白蓮河抽水蓄能電站機電設計綜述

孫成章

（中國水電顧問集團中南勘測設計研究院，湖南 長沙 410014）

白蓮河抽水蓄能電站位于湖北省黃岡市羅田縣白蓮河鄉(xiāng)境內，是一座日調節(jié)純抽水蓄能電站，距武漢市143 km。電站共安裝4臺單機容量300 MW的立軸單級混流可逆式水泵水輪電動發(fā)電機組，以一回500 kV輸電線路接入黃岡大吉變，輸送距離約40 km。在電網(wǎng)中承擔調峰、填谷、調頻、調相及事故備用等任務。電站樞紐建筑物包括上水庫、輸水系統(tǒng)、地下廠房系統(tǒng)、下水庫、地面開關站、中控樓副廠房及柴油機房等。

電動發(fā)電機與主變壓器連接采用聯(lián)合單元接線，500 kV側為單母線接線，以變頻啟動為主，背靠背同步啟動為輔的啟動方式。每臺電動發(fā)電機出口均裝設SF6發(fā)電機斷路器。

1 主要機電設備及其特點

1.1 水泵水輪電動發(fā)電機組

本電站4臺機組與寶泉、惠州電站實行統(tǒng)一招標。招標范圍包括機組、球閥、調速器、勵磁系統(tǒng)、計算機監(jiān)控系統(tǒng)、電動發(fā)電機電壓配電裝置、靜止變頻起動裝置等設備組合成1個標，由法國阿爾斯通公司 （ALSTOM）中標。就主機本體而言，ALSTOM負責前3臺機組的供貨，哈爾濱電機廠有限責任公司負責第4臺機組 （①機組）的水泵水輪機供貨，東方電機股份有限公司負責①機組的發(fā)電電動機供貨。

1.1.1 水泵水輪機

機組采用上拆結構；轉輪采用鑄焊結構；葉片、上冠及下環(huán)均采用真空吹氧脫碳精煉法 （VOD）精煉，葉片整體鑄造，數(shù)控加工。轉輪及泄水錐采用不銹鋼材料 （ASTM A743GrCA6NM）制造，泄水錐在工廠直接焊接到轉輪上冠上。水導軸承采用稀油潤滑的巴氏合金瓦襯的自潤滑軸承，采用外加泵外循環(huán)冷卻方式。主軸密封分為工作密封和檢修密封。工作密封采用端面軸向密封，密封副采用PEHD材料制造。檢修密封設置在工作密封下部，采用空氣圍帶型式，在停機而不排除尾水管存水的情況下可正常投入。蝸殼采用S500Q EN10137-2高強度鋼板制作，分21塊。其中，鼻端5塊與座環(huán)在工廠內焊接，與座環(huán)一起運輸，剩余16塊在工地現(xiàn)場焊接。水泵水輪機主要技術參數(shù)見表1。

表1 水泵水輪機主要技術參數(shù)

1.1.2 電動發(fā)電機

電動發(fā)電機為三相、立軸、半傘式 （具有上、下導軸承）、密閉循環(huán)空冷以及可逆式同步電機。定子機座采用軋制鋼板焊接而成，為斜立筋結構。定子鐵心采用0.5 mm厚、M250-50A優(yōu)質冷軋薄硅鋼沖片。定子繞組為整數(shù)槽雙層疊繞組，4支路并聯(lián)，“Y”形連接，采用Micadur真空壓力浸漬絕緣系統(tǒng)，360°羅貝爾換位，絕緣等級為F級。轉子采用無軸結構，轉子中心體與圓盤支架組裝焊接成整體到貨，轉子中心體材料為S355J2G3鋼。位于轉子下方的下導軸承和推力軸承采用推力軸承與下導軸承在同一油槽內的布置方案 （組合軸承）。導軸承為油浸式自潤滑分塊瓦可調式結構。推力軸承采用鋼性支柱螺桿結構。推力軸瓦共12塊，推力瓦采用巴氏合金瓦。采用推力頭、鏡板與主軸合一結構。軸承油冷卻系統(tǒng)采用導瓦泵外循環(huán)方式。電動發(fā)電機主要技術參數(shù)見表2。

