洪屏抽水蓄能電站機電設計工作重點與難點

和 扁，趙惠敏，沈惠良，王德兵，陳 軍，沈曉榮

(中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，浙江杭州311122)

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洪屏抽水蓄能電站機電設計工作重點與難點

和 扁，趙惠敏，沈惠良，王德兵，陳 軍，沈曉榮

(中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，浙江杭州311122)

對洪屏抽水蓄能電站的電氣主接線設計、監控網絡選擇、火災報警系統設計、水泵水輪機參數和型式選擇、調節保證設計、地下廠房通風和消防設計等進行了詳細的說明；對機電設計工作在招標技施階段遇到的難點，如廠用電系統設計、調速系統和進水閥控制回路設計、機組技術供水泵揚程和容量選擇、主變洞SFC設備室通風系統設計、地下廠房通風系統在機電安裝期的通風方式設計、下庫消防給水系統管線設計等，進行了重點論述。機電設計通過采用三維協同設計平臺，優化了設備布置，提高了設計效率和質量。

電氣設計；技術難點；方案選擇；洪屏抽水蓄能電站

1 工程概況

洪屏抽水蓄能電站位于江西省靖安縣境內，緊靠江西省用電中心，距南昌、九江、武漢直線距離分別為65、100 km和190 km。工程地理位置較好，接入系統方便，自然條件優越，經濟指標優良。

洪屏抽水蓄能電站為周調節純抽水蓄能電站，可研設計階段推薦按分期開發，一期裝機容量1 200 MW，終期裝機規模為2 400 MW。電站建成后，將在電網中承擔調峰、填谷、調頻、調相和事故備用等任務。電站本期以500 kV一級電壓等級接入系統，出線一回接入江西500 kV夢山變，并預留2個出線間隔。設計年發電量17.43億kW·h，年發電利用小時數1 453 h。

2 機電設計工作中的重點

2.1 電氣主接線的設計

根據接入系統設計，洪屏抽水蓄能電站500 kV側主接線遠期為兩進三出，初期僅出一回線接入夢山變、預留兩回出線π接入鄂贛聯網線中。這就要求主接線方案能既適應分期過渡的運行要求，又要考慮鄂贛聯網穿越功率的影響。經過對單母三分段接線、雙母線接線、均衡母線接線、3/2斷路器接線四種主接線方案的可靠性分析計算和經濟技術比較，最終確定了雙母線接線作為500 kV主接線方案。該接線方式簡單、清晰，易于操作維護，能適應分期過渡的運行要求，不影響設備布置，繼電保護及二次回路配置較簡單，二次接線沒有很大變化，過渡方便。進出線均有獨立的斷路器，運行靈活性好，可以采用單母線、雙母線、冷備用等多種方式，運行經驗豐富，適應系統調度。同時，根據電站接入系統方案，考慮到電站500 kV側母線存在穿越功率的可能，在遠期出線斷路器考慮設置跨條，在檢修線路斷路器時，可用母聯斷路器代替，不影響鄂贛功率穿越。

500 kV高壓配電裝置選用GIS，通過預留間隔位置分期過渡，對分期過渡影響無明顯差別。另外，在500 kV設備技術參數的選擇上，充分考慮鄂贛穿越功率的影響，比如采用多變比的500 kV電流互感器、選擇500 kV開關設備額定及短路電流參數時適當考慮裕度系數。

2.2 監控網絡結構的選擇

洪屏抽水蓄能電站被控對象的地理分布范圍廣，有上水庫、下水庫、地下廠房、開關站及地面控制樓等區域，因此設計上采用了冗余光纖快速交換式以太環網結構，并且從物理路由上考慮不同路徑構成，對于電站的安全、可靠運行可以起到很好的保證作用。電站控制級設備及現地控制單元設備均直接接在局域網絡上，網絡設備選用適合于電站環境的100 Mb/s級工業以太網交換機，很好的滿足了電站投運后的監控運行需要。

