回龍抽水蓄能電站水泵水輪機

宮讓勤，高 欣

（哈爾濱電機廠有限責任公司，哈爾濱 150040）

1 引言

2001年8月21日哈爾濱電機廠有限責任公司（以下簡稱哈電）與河南省電力公司南陽回龍抽水蓄能發電分公司正式簽訂了2×60MW高水頭水泵水輪機及高轉速發電電動機供貨合同。該項目是哈電第一個引進關鍵技術獨立設計制造的抽水蓄能機組，它標志著哈電的抽水蓄能技術從科研階段走向了生產實施階段。

2 電站主要參數

2.1 水位

上庫正常蓄水位：899.0m

上庫正常低水位：885.0m

下庫正常蓄水位：502.0m

下庫正常低水位：487.0m

2.2 庫容

上庫總庫容： 118.4萬m3

上庫發電庫容： 104.5萬m3

下庫總庫容： 129.0萬m3

下庫發電庫容： 99.0萬m3

日發電歷時： 約5～6 h

日抽水歷時： 約6～7 h

2.3 水頭

最大毛水頭： 416.0m

最小毛水頭： 374.4m

水輪機額定凈水頭： 379.0m

2.4 泥沙特性

汛期多年平均過機含沙量： 0.023kg/m3

多年平均過機含沙量： 0.006 kg/m3

2.5 安裝高程

導葉中心線高程： 438.0 m

3 水泵水輪機主要參數的選擇

3.1 比轉速與比速系數

圖1為大中型混流式水泵水輪機水輪機工況比轉速隨水輪機最大水頭變化的關系曲線，是對國內外上百座已經投入運行的混流式水泵水輪機的統計結果?；佚埶娬绢~定水頭379.0m，從圖1可見，其比轉速應在 100～125m?kW 之間，相應的比速系數在2000～2500之間。

從對國內外大中型混流式水泵水輪機水泵工況比轉速隨水泵揚程變化的關系可以得出，對回龍水電站其水泵工況的比轉速應在28～35 m·m3/s 之間，相應的比速系數在540～720之間。

圖1 水輪機比轉速與水頭關系曲線

3.2 額定轉速的選取

對于回龍電站可選的額定轉速為 600r/min和750r/min，對應的水輪機工況比轉速分別為88.96m?kW、111.2 m?kW。比速系數分別為 1732.2、2165.0。

綜合比較最終選用 750r/min，這樣對回龍電站既先進又安全可靠。

3.3 吸出高度與空化系數

可逆式水泵水輪機的空化性能以水泵工況為差，因此，通常以水泵工況的空化特性來選定可逆式水泵水輪機的吸出高度。隨著水泵工況的比轉速提高，將導致空蝕加劇，即要求機組有更大的淹沒深度。根據對已建的抽水蓄能電站的統計曲線可得出，對于回龍電站，在水輪機工況的比轉速為100～125m?kW之間時，電站空化系數約為0.095～0.14之間。圖2為日本日立公司對混流式水泵水輪機所需的電站空化系數的統計曲線，從圖中可得出，保證回龍電站穩定運行所需的電站空化系數為0.145?；佚堧娬灸Ｐ驮囼灡砻鳎谒玫膿P程范圍內，臨界空化系數在0.063～0.111之間，相應的K值為1.7 左右，空化性能有足夠的余量。

圖2 日立公司電站空化系數的統計曲線

3.4 水泵水輪機主要參數

型號 HLN111-LJ220

轉輪直徑D12205mm

額定轉速 750 r/min

水輪機工況旋轉方向 俯視順時針

比轉速

水輪機工況最優比轉速88.2 m·kW

(相應的凈水頭 489.5 m)

