洪屏抽水蓄能电站300MW机组主要结构及技术特点

李军

（中国葛洲坝集团机电建设有限公司，四川 成都 610091）

洪屏抽水蓄能电站300MW机组主要结构及技术特点

李军

（中国葛洲坝集团机电建设有限公司，四川 成都 610091）

江西洪屏抽水蓄能电站共装设4台高水头（最大水头540m）、单机容量300MW的混流可逆式水轮发电机组。该电站在机组结构设计上综合了宜兴、白莲河、泰安、蒲石河、仙游及惠州等大型抽水蓄能电站的优势，充分考虑了制造、运输、安装、检修及稳定运行各方面因素，采用了许多先进的结构，这些先进的结构均为机组的安装、运行和检修提供了有利条件。本文简要介绍了该机组水泵水轮机、发电电动机的典型结构设计特点。

主要结构；技术特点；洪屏抽蓄电站

1 概述

江西洪屏抽水蓄能电站位于江西省靖安县境内，为周调节纯抽水蓄能电站，安装4台单机容量为300MW的混流可逆式水轮发电机组，机组由上海福伊特水电设备有限公司设计制造。电站水轮机工况额定水头540.00m，额定转速500r/min，其中水轮机工况俯视逆时针方向旋转，水泵工况俯视顺时针方向旋转。电站建成后，以500kV一级电压等级接入江西电网，在电网中承担调峰、填谷、调频、调相和事故备用等任务。电站对外交通便利，下水库坝址距靖安县城40km；距南昌、九江公路里程分别为124km、194km。电站机电工程于2013年6月开工，计划2016年首台机组投入商业运行，2017年完工。

2 机组主要参数

机组主要技术参数见下页表1。

3 水泵水轮机结构及技术特点

水泵水轮机采用立轴单级混流可逆式，主要由尾水管、座环/蜗壳、导水机构、球阀、转动部件、导轴承及主轴密封等设备组成。

3.1 座环/蜗壳

水泵水轮机座环、蜗壳与进水段法兰整体到货，受运输条件限制，蜗壳分3段运输至工地，其中蜗壳进口第1节与蜗壳第1~6节（第1段）、蜗壳第12~16节（第2段）单独到货，蜗壳其它节（第3段）与过渡板焊接在座环上随座环发运工地。蜗壳第1、2段各预留30mm配割余量，现场焊接后整体吊入机坑；蜗壳材质为B610CF，座环上、下环板材质为ASTMA216WCC，固定导叶和鼻端导叶材质为S550Q，座环/蜗壳外形尺寸为：12640×9061×2840mm，重量为97.38t。蜗壳外表面不设置弹性层，采用专用闷头与封水环进行蜗壳水压试验，常温保压浇筑混凝土。顶盖、底环联接螺栓孔在车间加工，混凝土浇筑后现场不进行座环机加工。

3.2 导水机构

水泵水轮机导水机构由顶盖、内顶盖、底环、控制环、活动导叶、导叶轴承及密封、导叶操作机构等组成，属于水泵水轮机过流部件，其安装质量直接影响水泵水轮机机械效率。导水机构安装的主要技术特点：泄流环与底环为整体结构，整体运输，底环通过螺栓和定位销与座环连接；顶盖预装时，需将分瓣顶盖吊入机坑在机坑内组装，预装完毕，顶盖解体后分瓣吊出机坑；顶盖正式安装时，需将分瓣顶盖再次吊入机坑在机坑内组装，然后正式安装。

顶盖分两瓣到货，总重约72.23t，由于机坑里衬上段尺寸小于顶盖最小外径，顶盖分瓣吊入机坑，在机坑内组合，并装配上固定止漏环。内顶盖、底环和控制环均为整体结构。顶盖和底环过流面上对应导叶端面处设有抗磨板，与转轮不锈钢转动止漏环配对工作的不锈钢固定止漏环安装在顶盖和底环上，控制环下部有限制控制环上跳和径向移动的自润滑轴承；控制环的操作力矩通过导叶连杆、剪断销和导叶转臂传递，导叶摩擦环可在导叶剪断销剪断失效时固持导叶，防止导叶自由摆动而碰撞相邻导叶和转轮。导叶轴上面的调整垫可上下调整导叶的安装位置，使导叶上、下端面与抗磨板的间隙符合图纸设计要求；导叶止推轴承起到限制导叶上下窜动的作用。

