洪屏抽水蓄能電站300MW機組主要結構及技術特點

李軍

（中國葛洲壩集團機電建設有限公司，四川 成都 610091）

洪屏抽水蓄能電站300MW機組主要結構及技術特點

李軍

（中國葛洲壩集團機電建設有限公司，四川 成都 610091）

江西洪屏抽水蓄能電站共裝設4臺高水頭（最大水頭540m）、單機容量300MW的混流可逆式水輪發電機組。該電站在機組結構設計上綜合了宜興、白蓮河、泰安、蒲石河、仙游及惠州等大型抽水蓄能電站的優勢，充分考慮了制造、運輸、安裝、檢修及穩定運行各方面因素，采用了許多先進的結構，這些先進的結構均為機組的安裝、運行和檢修提供了有利條件。本文簡要介紹了該機組水泵水輪機、發電電動機的典型結構設計特點。

主要結構；技術特點；洪屏抽蓄電站

1 概述

江西洪屏抽水蓄能電站位于江西省靖安縣境內，為周調節純抽水蓄能電站，安裝4臺單機容量為300MW的混流可逆式水輪發電機組，機組由上海福伊特水電設備有限公司設計制造。電站水輪機工況額定水頭540.00m，額定轉速500r/min，其中水輪機工況俯視逆時針方向旋轉，水泵工況俯視順時針方向旋轉。電站建成后，以500kV一級電壓等級接入江西電網，在電網中承擔調峰、填谷、調頻、調相和事故備用等任務。電站對外交通便利，下水庫壩址距靖安縣城40km；距南昌、九江公路里程分別為124km、194km。電站機電工程于2013年6月開工，計劃2016年首臺機組投入商業運行，2017年完工。

2 機組主要參數

機組主要技術參數見下頁表1。

3 水泵水輪機結構及技術特點

水泵水輪機采用立軸單級混流可逆式，主要由尾水管、座環/蝸殼、導水機構、球閥、轉動部件、導軸承及主軸密封等設備組成。

3.1 座環/蝸殼

水泵水輪機座環、蝸殼與進水段法蘭整體到貨，受運輸條件限制，蝸殼分3段運輸至工地，其中蝸殼進口第1節與蝸殼第1~6節（第1段）、蝸殼第12~16節（第2段）單獨到貨，蝸殼其它節（第3段）與過渡板焊接在座環上隨座環發運工地。蝸殼第1、2段各預留30mm配割余量，現場焊接后整體吊入機坑；蝸殼材質為B610CF，座環上、下環板材質為ASTMA216WCC，固定導葉和鼻端導葉材質為S550Q，座環/蝸殼外形尺寸為：12640×9061×2840mm，重量為97.38t。蝸殼外表面不設置彈性層，采用專用悶頭與封水環進行蝸殼水壓試驗，常溫保壓澆筑混凝土。頂蓋、底環聯接螺栓孔在車間加工，混凝土澆筑后現場不進行座環機加工。

3.2 導水機構

水泵水輪機導水機構由頂蓋、內頂蓋、底環、控制環、活動導葉、導葉軸承及密封、導葉操作機構等組成，屬于水泵水輪機過流部件，其安裝質量直接影響水泵水輪機機械效率。導水機構安裝的主要技術特點：泄流環與底環為整體結構，整體運輸，底環通過螺栓和定位銷與座環連接；頂蓋預裝時，需將分瓣頂蓋吊入機坑在機坑內組裝，預裝完畢，頂蓋解體后分瓣吊出機坑；頂蓋正式安裝時，需將分瓣頂蓋再次吊入機坑在機坑內組裝，然后正式安裝。

頂蓋分兩瓣到貨，總重約72.23t，由于機坑里襯上段尺寸小于頂蓋最小外徑，頂蓋分瓣吊入機坑，在機坑內組合，并裝配上固定止漏環。內頂蓋、底環和控制環均為整體結構。頂蓋和底環過流面上對應導葉端面處設有抗磨板，與轉輪不銹鋼轉動止漏環配對工作的不銹鋼固定止漏環安裝在頂蓋和底環上，控制環下部有限制控制環上跳和徑向移動的自潤滑軸承；控制環的操作力矩通過導葉連桿、剪斷銷和導葉轉臂傳遞，導葉摩擦環可在導葉剪斷銷剪斷失效時固持導葉，防止導葉自由擺動而碰撞相鄰導葉和轉輪。導葉軸上面的調整墊可上下調整導葉的安裝位置，使導葉上、下端面與抗磨板的間隙符合圖紙設計要求；導葉止推軸承起到限制導葉上下竄動的作用。