2.3 火災自動報警系統的設計

隨著水電工程建設及自動化技術的不斷發展，在“無人值班”(少人值守)的水電廠，火災自動報警系統變得越來越重要。洪屏抽水蓄能電站根據GB50116—2013《火災自動報警系統設計規范》進行系統設計，電站采用集中報警系統，選用自動化程度高、技術先進、性能穩定、抗干擾能力強和運行維護方便的智能型火災自動報警及消防控制設備。系統由集中火災報警控制器、消防廣播系統、各區域火災報警控制器、計算機操作管理工作站和各現地探測器、手動報警按鈕、模塊、消防廣播揚聲器、火災聲光警報器等組成。電站消防控制中心設在地面中控樓內的中央控制室。火災報警系統整體設計合理，為電站提供了安全可靠的報警系統。

2.4 水泵水輪機主要參數及結構型式的選擇

水泵水輪機相對于電站而言就好像人體的心臟一樣重要，其主要參數及結構型式的選擇直接關系到整個地下廠房的運行安全，電站的綜合效益等。雖然最近幾十年，我國抽水蓄能電站取得了較快的發展，在技術引進和自主研發的共同驅動下，水泵水輪機制造和設計經驗都有了較好的積累，但是水泵水輪機主要參數和結構型式的選擇仍然非常重要。

在可行性研究階段對洪屏抽水蓄能電站水泵水輪機主要參數及結構型式做了深入細致的研究，并專門編制了《機組主要參數及結構型式選擇專題報告》，對水泵水輪機額定水頭、額定轉速、比轉速、吸出高度等主要參數和轉輪拆卸方式進行細致的分析論證，最終選擇適合洪屏抽水蓄能電站的參數和結構型式。并在招標階段與國內多家主機制造商進行了詳細深入的溝通交流，充分了解各家的技術水平和制造能力，為主機設備采購招標文件的編制提供了良好的技術支撐。

2.5 調節保證設計

抽水蓄能電站往往具有啟動停機頻繁、一機多用、工況變換多的特點。復雜多變的工況引起的水力瞬變過程可能引起水道系統內水壓力及機組轉速的劇烈變化，進而危及電站的安全穩定運行，影響機組的使用壽命。近幾年，隨著我國多座抽水蓄能電站建成投產，建設單位對電站的安全穩定運行越來越重視。

洪屏抽水蓄能電站調節保證設計遵循“確保安全、留有裕度、運行可靠”的原則，在預可、可研、招標階段均進行了詳細的計算和分析研究，并在可研階段編制了《引水發電系統過渡過程專項分析報告》，在招標階段編制了《機組與輸水系統水力過渡過程計算分析專題報告》，利用我院自主研發的“水電站水力過渡過程計算軟件”并外委河海大學進行了詳細的計算，確保整個輸水系統和機組的安全性。在調節保證設計計算控制值、設計值、主機合同保證值的取值上嚴格按照規程規范要求并考慮合理的壓力脈動引起的誤差和計算誤差裕度，確保設備的制造安全裕度。

2.6 地下廠房通風空調系統設計

地下廠房通風空調系統的設計好壞直接影響電站投運后設備的運行環境，既而影響設備安全穩定運行。洪屏抽蓄電站地下廠房通風空調系統設計主要包括主廠房、副廠房、母線洞、主變洞、尾閘洞等洞室的通風空調設計。根據類似電站的工程設計經驗和國家規程規范要求，結合洪屏工程各洞室的布置情況和相互關系，充分利用地下洞室的夏季自然降溫去濕和冬季升溫效應，形成一套以機械通風為主、與空調調節相結合，輔以局部機械除濕的有效系統。地下廠房的氣流組織為“二進三出”，即進廠交通洞和通風兼安全洞進風道進風，全廠總排風豎井、500 kV出線洞排風短斜井和主廠房排風豎井(排風探洞)排風，維持地下廠房的整體風量平衡。

