溧阳抽水蓄能电站机电与金属结构设计综述

2018-03-26刘昆林谭绍良黄开斌蔡星煜

水力发电 2018年10期

刘昆林，李立，谭绍良，黄开斌，蔡星煜

(中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司，湖南长沙410014)

溧阳抽水蓄能电站位于江苏省溧阳市境内，电站装机容量1 500 MW，装机6台，单机容量250 MW/269 MW(发电/抽水)，设计年发电量20.07亿 kW·h，年抽水电量26.76亿 kW·h。建成后的电站通过2回500 kV线路接入500 kV天目湖变电站，作为华东电网主力调峰电源之一，其开发任务主要是为电力系统提供调峰、填谷和紧急事故备用，同时可承担系统调频、调相等任务。发电电动机与主变压器组合采用联合单元接线，500 kV侧3进2出，采用双内桥接线，电站共设置2套互为备用的SFC。每台发电电动机出口均装设SF6发电机断路器。

1 主要机电设备及其特点

1.1 水泵水轮发电电动机组

溧阳抽水蓄能电站机组设备招标范围包括水泵水轮机、发电电动机、进水球阀、调速器、励磁系统、计算机监控系统、静止变频起动装置等设备，由哈尔滨电机厂有限责任公司中标。

1.1.1 水泵水轮机

机组采用上拆结构。水泵水轮机转轮为单级、混流可逆式转轮，采用不锈钢铸焊结构。转轮上冠、下环采用VOD精炼铸造结构，转轮叶片采用VOD精炼铸造成型。

转轮选用优质不锈钢材料ZG00Cr13Ni4Mo制造，该材料具有优良的抗空蚀、抗磨蚀性能和焊接性能。叶片、上冠、下环均采用VOD精炼的ZG00Cr13Ni4Mo不锈钢铸件。转轮采用7叶片型式，活动导叶数20个。

水导轴承采用稀油润滑的巴氏合金瓦衬的自润滑轴承，采用外加泵外循环冷却方式。主轴密封分为工作密封和检修密封。工作密封型式采用轴向端面水压式密封，采用进口的摩擦系数低的Cestidure耐磨材料制造。密封面有良好的配合和密封性能，并配有一个指示密封磨损量的带刻度的信号杆和一个位移传感器，用于监视主轴密封磨损量。检修密封设置在工作密封下部，采用空气围带型式，在停机而不排除尾水管存水的情况下可正常投入。蜗壳设计压力4.75 MPa，采用ADB610D高强度钢板制作，蜗壳采用保压浇筑混凝土方式，保压浇筑压力为最大工作静压力的50%。水泵水轮机水轮机工况最大水头下，净水头288.1 m，出力255.0 MW，效率93.1%，流量97.1 m3/s；额定水头下，净水头259 m，出力255.0 MW，效率91%，流量110.5 m3/s；最小水头下，净水头230.9 m，出力212.8 MW，效率89.9%，流量104.7 m3/s。水泵工况最大扬程下，水泵净扬程295.04 m，水泵入力223.3 MW，效率93.33%，抽水流量72.71 m3/s；最优点扬程下，水泵净扬程270 m，水泵入力253.3 MW，效率94.21%，抽水流量85.72 m3/s；最小扬程下，水泵净扬程238.4 m，水泵入力254.4 MW，效率93.67%，抽水流量102.06 m3/s。额定转速300.0 r/min，稳态飞逸转速460 r/min，转轮高压侧直径4 741 mm，转轮低压侧直径3 015 mm，吸出高度HS-57 m(导叶中心线至下库死水位差)，安装高程-57 m。

1.1.2 发电电动机

发电电动机为三相、立轴、半伞式(具有上、下导轴承)、密闭循环空冷可逆式同步发电电动机。定子机座采用轧制钢板分四瓣焊接而成，定子机座与基础板及上机架的连接结构采用斜立筋结构。定子铁心采用0.5 mm厚、50H250(JIS)无取向冷轧硅钢片。定子绕组采用双层条式波绕线圈，4支路并联，“Y”形连接，定子线棒采用多胶模压绝缘工艺，在整个定子铁心长度上采用不完全换位方法进行换位，绝缘等级为F级。转子采用无轴结构，转子中心体采用整体结构，转子支架采用圆盘式焊接结构。位于转子下方的下导轴承和推力轴承采用推力轴承与下导轴承合一布置的方案。导轴承为油浸式自润滑分块瓦可调式结构。推力轴承的支撑结构采用具有自平衡瓦间负荷能力的单波纹弹性油箱结构。推力轴瓦共12块，推力瓦采用巴氏合金瓦。下导轴承和推力轴承润滑油的冷却方式采用外加泵外循环冷却系统。发电电动机型号为SFD250—20/7500；额定容量(电气输出) 277.78MV·A(静止励磁容量除外)；电动工况(轴输出功率) 269 MW；额定功率因数(发电工况/电动工况) 0.9(滞后)/0.975；额定电压15.75 kV；最大飞逸转速475 r/min；发电电动机飞轮力矩(GD2) 9200 t·m2；效率(发电工况/电动工况) 98.61%/98.73%；制动方式为电气制动+机械制动。