每臺機活動導葉共計20只，每只重約1t。導葉端面總間隙0.56~0.94mm，活動導葉立面間隙在接力器全關位置為零。導葉為三支點支撐結構，一個位于底環上，另兩個位于頂蓋上；導葉軸承為黃銅基固體潤滑劑鑲嵌軸承，導葉軸頸密封采用愛科密封圈。

導葉操作機構由自潤滑軸承、偏心銷、拐臂、連桿、控制環和推拉桿等部件組成，將導葉與接力器相連接。導葉和拐臂之間由2個錐銷（B40×220）傳遞控制環的操作力矩，同時拐臂與頂蓋之間設有自潤滑的導葉止推環。連桿設有雙夾板的偏心銷結構，以彌補各連桿之間的加工誤差。在頂蓋上設有雙向導葉限位塊，防止導葉剪斷銷剪斷后撞擊相鄰導葉。

3.3 轉動部件

轉輪由上冠、下環、葉片與泄水錐組成，為不銹鋼整體鑄焊結構，葉片數9個，材質為ASTMA743 CA-6NM低碳優質不銹鋼材料，在上海福伊特轉輪制造車間組焊，然后精加工，最終靜平衡試驗合格后整體運輸至工地，重量為19.8t。

水輪機軸采用優質鋼鍛制，為中空結構，外形尺寸為Ф1450×Ф980×Φ600mm，主軸長6085mm，總重量為26.6t。水輪機軸與發電機軸采用銷釘螺栓傳遞扭矩與外法蘭連接方式，與轉輪采用銷套傳遞扭矩與外法蘭連接方式，水輪機軸與轉輪的連接螺栓采用電加熱法緊固。

3.4 水導軸承與主軸密封

水輪機導軸承為稀油潤滑、巴氏合金的分塊瓦結構，水導瓦共12塊，軸瓦間隙采用楔子板加套管調整。導軸承由軸瓦、軸瓦支承、帶油槽的軸承箱（分2瓣）、箱蓋和附件組成，導軸承置于油槽箱內。水輪機導軸承設有一個完整、獨立的機坑外循環潤滑冷卻系統，設有2個冷卻器，冷卻器及閥組布置在蝸殼層（EL88.85m）錐管廊道進口側。冷卻水由電站技術供水系統提供。

主軸密封系統由工作密封和檢修密封兩部分組成。主軸工作密封采用水潤滑和冷卻，水源取自蝸殼進口前，經減壓過濾裝置減壓并過濾后供給主軸工作密封。為防止尾水溢出，在主軸工作密封的下方設置有主軸檢修密封。主軸檢修密封采用壓縮空氣充氣膨脹式橡膠密封，由壓縮空氣系統提供工作壓力為0.5~0.8MPa的壓縮空氣。

3.5 球閥

水泵水輪機球閥為臥軸雙面密封球閥，由上游延伸段（湊合節）、球閥閥體、下游伸縮節、球閥接力器、接力器操作系統、管路組成，重約95t。上游延伸段重9.5t，管徑2.1m，在壓力鋼管上預留設計配割余量（200mm），實際配割余量現場測量計算。下游伸縮節重約11.5t，由伸縮節、伸縮密封座法蘭組成，現場調整裝配。閥體已在廠內完成密封試驗，到貨為關閉狀態；采用雙缸雙向液壓接力器開啟、關閉球閥。球閥技術參數見表2。

4 發電電動機結構及技術特點

洪屏抽水蓄能發電電動機主要由上機架和推力軸承及上導軸承、定子、轉子、下機架和下導軸承、集電環刷架、輔助裝置等組成。發電機為懸式、三相、空冷、可逆式同步電機，轉子上方設有推力軸承和上導軸承，由上機架支撐；轉子下方設有下導軸承，由下機架支撐。

4.1 定子

定子由定子機座、定子鐵心、定子繞組、端部支撐、測溫裝置和絕緣件等組成。在安裝間組裝定子機座、定子鐵心與繞組，組裝完成且整體耐壓試驗后使用平衡梁、上機架吊入機坑。

定子機座由軋制鋼板焊接而成，設置8層環板，外徑φ7620mm，內徑φ4912mm，高度4570mm，分2瓣運至工地組圓焊接。定子機座為浮動式結構，與基礎板間通過偏心銷釘、徑向鍵及螺栓連接，當其受熱膨脹作用時，可沿徑向自由滑移。機座下環板設置下壓指，下壓指現場通過模板調整合格后焊接在機座下環板上。定子機座與定子鐵心采用雙鴿尾型定位筋結構，共72根定位筋，每根雙鴿尾筋有兩段組成并布置8個托板，分別與定子機座的8層環板焊接，托塊與雙鴿尾筋精確配合，以保證鐵心的圓度和同心度。