2.7 地下廠房消防系統設計

洪屏抽水蓄能電站的消防設計貫徹“預防為主，防消結合”的消防工作方針，立足“自救為主、外援為輔”的原則，與樞紐總體布置統籌考慮，保證消防車道的布置、建筑物防火間距、安全疏散、安全出口的布置及有關消防設施如消防供水、消防供電、事故照明、自動報警、通風防排煙、氣體滅火系統、滅火器配置等滿足有關消防規范的要求。其中地下廠房消防系統是洪屏工程消防設計的重點，其中包括安裝場，端副廠房，主廠房，母線洞，主變洞、尾閘洞、進廠交通洞、通風兼安全洞等區域的消防設計。地下建筑物均為鋼筋混凝土結構或鋼筋混凝土框架磚砌體填充墻結構，建筑主體的耐火極限均已達到或超過《水電工程設計防火規范》的要求。如何根據工程經驗和國家規程規范要求，設置合理的防火分區，疏散通道，消火栓系統，這些都需要在設計中重點考慮研究。根據洪屏電站地下廠房的布置特點及使用功能，設置四個防火分區即主廠房(含母線洞)、副廠房、主變洞(含出線洞)、尾閘洞；每個防火分區設置不少于二個安全出口，且有一個直通室外地面。建筑物防火分區、安全疏散均滿足相關消防規范的要求。

2.8 協同設計

抽蓄電站地下廠房工程是一項復雜的綜合性工程，涉及廠房、建筑、水機、電一、電二、暖通、給排水和金屬結構等多個專業，如何在有限的、特定的空間里適時合理地布置各專業的設備，避免專業之間的碰撞和干擾是機電設計過程中最重要的工作。洪屏工程機電設計采用了三維協同設計平臺，在同一時間段，各專業各自建立同一區域內本專業的主要設備及附件的三維模型，通過三維協同設計平臺，實時查看其它專業的設備布置，并通過三維漫游和軟件自身碰撞檢查功能對設備布置進行校審，力爭在設計階段消除專業之間的布置干擾，減少施工階段的現場修改工作量。同時也可以在現場出現設備布置調整時能及時通過三維模型檢查該調整是否可行，是否間接影響其他專業的設備布置，提高現場方案的可行性和及時性。

3 機電設計工作中的難點

目前全國已經建成投產的抽水蓄能電站已有20多座，涵蓋多個水頭范圍，不同裝機容量。機電專業在這些電站的設計中積累了豐富的設計經驗。華東院目前已經建成投產的抽蓄電站有天荒坪、桐柏、泰安、宜興、寶泉、響水澗、仙游，在建的有仙居、洪屏、績溪、金寨，通過這些電站的設計，機電專業已經形成了一整套自有的設計理念和方法，在不斷的總結和學習中，專業設計能力已經有了很大的提升。但是，在機電設計工作中仍有一些難點需要引起重視，特別是在招標技施階段，下面將主要介紹洪屏抽水蓄能電站機電設計工作中的一些難點。

3.1 廠用電系統的設計

洪屏抽水蓄能電站樞紐由上水庫、下水庫、地下廠房、開關站及繼保樓、生產樓、業主營地等部分組成，廠用電供電范圍廣，分散性大。因此在廠用電設計之初就考慮了與施工期配電相結合的方案。35 kV施工中心變以及至上庫、下庫、業主營地等處的架空線路均按永臨結合考慮。即施工期時以施工變內35 kV變壓器作為施工用電電源點，對各施工面進行供電。電站投運后將原施工變內10kV母線進行改造：將施工變內35 kV變壓器10 kV側出線與施工變內10 kV母線斷開，直接引至地下廠房10 kV廠用III段母線，作為電站廠用電外來備用電源；原施工變內兩段10 kV母線電源改為分別引自地下廠房10 kV廠用I、II段母線，用于對上水庫、下水庫、地面開關站、生產樓、業主營地等永久地面建筑進行供電。該設計相當于在施工中心變設置了10 kV廠用母線延伸段，節省了從地下廠房到地面各建筑的電力線纜費用。

3.2 調速系統和進水閥控制回路的設計

隨著電站自動化程度的提高及無人值班運行方式的要求，對控制保護系統的可靠性要求也更加嚴格。常規控制使用的“得電動作”方式，出口繼電器或被控對象平時不帶電，只有在事故或故障發生時，被動作對象才會動作，這種方式的好處是不容易誤動作，但是在控制電源故障或消失時，可能會出現拒動的情況，無法及時保護機組的安全運行。“失電動作”方式則可以在控制電源故障或被切除時，能動作于停機或切除運行設備，保證機組設備的安全。因此，作為機組最重要的調節控制設備，電工二次專業在設計調速系統的導葉控制回路和進水球閥的控制回路時，提出了調速系統和進水球閥系統應該既有在電源正常的情況下“得電關閉”的液壓控制回路，配有得電關閉電磁閥，又有在冗余電源均消失的情況下“失電關閉”的液壓控制回路，配有失電關閉電磁閥，實現調速器和進水球閥的“得電關閉”和“失電關閉”雙回路冗余控制，以保證安全。這就對制造廠家提出了更高的要求，洪屏抽蓄主機制造商上海福伊特有限公司設計人員對該設計要求起初也是不能理解和接受，經過多次的溝通和解釋，最終接受該設計理念，并在系統設置中增加該配置。

