洪屏抽水蓄能电站机电设计工作重点与难点

和 扁，赵惠敏，沈惠良，王德兵，陈 军，沈晓荣

(中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江杭州311122)



洪屏抽水蓄能电站机电设计工作重点与难点

和 扁，赵惠敏，沈惠良，王德兵，陈 军，沈晓荣

(中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江杭州311122)

对洪屏抽水蓄能电站的电气主接线设计、监控网络选择、火灾报警系统设计、水泵水轮机参数和型式选择、调节保证设计、地下厂房通风和消防设计等进行了详细的说明；对机电设计工作在招标技施阶段遇到的难点，如厂用电系统设计、调速系统和进水阀控制回路设计、机组技术供水泵扬程和容量选择、主变洞SFC设备室通风系统设计、地下厂房通风系统在机电安装期的通风方式设计、下库消防给水系统管线设计等，进行了重点论述。机电设计通过采用三维协同设计平台，优化了设备布置，提高了设计效率和质量。

电气设计；技术难点；方案选择；洪屏抽水蓄能电站

1 工程概况

洪屏抽水蓄能电站位于江西省靖安县境内，紧靠江西省用电中心，距南昌、九江、武汉直线距离分别为65、100 km和190 km。工程地理位置较好，接入系统方便，自然条件优越，经济指标优良。

洪屏抽水蓄能电站为周调节纯抽水蓄能电站，可研设计阶段推荐按分期开发，一期装机容量1 200 MW，终期装机规模为2 400 MW。电站建成后，将在电网中承担调峰、填谷、调频、调相和事故备用等任务。电站本期以500 kV一级电压等级接入系统，出线一回接入江西500 kV梦山变，并预留2个出线间隔。设计年发电量17.43亿kW·h，年发电利用小时数1 453 h。

2 机电设计工作中的重点

2.1 电气主接线的设计

根据接入系统设计，洪屏抽水蓄能电站500 kV侧主接线远期为两进三出，初期仅出一回线接入梦山变、预留两回出线π接入鄂赣联网线中。这就要求主接线方案能既适应分期过渡的运行要求，又要考虑鄂赣联网穿越功率的影响。经过对单母三分段接线、双母线接线、均衡母线接线、3/2断路器接线四种主接线方案的可靠性分析计算和经济技术比较，最终确定了双母线接线作为500 kV主接线方案。该接线方式简单、清晰，易于操作维护，能适应分期过渡的运行要求，不影响设备布置，继电保护及二次回路配置较简单，二次接线没有很大变化，过渡方便。进出线均有独立的断路器，运行灵活性好，可以采用单母线、双母线、冷备用等多种方式，运行经验丰富，适应系统调度。同时，根据电站接入系统方案，考虑到电站500 kV侧母线存在穿越功率的可能，在远期出线断路器考虑设置跨条，在检修线路断路器时，可用母联断路器代替，不影响鄂赣功率穿越。

500 kV高压配电装置选用GIS，通过预留间隔位置分期过渡，对分期过渡影响无明显差别。另外，在500 kV设备技术参数的选择上，充分考虑鄂赣穿越功率的影响，比如采用多变比的500 kV电流互感器、选择500 kV开关设备额定及短路电流参数时适当考虑裕度系数。

2.2 监控网络结构的选择

洪屏抽水蓄能电站被控对象的地理分布范围广，有上水库、下水库、地下厂房、开关站及地面控制楼等区域，因此设计上采用了冗余光纤快速交换式以太环网结构，并且从物理路由上考虑不同路径构成，对于电站的安全、可靠运行可以起到很好的保证作用。电站控制级设备及现地控制单元设备均直接接在局域网络上，网络设备选用适合于电站环境的100 Mb/s级工业以太网交换机，很好的满足了电站投运后的监控运行需要。

