溧阳抽水蓄能电站机组设备国产化工作策划与实践

章存建，陈忠宾

(江苏国信溧阳抽水蓄能发电有限公司，江苏溧阳213334)

1 基本情况

溧阳抽水蓄能电站(以下简称“溧阳电站”)是江苏省首个抽水蓄能机组国产化项目，装有6台单机容量为250 MW混流可逆式机组，2017年6台机组全部投产。

2008年11月26日，国家发展和改革委员会以发改能源[2008]3181号《印发国家发展改革委关于江苏溧阳抽水蓄能电站项目核准的请示的通知》核准了溧阳电站项目，文中明确“为巩固抽水蓄能电站机组设备技术引进成果，实现抽水蓄能电站机组设备自主化(国产化)目标，溧阳电站项目列为抽水蓄能电站机组设备国产化后续工作的依托项目，机组设备(含主机以及调速器、励磁、变频启动装置和计算机监控系统等附属设备)采用招议标方式在哈尔滨电机厂有限责任公司(简称“哈电”)和东方电气集团东方电机有限公司(简称“东电”)之间进行采购，由哈电或东电独立成套设计、制造和供货。

溧阳电站核准时，哈电和东电在国家重点支持下，通过打捆招标、引进技术，抽水蓄能机组设备研发制造水平有了长足的进步，但当时尚无独立开发制造的大型抽水蓄能机组投运。机组设备的性能质量关系到电站能否顺利达标投产，关系到电站长期安全稳定运行。项目公司对机组设备国产化工作高度重视，进行了专门的策划和研究，有序、稳健、扎实并有创新地开展各项工作。

2 招议标工作

2.1 确定招标范围

根据核准文件要求，调速系统、励磁系统、计算机监控系统、变频启动装置随主机一同纳入机组设备招议标范围。为方便各系统和设备间的技术协调和责任划分，将与主机设备关系密切、协调工作较多的机组状态监测系统、发电电动机保护、变压器保护及500 kV电缆保护也纳入机组设备招议标范围；同时，考虑到国内承包商的成套能力和经验，将工作界面清晰、自成系统的其他系统和设备另行招标采购，以形成足够的竞争态势。

2.2 调研交流

项目核准之前，项目公司就根据可研阶段设计成果、可研报告审查意见、项目申请报告评估意见，开展了前期调研准备工作。组织设计院编制完成《机组厂家调研大纲》，并分别发至国内外相关主机设备厂家，开始了主机设备的前期调研。阶段调研重点内容为：征询各厂家对溧阳电站项目所做的技术方案，就溧阳电站可研阶段确定的水泵水轮机、发电电动机基本参数与各厂家进行交流，重点校核主要结构和参数的合理性；针对可研报告审查意见及项目申请报告评估意见中提到的相关问题与各厂家进行交流；了解各厂家的设计制造能力、设备价格等。项目核准后，组织设计院与哈电、东电又进行了针对性的集中交流。

为做好附属成套设备的采购，项目公司先后组织与调速、励磁、变频启动装置、继电保护、机组状态监测、计算机监控等附属设备厂家进行了20多次技术交流；同时组织对部分附属设备厂家进行考察，实地察看厂家生产加工情况。通过交流和考察，基本掌握了当时附属设备的制造水平。在对主要附属设备厂家的开发生产能力和业绩进行了解对比的基础上，同时，考虑将来设备运行维护、升级改造的成本和便捷性，确定附属设备资格要求。原则上哈电和东电对每个附属设备提供三家相应的厂家供溧阳电站项目比选，至少不得少于两家。

溧阳电站招议标准备工作期间，国内抽水蓄能电站机电设备相继发现了一些较大缺陷，为提前做好防范措施，项目公司采用调研和邀请交流等方式，收集有关抽水蓄能电站机电设备缺陷资料，进行总结提炼，在后续工作中对机组稳定性、发电电动机磁极的结构设计、水泵水轮机水力开发等予以了足够重视。

2.3 设计优化

项目公司在认真研究调研交流材料后，对有关设计进行了优化，其中主要工作有[1]：

(1)吸出高度调整。考虑到溧阳电站水头变幅较大，机组水力设计难度大，保证机组的安全稳定运行应放在第一位。根据各厂家方案中机组吸出高度值，将可研设计阶段确定的机组吸出高度-50 m调整为-57 m，保证了有效空蚀裕量，提高了机组的空化性能，对机组投产后的稳定高效运行有着积极的意义。

