響水澗抽水蓄能電站水泵水輪機結構設計總結

戴 然，孔繁臣，宮讓勤

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響水澗抽水蓄能電站水泵水輪機結構設計總結

戴 然1，孔繁臣2，宮讓勤1

（1. 哈爾濱電機廠有限責任公司，哈爾濱 150040；2. 東北電網有限公司松江電站工程建設局，吉林白山 134500）

本文詳細介紹了響水澗抽水蓄能電站水泵水輪機結構設計的關鍵點及創新點，并對安裝和調試運行中出現的典型問題做了介紹和分析，對后續400MW級蓄能機組的開發有一定的借鑒意義。

響水澗蓄能電站；水泵水輪機；設計；結構

0 前言

響水澗抽水蓄能電站位于安徽省蕪湖市三山區峨橋鎮，電站總裝機容量為100萬千瓦，安裝4臺單機容量為25萬千瓦的立軸單級混流可逆式水泵水輪機發電機組，設計年發電量17.62億千瓦時，年抽水耗電量22.74億千瓦時，是一座日調節純抽水蓄能電站，主要承擔華東電網調峰、填谷、事故備用、調頻、調相等任務。

電站的主機設備由哈爾濱電機廠有限責任公司負責設計、制造。主機設備采購合同2008年4月簽訂，機電安裝工程2009年9月開工，2011年12月11日響水澗電站1號機組并網試運行，2011年12月26日1號機組正式投入商業運行。2012年4月25日2號機組完成啟動試運行工作，提前36天投入商業運行。2012年8月10日3號機組提前52天投入商業運行。2012年11月17日4號機組投入商業運行，實現4臺機組2012年末全部發電投運的目標。

響水澗蓄能機組安裝調試過程中沒有出現大的技術問題，進展順利，機組運行穩定，各項性能指標達到國際先進水平。

響水澗蓄能電站的建設成功，凝聚了各參建單位和廣大技術人員的智慧和心血，對其取得的成果和積累的經驗進行梳理和總結，對我國抽水蓄能技術的提高意義重大。本文主要論述哈電在響水澗電站水泵水輪機結構設計方面的成果和不足。

1 電站設計參數

電站設置1套靜止變頻裝置（SFC），電動工況起動以SFC起動為主，背靠背同步起動備用。

電網頻率

額定頻率 50Hz；

水輪機工況正常頻率變化范圍 49.5～50.2Hz；

水泵工況正常頻率變化范 49.8～50.5Hz；

短時允許頻率變化范圍 48.5～50.5Hz；

機組日平均起停次數10次；

運行工況：發電、發電調相、抽水、抽水調相、靜止，各工況轉換方式及轉換時間見表1。

特殊運行工況：線路充電、黑起動。

2 水泵水輪機主要參數

型號 HLNA999-LJ-519

轉輪直徑15192.7 mm

額定轉速 250 r/min

飛逸轉速 350 r/min

水輪機工況旋轉方向 俯視逆時針

比轉速：

水輪機工況最優比轉速（相應的凈水頭244.9 m）133.6 m·kW

水泵工況最優比轉速（相應的凈揚程207.89 m）49.27 m·kW

水輪機工況額定水頭 190m

水輪機額定出力 254MW

水輪機額定流量 151.7m3/s

水輪機額定效率 90.11%

水輪機工況運行范圍內最高效率 93.87%

水泵最高揚程 220.05m

水泵工況最優揚程 213.46m

水泵最高效率 93.41%

水泵最優流量 112.58m3/s

水泵最大入力 268.48 MW

表1 運行工況轉換方式及轉換時間

3 響水澗水泵水輪機結構設計關鍵點

3.1 機組的總體設計

總體設計方案以機組穩定性為出發點，綜合考慮加工制造、安裝、檢修、運行維護及運輸條件等要求確定。

機組采用半傘式結構，兩根軸三導支撐，推力軸承支架在發電機下機架上。

機組采用上拆方式，水泵水輪機的轉輪、主軸、主軸密封裝置、水導軸承、頂蓋、導葉、導葉傳動機構、接力器等均利用廠房主吊車，通過發電電動機內孔吊入和吊出。

機坑內布置兩個直缸接力器通過控制環操作導水零件?？紤]水輪機工況小流量穩定性要求，設置4個小接力器來輔助調節導葉開度。

蝸殼保壓澆注，底環、座環、蝸殼、尾水管等部件均埋設在混凝土中，以減小機組的振動和噪音。

圖1 響水澗水泵水輪機三維實體

3.2 水泵水輪機埋入基礎設計

水泵水輪機基礎采用全埋入式結構，座環蝸殼通過剛性環牢牢地錨固在混凝土基礎里。座環與剛性環間通過38個M80X4的長螺桿連接一體。如圖2所示。

圖2 響水澗水泵水輪機埋入基礎及座環剛性環（缺口為尾水管進人門處）

座環基礎拉桿的預緊分兩次進行。在座環蝸殼裝配調整合格后，采用液壓拉伸器對螺栓進行第一次預緊，螺桿的伸長量為50%的額定值。而后進行蝸殼座環的打壓試驗及混凝土保壓澆注，養生合格后進行基礎拉桿的最終預緊。