2.3 火灾自动报警系统的设计

随着水电工程建设及自动化技术的不断发展，在“无人值班”(少人值守)的水电厂，火灾自动报警系统变得越来越重要。洪屏抽水蓄能电站根据GB50116—2013《火灾自动报警系统设计规范》进行系统设计，电站采用集中报警系统，选用自动化程度高、技术先进、性能稳定、抗干扰能力强和运行维护方便的智能型火灾自动报警及消防控制设备。系统由集中火灾报警控制器、消防广播系统、各区域火灾报警控制器、计算机操作管理工作站和各现地探测器、手动报警按钮、模块、消防广播扬声器、火灾声光警报器等组成。电站消防控制中心设在地面中控楼内的中央控制室。火灾报警系统整体设计合理，为电站提供了安全可靠的报警系统。

2.4 水泵水轮机主要参数及结构型式的选择

水泵水轮机相对于电站而言就好像人体的心脏一样重要，其主要参数及结构型式的选择直接关系到整个地下厂房的运行安全，电站的综合效益等。虽然最近几十年，我国抽水蓄能电站取得了较快的发展，在技术引进和自主研发的共同驱动下，水泵水轮机制造和设计经验都有了较好的积累，但是水泵水轮机主要参数和结构型式的选择仍然非常重要。

在可行性研究阶段对洪屏抽水蓄能电站水泵水轮机主要参数及结构型式做了深入细致的研究，并专门编制了《机组主要参数及结构型式选择专题报告》，对水泵水轮机额定水头、额定转速、比转速、吸出高度等主要参数和转轮拆卸方式进行细致的分析论证，最终选择适合洪屏抽水蓄能电站的参数和结构型式。并在招标阶段与国内多家主机制造商进行了详细深入的沟通交流，充分了解各家的技术水平和制造能力，为主机设备采购招标文件的编制提供了良好的技术支撑。

2.5 调节保证设计

抽水蓄能电站往往具有启动停机频繁、一机多用、工况变换多的特点。复杂多变的工况引起的水力瞬变过程可能引起水道系统内水压力及机组转速的剧烈变化，进而危及电站的安全稳定运行，影响机组的使用寿命。近几年，随着我国多座抽水蓄能电站建成投产，建设单位对电站的安全稳定运行越来越重视。

洪屏抽水蓄能电站调节保证设计遵循“确保安全、留有裕度、运行可靠”的原则，在预可、可研、招标阶段均进行了详细的计算和分析研究，并在可研阶段编制了《引水发电系统过渡过程专项分析报告》，在招标阶段编制了《机组与输水系统水力过渡过程计算分析专题报告》，利用我院自主研发的“水电站水力过渡过程计算软件”并外委河海大学进行了详细的计算，确保整个输水系统和机组的安全性。在调节保证设计计算控制值、设计值、主机合同保证值的取值上严格按照规程规范要求并考虑合理的压力脉动引起的误差和计算误差裕度，确保设备的制造安全裕度。

2.6 地下厂房通风空调系统设计

地下厂房通风空调系统的设计好坏直接影响电站投运后设备的运行环境，既而影响设备安全稳定运行。洪屏抽蓄电站地下厂房通风空调系统设计主要包括主厂房、副厂房、母线洞、主变洞、尾闸洞等洞室的通风空调设计。根据类似电站的工程设计经验和国家规程规范要求，结合洪屏工程各洞室的布置情况和相互关系，充分利用地下洞室的夏季自然降温去湿和冬季升温效应，形成一套以机械通风为主、与空调调节相结合，辅以局部机械除湿的有效系统。地下厂房的气流组织为“二进三出”，即进厂交通洞和通风兼安全洞进风道进风，全厂总排风竖井、500 kV出线洞排风短斜井和主厂房排风竖井(排风探洞)排风，维持地下厂房的整体风量平衡。

2.7 地下厂房消防系统设计

洪屏抽水蓄能电站的消防设计贯彻“预防为主，防消结合”的消防工作方针，立足“自救为主、外援为辅”的原则，与枢纽总体布置统筹考虑，保证消防车道的布置、建筑物防火间距、安全疏散、安全出口的布置及有关消防设施如消防供水、消防供电、事故照明、自动报警、通风防排烟、气体灭火系统、灭火器配置等满足有关消防规范的要求。其中地下厂房消防系统是洪屏工程消防设计的重点，其中包括安装场，端副厂房，主厂房，母线洞，主变洞、尾闸洞、进厂交通洞、通风兼安全洞等区域的消防设计。地下建筑物均为钢筋混凝土结构或钢筋混凝土框架砖砌体填充墙结构，建筑主体的耐火极限均已达到或超过《水电工程设计防火规范》的要求。如何根据工程经验和国家规程规范要求，设置合理的防火分区，疏散通道，消火栓系统，这些都需要在设计中重点考虑研究。根据洪屏电站地下厂房的布置特点及使用功能，设置四个防火分区即主厂房(含母线洞)、副厂房、主变洞(含出线洞)、尾闸洞；每个防火分区设置不少于二个安全出口，且有一个直通室外地面。建筑物防火分区、安全疏散均满足相关消防规范的要求。

