國產化高水頭抽水蓄能機組研發與現場試驗驗證

路振剛 陳順義 鄭小康 邱紹平 梁權偉 鄭應霞

摘要：

通過對抽水蓄能機組進行國產化和自主研究，中國掌握了500 m以下水頭段的抽水蓄能機組技術。為了在600 m以上高水頭段、500 r/min高轉速抽水蓄能機組自主設計制造技術方面取得突破，以中國首座600 m以上水頭的高轉速高水頭的績溪抽水蓄能國產化機組研制與工程應用為依托，研制并提出了針對性較強的技術規范。在此基礎上，采用了同臺對比試驗的模式，以促進國產化機組水力研發技術的發展，并采用了“5+5”長短葉片等創新技術。現場試驗結果表明：機組主要性能指標均優于技術規范，對中國其他高水頭、高轉速抽水蓄能電站建設具有借鑒意義，并對中國抽水蓄能機組技術進步具有重要的促進作用。

關 鍵 詞：

抽水蓄能機組研發; 同臺對比; 原型驗證; 國產化

中圖法分類號： TV734

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.07.022

0 引 言

抽水蓄能電站以其大規模儲能容量、卓越的調節性能和敏捷的反應速度，成為能源革命和綠色能源建設、實現“碳達峰”“碳中和”莊嚴承諾的關鍵支柱，中國抽水蓄能電站建設將迎來更大更快的發展。抽水蓄能機組研發制造技術是抽水蓄能電站建設最重要的關鍵環節之一[1-2]。自21世紀初開始實施抽水蓄能機組國產化自主化以來，機組單機容量從250 MW到400 MW、轉速從250 r/min到428.6 r/min、水頭/揚程從200 m到500 m水頭段，一步一個臺階逐步提高，穩步發展[3-4]。隨著安徽響水澗、福建仙游、江蘇溧陽、浙江仙居、廣東深圳等抽水蓄能電站的先后成功投產，中國已具備500 m以下水頭的抽水蓄能機組的自主設計制造能力[5-6]。為了在600 m以上高水頭段、500 r/min高轉速抽水蓄能機組自主設計制造技術方面取得突破，擁有全球最大規模的抽水蓄能電站營建經驗的國網新源控股有限公司，在總結抽水蓄能機組國產化、自主化經驗的基礎上，結合安徽績溪抽水蓄能電站建設，從技術規范制定和不斷完善、同臺對比陽光競爭確保技術研發投入和有序競爭、現場原位試驗對國產化自主研發制造成果進行驗證3個環節入手，形成了完備的大型抽水蓄能機組國產化自主研發制造的扶持、支撐和競爭機制，堅強有力地支持了中國抽水蓄能機組成套設備自主化事業發展[7-8]。

為支持抽水蓄能機組設備的國產化制造，國家將績溪抽水蓄能電站（以下簡稱“績溪電站”）列為抽水蓄能電站機組設備自主化后續工作的依托項目。績溪電站位于安徽省績溪縣，裝設6臺單機容量為300 MW的混流可逆式機組，水頭范圍565.90～637.44 m，揚程范圍586.03～650.86 m，機組額定水頭600 m，額定轉速500 r/min[9]。績溪電站是中國抽水蓄能機組國產化自主設計制造首次向600 m高水頭段、高轉速方向發起挑戰的依托項目，建設、設計、研發制造、調試試驗等多個單位參與了該型機組國產化的工作。