3.3 轉輪的設計

轉輪是水泵水輪機的核心部件，是水泵水輪機的研發重點。通過CFD分析計算和幾輪模型試驗，反復優化，最終確定HLNA999模型轉輪用于響水澗抽水蓄能電站真機轉輪制造。

2009年5月在瑞士洛桑試驗臺進行最終模型驗收試驗，試驗結果表明HLNA999水泵水輪機模型性能滿足或優于相應的合同規定的原型機性能，與打捆招標引進機組比較，效率與空化性能相當，壓力脈動略優。在水輪機空載啟動開度范圍內加密開度進行了“S”區域特性試驗，從驗收試驗結果看，在水輪機工況低水頭由于S區的影響，可能并網困難。

圖3 響水澗水泵水輪機轉輪

水泵水輪機轉輪標稱直徑為5192.7，最大外徑5260，高1950，葉片數9個，重量約為55t。轉輪采用鑄焊結構，上冠、下環、葉片采用VOD精煉的ZG00Cr13Ni4Mo材料制造，五軸數控機床數控加工。轉輪泄水錐采用與轉輪相同的材料，焊接連接到轉輪上冠下方。為方便裝焊采用了下環分半的制造方案。由于水泵水輪機轉輪特有的結構特征，在滿足水力設計的要求后，主要問題就是對轉輪葉片的應力控制和提高其抗疲勞性能。采用有限元分析法對轉輪剛強度、疲勞以及動態特性進行了校核計算，水輪機工況最大應力為108.32，水泵工況最大應力為48.95MPa，飛逸工況最大應力為206.6MPa，轉輪平均應力水平較低。對轉輪葉片在水中和空氣中的固有頻率進行了計算，避開了機組的激振頻率，具有良好的動態特性。

3.4 水導軸承的設計

響水澗水泵水輪機水導軸承采用哈電運行經驗豐富的自泵內循環浸油式分塊瓦結構，冷卻器布置在下油箱，系統簡單可靠，布置方便，運行安全穩定。

軸領外徑1550mm，軸承設計間隙0.2~0.25mm，電站安裝調整間隙0.17~0.22mm，其布置允許主軸在豎直方向移動。10塊巴氏合金水導瓦沿圓周均布，水導瓦材料為ZG20SiMn，水導瓦尺寸300mm×300mm。為滿足主軸雙向旋轉的需要，軸瓦中心支頂，采用與主軸非同心瓦面，提高其承載能力，瓦面與軸身間隙采用楔子板調整，并在工地現場配車鎖定桿。每塊軸瓦都設有雙支測溫電阻，要求運行時瓦溫不超過65℃，瓦溫70℃時報警停機。

圖4 水泵水輪機水導軸承裝配

導軸承潤滑油采用L-TSA46透平油。

軸承最大承載力94t，機組運行預估最大徑向不平衡力22t，留有足夠的安全裕度，軸承功耗65kW。軸承冷卻器放置在下油箱內，為提高冷卻器的可靠性，冷卻水管采用不銹鋼材料，管路與水箱間采用焊接連接。冷卻水源取自廠內供水系統，最大水壓1.6MPa。

響水澗水泵水輪機水導軸承沒有采用打捆招標引進的典型結構分塊瓦式外泵外循環冷卻軸承，主要基于兩點考慮，一是外泵外循環冷卻軸承管路系統復雜，故障點多，二是外置設備需要在機坑外尋找的較大的設備空間。

自泵內循環浸油式分塊瓦結構軸承在常規水輪機上有著廣泛的應用和豐富的使用經驗，對抽水蓄能機組而言，只要冷卻器的能力足夠，建議優先選用。

3.5 主軸密封的設計

主軸密封采用哈電為抽水蓄能機組研制的徑向自補償面接觸式工作密封。該密封采用三層分段自補償徑向密封，每層由8塊相接觸扇形密封瓦塊組成，密封塊環抱旋轉軸徑，外部箍有不銹鋼彈簧以確保密封面的良好配合和自補償性能。密封副選用表面硬度較高的馬氏體不銹鋼襯套（旋轉件）對高分子耐磨材料（固定件）；密封副通有清潔水潤滑和冷卻，并在壓氣時形成水封。徑向式密封的結構相對簡單，布置緊湊，便于運行、維護及更換密封件，軸向自由度大。