每台机活动导叶共计20只，每只重约1t。导叶端面总间隙0.56~0.94mm，活动导叶立面间隙在接力器全关位置为零。导叶为三支点支撑结构，一个位于底环上，另两个位于顶盖上；导叶轴承为黄铜基固体润滑剂镶嵌轴承，导叶轴颈密封采用爱科密封圈。

导叶操作机构由自润滑轴承、偏心销、拐臂、连杆、控制环和推拉杆等部件组成，将导叶与接力器相连接。导叶和拐臂之间由2个锥销（B40×220）传递控制环的操作力矩，同时拐臂与顶盖之间设有自润滑的导叶止推环。连杆设有双夹板的偏心销结构，以弥补各连杆之间的加工误差。在顶盖上设有双向导叶限位块，防止导叶剪断销剪断后撞击相邻导叶。

3.3 转动部件

转轮由上冠、下环、叶片与泄水锥组成，为不锈钢整体铸焊结构，叶片数9个，材质为ASTMA743 CA-6NM低碳优质不锈钢材料，在上海福伊特转轮制造车间组焊，然后精加工，最终静平衡试验合格后整体运输至工地，重量为19.8t。

水轮机轴采用优质钢锻制，为中空结构，外形尺寸为Ф1450×Ф980×Φ600mm，主轴长6085mm，总重量为26.6t。水轮机轴与发电机轴采用销钉螺栓传递扭矩与外法兰连接方式，与转轮采用销套传递扭矩与外法兰连接方式，水轮机轴与转轮的连接螺栓采用电加热法紧固。

3.4 水导轴承与主轴密封

水轮机导轴承为稀油润滑、巴氏合金的分块瓦结构，水导瓦共12块，轴瓦间隙采用楔子板加套管调整。导轴承由轴瓦、轴瓦支承、带油槽的轴承箱（分2瓣）、箱盖和附件组成，导轴承置于油槽箱内。水轮机导轴承设有一个完整、独立的机坑外循环润滑冷却系统，设有2个冷却器，冷却器及阀组布置在蜗壳层（EL88.85m）锥管廊道进口侧。冷却水由电站技术供水系统提供。

主轴密封系统由工作密封和检修密封两部分组成。主轴工作密封采用水润滑和冷却，水源取自蜗壳进口前，经减压过滤装置减压并过滤后供给主轴工作密封。为防止尾水溢出，在主轴工作密封的下方设置有主轴检修密封。主轴检修密封采用压缩空气充气膨胀式橡胶密封，由压缩空气系统提供工作压力为0.5~0.8MPa的压缩空气。

3.5 球阀

水泵水轮机球阀为卧轴双面密封球阀，由上游延伸段（凑合节）、球阀阀体、下游伸缩节、球阀接力器、接力器操作系统、管路组成，重约95t。上游延伸段重9.5t，管径2.1m，在压力钢管上预留设计配割余量（200mm），实际配割余量现场测量计算。下游伸缩节重约11.5t，由伸缩节、伸缩密封座法兰组成，现场调整装配。阀体已在厂内完成密封试验，到货为关闭状态；采用双缸双向液压接力器开启、关闭球阀。球阀技术参数见表2。

4 发电电动机结构及技术特点

洪屏抽水蓄能发电电动机主要由上机架和推力轴承及上导轴承、定子、转子、下机架和下导轴承、集电环刷架、辅助装置等组成。发电机为悬式、三相、空冷、可逆式同步电机，转子上方设有推力轴承和上导轴承，由上机架支撑；转子下方设有下导轴承，由下机架支撑。

4.1 定子

定子由定子机座、定子铁心、定子绕组、端部支撑、测温装置和绝缘件等组成。在安装间组装定子机座、定子铁心与绕组，组装完成且整体耐压试验后使用平衡梁、上机架吊入机坑。

定子机座由轧制钢板焊接而成，设置8层环板，外径φ7620mm，内径φ4912mm，高度4570mm，分2瓣运至工地组圆焊接。定子机座为浮动式结构，与基础板间通过偏心销钉、径向键及螺栓连接，当其受热膨胀作用时，可沿径向自由滑移。机座下环板设置下压指，下压指现场通过模板调整合格后焊接在机座下环板上。定子机座与定子铁心采用双鸽尾型定位筋结构，共72根定位筋，每根双鸽尾筋有两段组成并布置8个托板，分别与定子机座的8层环板焊接，托块与双鸽尾筋精确配合，以保证铁心的圆度和同心度。