3.3 火災自動報警系統的難點

由于抽蓄電站的中控樓往往距地下廠房及開關站較遠，分布范圍廣，為了提高全廠火災自動報警系統的可靠性，防止由于干擾等原因造成的誤報、誤動，全廠火災自動報警系統設計需要考慮采用光纖組網，即將系統中集中火災報警控制器、各區域火災報警控制器之間采用光纖連接成一個對等式網絡。

中控室消防聯動控制柜上的多線手動控制盤需對全廠的消防水泵、正壓送風機、排煙風機等進行手動控制，由于地下廠房及開關站距離中控室較遠，且手動控制對象較多，通過硬布線往往不能實現可靠控制。洪屏抽水蓄能電站通過在中控樓、開關站、地下廠房各設一套PLC可編程控制器，各PLC之間采用工業級以太環網交換機和單模光纖(獨立光纜)組網，實現中控室對全廠多線控制設備的手動控制，并顯示全廠多線設備的動作及故障信號。

3.4 機組技術供水泵揚程和容量的選擇

機組技術供水泵為抽蓄電站技術供水系統的核心設備，其揚程和容量選擇是否合理，將直接影響技術供水系統的運行，進而影響機組的安全穩定運行。目前，技術供水泵容量的選擇，往往依據主機制造廠提供的各軸承、空氣冷卻器、主軸密封、迷宮環等部件的冷卻水量，根據設計經驗和規程規范要求選擇。規范往往要求水泵的額定工作流量不少于工作水量的107%～110%，該值若取得偏大，不經濟，也可能使水泵實際運行區域偏離最優運行區域。該值若取得偏小，水泵投入運行后可能會出現實際流量不能滿足電站運行需要的情況，引起后續改造。水泵揚程的計算目前主要是依據經驗公式計算，根據技術供排水管網的布置，進行管網水力計算，確定管網中各管段的水頭損失，進而分析選擇水泵揚程。由于水泵采購招標時往往最終的管網布置圖還沒有繪制完成，各部件的局部阻力水頭損失系數也均為經驗值，只能根據經驗和初步的管網布置估算，很有可能導致揚程計算存在偏差。如何預留適當的余量，選擇流量和揚程均適合的水泵，需要在不同階段進行計算和復核。洪屏抽水蓄能電站技術供水泵最優工作點揚程為46 m，最優工作點流量為1 260 m3/h，在揚程和流量的選擇上均預留了適當余量，管網水力計算也是依據三維布置估算，在一定程度上保證了設備參數選擇的合理性。

3.5 主變洞SFC設備室通風空調系統設計

洪屏抽水蓄能電站SFC輸入、輸出變壓器為風冷式，不同于以往的抽蓄電站采用的水冷式。風冷式的SFC輸入、輸出變壓器和SFC功率柜等設備的瞬時發熱量很大，而且熱量直接散入房間中，造成房間溫度驟然升高，此時僅采用機械通風方式不能滿足房間的熱負荷要求，可能影響設備的正常運行。設計時通過與電一專業的溝通和仔細核算，考慮SFC設備一次運行循環周期約為三十分鐘，并根據SFC設備發熱與時間的關系曲線，為每套SFC設備均配置2臺單元式風冷空調機組制冷，改善房間的溫度環境。