2.8 协同设计

抽蓄电站地下厂房工程是一项复杂的综合性工程，涉及厂房、建筑、水机、电一、电二、暖通、给排水和金属结构等多个专业，如何在有限的、特定的空间里适时合理地布置各专业的设备，避免专业之间的碰撞和干扰是机电设计过程中最重要的工作。洪屏工程机电设计采用了三维协同设计平台，在同一时间段，各专业各自建立同一区域内本专业的主要设备及附件的三维模型，通过三维协同设计平台，实时查看其它专业的设备布置，并通过三维漫游和软件自身碰撞检查功能对设备布置进行校审，力争在设计阶段消除专业之间的布置干扰，减少施工阶段的现场修改工作量。同时也可以在现场出现设备布置调整时能及时通过三维模型检查该调整是否可行，是否间接影响其他专业的设备布置，提高现场方案的可行性和及时性。

3 机电设计工作中的难点

目前全国已经建成投产的抽水蓄能电站已有20多座，涵盖多个水头范围，不同装机容量。机电专业在这些电站的设计中积累了丰富的设计经验。华东院目前已经建成投产的抽蓄电站有天荒坪、桐柏、泰安、宜兴、宝泉、响水涧、仙游，在建的有仙居、洪屏、绩溪、金寨，通过这些电站的设计，机电专业已经形成了一整套自有的设计理念和方法，在不断的总结和学习中，专业设计能力已经有了很大的提升。但是，在机电设计工作中仍有一些难点需要引起重视，特别是在招标技施阶段，下面将主要介绍洪屏抽水蓄能电站机电设计工作中的一些难点。

3.1 厂用电系统的设计

洪屏抽水蓄能电站枢纽由上水库、下水库、地下厂房、开关站及继保楼、生产楼、业主营地等部分组成，厂用电供电范围广，分散性大。因此在厂用电设计之初就考虑了与施工期配电相结合的方案。35 kV施工中心变以及至上库、下库、业主营地等处的架空线路均按永临结合考虑。即施工期时以施工变内35 kV变压器作为施工用电电源点，对各施工面进行供电。电站投运后将原施工变内10kV母线进行改造：将施工变内35 kV变压器10 kV侧出线与施工变内10 kV母线断开，直接引至地下厂房10 kV厂用III段母线，作为电站厂用电外来备用电源；原施工变内两段10 kV母线电源改为分别引自地下厂房10 kV厂用I、II段母线，用于对上水库、下水库、地面开关站、生产楼、业主营地等永久地面建筑进行供电。该设计相当于在施工中心变设置了10 kV厂用母线延伸段，节省了从地下厂房到地面各建筑的电力线缆费用。

3.2 调速系统和进水阀控制回路的设计

随着电站自动化程度的提高及无人值班运行方式的要求，对控制保护系统的可靠性要求也更加严格。常规控制使用的“得电动作”方式，出口继电器或被控对象平时不带电，只有在事故或故障发生时，被动作对象才会动作，这种方式的好处是不容易误动作，但是在控制电源故障或消失时，可能会出现拒动的情况，无法及时保护机组的安全运行。“失电动作”方式则可以在控制电源故障或被切除时，能动作于停机或切除运行设备，保证机组设备的安全。因此，作为机组最重要的调节控制设备，电工二次专业在设计调速系统的导叶控制回路和进水球阀的控制回路时，提出了调速系统和进水球阀系统应该既有在电源正常的情况下“得电关闭”的液压控制回路，配有得电关闭电磁阀，又有在冗余电源均消失的情况下“失电关闭”的液压控制回路，配有失电关闭电磁阀，实现调速器和进水球阀的“得电关闭”和“失电关闭”双回路冗余控制，以保证安全。这就对制造厂家提出了更高的要求，洪屏抽蓄主机制造商上海福伊特有限公司设计人员对该设计要求起初也是不能理解和接受，经过多次的沟通和解释，最终接受该设计理念，并在系统设置中增加该配置。