密封水取自上游壓力鋼管和主供水設備，2路密封水源互為備用，密封水壓約為1.0MPa。

3.6 導水機構的設計

響水澗水泵水輪機采用由兩個直缸接力器操作的圓柱式導水機構，根據模型試驗和調保計算的結果設置4個可單獨控制的導葉，以避免反水泵工況的出現。

采用有限元分析法對頂蓋、底環、導葉等主要部件在水輪機工況、水泵工況、水輪機工況甩負荷和水泵零流量工況的剛強度進行了校核計算。應力選取的原則是，在正常運行工況平均計算應力不大于σ/4，瞬態工況最大應力小于σ/3，局部應力為上述應力的1.5倍，且對頂蓋增加了轉角的剛度考核指標，要求過流面轉角不大于0.001rad。

由于水泵水輪機運行工況轉換頻繁，并且在水泵工況和過渡過程運行時振動一般比較大，有時會引起整個導水機構的共振，容易出現導水零件的疲勞破壞，在設計時我們采取了以下措施提高其安全性和可靠性。

（1）導水機構連接件間盡量選取小的間隙；

（2）適當提高導水零件的表面粗糙度；

（3）零件結構避免應力集中，避免尖角出現；

（4）導水零件的應力水平控制在1/3бs以下，以抗擊疲勞破壞的發生；

（5）導葉上軸承與中軸承設計不同心，使導葉在裝配時軸瓦就有一定的預應力。

3.7 其他

在剛強度有限元分析方面，借鑒打捆招標技術引進成果，在響水澗項目設計過程中，將十三陵、廣蓄、回龍、白山幾個項目的關鍵部件進行比較計算，反復修正完善，總結出一套合適的蓄能機組有限元計算方法和判定標準，填補了哈電公司在該領域的空白。

在工況轉換計算方面，開發編制了系列程序，進行了非同步導葉啟動的仿真計算，水泵工況首次啟動水力參數研究，單級單吸泵水泵水輪機啟動變頻器容量選擇，計算給出了各工況轉換所需的時間，并對機組進行了調保計算，電站運行表明，計算結果與電站實測結果基本相符，證明該程序可基本滿足工程需要。在這部分的設計中我們成功的解決了以下問題：

對機組不同工況和各工況轉換的控制流程有了準確的認識，并畫出完整的程序框圖；

正確給出了機組各控制流程的運行和轉換條件；

完成了機組水泵啟動工況充氣壓水系統的設計；

找到了比較準確的計算確定機組充氣壓水系統的主要管徑尺寸，儲氣罐容積及空壓機功率等的方法；

完成了機組過渡過程的計算；

完成了變頻器容量的選擇計算。

4 響水澗水泵水輪機安裝調試中的問題

4.1 蝸殼焊接缺陷

工地1號機和3號機蝸殼座環工地打壓時出現了滲漏點，滲漏位置一處發生在測頭體，兩處發生在蝸殼環縫。

針對該問題，工地對4臺機的蝸殼座環焊縫全部進行了RT探傷復檢。

響水澗蝸殼座環是分2瓣在廠內制造完成后發工地組圓焊接一體。由于廠內不具備這么大部件RT探傷場地，采用智能UT探傷替代，兩種方法的探傷精度不同，導致焊接缺陷沒有在廠內發現和處理。

4.2 頂蓋抗磨板表面被導葉劃傷

1號機組調試完成消缺時發現，頂蓋抗磨板表面多處劃傷。

復核圖紙發現，導葉的端面單邊設計間隙0.1~0.3mm，止推壓板與導葉臂設計間隙也是0.2~0.3mm，沒有起到限位作用。

響水澗水泵水輪機導葉下軸頸排水采用DN40的管子接至尾水錐管，該處的浮力大約為4.5t，導葉及連接件的自重1.9t，因此正常情況下每個導葉大約承受2.6t的上浮力。導葉的上浮力由導葉臂處的止推壓板承受。工地消缺時，重新配車止推壓板，配車間隙為0.05~0.1mm。

4.3 頂蓋合縫面螺栓安裝預緊空間不夠

頂蓋合縫面把合螺栓，外部螺栓采用液壓拉伸器預緊，內部由于空間緊張，采用電加熱器預緊。工地安裝時，最里側的2根螺桿的工藝測量工具與頂蓋組合面相鄰筋板干涉，安裝單位現場對頂蓋組合面相鄰筋板處進行了配割。