1.2 进水阀

进水阀采用横轴双面密封、单接力器型式，公称直径3 050 mm。进水阀下游侧设置伸缩节与蜗壳进口段采用法兰连接；上游侧设置延伸段与压力钢管现场焊接。进水阀上游侧设一道检修密封，下游侧设一道工作密封。密封装置为可拆卸形式。动密封环和固定密封环均用不锈钢材料制造。固定密封环用不锈钢螺栓把合在活门上，可以方便地更换。所有螺钉应牢固固定。动密封环为整体结构，设计成滑动式，当进水阀关闭后动密封环滑动压向固定密封环，开启前离开固定密封环。工作密封采用液压锁定装置锁定。球阀阀体为钢板焊接结构，在厂内焊接成整体后，运到工地。

1.3 静止变频起动装置

电站采用2套静止变频启动系统(SFC)负责全厂6台机的抽水工况启动，型号为SD7518，由GE公司供货，2套 SFC互为备用，电站不设置背靠背启动方式。

1.4 500 kV设备

溧阳电站500 kV设备包括主变压器、500 kV GIS和挤包绝缘电缆。主变压器为额定容量300 MV·A的三相双圈强油循环水冷升/降压电力变压器，其中2～6号主变由特变电工衡阳变压器有限公司供货，1号主变由江苏华鹏变压器有限公司供货。550 kV GIS额定短时耐受电流63 kA，由现代重工(中国)电气有限公司供货。500 kV挤包绝缘电缆额定持续电流800 A，导体额定短时耐受电流63 kA/2 s，电缆采用总承包方式，由瑞士布鲁克电缆有限公司供货与现场安装调试。

1.5 主厂房桥机

主厂房选用两台2 500 kN/500 kN的电动双梁单小车桥式起重机，桥机跨度为22.0 m。2台桥机的主、副钩起升机构及小车行走机构均采用全数字式变频调速方式，具有1∶10无级调速性能。桥机由常州常矿起重机械有限公司供货。

2 控制保护系统

2.1 计算机监控

电站接受华东电网直接调度，遥测、遥信量同时送华东网调、江苏省调。计算机监控系统按“无人值班(少人值守)”的原则进行设计，采用全开放、分层分布式结构。

计算机监控系统由主控级和单元控制级等设备组成。主控级设备包括：2套实时服务器、2套历史服务器，2套远程通信工作站、2套厂内通信服务器、2台操作员工作站、1台工程师工作站、1台培训仿真工作站、1台维护工作站、1台语音报警及ONCALL工作站、1台报表工作站、2套UPS、1套时钟同步及扩展装置、打印机以及网络交换机等。监控系统单元控制级设有12套现地控制单元(LCU)，包括6套机组现地控制单元(LCU1～LCU6)、1套抽水启动现地控制单元(LCU7)、1套公用设备现地控制单元(LCU8)、1套厂用电现地控制单元(LCU9)、1套500kV开关站现地控制单元(LCU10)、1套上库现地控制单元(LCU11)和1套下库现地控制单元(LCU12)。

2.2 继电保护

每台发电电动机、主变压器均配置双套微机型保护装置，由南瑞继保公司提供。每回500 kV高压电缆按双重化配置分布式母差保护，由南瑞继保公司提供。每回500 kV线路按双重化配置线路保护装置，由北京四方公司和国电南自公司各提供一套。500 kV开关站设置4面断路器保护柜、1面故障录波柜及1面保护信息子站柜。

3 厂用电系统

电站厂用电系统共设有5个电源，其中3个电源分别取自2、4、6号主变低压侧母线，另1个为10 kV外来备用电源，取自110 kV施工变电所，另设有10 kV柴油发电机组作为保安和机组黑启动电源，保证厂用电系统具有较高的供电可靠性。

