张河湾抽水蓄能电站主机设备装拆方式的选择

吴 妍，谷振富，刘更海，尤莉莎，王瑞兰

（河北张河湾蓄能发电有限责任公司，河北 石家庄 050300）

1 概述

张河湾抽水蓄能电站位于石家庄市井陉县测鱼镇张河湾村附近，距石家庄市（负荷中心）仅53 km（直线距离），是一座日调节的纯抽水蓄能电站。电站装机容量为1 000 WM，即4台250 WM的单级混流可逆式水泵水轮机组，设计发电水头为305 m。建成投产后，电站将以2条500 kV线路接入冀南电网，承担电网的调峰、填谷、调频、调相、事故备用等任务，起到十分重要的作用。

由于机组的装拆方式与机组参数和厂房布置有密切关系，设计方曾在可研阶段向世界上有实力的水电设备制造商发出咨询书，并在此基础上进行了由各厂商和设计院、张河湾公司参加的技术交流。同时，张河湾公司的技术人员也利用各种机会向国内外的水电专家进行请教，并做了专题研究，下面就针对张河湾项目的具体特点进行分析。

2 机组主要参数

2.1 水泵水轮机主要参数（表1）

表1 水泵水轮机主要参数

2.2 发电电动机主要参数（表2）

表2 发电电动机主要参数

2.3 其他资料

设计年发电量1 675 GW·h；

设计年抽水电量2 204 GW·h；

多年平均含沙量11.10 kg/m3；

设计日满载抽水6.0 h；

设计日满载发电4.6 h。

3 机组的装拆方式

从国内外已运行的中高水头的抽水蓄能电站机组来看，发电电动机采用上拆方式，而水泵水轮机的安装和拆卸可采用上拆、中拆和下拆3种方式[1]。

（1）上拆方式如水泵水轮机需要检修时，先吊出发电电动机的上下机架、转子、导轴承、推力轴承等部件，然后再将水泵水轮机的部件（包括顶盖、转轮、水导轴承、导叶等部件）通过发电电动机的定子内孔中吊出。这种方式的优点是能尽可能地缩短机组轴线，使得设备布置紧凑，轴系稳定性好，厂房结构简单。缺点是每次进行水泵水轮机大修都必须拆装电机部分，致使大修时间长。国内已建的抽水蓄能电站中，北京十三陵电站、河北潘家口电站、浙江桐柏电站、山东泰安电站、安徽琅琊山电站和江苏宜兴电站的机组均采用上拆方式。

（2）中拆方式在不拆发电电动机部件的情况下，将水泵水轮机部件通过位于水轮机室一侧的水泵水轮机机墩通道，利用专用车或/和吊规运到主阀吊物孔，然后由厂房桥机吊运到安装场进行修理。这种方式的优点是水泵水轮大修时无须拆装发电电动机，检修时间较短。缺点是需在发电电动机与水泵水轮机之间增加一段中间轴，并配备相应的起吊设备；水机室的机墩混凝土要开较大的通道，增加了土建的设计难度。国内已建的抽水蓄能电站中，广东的广蓄II期电站、浙江天荒坪电站的机组均采用中拆方式。

（3）下拆方式在尾水管直锥段设一可拆卸段，在设备大修时，水泵水轮机部件如转轮、底环等可从埚壳下方的已拆除的尾水管直锥段拆卸拉出，并运输到专用吊物孔利用厂房的桥机吊运到安装场进行修理。这种方式的优点是水泵水轮机大修时无须拆装发电电动机，也无连接发电电动机和水泵水轮的中间轴，设备检修时间最短。缺点是尾水管直锥段为裸露的可拆卸部件，在设备运行时，厂房内的噪音会很大；另外，厂房的土建结构也会很复杂。这种方式在国内基本上不受欢迎，在国内已建 的抽水蓄能电站中，广东的广蓄I期电站的机组采用下拆方式。

对于一个电站具体采用上述3种方式中的哪一种，应取决于该电站的设计水头及转速、运行工况、水质条件，也取决于设备制造厂的偏好和机组的结构尺寸。

一般说来，对于低水头、低转速的机组，因其转轮、顶盖直径较大，采用中、下拆的基建投资也相应增大，但其发电电动机定子的内径也较大，上拆方式是天然具备的拆装方式，所以多采用上拆方式；对于高水头、高转速的的机组，其转轮、顶盖直径较小，采用中、下拆的基建投资也相应减少，同时因其发电电动机定子的内径较小，有时可能导致许多水力机械部件不能直接从发电电动机定子中间吊出，这时采用中拆或下拆可能比较经济；但是对于超高水头、超高转速的机组，考虑到机组运行的稳定性，有时必须采用上拆方式[2]。