(2)转动惯量调整。可研阶段转动惯量初步确定为12 000 t·m2，厂家提供的方案中，溧阳电站机组转动惯量在6 500～9 500 t·m2之间。转动惯量选择过大直接造成发电电动机造价增加。设计院在复核调节保证计算的基础上，确定招标阶段溧阳电站机组转动惯量不低于9 000 t·m2。

(3)论证同步转速333.3 r/min方案。各厂家均认为333.3 r/min理论上存在可行性，但对应水泵比速系数2 982～3 400已达到目前200～300 m水头段的上限，成熟性方面远不如300 r/min方案，认为溧阳项目应采用300 r/min方案为宜。

(4)能量指标优化。有关专家建议为力保机组运行稳定性，可适当调低水泵水轮机能量指标。项目公司要求设计院根据专家意见，结合与哈电和东电两家单位转轮水力开发交流情况及相关建议，参考了相关电站的能量指标以及运行方式，对溧阳电站能量指标进行分析研究，优化加权平均效率及其因子表。根据设计院提交的研究成果，调整了低水头低负荷区的加权平均效率因子的比重，适当降低了平均效率的要求。上述优化研究，有利于提高机组运行稳定性和可靠性。

2.4 带模型转轮投标

水泵水轮机的核心部件是转轮，它直接关系到投产后机组运行的稳定性和电站的经济效益；而转轮模型试验是当前能真实反映转轮开发水平和水泵水轮机综合性能的最有效手段。溧阳电站水泵水轮机水力设计难度较大，为保证机组的先进性与稳定性，降低因水力开发设计导致电站投产后机组不稳定的风险，项目公司采用带模型转轮投标方案，机组评议标过程中开展同台对比复核试验，试验结果作为评标的一项重要评审因素。此举大大激发了厂家的开发热情。

2.5 机组设备制造监理

设备监造是指设备监造单位或个人受委托人委托，根据供货合同，按照国家有关规程、标准，对设备制造过程的质量实施监督(工艺流程、制造质量及制造厂的质量体系)，见证合同产品与合同的符合性；协助和促进制造厂保证设备制造质量，严格把好质量关，努力消除常见性、多发性、重复性质量问题，把产品缺陷消除在制造厂内，防止不合格品出厂；同时，在设备交货进度方面起到一定的督促作用。溧阳电站机组设备处于国家抽水蓄能机组设备国产化的第三阶段，为加大力度进行厂内质量控制，项目公司在调研交流的基础上，通过公开招标最终选定了专业监造单位进行机组设备的制造监理工作。

3 水泵水轮机水力开发

3.1 水泵水轮机水力性能开发存在的困难

溧阳电站最大净扬程约295 m，最小净水头约227 m，运行水头变幅达1.299；机组需要在宽广的运行范围内保持高效稳定运行，水力性能开发难度大。

3.2 解决策略

水泵水轮机的性能直接关系到投产后机组运行的稳定性和电站的经济效益，而水泵水轮机模型试验是当前能真实反映水泵水轮机水力性能开发水平的最有效手段。在采用公开招标方式采购机组时，业主一般根据投标文件评标结果选定制造厂家；合同签订后，再由制造厂家进行水力开发和模型试验；最后由业主组织验收。验收试验结果的中的个别或局部重要指标难以达到合同要求；但由于工程进度等多种因素影响，业主只能让步接受。而等到电站投产运行后，上述问题就可能导致机组运行不稳定等现象发生。国内部分已投产的抽水蓄能电站机组在低水头时发电会出现并网难、并网不成功或并网后不能由空载直接带上负荷而进入反水泵区等现象。其主要原因是在上述招标方式下，给予制造厂家进行水泵水轮机水力开发的时间相对紧张，有可能导致全特性曲线出现明显的“S”区。对该现象处理办法多采用预开导叶法；而解决的根本方法则是要重视水力开发，在水力开发时就应尽量避免这种情况。

为保证机组的先进性与稳定性，降低因水力开发导致电站投产后机组不稳定的风险，项目公司进行了专门的策划和研究，确定了溧阳电站水泵水轮机水力性能开发的实施方案，分4个阶段[2]：

(1)组织开发投标水泵水轮机模型。机组招议标采用带水泵水轮机模型投标的方案，投标前，国内制造商进行水泵水轮机模型水力开发，在各自试验台完成模型试验。

(2)组织开展同台对比复核试验。投标时，国内制造商将水泵水轮机模型和试验报告随同投标文件一起递交。机组评标时，开展同台对比复核试验，试验结果作为评标的一项重要评审因素。