4 接地系统

本电站按地网电位不大于5 000 V，接地电阻不大于0.4 Ω的原则进行设计。为保证电站接地网设计科学合理，在进行接地网设计之前，于2012年2月对电站枢纽区域的地电阻率进行了详细测量，并编制完成《溧阳抽水蓄能电站土壤电阻率测试工作报告》，根据土壤电阻率测试成果，开关站与下水库区域土壤电阻率相对较低，所以，在进行接地网设计时，在开关站与下水库敷设了较大面积的接地网，以达到有效降低接地电阻的目的。在2016年电站发电前由江苏方天公司对溧阳电站接地参数(接地电阻、接触电势与跨步电势)进行了测量，接地电阻测量值为0.336 Ω，满足设计要求，接触电势与跨步电势满足规范要求。

5 油、气、水系统

5.1 油系统

电站油系统分为透平油系统和绝缘油系统。透平油系统的主要用油设备为机组各轴承、调速系统用油及球阀油压装置用油。透平油的牌号为国产46号透平油。电站绝缘油系统不设置单独的绝缘油库，仅设置必要的绝缘油处理设备，在现地向主变充油及真空注油。

5.2 压缩空气系统

电站压缩空气系统分为中压气系统和低压气系统。其中，中压气系统包括工作压力为8.0 MPa的水泵工况启动和调相压水用气、工作压力为7.0 MPa的调速器油压装置用气和球阀油压装置用气、工作压力为1.2 MPa的主轴检修密封用气等；低压气系统工作压力为0.8 MPa，包括机组制动、检修吹扫用气等。

储气罐及相关管路中装设有压力开关、压力变送器及压力表等自动化元件和表计，以监控空压机的起停、切换和其它操作。储气罐上压力变送器、压力开关和安全阀应整定在规定的压力，并工作可靠。

5.3 技术供水系统

机组技术供水系统采用单元供水方式，每台机组从尾水管取水经水泵加压供水，在每台机尾水管设一个取水口，并设两套独立的水泵加压供水管路，每套供水管路主要由一台全自动滤水器、一台立式离心泵和相关阀门及管路等组成。两套供水管路互为备用，在滤水器后合并成一条主供水管向机组及主变冷却器供水。全厂设有1根DN400联络总管，可实现6台机组技术供水的互为备用。

5.4 排水系统

5.4.1 机组检修排水

本电站检修排水采用直接排水方案，设置一根DN500的检修排水总管，布置于-71.00 m高程的检修排水廊道，每台机组检修排水管与检修排水总管相连。在检修排水管廊道同层6号机组段端部设置检修排水泵房，布置4台卧轴单级双吸离心泵。每两台水泵出口共用一根DN250检修排水管，沿渗漏排水泵房、竖井埋设至顶层排水廊道。

5.4.2 厂房渗漏排水

在主厂房上游侧检修排水廊道顶拱处埋设有一根DN600渗漏排水总管贯穿全厂，一端与渗漏集水井相通，另一端至1号机组端头。

厂内渗漏集水井位于主厂房右端水泵水轮机层施工支洞内，其有效容积约600 m3；设置4台工作泵，2台备用泵，每2台水泵共用一根DN350的排水总管，经顶层排水廊道、自流排水洞排出厂外。水泵的起停由液位控制器实现自动控制，工作泵与备用泵之间可定期轮换工作。

6 金属结构

金属结构布置在上水库进/出水口、尾水闸门室、下水库出/进水口、下水库泄洪闸等部位。

6.1 上水库金结设备

上水库进/出水口为井式结构，2个进/出水口单独布置，沿每个井式进/出水口四周分隔成8个孔口，每孔设1道事故闸门，2个进/出水口共设置16孔16扇事故闸门，事故闸门为潜孔式平面滑动闸门，孔口尺寸6.896 m×7.0 m(宽×高，下同)，设计水头49 m。每扇闸门各由1台4 500 kN高扬程固定卷扬式启闭机操作，共16台，启闭机可现场操作，也可远方操作。启闭机在孔口范围内不同步要求在100 mm以内，8台启闭机共用1个环形机房，每个机房设1台50 kN沿环形轨道行走的单梁移动式检修吊。

6.2 尾闸室金结设备

电站机组的尾水管采用一管一机布置，每条尾水管设1道事故闸门，共6孔6扇，事故闸门为闸阀式平面滑动闸门，孔口尺寸6.0 m×7.0 m，设计水头152 m。

闸门操作条件为正常工况下静水启闭；事故工况下动水闭门，通过电动旁通阀充水平压后静水启门，启门水位差≤5.0 m。每扇闸门各由1台5 000 kN/2 000 kN液压启闭机操作，共6台，液压启闭机液压缸顶部设有电动推杆操作的机械式活塞杆锁定装置，启闭机可现场操作，也可远方操作。避免进口球阀与尾水事故闸门之间发生误操作，设置了互相闭锁装置。尾闸室内设置1台800 kN/50 kN桥机供闸门、门槽和启闭机安装和检修。