水泵工況最優比轉速31.8 m·m3/s

(相應的凈揚程 400m)，

水輪機工況額定水頭 379.0m

水輪機額定出力 61.5MW

水輪機額定流量 17.9m3/s

水輪機額定效率 90.3%

水泵最高揚程 424.4 m

水泵最大入力 65.6MW

水泵最高效率 93.46%

水泵最大流量 16.25 m3/s

最大飛逸轉速 1087.5r/min

穩態飛逸轉速 1050.0r/min

最小淹沒深度 -45.0 m

4 主要結構特征

4.1 總體布置

回龍抽水蓄能電站水泵水輪機型式為立軸、單級、混流式。水泵水輪機與50Hz發電電動機連接。轉輪旋轉方向：水輪機工況為俯視順時針旋轉，水泵工況為俯視逆時針旋轉。投入商業運行后可采用中拆方式對水輪機進行檢修機組轉輪的更換。

4.2 埋入部分的設計

4.2.1 尾水管的設計

由于正常運行時最高尾水壓力達 64m，過渡工況尾水管進口的最大脈動壓力達110m，為了解決混凝土對尾水管產生的澆注壓力及其放空時尾水位對其本身的滲透壓力的作用，采用三峽尾水管的強度計算方法解決了回龍電站尾水管的強度計算問題。

由于管路系統的復雜性及尾水管的壓力脈動幅值較高，為防止管路接口可能的爆裂，管路系統的開孔補強按 GB 150壓力容器標準進行管路開孔的補強設計。

4.2.2 蝸殼座環的設計

回龍電站水泵水輪機蝸殼座環的設計壓力（包括升壓）為580m，試驗壓力870m。座環與蝸殼采用整體無舌板結構，座環環板采用抗撕裂鋼板 DIN TSTE355-Z35，蝸殼鋼板和固定導葉材料采用 JIS NK-HITEN610U制造。蝸殼的所有焊縫包括與座環的連接焊縫都進行100% X射線（RT）探傷。運用有限元分析對座環在不同運行工況下的受力情況進行剛強度計算分析，打壓工況下，蝸殼座環最大變形在蝸殼的頂部，最大變形值為0.51mm，蝸殼座環最大應力在固定導葉的進口端與上環板的接點處，最大應力為384.7MPa。蝸殼按60%的升壓（580m）即348m水頭進行保壓澆注的方式進行。由于采用部分壓力保壓澆注，使整個機組與廠房機墩成為一個整體，可以減少機組的振動。

4.3 導水機構

利用自己開發的計算程序，對發電工況、抽水工況、水輪機工況甩負荷、水泵造壓四種不同的工況進行了水輪機主要部件承壓壓力的計算，計算結果見圖3。

圖3 計算結果示意圖

運用有限元分析，根據上述程序對承壓部件的壓力分析結果對頂蓋在不同運行工況下的受力情況進行剛強度計算分析，抽水工況下頂蓋最大峰值應力60.9MPa，最大變形為0.394mm；發電工況下頂蓋最大峰值應力 59.5MPa，最大變形 0.385mm；發電工況甩負荷時頂蓋應力最大峰值應力 88.5MPa，最大變形0.581mm；造壓啟動工況下頂蓋最大峰值應力99.8MPa，最大變形0.657mm。造壓啟動工況下活動導葉的運行工況最為惡劣，在該工況下活動導葉瓣體最大拉應力值為196.7MPa?；顒訉~最大綜合應力發生在瓣體下端面與下環板的接點處，最大應力為288.163MPa，活動導葉最大彎振頻率為 515Hz，活動導葉一階最大扭轉頻率為 362Hz，活動導葉二階最大扭轉頻率為638Hz。

為滿足機組管路布置的需要，取消外圍板，保證了機坑內管路的布置。從電站實際試運行的結果看，頂蓋的徑向振動和垂直振動均在允許的范圍內。

4.4 轉動部分

4.4.1 主軸密封的設計

由于機組的各向尺寸較小，主軸密封采用分段徑向式密封，該密封不僅結構緊湊，而且還具有檢修和維護方便的優點。主軸密封處安裝有可更換的軸套，避免了可能給主軸帶來的磨損。主軸密封的密封材料采用加拿大高分子塞龍（Tordon SXL）材料，具有低摩擦系數，高的耐磨性，高的彈性。從電站實際試運行的結果來看，主軸密封的漏水量較小，頂蓋內的潛水電泵始終沒有啟動。主軸密封的現場運行結果達到了預期的目的和效果。

