溧陽抽水蓄能電站機電與金屬結構設計綜述

劉昆林，李 立，譚紹良，黃開斌，蔡星煜

(中國電建集團中南勘測設計研究院有限公司，湖南長沙410014)

溧陽抽水蓄能電站位于江蘇省溧陽市境內，電站裝機容量1 500 MW，裝機6臺，單機容量250 MW/269 MW(發電/抽水)，設計年發電量20.07億 kW·h，年抽水電量26.76億 kW·h。建成后的電站通過2回500 kV線路接入500 kV天目湖變電站，作為華東電網主力調峰電源之一，其開發任務主要是為電力系統提供調峰、填谷和緊急事故備用，同時可承擔系統調頻、調相等任務。發電電動機與主變壓器組合采用聯合單元接線，500 kV側3進2出，采用雙內橋接線，電站共設置2套互為備用的SFC。每臺發電電動機出口均裝設SF6發電機斷路器。

1 主要機電設備及其特點

1.1 水泵水輪發電電動機組

溧陽抽水蓄能電站機組設備招標范圍包括水泵水輪機、發電電動機、進水球閥、調速器、勵磁系統、計算機監控系統、靜止變頻起動裝置等設備，由哈爾濱電機廠有限責任公司中標。

1.1.1 水泵水輪機

機組采用上拆結構。水泵水輪機轉輪為單級、混流可逆式轉輪，采用不銹鋼鑄焊結構。轉輪上冠、下環采用VOD精煉鑄造結構，轉輪葉片采用VOD精煉鑄造成型。

轉輪選用優質不銹鋼材料ZG00Cr13Ni4Mo制造，該材料具有優良的抗空蝕、抗磨蝕性能和焊接性能。葉片、上冠、下環均采用VOD精煉的ZG00Cr13Ni4Mo不銹鋼鑄件。轉輪采用7葉片型式，活動導葉數20個。

水導軸承采用稀油潤滑的巴氏合金瓦襯的自潤滑軸承，采用外加泵外循環冷卻方式。主軸密封分為工作密封和檢修密封。工作密封型式采用軸向端面水壓式密封，采用進口的摩擦系數低的Cestidure耐磨材料制造。密封面有良好的配合和密封性能，并配有一個指示密封磨損量的帶刻度的信號桿和一個位移傳感器，用于監視主軸密封磨損量。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。蝸殼設計壓力4.75 MPa，采用ADB610D高強度鋼板制作，蝸殼采用保壓澆筑混凝土方式，保壓澆筑壓力為最大工作靜壓力的50%。水泵水輪機水輪機工況最大水頭下，凈水頭288.1 m，出力255.0 MW，效率93.1%，流量97.1 m3/s；額定水頭下，凈水頭259 m，出力255.0 MW，效率91%，流量110.5 m3/s；最小水頭下，凈水頭230.9 m，出力212.8 MW，效率89.9%，流量104.7 m3/s。水泵工況最大揚程下，水泵凈揚程295.04 m，水泵入力223.3 MW，效率93.33%，抽水流量72.71 m3/s；最優點揚程下，水泵凈揚程270 m，水泵入力253.3 MW，效率94.21%，抽水流量85.72 m3/s；最小揚程下，水泵凈揚程238.4 m，水泵入力254.4 MW，效率93.67%，抽水流量102.06 m3/s。額定轉速300.0 r/min，穩態飛逸轉速460 r/min，轉輪高壓側直徑4 741 mm，轉輪低壓側直徑3 015 mm，吸出高度HS-57 m(導葉中心線至下庫死水位差)，安裝高程-57 m。