定子鐵心外徑φ5770mm，內徑φ4520mm，高度3414mm，由0.5mm厚的低損耗硅鋼片疊裝而成，分95段鐵心（每段高30mm）、94個通風槽（厚度6mm），現場通過上、中、下三個高度模擬試疊片對定位筋進行定位、焊接，再拆除“模擬鐵心”后正式疊裝，疊片按順時針方向，層間交錯搭接為3/4沖片，通過穿心拉緊螺桿及現場焊接在下壓板上的壓指軸向壓緊，螺桿與鐵心之間設有絕緣套管，穿心螺桿壓緊系統設有疊形彈簧、絕緣墊圈和絕緣套管，以保證機組運行時鐵心保持恒定的壓緊力，并保證螺桿與機座之間可靠絕緣，鐵心疊裝分5次預壓后進行磁化試驗。

定子繞組為雙層疊繞組，4支路，Y形連接，絕緣等級為F級。定子線棒槽部固定采用槽楔和波紋板在槽口內壓緊，以保證在各種運行工況下均能對線棒保持較大的徑向力，避免線棒松動。線棒之間及線棒與銅環之間的所有接頭均采用銀銅焊。為防止承受穩態或短路、誤同期等故障狀態下電磁力而損害，線棒端部設置斜邊墊塊并加以綁扎固定，并設有端箍支撐。

4.2 轉子及軸系

發電電動機轉子由轉軸、磁軛、磁極、制動環、阻尼環、轉子引線等組成，外徑Ф4442mm，磁軛高度3650mm，轉子整體重量350t。機組軸系中，發電機采用一根軸結構，由三段焊接而成，6根徑向筋板焊接在軸上，構成轉子支架；推力軸承位于轉子上方，發電機轉子上方和下方分別設有上、下導軸承，水輪機設有水導軸承，共三個導軸承；導軸承及其支架具有足夠的徑向剛度來支撐轉動系統，以保證一階臨界轉速具有足夠的安全裕度。

發電機轉子支架高度為10320mm，設置6個高度為3748mm的主立筋，主立筋半徑為1195mm，重量為53t，工廠加工后整體運至工地。磁軛包括磁軛及上、下壓板，磁軛沖片由2740張4mm的高強度鋼板現場疊裝而成。磁軛沖片交錯相疊，每張沖片4極距，每層圓周為3張片，每層片與前一層片相錯1個極距。整個磁軛疊裝過程分為4次壓緊，壓緊方式為風動預緊。磁軛拉緊螺桿通過上、下磁軛壓板將疊片磁軛緊固為一體，磁軛疊裝后現場進行磁軛鍵槽拉削以及磁軛鍵安裝。磁軛與轉子支架之間徑、切向鍵分開設置，按規定順序擰緊彈性鍵背側的調整螺栓以實現磁軛徑向調整。制動環為分塊結構，通過磁軛拉緊螺桿固定在磁軛下壓板上。

轉子磁極共12個，由1mm厚的沖片疊壓而成，單個重量為10.717t。磁極通過T尾固定在磁軛上，磁極通過磁軛下壓板上的調整銷進行支撐和調節其中心線高程。通過楔子板結構，將磁極向外徑方向固定。磁極設有完整的阻尼繞組，以抑制系統波動，例如不平衡負荷、兩相短路等電氣故障。阻尼繞組之間采用柔性連接結構,以補償機組運行時阻尼環的位移，并由固定在磁軛上的螺桿承受其離心力。

4.3 軸承結構

發電機軸承分上導軸承、推力軸承（推力軸承結構見圖2）和下導軸承，即位于轉子上方的推力軸承和上導軸承，位于轉子下方的下導軸承。

圖2 推力軸承結構圖

上、下導軸承采用單獨油槽,分別布置在上、下機架中心體內,均為12塊鎢金瓦。上導軸承采用外加泵外循環冷卻方式；下導軸承采用潤滑油在油槽內部自循環的冷卻和潤滑方式，導軸承瓦的支撐為楔子板加套管結構。

推力軸承與上導軸承油槽分開設置，推力軸承布置在上機架中心體上部。推力軸承承受機組全部旋轉部件的重量，以及水輪機的軸向水推力。軸向推力負荷通過推力頭、鏡板傳遞到推力瓦上，推力瓦由VOITH專利的彈性橡膠墊支撐，彈性橡膠墊安裝于上機架上方的推力支架。推力頭、鏡板為一體結構，現場熱套與轉軸上。推力瓦為鎢金瓦。推力軸承采用外加泵外循環潤滑冷卻方式，并設有外油箱，與上導軸承共用一個油箱。推力軸承設有高壓油頂起系統。