1.2 進水閥

進水閥為橫軸雙面密封、雙接力器球閥，公稱直徑3.5 m，為目前國內已建抽水蓄能電站中尺寸最大的球閥。進水閥下游側設一長1 975 mm伸縮節(jié)與壓力鋼管進口段采用法蘭連接；上游側設一長4 200 mm延伸段與壓力鋼管現(xiàn)場焊接。進水閥上游側設一道檢修密封，下游側設一道工作密封。工作密封和檢修密封由一個帶D型密封圈的不銹鋼精加工動密封環(huán)和一個不銹鋼固定密封環(huán)組成。檢修密封為手動操作，并設有防腐蝕機械鎖定裝置。工作密封采用液壓鎖定裝置鎖定。球閥閥體為鋼板焊接結構，在廠內焊接成整體后，運到工地。進水球閥由ALSTOM分包韓國斗山 （DOOSAN）重工業(yè)制造。

表2 電動發(fā)電機主要技術參數(shù)

1.3 靜止變頻起動裝置

電站設有一套可控硅變頻起動裝置 （SFC），型號為SD7000，由ALSTOM供貨。包括輸入/輸出變壓器、輸入/輸出電抗器、輸入/輸出開關柜、起動母線、起動母線分段隔離開關、變頻裝置、冷卻系統(tǒng)、控制、保護和監(jiān)測系統(tǒng)等。

1.4 主變壓器

電站共設有4臺型號為SSP10-360000/500的三相雙圈強油循環(huán)水冷、高壓側帶無勵磁分接開關的銅繞組升/降壓電力變壓器，由常州東芝變壓器有限公司供貨。主變壓器低壓側經(jīng)油/空氣套管與15.75 kV離相封閉母線相連，高壓側通過油/SF6套管與GIS相連。主變壓器中性點采用油/空氣套管引出直接接地。4臺冷卻器緊靠每臺主變壓器的高壓側 （C相）靠東端布置。4臺主變壓器布置在地下廠房高程56.500 m主變洞室內，呈一字排列布置。

1.5 500 kV GIS和擠包絕緣電纜

550 kV GIS分為地面與地下兩部分，地面戶內GIS包括2串進線間隔、1串出線間隔、1串母線PT間隔及SF6管線等。地下GIS采用2組聯(lián)合單元接線，每組聯(lián)合單元包括2串隔離開關及電流互感器間隔、1串避雷器間隔及SF6管線。GIS型號為ELK-SP3，額定電流2 500 A，額定短時耐受電流63 kA，為瑞士ABB公司產(chǎn)品。

電站500kV高壓引出設備采用500 kV高壓電纜，2個回路總長約2 229 m（單相），最長一根電纜約400 m （單相）。與地下GIS相連的電纜終端采用外置充油式水平電纜終端，與地面戶內GIS相連的電纜終端采用外置充油式垂直電纜終端。

500 kV高壓電纜選用XLPE-800mm2、單相、銅芯、交聯(lián)聚乙烯擠包絕緣電纜，額定電流1 220 A，導體短時耐受電流50 kA/2s，由日本J-Power Systems公司 （JPS）供貨。電纜在電纜豎井、電纜平洞內采用蛇形敷設，撓性固定方式，敷設和安裝用的所有支架、吊架、托架均采用膨脹螺栓固定。

1.6 主廠房橋機

主廠房選用2×3 000 kN/500 kN的雙小車橋式起重機，橋機跨度為20.5 m。球閥室選用1臺2 500 kN/500 kN的單小車橋式起重機。2臺橋機的主、副鉤起升機構及小車行走機構均采用全數(shù)字式變頻調速方式，具有1∶10無級調速性能。橋機由大連重工起重機集團供貨。

2 控制保護系統(tǒng)

2.1 計算機監(jiān)控

本電站接受湖北省中調的直接調度，遙測、遙信量同時送華中網(wǎng)調。計算機監(jiān)控系統(tǒng)按 “無人值班 （少人值守）”的原則進行設計，采用全開放、分層分布式結構。