1.1.2 發電電動機

發電電動機為三相、立軸、半傘式(具有上、下導軸承)、密閉循環空冷可逆式同步發電電動機。定子機座采用軋制鋼板分四瓣焊接而成，定子機座與基礎板及上機架的連接結構采用斜立筋結構。定子鐵心采用0.5 mm厚、50H250(JIS)無取向冷軋硅鋼片。定子繞組采用雙層條式波繞線圈，4支路并聯，“Y”形連接，定子線棒采用多膠模壓絕緣工藝，在整個定子鐵心長度上采用不完全換位方法進行換位，絕緣等級為F級。轉子采用無軸結構，轉子中心體采用整體結構，轉子支架采用圓盤式焊接結構。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合一布置的方案。導軸承為油浸式自潤滑分塊瓦可調式結構。推力軸承的支撐結構采用具有自平衡瓦間負荷能力的單波紋彈性油箱結構。推力軸瓦共12塊，推力瓦采用巴氏合金瓦。下導軸承和推力軸承潤滑油的冷卻方式采用外加泵外循環冷卻系統。發電電動機型號為SFD250—20/7500；額定容量(電氣輸出) 277.78MV·A(靜止勵磁容量除外)；電動工況(軸輸出功率) 269 MW；額定功率因數(發電工況/電動工況) 0.9(滯后)/0.975；額定電壓15.75 kV；最大飛逸轉速475 r/min；發電電動機飛輪力矩(GD2) 9200 t·m2；效率(發電工況/電動工況) 98.61%/98.73%；制動方式為電氣制動+機械制動。

1.2 進水閥

進水閥采用橫軸雙面密封、單接力器型式，公稱直徑3 050 mm。進水閥下游側設置伸縮節與蝸殼進口段采用法蘭連接；上游側設置延伸段與壓力鋼管現場焊接。進水閥上游側設一道檢修密封，下游側設一道工作密封。密封裝置為可拆卸形式。動密封環和固定密封環均用不銹鋼材料制造。固定密封環用不銹鋼螺栓把合在活門上，可以方便地更換。所有螺釘應牢固固定。動密封環為整體結構，設計成滑動式，當進水閥關閉后動密封環滑動壓向固定密封環，開啟前離開固定密封環。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。

1.3 靜止變頻起動裝置

電站采用2套靜止變頻啟動系統(SFC)負責全廠6臺機的抽水工況啟動，型號為SD7518，由GE公司供貨，2套 SFC互為備用，電站不設置背靠背啟動方式。

1.4 500 kV設備

溧陽電站500 kV設備包括主變壓器、500 kV GIS和擠包絕緣電纜。主變壓器為額定容量300 MV·A的三相雙圈強油循環水冷升/降壓電力變壓器，其中2～6號主變由特變電工衡陽變壓器有限公司供貨，1號主變由江蘇華鵬變壓器有限公司供貨。550 kV GIS額定短時耐受電流63 kA，由現代重工(中國)電氣有限公司供貨。500 kV擠包絕緣電纜額定持續電流800 A，導體額定短時耐受電流63 kA/2 s，電纜采用總承包方式，由瑞士布魯克電纜有限公司供貨與現場安裝調試。

1.5 主廠房橋機

主廠房選用兩臺2 500 kN/500 kN的電動雙梁單小車橋式起重機，橋機跨度為22.0 m。2臺橋機的主、副鉤起升機構及小車行走機構均采用全數字式變頻調速方式，具有1∶10無級調速性能。橋機由常州常礦起重機械有限公司供貨。

2 控制保護系統

2.1 計算機監控

電站接受華東電網直接調度，遙測、遙信量同時送華東網調、江蘇省調。計算機監控系統按“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。

計算機監控系統由主控級和單元控制級等設備組成。主控級設備包括：2套實時服務器、2套歷史服務器，2套遠程通信工作站、2套廠內通信服務器、2臺操作員工作站、1臺工程師工作站、1臺培訓仿真工作站、1臺維護工作站、1臺語音報警及ONCALL工作站、1臺報表工作站、2套UPS、1套時鐘同步及擴展裝置、打印機以及網絡交換機等。監控系統單元控制級設有12套現地控制單元(LCU)，包括6套機組現地控制單元(LCU1～LCU6)、1套抽水啟動現地控制單元(LCU7)、1套公用設備現地控制單元(LCU8)、1套廠用電現地控制單元(LCU9)、1套500kV開關站現地控制單元(LCU10)、1套上庫現地控制單元(LCU11)和1套下庫現地控制單元(LCU12)。

2.2 繼電保護

每臺發電電動機、主變壓器均配置雙套微機型保護裝置，由南瑞繼保公司提供。每回500 kV高壓電纜按雙重化配置分布式母差保護，由南瑞繼保公司提供。每回500 kV線路按雙重化配置線路保護裝置，由北京四方公司和國電南自公司各提供一套。500 kV開關站設置4面斷路器保護柜、1面故障錄波柜及1面保護信息子站柜。