在中高水头和中高转速段的抽水蓄能机组中，采用上述3种方式的都有，还有一些将2种方式结合起来的混合拆装方式。通常，欧洲厂家多推荐中拆或下拆方式，日本厂家多推荐上拆方式，但所有厂家都声称，上述3种方式的机组都能设计、制造。

4 张河湾项目发电机组的装拆方式比较

4.1 各制造厂家对张河湾项目的建议

在各厂家提供的技术建议书中，都提到了水泵水轮机的装拆方式，在与业主和设计院的技术交流中也展开过多次讨论，各家推荐的拆装方式和理由简述如下：

日本的3家厂商三菱、东芝和日立都推荐上拆方式，主要是认为本项目的水头和转速都不高，设计运行点在经验稳定区域内，水泵水轮机运行良好，而且目前水泵水轮机过流表面的材料和水力设计的研究都有很大进展，大修周期应能保证在10年以上，没必要采用中、下拆方式从而增加土建设计难度并增加基建投资。日本厂商所制造的水电机组几乎都采用此种方式，在制造上有丰富的经验。

Vatech公司和Voith公司也推荐了上拆方式，主要理由是本项目的水头和转速不高，转轮直径较大，采用其他方式的基建费用较高；但在与我们的技术交流中发现，本项目所在水库的泥沙含量较大，认为有必要引起重视，并推荐中拆方案为另一推荐方案。

Alstom公司推荐了下拆方案，主要理由为：①本项目的水头和转速适中，而且现在许多厂家在设备制造上都采用了数控机床技术，加工精度大大提高，不必担心机组运行稳定性的问题，而本项目的水质条件较差，用下拆方案可以避免不必要地拆装发电电动机部件，迅速对转轮、导叶等设备进行检修；②一次性投资和长期收益的比较，因为本项目所在电力系统几乎为一个纯火电系统，投入运行后将成为系统的主力调峰点和紧急备用电源，安排长时间检修的代价相对较大，采用检修时间最短的下拆方案应是最经济的方案。

GE公司推荐了中、下拆结合的方案，主要理由是水泵水轮机检修快捷方便，而且尾水管直锥段裸露在空气中不会增加设备运行噪音，还会有利于减轻机组振动。

综上所述，这3种拆装方案对于本项目都可行，各厂家也各有自己的设计制造特长。根据其他国内抽水蓄能项目的招标采购经验和向各厂家咨询结果，各种装拆方案中的设备价相差不多（暂不考虑土建投资），主要是有的方案需要一些专用工具。

为配合厂房布置，各厂家提供了与拆装方式有关的机组尺寸，经过整理如表3。

表3 各厂家提供的相关机组尺寸

4.2 张河湾项目机组的装拆方式分析

4.2.1 上拆方式

在机组大修时，水力机械各部件需要从发电电动机定子内孔中吊出，而从表3数据来看顶盖需要分辨才能满足要求。从抽水蓄能机组的运行特点来看，顶盖应尽可能地减少分辨数目，因为分辨数目多，螺栓的把合量就大，就越容易出现漏水等问题，一旦连接螺栓松动还会造成局部应力集中，损坏受力部件，发生运行事故；另外，使得检修工期也会加长，对于本项目的机组，顶盖分两辨比不分辨的机组每次检修时间要多15 d左右，顶盖分四辨的机组比不分辨要多检修30 d左右，但分辨多时水机室的高度会降低一些，土建工作量减少一些。根据已建抽水蓄能电站的实践经验和张河湾项目的具体特点，顶盖分二瓣较为适宜。

4.2.2 中拆方式

采用中拆方式时，下机架直径可减小，但机墩高度有所加大，机组中心线到发电机层的高度比上拆分二瓣方案约高0.7 m，做经济比较时该高差取1 m。

如果运输条件没有限制，顶盖可整体运输到工地，顶盖外形尺寸取建方中拆方案的GE公司的尺寸，为φ6.29 m，则机墩开孔平面尺寸需6.7 m，为目前在国内已建的抽水蓄能电站中是最大的。如顶盖分二瓣，转轮为最大吊出设备，其直径为4.8 m，则开孔尺寸应为5.2 m，与天荒坪的尺寸相近。另外，多数厂家和咨询专家建议，顶盖应尽量少分瓣，少装拆，因此以分二瓣较为适宜。