(3)组织开展初步试验。在投标水泵水轮机模型的基础上，中标人根据同台对比复核试验结果，确定优化方向，进行优化改进工作，开展初步试验。

(4)组织开展验收试验。优化后的水泵水轮机模型初步试验结果在基本满足合同保证值的条件下，进行验收试验，确定溧阳电站水泵水轮机模型和水力性能。

实践表明，阶段(1)、(2)的工作能够充分引入竞争，引导投标厂家重视和加大前期水力开发投入，保证水泵水轮机水力性能开发工作充分。对制造厂家来讲，能积累经验，提高设计水平，对项目来讲，可以更加真实地比较优选投标厂家的方案。然后，通过中标厂家最后两个阶段的优化，就基本上能保证得到理想的水泵水轮机模型。

溧阳电站水泵水轮机水力性能开发工作历经3年多时间，其间通过了多个试验台的检验。机组运行数据表明，水泵水轮机水力性能是先进的，在正常运行范围内不存在“S”区现象，可以保证在正常运行范围内水泵水轮机在水轮机工况均能够安全平稳开机并网。

4 推力轴承研制

推力轴承是机组的关键部件。为支持蓄能机组国产化建设，溧阳电站在蓄能机组中首次采用单波纹弹性油箱支撑结构的推力轴承。单波纹弹性油箱具有安装调整方便、机组运行过程中可自动平衡瓦间负荷、瓦的倾斜灵活、能较好地控制瓦的变形等优点。国产单波纹弹性油箱支撑推力轴承在常规大型水轮发电机的设计制造及安装、运行业绩较多，运行情况良好，但无抽水蓄能应用业绩。溧阳电站项目设计过程中进行了有限元应力变形分析、疲劳性能分析及应力应变试验，确认主要设计参数和结构形式符合机组刚强度和疲劳使用要求；同时，在3 000 t推力轴承试验台进行全模拟试验。试验结果表明，单波纹弹性油箱支撑结构能适应各种不同工况的要求。

溧阳电站推力轴承采用巴氏合金推力瓦，配备高压油顶起系统，采用外加泵外循环的冷却方式，推力头侧面兼作下导轴领面，下导和推力轴承共用一个油槽。机组启动试运行和商运过程中机组推力轴承运行稳定可靠，推力瓦温、下导瓦温、油槽油温、机组的振动和摆度等各项性能指标满足设计及合同要求。溧阳电站之后的抽水蓄能项目也逐渐使用单波纹弹性油箱支撑结构，进一步提升了我国大型抽水蓄能机组双向推力轴承研究和结构设计的技术水平。

5 首台机首次启动方式

抽水蓄能电站首台机首次启动是机组投入正式运行前的重要环节，选择合适的启动方式对机组乃至整个电站初期安全稳定运行至关重要。国内外抽水蓄能电站首台机首次启动方式主要有纯水泵工况启动、水轮机空载+水泵工况启动、水轮机工况启动3种方式，项目公司根据溧阳电站外部施工条件及机组特性对3种启动方式进行具体分析[3]，从而确定了最终启动方式。

5.1 纯水泵工况启动

纯水泵工况启动方式仅需借助外来充水泵将上库蓄水至水泵最低启动扬程范围内即可以水泵工况启动机组向上库充水，继而进行水轮机工况调试。以往抽水蓄能电站相关资料显示，首台机首次启动方式采用纯水泵工况比水轮机工况将在一定程度上缩短工期，项目收益较明显。然而从机组运行稳定性及电站安全角度考虑，纯水泵工况启动方式相对水轮机工况启动方式无疑将承担更大的风险，机组在最低启动扬程下运行受水流压力脉动影响振动较为剧烈，空化特性条件恶劣，且动平衡、轴承负荷及温升等指标将直接面临接近正常运行最大值的考验。对于刚安装完毕的新机组，本身各项技术指标和稳定性均未经过实际运行的考验，在机械或电气环节可能存在某种隐患没有暴露，一旦在水泵抽水工况下出现重要指标异常或者突然断电情况，机组被迫突甩负荷，不仅对引水系统水工建筑物造成强烈冲击，机组本身的安全性亦面临考验。出现这种情况后机组复查修复过程费时费力。

溧阳电站水泵水轮机模型试验在50.5 Hz条件下，对导叶开度17 mm和19 mm进行了异常低扬程启动试验，模型试验结果表明：在水泵导叶开度为19 mm，异常低扬程223 m条件下启动机组，其最大输入功率为265.5 MW；导叶与转轮之间压力脉动值为5.2%，尾水管压力脉动值为1.19%，满足合同中对水泵正常运行范围内入力和压力脉动幅值的要求。模型试验确认在此条件下运行不发生有害振动和空化破坏。但对于压力脉动来说，真机运行工况下脉动值和模型试验下脉动值是不同的，有可能真机在异常低扬程下运行的稳定性情况变得恶劣。