3 廠用電系統

電站廠用電系統共設有5個電源，其中3個電源分別取自2、4、6號主變低壓側母線，另1個為10 kV外來備用電源，取自110 kV施工變電所，另設有10 kV柴油發電機組作為保安和機組黑啟動電源，保證廠用電系統具有較高的供電可靠性。

4 接地系統

本電站按地網電位不大于5 000 V，接地電阻不大于0.4 Ω的原則進行設計。為保證電站接地網設計科學合理，在進行接地網設計之前，于2012年2月對電站樞紐區域的地電阻率進行了詳細測量，并編制完成《溧陽抽水蓄能電站土壤電阻率測試工作報告》，根據土壤電阻率測試成果，開關站與下水庫區域土壤電阻率相對較低，所以，在進行接地網設計時，在開關站與下水庫敷設了較大面積的接地網，以達到有效降低接地電阻的目的。在2016年電站發電前由江蘇方天公司對溧陽電站接地參數(接地電阻、接觸電勢與跨步電勢)進行了測量，接地電阻測量值為0.336 Ω，滿足設計要求，接觸電勢與跨步電勢滿足規范要求。

5 油、氣、水系統

5.1 油系統

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

5.2 壓縮空氣系統

電站壓縮空氣系統分為中壓氣系統和低壓氣系統。其中，中壓氣系統包括工作壓力為8.0 MPa的水泵工況啟動和調相壓水用氣、工作壓力為7.0 MPa的調速器油壓裝置用氣和球閥油壓裝置用氣、工作壓力為1.2 MPa的主軸檢修密封用氣等；低壓氣系統工作壓力為0.8 MPa，包括機組制動、檢修吹掃用氣等。

儲氣罐及相關管路中裝設有壓力開關、壓力變送器及壓力表等自動化元件和表計，以監控空壓機的起停、切換和其它操作。儲氣罐上壓力變送器、壓力開關和安全閥應整定在規定的壓力，并工作可靠。

5.3 技術供水系統

機組技術供水系統采用單元供水方式，每臺機組從尾水管取水經水泵加壓供水，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一臺全自動濾水器、一臺立式離心泵和相關閥門及管路等組成。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聯絡總管，可實現6臺機組技術供水的互為備用。

5.4 排水系統

5.4.1 機組檢修排水

本電站檢修排水采用直接排水方案，設置一根DN500的檢修排水總管，布置于-71.00 m高程的檢修排水廊道，每臺機組檢修排水管與檢修排水總管相連。在檢修排水管廊道同層6號機組段端部設置檢修排水泵房，布置4臺臥軸單級雙吸離心泵。每兩臺水泵出口共用一根DN250檢修排水管，沿滲漏排水泵房、豎井埋設至頂層排水廊道。

5.4.2 廠房滲漏排水

在主廠房上游側檢修排水廊道頂拱處埋設有一根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1號機組端頭。

廠內滲漏集水井位于主廠房右端水泵水輪機層施工支洞內，其有效容積約600 m3；設置4臺工作泵，2臺備用泵，每2臺水泵共用一根DN350的排水總管，經頂層排水廊道、自流排水洞排出廠外。水泵的起停由液位控制器實現自動控制，工作泵與備用泵之間可定期輪換工作。

6 金屬結構

金屬結構布置在上水庫進/出水口、尾水閘門室、下水庫出/進水口、下水庫泄洪閘等部位。

6.1 上水庫金結設備

上水庫進/出水口為井式結構，2個進/出水口單獨布置，沿每個井式進/出水口四周分隔成8個孔口，每孔設1道事故閘門，2個進/出水口共設置16孔16扇事故閘門，事故閘門為潛孔式平面滑動閘門，孔口尺寸6.896 m×7.0 m(寬×高，下同)，設計水頭49 m。每扇閘門各由1臺4 500 kN高揚程固定卷揚式啟閉機操作，共16臺，啟閉機可現場操作，也可遠方操作。啟閉機在孔口范圍內不同步要求在100 mm以內，8臺啟閉機共用1個環形機房，每個機房設1臺50 kN沿環形軌道行走的單梁移動式檢修吊。