4.2.3 下拆方式

下拆方案因为不设中间轴，厂房高度与上拆方案相差不多，基建投资比上拆多一些但相差不多，但本方案的水泵水轮机尾水管直锥段需设计成活动部件并用螺栓联接，在土建上还要考虑设置运输通道，水力发电设备的支撑相对较弱，可能对机组运行的稳定性有些影响。虽然本项目发电用水泥沙情况较为严重，但水头和转速较为适中，而且泥沙影响的季节性较明显，水泵水轮的检修应不是太大的问题，所以下拆方案在此不做比较。

4.3 本电站的装拆方式比较

根据上面的分析结果，主要对顶盖分二瓣时的上拆方案和中拆方案进行比较。

4.3.1 技术比较

水泵水轮机的中拆方案与上拆方案的差别主要在于轴系稳定问题，但根据有关厂家专家的意见，认为中拆方式的主轴虽然比上拆方式长1.2～1.5 m，但只会对第一阶临界转速略有影响。根据设计院对制造厂家的询价结果，对于发电电动机型式绝大多数厂家推荐半伞结构，因该结构在轴系上设置有3组轴承，而且目前所有厂家的设备加工能力都很强，大多采用数控机床，设备的加工没有问题，所以对设备轴系的稳定性几乎没有影响。因此，中拆方案的问题不在机电设备的制造上，而是在电站厂房的土建结构的设计上。特别是对于张河湾电站这种低水头、大容量的机组（相应地顶盖、转轮等可拆卸部件的外形尺寸要加大），不但加大土建投资，还增加结构设计上的风险[3]。

4.3.2 经济比较

当采用上拆方案时，检修工期有所增加，相差约为15 d。根据电站的年发电量和年抽水电量可以计算出停机损失。发电电价按0.6元/kW·h，抽水电价按0.15元/kW·h计算，则每停机1天4台机共损失184.76万元。

根据设计院的计算结果，张河湾电站的上拆方案机墩开孔尺寸为2.2 m×2.3 m，中拆方案的机墩高度比上拆方案高1 m，根据土建专业提供的数据，4台机组的机墩每增加1 m，开挖量增加2 250 m3，钢筋用量增加30.5 t，混凝土用量增加380 m3；如果开挖方量按单价100元/m3，钢筋单价4 450元/t，混凝土单价800元/ m3计， 则中拆方案比上拆方案增加土建费用约78.4万元。

水泵水轮机的装拆方式对机组的造价影响有的公司认为没什么差别，但多数公司认为中拆方式比上拆方式要高1%左右，参照泰安抽水蓄能项目主机设备招标的报价，4台机组约增加180万元，中拆方案和下拆方案经济比较详细结果如表4。

表4 中拆方案和下拆方案经济比较详细结果

从表4可以看出，中拆方案和上拆相比，增加土建投资不多，即使扣除必要的费用，如水费、基建中多投资金的利息和各种税费，一次大修节约的费用就可将全部投资收回还有余。如考虑到机组在50年寿命期内大修4次的话，中拆方案的经济性明显要好。中拆-顶盖不分瓣方案虽然设备的机械性能要好些，但因机墩开孔尺寸过大，对土建设计的要求过于苛刻，中拆-顶盖分二瓣方案综合性能较好些。

但是中拆方案技术性能要差一些，除发电机组轴系加长后增大的运行风险外，还增加了土建结构设计上的风险，特别是对于张河湾电站这种低水头、大容量的机组（相应的顶盖、转轮等可拆卸部件的外形尺寸要加大）。同时，张河湾机组的发电机定子中孔直径相对较大，上拆方式在技术上可以说是天然具备各种条件，在几种拆卸方式中是最简单、方便的一种方式。

5 结论

综上所述，水泵水轮机装拆方式采用上拆方案时，机组轴线短，布置紧凑，轴系稳定性好，土建结构设计难度小；中拆方案明显的好处在于缩短检修周期，经济性好；而下拆方案在厂房下部开孔，虽然经济性好，但基础支撑较弱，运行噪音大，不宜采用。出于考虑发挥各厂商的特点和优势，建议在招标文件中保留采用上拆和中拆两种方案由投标商自行选择，但是不对任何一种方式做出经济上的优惠条件。