4.4.2 主軸檢修密封

雖然尾水壓力較高，但仍采用傳統的空氣圍帶式主軸檢修密封，因哈電在此方面有較豐富的加工制造經驗，并保證在該部件出廠前在1.1～1.3MPa下進行氣壓試驗和動作試驗，保證在電站實際運行中安全可靠。電站的實際試運行結果說明，在較高尾水位的情況下該主軸檢修密封也具有較高的可靠性。

4.4.3 水輪機主軸及鍵的設計

由于機組在造壓啟動工況和過渡過程工況兩種情況下水力不平衡力矩對軸系的沖擊將無法按理論計算精確給出。回龍電站水泵水輪機軸與轉輪的連接方式確定為鍵傳遞。鍵傳遞的方式更能確保機組運行的安全可靠性。

4.4.4 水導軸承的設計

軸瓦支頂沒有采用常規機組的偏心支頂，而采用對稱中心支頂方式。由于機組小、轉速高、又是可逆機組，分塊瓦軸承的油循環和常規的分塊瓦軸承油循環不同。水導軸承的冷卻器和油泵采用外冷方式，軸承設計負荷為50kN。瓦長150mm，瓦寬150mm，采用L-TSA30潤滑油。

回龍抽水蓄能電站的2×60MW機組動平衡試驗在1號機進行了2次，2號機進行了1次后，機組在發電和抽水工況下，在水導軸承處的擺度單邊均不超過0.2mm。由于機組轉速很高，水導軸承分塊瓦瓦溫偏高，但在正常范圍內。由此說明此水導軸承設計是合理的，外循環的冷卻效果良好，能夠滿足機組的要求。

4.4.5 轉輪

回龍電站兩臺轉輪均由日本日立公司設計制造。

4.5 油水汽系統

4.5.1 充氣壓水系統

為滿足轉輪室壓水用氣、轉輪在空氣中旋轉的滲漏補氣、調速器、進水閥壓力油罐補充用氣等，機組設有充氣壓水裝置的全套中壓空氣系統壓縮設備。

空壓機為多級、水冷、活塞往復式。每臺空壓機均配有氣水分離器、空氣過濾器、止回閥、減壓閥、起動減荷裝置、溫度信號器、壓力信號器、冷卻水示流信號器、測量表計、電磁閥和操作控制裝置等。

空壓機起動和停機除由壓力信號器自動控制外，還配有手動操作系統。轉輪室的充排氣，按自動控制方式執行，水面下壓后，通過自動水位檢測裝置來實現自動補氣和停止補氣，并配有手動操作補氣裝置。調速器與進水閥壓力油罐補氣和停止補氣通過油位信號器和壓力信號器自動控制，也能手動操作。

每臺水泵水輪機配置壓水用的貯氣罐，其容積按空壓機不補氣情況下，貯氣罐氣壓從工作壓力下限開始至允許最低壓力之間，能夠完成2次壓低水面操作設計。貯氣罐容積 3m3。每臺水泵水輪機的調速系統與進水閥操作系統補氣裝置配置1個1 m3氣罐。

充氣壓水裝置的研究和設計不僅填補了公司在蓄能機組氣系統管路方面的空白，而且同時豐富了在高水頭水輪機氣系統設計方面的經驗。

4.5.2 水管路

除了其他常規的管路外，為了減小調相壓水啟動時轉輪在空氣中旋轉的力矩，設有大小消水環管路布置；為減少水推力設置內外環均壓管。

5 結論

回龍60MW抽水蓄能電站水泵水輪機項目的運行成功標志著哈電的抽水蓄能機組的設計制造調試水平與國際先進水平的差距在進一步縮小，使哈電逐步具備了能夠獨立設計制造水泵水輪機的能力，并積累了較為豐富的實踐經驗，為今后我國大力開發抽水蓄能機組奠定了良好的基礎。