4.4 上、下機架

上機架采用輻射型箱形梁支臂，為承重機架，承受機組推力負荷，由中心體和6個徑向支臂在工地現場組焊成一整體，徑向通過彈性支撐與混凝土相連接,軸向由定子機座支撐。為保證發電機具有良好的穩定性，軸系具有較高的臨界轉速，上機架和混凝土需共同為導軸承提供足夠的徑向支撐剛度，采用VOITH公司特有的粘滯彈性支撐結構（見圖3），粘滯彈性支撐結構元件為液壓阻尼器，來吸收結構部件作用在基礎上的熱應力。

圖3 上機架粘滯彈性支撐結構圖

發電機下機架由1個中心體和6個支臂徑向支臂組成，采用合縫板螺栓把合結構，可滿足下機架從定子內徑吊出的要求。在最嚴重工況下最大下撓度不大于2.63mm，組裝后總重約16t。下導軸承布置在下機架中心體的內部。每個支臂上布置1個制動器,沿圓周方向共布置6個。

4.5 輔助設備

制動系統采用壓縮空氣操作的機械制動方式，壓縮空氣壓力為0.5~0.7MPa，6個制動器安裝在下機架每個支臂上。制動塊由非金屬無石棉材料制成。當機組為靜止工況下，制動器通過高壓油操作可以作為頂轉子用。制動粉塵由制動粉塵收集裝置除去，以避免制動粉塵進入繞組、軸承或冷卻系統。

發電機設有水滅火系統，在定子繞組上下兩端端部適當位置，分別布置2根環管，環管上有適當數量的噴霧頭。機坑內設有空間加熱器，以防止發電機停機時受潮或結露。

4.6 通風系統

通風冷卻方式為端部雙路徑向、密閉自循環、無風扇空氣冷卻，結構見圖4。風壓主要由轉子支架和磁軛的扇風作用產生。冷風穿過定子繞組上、下端部后，雙路徑向進入轉子支架，依次穿過磁軛、磁極、氣隙、定子鐵心和機座，并被定、轉子繞組的各種損耗加熱。熱風由6個空氣冷卻器冷卻，空氣冷卻器固定在機座的開口位置。該通風冷卻結構縮短了發電機風路，減小了發電機風摩損耗，提高了發電機冷卻效率。

圖4 通風系統結構圖

5 幾點看法

2016年4月30日，洪屏抽水蓄能電站1號機組與江西電網系統并網進行首次泵水試驗并取得成功，抽水負荷29.1萬kW，期間機組運行穩定、各項運行指標良好，從而證明了洪屏抽水蓄能電站結構的優勢。

（1）水泵水輪機導水機構采用導葉斷面為負曲率形式，同時采用剪刀形立面間隙設計,有助于導葉開啟。

（2）發電電動機為懸吊式機組，采用一根軸，機組軸線結構特點是軸系長、分段數少、結合面少。優點：制造廠內加工確保機組軸系軸線質量，減少現場軸線調整工程量。缺點：發電電動機部分因受力轉換后不能與水機軸脫離，發電電動機不能單獨盤車；軸系較長（鏡板至水導距離達14.135m）,現場通過打磨卡環處理軸線難度加大。

（3）轉子磁軛疊裝后不進行現場加溫熱套，而是采用冷打鍵，冷打鍵后通過彈性鍵背側的調整螺栓以實現磁軛徑向調整，從而確保磁軛與轉子支架緊度滿足設計要求；定子疊裝采用“片-筋-片安裝法”，該工藝不是從繁瑣的定位筋調整過程入手，而是直接從最根本的問題入手，去直接調整“模擬鐵心”，達到以“模擬鐵心”控制定位筋，以定位筋最終保證鐵心的目的。

（4）推力軸承采用彈性橡膠墊支撐結構，該支撐系統可在周向和徑向使瓦傾斜，并可補償0.10mm的高度方向誤差。彈性墊支撐結構的優點：對動態負載有極好的阻尼作用；在圓周方向上能夠自我調節，有利于生成楔形油膜；能夠在徑向自我調節以補償轉子傾斜或機架變形；補償鏡板和推力瓦的熱變形；對短暫過載不敏感。

（5）上機架采用粘滯彈性支撐結構設計，該結構可顯著減小軸承支撐結構部件傳遞到基礎上的熱應力，以提高軸承及其支撐部件的經濟性，并大大節省成本。另一方面，能保證發電電動機具有良好的穩定性，軸系具有較高的臨界轉速。

（6）水導軸承、推力軸承與上導軸承外循環泵方式，并將外循環泵、油冷卻器布置發電機機墩外,有利于提高軸承的冷卻能力，便于檢修與運行巡視檢查。

TV743

B

1672-5387（2017）05-0048-05

10.13599/j.cnki.11-5130.2017.05.012

2016-05-15

李 軍（1978-），男，高級工程師，從事水電站機電安裝、檢修與技術管理工作。