3.3 火灾自动报警系统的难点

由于抽蓄电站的中控楼往往距地下厂房及开关站较远，分布范围广，为了提高全厂火灾自动报警系统的可靠性，防止由于干扰等原因造成的误报、误动，全厂火灾自动报警系统设计需要考虑采用光纤组网，即将系统中集中火灾报警控制器、各区域火灾报警控制器之间采用光纤连接成一个对等式网络。

中控室消防联动控制柜上的多线手动控制盘需对全厂的消防水泵、正压送风机、排烟风机等进行手动控制，由于地下厂房及开关站距离中控室较远，且手动控制对象较多，通过硬布线往往不能实现可靠控制。洪屏抽水蓄能电站通过在中控楼、开关站、地下厂房各设一套PLC可编程控制器，各PLC之间采用工业级以太环网交换机和单模光纤(独立光缆)组网，实现中控室对全厂多线控制设备的手动控制，并显示全厂多线设备的动作及故障信号。

3.4 机组技术供水泵扬程和容量的选择

机组技术供水泵为抽蓄电站技术供水系统的核心设备，其扬程和容量选择是否合理，将直接影响技术供水系统的运行，进而影响机组的安全稳定运行。目前，技术供水泵容量的选择，往往依据主机制造厂提供的各轴承、空气冷却器、主轴密封、迷宫环等部件的冷却水量，根据设计经验和规程规范要求选择。规范往往要求水泵的额定工作流量不少于工作水量的107%～110%，该值若取得偏大，不经济，也可能使水泵实际运行区域偏离最优运行区域。该值若取得偏小，水泵投入运行后可能会出现实际流量不能满足电站运行需要的情况，引起后续改造。水泵扬程的计算目前主要是依据经验公式计算，根据技术供排水管网的布置，进行管网水力计算，确定管网中各管段的水头损失，进而分析选择水泵扬程。由于水泵采购招标时往往最终的管网布置图还没有绘制完成，各部件的局部阻力水头损失系数也均为经验值，只能根据经验和初步的管网布置估算，很有可能导致扬程计算存在偏差。如何预留适当的余量，选择流量和扬程均适合的水泵，需要在不同阶段进行计算和复核。洪屏抽水蓄能电站技术供水泵最优工作点扬程为46 m，最优工作点流量为1 260 m3/h，在扬程和流量的选择上均预留了适当余量，管网水力计算也是依据三维布置估算，在一定程度上保证了设备参数选择的合理性。

3.5 主变洞SFC设备室通风空调系统设计

洪屏抽水蓄能电站SFC输入、输出变压器为风冷式，不同于以往的抽蓄电站采用的水冷式。风冷式的SFC输入、输出变压器和SFC功率柜等设备的瞬时发热量很大，而且热量直接散入房间中，造成房间温度骤然升高，此时仅采用机械通风方式不能满足房间的热负荷要求，可能影响设备的正常运行。设计时通过与电一专业的沟通和仔细核算，考虑SFC设备一次运行循环周期约为三十分钟，并根据SFC设备发热与时间的关系曲线，为每套SFC设备均配置2台单元式风冷空调机组制冷，改善房间的温度环境。