5.2 水轮机空载+水泵工况启动

水轮机空载+水泵工况启动方式适于上库具备蓄水条件的抽水蓄能电站。只要保证上库水位在水轮机空载调试运行期间高于进/出水口流道顶板高程1 m左右，上下库之间形成的水头达到水轮机工况运行的最小水头，即可采用水轮机空载+水泵工况启动方式。空载试验完成后随即转入水泵工况。

由于蓄能机组水轮机空载运行工况下易出现不稳定运行情况。即，进入所谓的“S”区反水泵工况。首台机首次启动过程中一旦出现这种情况将给调试带来严重影响，甚至必须停机检查。故，在首台机首次启动采用水轮机工况启动方式之前，需对此现象做充分的研究分析。溧阳电站水泵水轮机模型试验表明：水轮机在最低水头下的空载启动开度A0=9 mm，运行区处于不稳定的“S”区之外；故，水轮机空载工况下机组将不会出现不稳定状态。

溧阳电站上下库天然来水量很小，必须依靠外来泵从沙河水库抽水以满足初期蓄水的要求。若首台机首次启动方式考虑采用水泵工况启动，根据水泵最低起用扬程要求，上库必须蓄水至高程242.00 m，相应蓄水量为8.9万m3；而考虑采用水轮机空载工况启动，上库水位需至少高出进/出水口流道顶板高程(高程249.00 m)1 m 左右，综合考虑空载调试用水量，上库需蓄水至高程253.20 m，相应蓄水量为180.1万m3。按外来泵输水能力1 300 m3/h考虑，每天抽水20 h；则水轮机空载工况启动方式将比纯水泵工况启动方式工期滞后约60 d。

5.3 水轮机工况启动

水轮机工况启动方式是目前具备上库蓄水条件的抽水蓄能电站大多采用的首台机首次启动方式。该方式对机组首次启动最为有利。水轮机工况首次启动是在负荷逐级增加下进行，对机组振动、压力脉动等稳定性指标、动平衡、轴承负荷、温升等有一个逐步加大的、可调整的逐步考验过程。但是，溧阳电站首台机首次启动若采用此启动方式， 根据试验项目的调试用水量(空载调试水量+并网运行调试水量)，上库需蓄水至257.00 m高程，相应蓄水量为288.1万m3，相比水轮机空载+水泵工况启动方式增加了近110万m3蓄水量。按外来泵输水能力1 300 m3/h考虑，每天抽水20 h，则水轮机工况启动方式比水轮机空载+水泵工况启动方式工期滞后约42 d，比纯水泵工况启动方式工期滞后约100 d。

抽水蓄能电站首台机首次启动采用纯水泵工况向上库充水的方式虽然在国内已有一

定工程实践经验，但这种启动方式在机组调试过程中存在一定的弊端和风险。而水轮机工况启动方式一般适用于上库具有丰富天然来水或者为已建人工水库的情况。溧阳电站上库为施工期挖填形成，天然集雨面积较小，初期蓄水需依靠外来水泵从沙河水库抽水。若采用水轮机工况启动方式上库初期蓄水量较大，工期耗费较长，不利于项目成本控制。而水轮机空载工况+水泵工况启动方式相比纯水泵工况启动方式更有利于机组的安全调试运行，相比水轮机工况启动方式对上库初期蓄水量的要求大大减小，有利于节约工程投资成本。溧阳电站上库初期蓄水可实现在首台机启动前达到水轮机空载调试运行的要求。因此，溧阳电站首台机首次启动采用水轮机空载工况+水泵工况方式。

溧阳电站机组滑动摩擦检查及升速试验过程中，机组各部位无异声响，机组各部位振动摆度基本正常，机组各部瓦温、油温、水压均正常，各辅助设备运行正常，机组转动方向正确。水轮机空载试验完成后，机组进行了首次水泵工况抽水试验，共抽水35分钟，累计抽水18.5万m3。首次水泵抽水试验正常，机组各部位运行稳定。

6 结 语

在参建各方共同努力下，溧阳电站历经9年时间，于2017年全面投产，机组运行稳定，机组设备国产化工作过程中，得到了水电水利规划设计总院、哈电、东电、中国水利水电科学研究院、机组附属设备厂家、有关蓄能电站等单位和专家的大力支持，在国内率先开展了抽水蓄能机组同台对比复核试验，首次采用单波纹弹性油箱支撑结构的推力轴承，整个工作的顺利实施对我国抽水蓄能机组国产化发展起到一定的促进作用。