1 高水頭段、高轉速機組技術規范

相關文獻表明[10]，隨著抽水蓄能機組向高水頭、大容量、高轉速方向的發展，對于600 m及以上水頭/揚程的抽水蓄能機組國內還沒有自主研發的業績。也有文獻表明[11]，攻克大容量、高水頭、高轉速常規定速機組的技術難題是國內主機設備制造廠商技術創新發展的方向。因此，在績溪電站主機招標前，國網新源控股有限公司（以下簡稱“新源公司”）對高水頭抽水蓄能機組國產化進程高度重視，專門組織針對對國產化的機組水力研發、參數選擇、結構設計等一系列研討會。在此基礎上華東勘測設計研究院提出了國產化高水頭、高轉速機組技術規范，新源公司和建設單位組織內部、外部評審，形成合理可行的機組技術標準和參數指標。技術規范就高水頭、高轉速機組的研發、性能參數、設計及制造、材料選型、機組輔助設施的配置、檢驗試驗等提出了全方面要求，以確保機組的安全穩定運行。

績溪電站水頭變幅、吸出高度等參數適中，為國產化機組的研發創造了條件。機組技術規范中對能量指標不提過高要求，但對機組穩定性指標則提出了較高要求，體現以機組穩定性指標為重的主導思想：技術規范中對于機組振動指標的要求高于ISO10186-5的規定，對于機組擺度指標的要求高于ISO7919-5的規定。近年來，已把壓力脈動特性作為衡量大型水力機組性能的重要指標[12]，因此，技術規范中對壓力脈動指標的要求均不低于同水頭段國外廠商研發的機組水平。機組的預期主要技術參數要求如表1所列。

2 水泵水輪機同臺對比試驗

本文研究電站的機組為國產化水頭最高、轉速最高的抽蓄機組。考慮到國內廠家均沒有該水頭段成熟的水力研發經驗，且水泵水輪機性能參數對機組安全穩定運行有著決定性的影響，績溪電站主機招議標采用“同臺對比試驗”模式，即帶模型轉輪投標，機組評標前開展模型同臺對比試驗，將試驗結果作為評標、決標的重要因素。

2.1 水力開發歷程

由于“同臺對比試驗”模式充分引入了競爭機制，參與投標的國內制造廠商均高度重視，在績溪電站水力開發方面均投入了巨大的資源，采取了多方向研究、多種措施保障等策略，加快推進國產化高水頭、高轉速抽水蓄能機組水力開發的進程。

根據績溪電站水泵水輪機模型開發技術條件要求，同時綜合考慮未來電站整體的安全穩定性，國內制造商均制定了不同的模型轉輪技術開發方案。如轉輪葉片數選擇了7葉片、9葉片和5+5長短葉片、6+6長短葉片等不同方向分別開展研究，活動導葉數選擇了20個導葉和16個導葉2種方案分別開展研究，每一輪次的水力研發都包括水力設計、模型制備、模型試驗等過程。經過多輪次的研發工作，國內制造商分別推出了5+5長短葉片加16導葉方案和6+6長短葉片加20導葉方案。

此前，長短葉片在國內研發的抽水蓄能機組中尚未得到應用，這也意味著通過“同臺對比試驗”來激勵國內制造商的水力研發水平有了新的突破。同時，多輪次的研發經驗積累也為高水頭國產化抽水蓄能機組自主化設計打下了堅實的基礎。

2.2 同臺對比試驗

2014年9月22日至10月28日，在中國水科院水力機械實驗室開展了水泵水輪機模型同臺對比試驗。由于“同臺對比試驗”模式充分引入了競爭機制，參與投標的國內制造廠商在投標之前進行了大量的水力研發和模型試驗工作，各投標人的模型試驗結果均較為優異。通過同臺對比試驗，最終選擇了5長5短的長短葉片，該方案的水泵水輪機模型試驗結果（主要參數）如表2所列。

2.3 同臺對比試驗對水力開發的促進作用

同臺對比試驗充分引入了競爭機制，給制造廠和項目公司帶來了雙贏的結果。一方面，同臺對比試驗激勵了制造廠在投標之前加大水力開發的投入，有利于制造廠家的經驗積累和技術提高，促進了國產化機組水力開發技術水平的提高。另一方面，項目公司也可以根據同臺對比的試驗結果，擇優選擇中標廠家，為電站的安全穩定運行提供保障。

