度全面监测　264
11.4.2　移动应用App随时随地监测设备状态　264
11.5　一种混流式水轮机转轮逆向工程建模方法　265
11.6　展望　265
主要参考文献　266