計算機監(jiān)控系統(tǒng)由主控級和單元控制級等設備組成。主控級包括2臺冗余系統(tǒng)工作站、3臺操作員工作站、1臺工程師工作站、1臺維護工作站、1臺機組狀態(tài)監(jiān)測工作站、1套培訓仿真系統(tǒng)、1臺報表計算機、1臺廠內通訊工作站、2臺遠程通訊工作站、1臺語音報警工作站、1套GPS時鐘系統(tǒng)、2套UPS、4臺打印機以及網(wǎng)絡交換機、網(wǎng)絡附件等外圍設備組成。監(jiān)控系統(tǒng)單元控制級設有8套現(xiàn)地控制單元 （LCU）。

2.2 繼電保護

每臺機組、主變壓器均配置雙套微機型保護裝置，由ALSTOM配套提供。500 kV線路配有雙套保護，500 kV母線保護采用北京四方公司和南京南瑞公司母線保護各一套，按雙重化方式配置。500 kV開關站設置1面斷路器失靈保護柜、2面GIS進線斷路器保護柜、1面故障錄波及GPS柜及4面500 kV高壓電纜保護柜。

3 廠用電系統(tǒng)

電站廠用電電源由每臺主變壓器低壓側引接一回，并從白蓮河水電廠引接一回10 kV作廠用電備用電源。同時，增設1臺10 kV柴油發(fā)電機組作為電站的保安電源。

電站設2臺6 300 kV·A高壓廠用變壓器，從每臺主變壓器低壓側的廠用分支母線經(jīng)限流電抗器引接。10.5 kV母線共分3段，正常運行時，Ⅰ、Ⅱ段母線單獨運行。當Ⅰ段母線 （或Ⅱ段母線）失電時，Ⅲ段母線上相應的母聯(lián)開關自動投入；當Ⅰ、Ⅱ段母線全部失電時，Ⅲ段母線上的外來10kV備用電源自動投入。當10.5 kV廠用母線Ⅰ、Ⅱ段和外來10 kV備用電源全部失電時，柴油發(fā)電機啟動，通過10 kV柴油機提供事故保安電源。

4 接地系統(tǒng)

電站接地網(wǎng)除充分利用自然接地體外，主要設置了以上下庫水庫、引水系統(tǒng)、球閥室、尾水閘門室、主廠房、母線洞、主變洞、電纜平洞與電纜豎井、出線平臺接地網(wǎng)等為主的人工接地網(wǎng)。按規(guī)范的要求，本電站工頻接地電阻R≤0.36 Ω （相應接地網(wǎng)電位為2 000 V）。由于電站土壤電阻率高達1 000～3 000 Ω·m，局部地方巖石電阻率可高達7 000 Ω·m；下庫為已建的水庫，電站樞紐接地裝置敷設面積受到限制；上水庫進、出水口接地裝置距離地下廠房系統(tǒng)接地裝置較遠，要滿足工頻接地電阻小于0.36Ω是比較困難的。通過與相關科研院所技術協(xié)作，對接地進行專題研究，解決了電站接地設計條件相對困難的難題，將地網(wǎng)電位抬高至4 000 V，電站工頻接地電阻不大于0.72 Ω。接地電阻測量值為0.615 Ω，開關站、主變室等處的跨步電勢和接觸電勢為63 V，滿足設計要求，為首臺機組發(fā)電創(chuàng)造了條件。

5 油、氣、水系統(tǒng)

5.1 油系統(tǒng)

電站油系統(tǒng)分為透平油系統(tǒng)和絕緣油系統(tǒng)。透平油系統(tǒng)的主要用油設備為機組各軸承、調速系統(tǒng)及球閥油壓裝置。牌號為國產(chǎn)46號透平油。電站絕緣油系統(tǒng)不設置單獨的絕緣油庫，僅設置必要的絕緣油處理設備，在現(xiàn)地向主變充油及真空注油。絕緣油的牌號為NYNAS10GBX。

5.2 壓縮空氣系統(tǒng)

電站壓縮空氣系統(tǒng)分為中壓和低壓。其中，中壓壓縮空氣系統(tǒng)包括工作壓力為8.4 MPa的水泵工況啟動和調相壓水用氣、調速器油壓裝置用氣、球閥油壓裝置用氣和工作壓力為1.2 MPa的主軸檢修密封用氣；低壓氣系統(tǒng)工作壓力為0.7 MPa，包括機組制動、檢修吹掃用氣等。