3 機組研發設計

如前文所述，在機組技術規范中提出了以機組穩定性為重的思想。為此，針對績溪電站機組高水頭、高轉速的特點，在機組研發過程中采用了一些創新技術。

3.1 5+5長短葉片的應用

績溪電站水力開發過程中，對水泵水輪機轉輪葉片數和導葉數的匹配問題開展了專項研究，最終確定采用5+5長短葉片+16個活動導葉的設計方案。5+5長短葉片是在國內自主開發的抽水蓄能電站機組中首次應用。制造廠為績溪電站開發的不同葉片數轉輪的設計如圖1所示。從圖1中可以看到長短葉片方案與常規葉片相比，在進、出口邊流道形狀、葉柵稠密度等方面的不同。

5+5長短葉片方案由于高壓側葉柵稠密，能夠有效地控制部分負荷工況高壓側的二次回流，也可以使得高壓側葉片的安放角和轉輪直徑設計得更小，從而提高水輪機運行范圍內的效率并改善葉片進口的空化特性。同時，長短葉片方案低壓側葉片數較少，可以減少低壓側葉片的排擠，改善水輪機出口邊空化性能。5+5長短葉片還可以提高水輪機工況進口剛度，改善轉輪的動、靜應力特性。

圖2是各方案水泵和水輪機能量試驗結果對比圖。圖中效率均為相對效率，以轉輪A為基準轉輪，其中圖2（a）以水泵工況協聯曲線中的最優工況點為基準點，圖2（b）以水輪機工況額定水頭最優效率為基準點。圖3是各方案水輪機額定水頭壓力脈動試驗結果對比圖。從模型試驗結果可以看出：長短葉片方案在能量性能、部分負荷和空載壓力脈動方面要優于常規葉片方案。

3.2 發電機旋轉部件結構

發電電動機采用“一根軸+整體磁軛圈”的結構方式，屬于創新設計。“一根軸”可消除多段軸因加工和安裝誤差導致的擺度過大的弱點;同時，上下導軸承距離轉子中心線更近，臨界轉速顯著提高，這對于500 r/min的高速機組有利。“整體磁軛圈”采用高強度鋼板制成，在制造廠內分小段把合、整體精加工。與普通疊片磁軛相比，“整體磁軛圈”能消除應力增大系數，顯著增強磁軛的整體剛度，提高磁軛的安全、穩定和可靠性。此外，與傳統疊片磁軛比，采用“一根軸+整體磁軛圈”結構可以明顯減少工期。

3.3 新型推力軸承設計

為降低甚至消除高轉速電機推力軸承的攪拌損耗和攪拌油霧，績溪電站機組推力軸承設計首創開發了全新的低液位低損耗噴淋式軸承。相較于傳統的推力軸承，該技術將原油箱內較高的油位降低至鏡板工作面附近甚至以下運行，通過供油環管向瓦間鏡板面噴油，由于油位的降低能夠極大地減少油槽潤滑油攪拌，使油槽油面更加平穩，由此從根源上減少了油霧的產生，使整個機組運行環境更加清潔。同時，由于油槽攪拌減小，大大降低軸承損耗，對高速機組而言，幾乎能夠降低整個軸承損耗的30%～50%。績溪電站機組低液位低損耗噴淋式軸承的成功運用，為后續眾多大容量高轉速抽水蓄能發電電動機以及超大容量水輪發電機的軸承設計開辟了一條新途徑。

4 現場試驗

目前績溪電站6臺機組均已投入商業運行。從機組實際運行情況來看，機組運行穩定性較好。下文以具有代表性的1號機組為例，介紹機組的運行情況（主要穩定性指標），其余已投運機組的運行情況基本與1號機相近。

4.1 機組振動擺度數據

績溪電站1號機組調試過程中，機組各部位穩態工況下的振動擺度值如表3所列。從表3中可以看出：機組穩態振動、擺度指標均滿足合同要求，尤其是滿抽、滿發工況振擺指標較為優越。