定子铁心外径φ5770mm，内径φ4520mm，高度3414mm，由0.5mm厚的低损耗硅钢片叠装而成，分95段铁心（每段高30mm）、94个通风槽（厚度6mm），现场通过上、中、下三个高度模拟试叠片对定位筋进行定位、焊接，再拆除“模拟铁心”后正式叠装，叠片按顺时针方向，层间交错搭接为3/4冲片，通过穿心拉紧螺杆及现场焊接在下压板上的压指轴向压紧，螺杆与铁心之间设有绝缘套管，穿心螺杆压紧系统设有叠形弹簧、绝缘垫圈和绝缘套管，以保证机组运行时铁心保持恒定的压紧力，并保证螺杆与机座之间可靠绝缘，铁心叠装分5次预压后进行磁化试验。

定子绕组为双层叠绕组，4支路，Y形连接，绝缘等级为F级。定子线棒槽部固定采用槽楔和波纹板在槽口内压紧，以保证在各种运行工况下均能对线棒保持较大的径向力，避免线棒松动。线棒之间及线棒与铜环之间的所有接头均采用银铜焊。为防止承受稳态或短路、误同期等故障状态下电磁力而损害，线棒端部设置斜边垫块并加以绑扎固定，并设有端箍支撑。

4.2 转子及轴系

发电电动机转子由转轴、磁轭、磁极、制动环、阻尼环、转子引线等组成，外径Ф4442mm，磁轭高度3650mm，转子整体重量350t。机组轴系中，发电机采用一根轴结构，由三段焊接而成，6根径向筋板焊接在轴上，构成转子支架；推力轴承位于转子上方，发电机转子上方和下方分别设有上、下导轴承，水轮机设有水导轴承，共三个导轴承；导轴承及其支架具有足够的径向刚度来支撑转动系统，以保证一阶临界转速具有足够的安全裕度。

发电机转子支架高度为10320mm，设置6个高度为3748mm的主立筋，主立筋半径为1195mm，重量为53t，工厂加工后整体运至工地。磁轭包括磁轭及上、下压板，磁轭冲片由2740张4mm的高强度钢板现场叠装而成。磁轭冲片交错相叠，每张冲片4极距，每层圆周为3张片，每层片与前一层片相错1个极距。整个磁轭叠装过程分为4次压紧，压紧方式为风动预紧。磁轭拉紧螺杆通过上、下磁轭压板将叠片磁轭紧固为一体，磁轭叠装后现场进行磁轭键槽拉削以及磁轭键安装。磁轭与转子支架之间径、切向键分开设置，按规定顺序拧紧弹性键背侧的调整螺栓以实现磁轭径向调整。制动环为分块结构，通过磁轭拉紧螺杆固定在磁轭下压板上。

转子磁极共12个，由1mm厚的冲片叠压而成，单个重量为10.717t。磁极通过T尾固定在磁轭上，磁极通过磁轭下压板上的调整销进行支撑和调节其中心线高程。通过楔子板结构，将磁极向外径方向固定。磁极设有完整的阻尼绕组，以抑制系统波动，例如不平衡负荷、两相短路等电气故障。阻尼绕组之间采用柔性连接结构,以补偿机组运行时阻尼环的位移，并由固定在磁轭上的螺杆承受其离心力。

4.3 轴承结构

发电机轴承分上导轴承、推力轴承（推力轴承结构见图2）和下导轴承，即位于转子上方的推力轴承和上导轴承，位于转子下方的下导轴承。

图2 推力轴承结构图

上、下导轴承采用单独油槽,分别布置在上、下机架中心体内,均为12块钨金瓦。上导轴承采用外加泵外循环冷却方式；下导轴承采用润滑油在油槽内部自循环的冷却和润滑方式，导轴承瓦的支撑为楔子板加套管结构。

推力轴承与上导轴承油槽分开设置，推力轴承布置在上机架中心体上部。推力轴承承受机组全部旋转部件的重量，以及水轮机的轴向水推力。轴向推力负荷通过推力头、镜板传递到推力瓦上，推力瓦由VOITH专利的弹性橡胶垫支撑，弹性橡胶垫安装于上机架上方的推力支架。推力头、镜板为一体结构，现场热套与转轴上。推力瓦为钨金瓦。推力轴承采用外加泵外循环润滑冷却方式，并设有外油箱，与上导轴承共用一个油箱。推力轴承设有高压油顶起系统。