3.6 地下厂房通风空调系统在机电安装期的通风方式设计

地下厂房通风空调系统作为电站正常运行期厂内空气环境质量的保障，使通风空调区域的空气新鲜度、温度、湿度满足生产运行的要求。但是在机组设备安装和调试初期，通风空调系统未能形成有效的系统性运行模式，而厂内的散湿量和焊接烟雾量较大，空气质量较差，将会影响工作人员健康和工程施工进度。在通风空调系统设计过程中，如何通过合理地布置通风空调设备和管路，兼顾机电安装期通风、除湿需求，做到既节约工程投资，又达到改善前期施工环境的目的，是设计人员需要考虑的问题。网架层的排烟风机和排烟管可以有效地排除主厂房上部焊接烟雾至主厂房排风竖井(排风探洞)出地面，由进厂交通洞自然进风补充新鲜空气，改善主厂房的空气环境质量。全厂总排风竖井风机房的大风量排风机可以有效地排除主变洞和母线洞等洞室的潮湿空气和焊接烟雾至总排风竖井出地面，由进厂交通洞自然进风补充新鲜空气，改善主变洞和母线洞等洞室的空气环境质量。因此，这两个区域的通风设备应尽早完成设计出图和采购招标，使设备能尽早投入使用。同时，进厂交通洞、蜗壳层、水轮机层和副厂房底层辅以临时除湿机运行，尽量改善地下厂房的局部空气湿度环境。

3.7 下库消防给水系统管线设计

洪屏抽蓄下库区域地面建筑消防给水系统水源取自下水库，在下水库启闭机房内设置两台(一主一备)深井泵，将下库水引至地面开关站和下库启闭机房之间的高位水池(约256 m 高程)，供地面开关站以及中控楼的消防用水。下库启闭机房(186 m高程)距离高位消防水池距离约2.5 km，高程差约70 m，沿途多山石峭壁，林木茂密，对给排水管线的布置设计及施工都带来了很大的困难。后期类似电站设计时需结合实际山体地形特征，合理布置高位消防水池，优化管线布置，方便现场施工。

4 结 语

在洪屏抽水蓄能电站机电设计过程中，机电专业积极应用三维设计手段，优化设备布置，提高出图效率和质量；积极配合项目部编制《洪屏抽水蓄能电站工艺设计图册》，优化完善标准化设计；积极参与设备出厂验收和设计联络会，为业主提供良好的专业技术支撑。对于抽水蓄能电站，机电设计工作在整个电站设计工作中也占有相当大的比重。希望通过介绍洪屏抽蓄机电设计工作的推进和开展，论述洪屏抽水蓄能电站机电设计工作中的重点和难点，能对今后类似抽水蓄能电站机电设计提供一些经验参考。

[1]王康生. 洪屏抽水蓄能电站机组发电工况甩负荷过渡过程计算分析[C]∥抽水蓄能电站工程建设2014. 中国水力发电工程学会电网调峰与抽水蓄能专业委员会， 2014．

[2]梅祖彦. 抽水蓄能发电技术[M]. 北京： 机械工业出版社， 2000.

[3]张春生， 姜忠见. 抽水蓄能电站设计[M]. 北京： 中国电力出版社， 2012.

[4]邱彬如， 刘连希. 抽水蓄能电站工程技术[M]. 北京： 中国电力出版社， 2008.

(责任编辑 高 瑜)

Emphases and Difficulties of Mechanical and Electrical System Design for Hongping Pumped-storage Power Station

HE Bian, ZHAO Huimin, SHEN Huiliang, WANG Debing, CHEN Jun, SHEN Xiaorong

(PowerChina Huadong Engineering Corporation Limited, Hangzhou 311122, Zhejiang, China)

The electric main wiring design, monitoring network selection, fire alarm system design, pump-turbine parameter and type selection, regulation guarantee design, and underground powerhouse ventilation and fire protection design for Hongping Pumped-storage Power Station are introduced herein in detail. The main technical difficulties of mechanical and electrical design in tender design stage are emphatically discussed, including auxiliary power system design, speed control system and inlet valve control loop design, head and capacity selection for unit water supply pump, SFC room ventilation system design, ventilation mode design for underground powerhouse ventilation design in mechanical and electrical installation period, and fire water piping design of lower reservoir. The application of 3D co-design platform in mechanical and electrical design optimizes the layout of equipments and improves the efficiency and quality of design．

mechanical and electrical design; technical difficulty; scheme selection; Hongping Pumped-storage Power Station

2016- 05- 30

和扁(1981—)，男，河南焦作人，高级工程师，主要从事水电站水机专业设计及项目管理工作．

TV743(256)

A

0559- 9342(2016)08- 0041- 04