3.6 地下廠房通風空調系統在機電安裝期的通風方式設計

地下廠房通風空調系統作為電站正常運行期廠內空氣環境質量的保障，使通風空調區域的空氣新鮮度、溫度、濕度滿足生產運行的要求。但是在機組設備安裝和調試初期，通風空調系統未能形成有效的系統性運行模式，而廠內的散濕量和焊接煙霧量較大，空氣質量較差，將會影響工作人員健康和工程施工進度。在通風空調系統設計過程中，如何通過合理地布置通風空調設備和管路，兼顧機電安裝期通風、除濕需求，做到既節約工程投資，又達到改善前期施工環境的目的，是設計人員需要考慮的問題。網架層的排煙風機和排煙管可以有效地排除主廠房上部焊接煙霧至主廠房排風豎井(排風探洞)出地面，由進廠交通洞自然進風補充新鮮空氣，改善主廠房的空氣環境質量。全廠總排風豎井風機房的大風量排風機可以有效地排除主變洞和母線洞等洞室的潮濕空氣和焊接煙霧至總排風豎井出地面，由進廠交通洞自然進風補充新鮮空氣，改善主變洞和母線洞等洞室的空氣環境質量。因此，這兩個區域的通風設備應盡早完成設計出圖和采購招標，使設備能盡早投入使用。同時，進廠交通洞、蝸殼層、水輪機層和副廠房底層輔以臨時除濕機運行，盡量改善地下廠房的局部空氣濕度環境。

3.7 下庫消防給水系統管線設計

洪屏抽蓄下庫區域地面建筑消防給水系統水源取自下水庫，在下水庫啟閉機房內設置兩臺(一主一備)深井泵，將下庫水引至地面開關站和下庫啟閉機房之間的高位水池(約256 m 高程)，供地面開關站以及中控樓的消防用水。下庫啟閉機房(186 m高程)距離高位消防水池距離約2.5 km，高程差約70 m，沿途多山石峭壁，林木茂密，對給排水管線的布置設計及施工都帶來了很大的困難。后期類似電站設計時需結合實際山體地形特征，合理布置高位消防水池，優化管線布置，方便現場施工。

4 結 語

在洪屏抽水蓄能電站機電設計過程中，機電專業積極應用三維設計手段，優化設備布置，提高出圖效率和質量；積極配合項目部編制《洪屏抽水蓄能電站工藝設計圖冊》，優化完善標準化設計；積極參與設備出廠驗收和設計聯絡會，為業主提供良好的專業技術支撐。對于抽水蓄能電站，機電設計工作在整個電站設計工作中也占有相當大的比重。希望通過介紹洪屏抽蓄機電設計工作的推進和開展，論述洪屏抽水蓄能電站機電設計工作中的重點和難點，能對今后類似抽水蓄能電站機電設計提供一些經驗參考。

[1]王康生. 洪屏抽水蓄能電站機組發電工況甩負荷過渡過程計算分析[C]∥抽水蓄能電站工程建設2014. 中國水力發電工程學會電網調峰與抽水蓄能專業委員會， 2014．

[2]梅祖彥. 抽水蓄能發電技術[M]. 北京： 機械工業出版社， 2000.

[3]張春生， 姜忠見. 抽水蓄能電站設計[M]. 北京： 中國電力出版社， 2012.

[4]邱彬如， 劉連希. 抽水蓄能電站工程技術[M]. 北京： 中國電力出版社， 2008.

(責任編輯 高 瑜)

Emphases and Difficulties of Mechanical and Electrical System Design for Hongping Pumped-storage Power Station

HE Bian, ZHAO Huimin, SHEN Huiliang, WANG Debing, CHEN Jun, SHEN Xiaorong

(PowerChina Huadong Engineering Corporation Limited, Hangzhou 311122, Zhejiang, China)

The electric main wiring design, monitoring network selection, fire alarm system design, pump-turbine parameter and type selection, regulation guarantee design, and underground powerhouse ventilation and fire protection design for Hongping Pumped-storage Power Station are introduced herein in detail. The main technical difficulties of mechanical and electrical design in tender design stage are emphatically discussed, including auxiliary power system design, speed control system and inlet valve control loop design, head and capacity selection for unit water supply pump, SFC room ventilation system design, ventilation mode design for underground powerhouse ventilation design in mechanical and electrical installation period, and fire water piping design of lower reservoir. The application of 3D co-design platform in mechanical and electrical design optimizes the layout of equipments and improves the efficiency and quality of design．

mechanical and electrical design; technical difficulty; scheme selection; Hongping Pumped-storage Power Station

2016- 05- 30

和扁(1981—)，男，河南焦作人，高級工程師，主要從事水電站水機專業設計及項目管理工作．

TV743(256)

A

0559- 9342(2016)08- 0041- 04