6.3 下水库金结设备

下水库出/进水口设有2条尾水洞，每条尾水洞出/进水口处设4孔4套拦污栅，共计8孔8套拦污栅，孔口尺寸6.55 m×14.0 m，设计水头差5 m，拦污栅为潜孔式平面滑动拦污栅，拦污栅分节制作，栅叶和拉杆通过连接板+销轴的连接方式，形成整体。拦污栅共用1台2×500 kN单向门机操作，操作条件为静水启闭。

每条尾水洞出/进水口各设1套检修闸门，共2套。检修闸门为潜孔式平面滑动闸门，孔口尺寸10.0 m×10.0 m，设计水头39 m，每扇闸门各由1台2 000 kN高扬程固定卷扬式启闭机操作，共2台，每个启闭机房内各设1台30 kN机房检修吊。

下水库设1孔泄水闸，泄水闸设2道闸门，采用完全相同的两套闸门，互为工作闸门和事故闸门，泄水闸闸门为露顶式平面定轮闸门，孔口尺寸4.0 m×5.65 m(宽×高)，设计水头5.35 m，每扇闸门各由1台200 kN固定卷扬式启闭机操作，共2台。

7 机电设计的优化

7.1 水泵水轮机稳定性

溧阳抽水蓄能电站最大毛水头291 m，最小毛水头235 m，水头变幅达到1.238，在国内外200～300 m水头段蓄能电站中位居前列，水泵水轮机水力设计难度较大。机组招标阶段，设计充分重视模型转轮水力稳定性能，采用了不同主机厂转轮模型同台对比招标方式。哈尔滨电机厂先后开发了12个模型转轮，并进行了9个实物改型，最终以A1065型转轮中标，后期又多次对模型转轮进行了水力优化设计，最终在瑞士洛桑第三方试验台通过了验收。溧阳抽水蓄能电站的运行实践表明，把模型转轮水力稳定性能放在第一位，不片面追求过高效率的设计思路是科学合理的。

7.2 首台机组首次启动方式

通过对水轮机工况起动、水轮机空载+水泵工况起动和纯水泵工况起动三种方式开展技术经济综合比选，最终选定本电站首台机组首次起动采用水轮机空载+水泵工况起动方式，不但保证了机组及水工建筑物等运行的安全性、稳定性和可靠性，而且减少了上库蓄水工程投资，缩短了蓄水工期，取得了良好的经济效益和社会效益。

7.3 发电电动机推力轴承支撑结构采用单波纹弹性油箱

通过对发电电动机推力轴承支撑结构采用单支柱或多支柱金属弹性支撑方式存在的问题(如现场安装调整工作量较大、调试与运行过程中发生过烧瓦事故等)进行研究分析，决定溧阳抽水蓄能电站发电电动机推力轴承的支撑结构采用具有自平衡瓦间负荷能力的单波纹弹性油箱结构，哈尔滨电机厂在其厂内推力轴承试验台进行了模拟试验，论证了采用单波纹弹性油箱结构是可行的，溧阳抽水蓄能电站的运行实践表明发电电动机推力轴承的支撑结构采用具有自平衡瓦间负荷能力的单波纹弹性油箱结构是合理的，可供新建抽水蓄能电站借鉴。

7.4 中控室布置位置变更

原中控室布置在地面开关站副厂

房，施工详图阶段结合现场实际和国内其他蓄能电站运行经验，将中控室及相应的网络通信设备调整布置于业主营地办公楼。中控室位置调整有利于电站的生产组织和统一管理，有利于电站高效安全的组织应急事件处理，改善了运行值班人员的值班环境。

7.5 金属结构设计改进

溧阳抽水蓄能电站纯蓄能电站，上水库是人造的封闭式蓄水池，从地形上来看，上水库位于山顶，基本无天然径流，库外雨水可通过水库周边的截、排水系统引走；附近亦无居民和工业，无生活垃圾和工业垃圾来源；水库高程较高，四周边坡范围及高度较小，且均进行了支护处理，无高坡滚石和泥石流发生条件。大坝及环库公路临水库侧设置了防浪墙及防护栏杆，只要在电站运行过程中加强管理，可避免如人工投物、游人落水等非自然因素带来的污物进入库内。根据周边的自然条件和运行条件，上水库进/出水口设置拦污栅的必要性不大，因此取消了上水库进/出水口拦污栅，从而简化了进/出水口结构，节省土建及金属结构方面的投资，同时还

可减少水头损失，增加发电效益。