4.4 上、下机架

上机架采用辐射型箱形梁支臂，为承重机架，承受机组推力负荷，由中心体和6个径向支臂在工地现场组焊成一整体，径向通过弹性支撑与混凝土相连接,轴向由定子机座支撑。为保证发电机具有良好的稳定性，轴系具有较高的临界转速，上机架和混凝土需共同为导轴承提供足够的径向支撑刚度，采用VOITH公司特有的粘滞弹性支撑结构（见图3），粘滞弹性支撑结构元件为液压阻尼器，来吸收结构部件作用在基础上的热应力。

图3 上机架粘滞弹性支撑结构图

发电机下机架由1个中心体和6个支臂径向支臂组成，采用合缝板螺栓把合结构，可满足下机架从定子内径吊出的要求。在最严重工况下最大下挠度不大于2.63mm，组装后总重约16t。下导轴承布置在下机架中心体的内部。每个支臂上布置1个制动器,沿圆周方向共布置6个。

4.5 辅助设备

制动系统采用压缩空气操作的机械制动方式，压缩空气压力为0.5~0.7MPa，6个制动器安装在下机架每个支臂上。制动块由非金属无石棉材料制成。当机组为静止工况下，制动器通过高压油操作可以作为顶转子用。制动粉尘由制动粉尘收集装置除去，以避免制动粉尘进入绕组、轴承或冷却系统。

发电机设有水灭火系统，在定子绕组上下两端端部适当位置，分别布置2根环管，环管上有适当数量的喷雾头。机坑内设有空间加热器，以防止发电机停机时受潮或结露。

4.6 通风系统

通风冷却方式为端部双路径向、密闭自循环、无风扇空气冷却，结构见图4。风压主要由转子支架和磁轭的扇风作用产生。冷风穿过定子绕组上、下端部后，双路径向进入转子支架，依次穿过磁轭、磁极、气隙、定子铁心和机座，并被定、转子绕组的各种损耗加热。热风由6个空气冷却器冷却，空气冷却器固定在机座的开口位置。该通风冷却结构缩短了发电机风路，减小了发电机风摩损耗，提高了发电机冷却效率。

图4 通风系统结构图

5 几点看法

2016年4月30日，洪屏抽水蓄能电站1号机组与江西电网系统并网进行首次泵水试验并取得成功，抽水负荷29.1万kW，期间机组运行稳定、各项运行指标良好，从而证明了洪屏抽水蓄能电站结构的优势。

（1）水泵水轮机导水机构采用导叶断面为负曲率形式，同时采用剪刀形立面间隙设计,有助于导叶开启。

（2）发电电动机为悬吊式机组，采用一根轴，机组轴线结构特点是轴系长、分段数少、结合面少。优点：制造厂内加工确保机组轴系轴线质量，减少现场轴线调整工程量。缺点：发电电动机部分因受力转换后不能与水机轴脱离，发电电动机不能单独盘车；轴系较长（镜板至水导距离达14.135m）,现场通过打磨卡环处理轴线难度加大。

（3）转子磁轭叠装后不进行现场加温热套，而是采用冷打键，冷打键后通过弹性键背侧的调整螺栓以实现磁轭径向调整，从而确保磁轭与转子支架紧度满足设计要求；定子叠装采用“片-筋-片安装法”，该工艺不是从繁琐的定位筋调整过程入手，而是直接从最根本的问题入手，去直接调整“模拟铁心”，达到以“模拟铁心”控制定位筋，以定位筋最终保证铁心的目的。

（4）推力轴承采用弹性橡胶垫支撑结构，该支撑系统可在周向和径向使瓦倾斜，并可补偿0.10mm的高度方向误差。弹性垫支撑结构的优点：对动态负载有极好的阻尼作用；在圆周方向上能够自我调节，有利于生成楔形油膜；能够在径向自我调节以补偿转子倾斜或机架变形；补偿镜板和推力瓦的热变形；对短暂过载不敏感。

（5）上机架采用粘滞弹性支撑结构设计，该结构可显著减小轴承支撑结构部件传递到基础上的热应力，以提高轴承及其支撑部件的经济性，并大大节省成本。另一方面，能保证发电电动机具有良好的稳定性，轴系具有较高的临界转速。

（6）水导轴承、推力轴承与上导轴承外循环泵方式，并将外循环泵、油冷却器布置发电机机墩外,有利于提高轴承的冷却能力，便于检修与运行巡视检查。

TV743

B

1672-5387（2017）05-0048-05

10.13599/j.cnki.11-5130.2017.05.012

2016-05-15

李 军（1978-），男，高级工程师，从事水电站机电安装、检修与技术管理工作。