4.2 機組軸承熱穩定數據

績溪電站1號機組調試過程中，機組各軸承穩態工況下的相關油溫瓦溫數據列于表4。從表4中可以看出該電站1號機組在各工況穩定運行條件下，軸承的油溫瓦溫都可以滿足合同保證值的要求。

4.3 調節保證反演計算結果

高水頭抽水蓄能機組水力過渡過程關系到電站的安全運行[14～16]。在機組調試期間，開展了機組甩負荷試驗（包括雙機甩負荷試驗），針對各試驗工況展開了模擬計算，并將計算值與實測值進行了對比，得出修正值后，進一步推算得出了如下極值工況（修正后）結果。

（1） 蝸殼進口最大壓力值發生在SJT2工況（上庫正常蓄水位，下庫死水位，2臺機組額定出力運行，突甩負荷，導葉正常關閉），其值為985.82 m，小于合同保證值1 000.00 m。

（2） 尾水管進口最小壓力值發生在JHT6工況（上游正常蓄水位，下游死水位，2臺機組正常運行，其中一臺機組突甩全負荷，在最不利時刻，另一臺機組也突甩負荷，導葉正常關閉），其值為1.26 m，大于合同保證值0 m。

（3） 機組轉速最大上升率發生在JHT4工況（下庫正常運行水位，額定水頭，2臺機組額定出力運行，突甩負荷，導葉一關一拒），其值為42.02%，小于合同保證值45.00%。

（4） 尾水管進口最大壓力值發生在SJP2（最大揚程，2臺機組抽水斷電，導葉全拒）工況，其值為164.60 m，小于合同保證值190.00 m。

從試驗結果和計算分析可以看出：機組甩負荷后的各項參數滿足合同要求，可以確保電站及機組的安全穩定運行。

5 結 語

績溪抽水蓄能電站機組的順利投產，標志著中國已經掌握了600 m以上高水頭、高轉速的抽水蓄能機組自主研發、設計及制造能力。機組現場運行數據表明：機組的主要性能指標均優于技術規范要求，尤其是機組的穩定性指標較為突出。同時也證明了通過制定合理的技術規范，引入有序的競爭機制，可以促進國產化抽水蓄能機組取得技術突破，為中國后續更高水頭、更大容量機組的國產化之路打下堅實的基礎。

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（編輯：趙秋云）

引用本文：

路振剛，陳順義，鄭小康，等.國產化高水頭抽水蓄能機組研發與現場試驗驗證

[J].人民長江，2021，52（7）：129-134.

Independent development and field test verification of high head pumped storage units

LU Zhengang1，CHEN Shunyi2，ZHENG Xiaokang3，QIU Shaoping2，LIANG Quanwei3，ZHENG Yingxia2

（1.State Grid Xinyuan Company Ltd.，Beijing 100761，China; 2.PowerChina Huadong Engineering Corporation Limited，Hangzhou 311122，China; 3.DEC Dongfang Electric Machinery Co.，Ltd.，Deyang 618000，China）

Abstract：

Through the localization and independent research on pumped storage units，China has mastered the technology of pumped storage units of water head below 500 meters and rotating speed of 500 r/min.In order to make a breakthrough in the independent design and manufacturing technology of pumped storage units with high water head over 600 meters and high speed of 500 r/min，we illustrate the development and engineering application of Jixi Pumped Storage Unit，the first homebred developed unitswith high head and high speed over 600 meters in China，introducing the reasonable technical specifications for domestic units with high head.During the developing process，we adopted the mode of comparative test on the same platform to promote the hydraulics research and technology of the domestic units，and adopted innovative technologies such as “5+5” long and short blades of the unit.The test results show that the main performance indices of the unit are superior to the technical specifications.The research results can provide reference for the construction of other high head and high speed pumped storage power stations in China，and play an important role in promoting the technical progress of pumped storage units in China.

Key words：

pumped storage units development;comparison on the same test platform;prototype verification;domestication of products