5.3 技術供水系統(tǒng)

機組技術供水系統(tǒng)采用單元供水方式，每臺機組從尾水管取水經(jīng)水泵加壓供水，在每臺機尾水管設一個取水口，并設兩套獨立的水泵加壓供水管路，每套供水管路主要由1臺全自動濾水器、1臺水泵、1臺泵控閥和其他操作閥門和管路等組成。兩套供水管路互為備用，在濾水器后合并成一條主供水管向機組及主變冷卻器供水。全廠設有1根DN400技術供水聯(lián)絡總管，可實現(xiàn)4臺機組技術供水的互為備用。

5.4 排水系統(tǒng)

機組檢修排水系統(tǒng)由ALSTOM負責設計并供貨，系統(tǒng)采用間接排水，每臺機均設有一個DN400的液壓盤形閥，檢修時將尾水管中積水經(jīng)檢修排水廊道排入集水井，再通過深井泵排至廠外。排水管路沿①機組尾水流道底板布置，直排入電站下庫即白蓮河水庫，排水管單管總長約400 m。檢修排水泵揚程約需105 m，滲漏排水泵揚程約115 m。由于下游水庫水位高于廠房最高點，檢修集水井通氣孔設置難度較大；為便于流道放空時檢修集水井內的空氣排出，在檢修集水井泵房內設置2個排氣閥，排氣閥由ALSTOM供貨。在審查排氣閥資料時，發(fā)現(xiàn)該排氣閥為普通閥，沒有用于大埋深地下廠房及抽水蓄能電站的業(yè)績。最后，由原采用排氣閥方案修改為接排管，直接排至主廠房周圍高程72.00 m處一條2.5 m×3.2 m （寬×高）排水廊道后自流至白蓮河水庫下游。

在主廠房上游側高程約35.40 m設有一DN600滲漏排水總管貫穿全廠，一端與滲漏集水井相通，另一端至④機組端頭。生產(chǎn)生活排水均通過埋設管路排至滲漏排水總管至滲漏集水井，經(jīng)深井泵排至高程72.00 m處一條排水廊道后自流至白蓮河水庫下游。

6 機電設計的優(yōu)化

（1）首臺機組首次啟動方式。首臺機組于2009年8月7日采用水泵工況一次啟動抽水成功，穩(wěn)定運行約2 h。本電站首臺機組首次采用水泵工況啟動，具有國內先進水平，不但保證了機組及水工建筑物等運行的安全性、穩(wěn)定性和可靠性，而且減少抽水系統(tǒng)投資，縮短蓄水工期，取得了較好的經(jīng)濟效益和社會效益。

（2)設置單獨的球閥洞室。通過方案比選，將球閥移到主廠房上游側20.00 m，利用上游③施工支洞擴挖后單獨布置球閥室，廠房開挖跨度可減小3.50 m，以利于洞室圍巖的穩(wěn)定與機電設備的布置，提高廠房結構的整體性及結構整體剛度。同時，縮短施工直線工期2個多月，經(jīng)濟效益較顯著。

（3)SFC輸出電抗器布置。根據(jù)其他水電站地下GIS單元的現(xiàn)場高壓試驗經(jīng)驗，采用從500 kV出線套管加電壓，取消了主變洞高程62.90 m中部的GIS高壓試驗場。優(yōu)化后的位置用來布置SFC輸出電抗器，使得高程62.90 m上游側啟動母線廊道的布置簡單、美觀，減少啟動母線長度約200 m（單相m），節(jié)約工程投資，減少導體損耗。

（4）電站檢修與滲漏排水。由原采用排氣閥方案修改為接排管的優(yōu)化設計方案，充分利用了本電站布置特點，有效減少了排水管路長度，降低了排水泵揚程35%～40%，運行費用可降低35%～40%，檢修費用也相對較低。本方案有效解決了檢修集水井通氣孔的可靠性問題，消除了檢修集水井的安全隱患。

7 結 語

目前，電站4臺機組已全部投產(chǎn)，機電各專業(yè)設計將受到運行實踐的檢驗。從目前的運行情況來看，設計對機電設備布置、機電設備選型論證較為充分、合理，工程設計總體上滿足規(guī)程、規(guī)范及有關標準的要求，機電設備運行正常。