選用進口加熱器可減小占用空間，避免干涉發生。

4.4 充氣壓水管路止回閥喘氣

1號機組調試時發現，充氣壓水管路止回閥（項9）發生喘振現象。

分析認為，有2點原因可能造成止回閥喘振現象，主充氣壓水閥（項7）漏氣，或尾水壓力脈動。

現場對管件測試發現，該問題的出現是由于主充氣壓水閥（項7）漏氣產生的。

如圖7所示，充氣壓水管路最高壓力8MPa，為保證足夠的使用壽命，主充氣壓水閥采用是硬密封結構，硬密封閥門理論上是允許微量泄漏，且安裝時若儲氣罐清理不徹底，氣系統中殘留的微小雜質，隨著高壓氣流擊打閥門密封表面，造成主充氣壓水閥緩慢漏氣。漏氣在主充氣壓水閥(項7)和止回閥（項9）間的管路里積攢到一定量后，推動止回閥集中釋放，造成止回閥喘振。

圖7 充氣壓水進氣管路局部圖

工地的解決辦法是將止回閥和主充氣壓水閥的位置對調。建議以后設計時主充氣壓水閥采用軟密封結構，安裝單位應將管路系統和儲氣罐清理徹底。

4.5 消水環排水管路異響

在底環下腔，設置消水環排水管路以在需要時排除水環，減小啟動功率。該管路在混凝土內預埋，機墩外封堵備用。如圖8所示。

在機組發電工況時，封堵悶頭處有連續的響聲。

分析認為可能是壓力脈動導致管路異常響聲。

工地解決辦法是在尾水錐管內采用25mm厚不銹鋼板封堵，圓周V型坡口，封焊后打磨光滑，并做PT檢查。

圖8 消水環預埋管路圖

4.6 球閥液壓鎖定裝置投入，退出速度慢

球閥液壓鎖定裝置距離控制柜距離較遠，管路直徑設計偏小，導致鎖定銷投入，退出速度慢。

工地解決辦法將管路直徑加粗，減小沿程損失。

5 遺留問題—導葉小接力器系統

在響水澗轉輪開發階段，哈電還沒有找到很好控制水輪機工況“s”區的辦法。從響水澗模型驗收試驗結果看，在水輪機低水頭空載啟動開度區存在不穩定S區域的可能。調保計算的結果顯示，水輪機在最小水頭和極限最低水頭啟動時，由于頻率波動較大，頻率達到穩定狀態需要較長的時間。

為縮短并網時間，增加了導葉小接力器控制系統。計算時2個單獨控制導葉即可滿足要求，為保險起見，機組實際安裝4個單獨控制導葉。

圖9 極限低水頭（上庫水位:198.0 m，下庫水位:12.44 m ）時調保計算結果

電站調試時，水輪機低水頭工況并網，沒有使用導葉小接力器控制系統進行調節，而是通過調整調速器PID參數，實現并網。

圖10 導葉小接力器系統圖紙

從電站運行維護的角度考慮，導葉小接力器系統參與機組并網和過渡工況，使機組的控制更復雜，判定工況增多，且增加了龐大的管路系統和設備維護，希望取消導葉小接力器系統。

從目前調試情況看，具備取消導葉小接力器系統的可能性，但由于目前調試時水輪機工況最小水頭為183m左右，沒有達到電站設計要求的極限最低水頭，需要4臺機組全部調試完成后，最終試驗確定。

6 結論

響水澗水泵水輪機是具有自主知識產權的產品，它的成功研發提高了我國大型水電設備研制能力，增強了我國水電制造業的國際競爭力和國際地位，具有巨大的社會效益。響水澗水泵水輪機的研究成果，可以推廣到后續江蘇溧陽、浙江仙居等一系列大型抽水蓄能機組的設計制造中，為進一步開發設計400MW級高水頭大容量機組積累了寶貴的經驗。

Structure Design Summary of Xiangshuijian Pump-Turbine

DAI Ran1, KONG Fanchen2, GONG Rangqin1

(1. Harbin Electric Machinery Company Limited, Harbin 150040 China; 2.Northeast China Grid Co.LTD Songjiang Power Station Project Building Bureaus , baishan 134500, China)

the article details the key points and innovative points of Xiangshuijian Pump-Turbine structure design, also provides the details and analysis of typical problems during installation and commissioning test, the all will have some reference and vital significance for development of 400MW Pump-Turbine.

xiangshuijian pumps storage power station; pump-turbine; design; structure

TK730.2

A

1000-3983(2014)02-0067-07

2013-02-20

戴然（1969-），1990年畢業于哈爾濱工業大學動力工程系，1990年至今工作于哈爾濱電機廠有限責任公司產品設計部，從事水輪機設計與開發，高級工程師。

審稿人：魏顯著