6.2 尾閘室金結設備

電站機組的尾水管采用一管一機布置，每條尾水管設1道事故閘門，共6孔6扇，事故閘門為閘閥式平面滑動閘門，孔口尺寸6.0 m×7.0 m，設計水頭152 m。

閘門操作條件為正常工況下靜水啟閉；事故工況下動水閉門，通過電動旁通閥充水平壓后靜水啟門，啟門水位差≤5.0 m。每扇閘門各由1臺5 000 kN/2 000 kN液壓啟閉機操作，共6臺，液壓啟閉機液壓缸頂部設有電動推桿操作的機械式活塞桿鎖定裝置，啟閉機可現場操作，也可遠方操作。避免進口球閥與尾水事故閘門之間發生誤操作，設置了互相閉鎖裝置。尾閘室內設置1臺800 kN/50 kN橋機供閘門、門槽和啟閉機安裝和檢修。

6.3 下水庫金結設備

下水庫出/進水口設有2條尾水洞，每條尾水洞出/進水口處設4孔4套攔污柵，共計8孔8套攔污柵，孔口尺寸6.55 m×14.0 m，設計水頭差5 m，攔污柵為潛孔式平面滑動攔污柵，攔污柵分節制作，柵葉和拉桿通過連接板+銷軸的連接方式，形成整體。攔污柵共用1臺2×500 kN單向門機操作，操作條件為靜水啟閉。

每條尾水洞出/進水口各設1套檢修閘門，共2套。檢修閘門為潛孔式平面滑動閘門，孔口尺寸10.0 m×10.0 m，設計水頭39 m，每扇閘門各由1臺2 000 kN高揚程固定卷揚式啟閉機操作，共2臺，每個啟閉機房內各設1臺30 kN機房檢修吊。

下水庫設1孔泄水閘，泄水閘設2道閘門，采用完全相同的兩套閘門，互為工作閘門和事故閘門，泄水閘閘門為露頂式平面定輪閘門，孔口尺寸4.0 m×5.65 m(寬×高)，設計水頭5.35 m，每扇閘門各由1臺200 kN固定卷揚式啟閉機操作，共2臺。

7 機電設計的優化

7.1 水泵水輪機穩定性

溧陽抽水蓄能電站最大毛水頭291 m，最小毛水頭235 m，水頭變幅達到1.238，在國內外200～300 m水頭段蓄能電站中位居前列，水泵水輪機水力設計難度較大。機組招標階段，設計充分重視模型轉輪水力穩定性能，采用了不同主機廠轉輪模型同臺對比招標方式。哈爾濱電機廠先后開發了12個模型轉輪，并進行了9個實物改型，最終以A1065型轉輪中標，后期又多次對模型轉輪進行了水力優化設計，最終在瑞士洛桑第三方試驗臺通過了驗收。溧陽抽水蓄能電站的運行實踐表明，把模型轉輪水力穩定性能放在第一位，不片面追求過高效率的設計思路是科學合理的。

7.2 首臺機組首次啟動方式

通過對水輪機工況起動、水輪機空載+水泵工況起動和純水泵工況起動三種方式開展技術經濟綜合比選，最終選定本電站首臺機組首次起動采用水輪機空載+水泵工況起動方式，不但保證了機組及水工建筑物等運行的安全性、穩定性和可靠性，而且減少了上庫蓄水工程投資，縮短了蓄水工期，取得了良好的經濟效益和社會效益。

7.3 發電電動機推力軸承支撐結構采用單波紋彈性油箱

通過對發電電動機推力軸承支撐結構采用單支柱或多支柱金屬彈性支撐方式存在的問題(如現場安裝調整工作量較大、調試與運行過程中發生過燒瓦事故等)進行研究分析，決定溧陽抽水蓄能電站發電電動機推力軸承的支撐結構采用具有自平衡瓦間負荷能力的單波紋彈性油箱結構，哈爾濱電機廠在其廠內推力軸承試驗臺進行了模擬試驗，論證了采用單波紋彈性油箱結構是可行的，溧陽抽水蓄能電站的運行實踐表明發電電動機推力軸承的支撐結構采用具有自平衡瓦間負荷能力的單波紋彈性油箱結構是合理的，可供新建抽水蓄能電站借鑒。

7.4 中控室布置位置變更

原中控室布置在地面開關站副廠

房，施工詳圖階段結合現場實際和國內其他蓄能電站運行經驗，將中控室及相應的網絡通信設備調整布置于業主營地辦公樓。中控室位置調整有利于電站的生產組織和統一管理，有利于電站高效安全的組織應急事件處理，改善了運行值班人員的值班環境。

7.5 金屬結構設計改進

溧陽抽水蓄能電站純蓄能電站，上水庫是人造的封閉式蓄水池，從地形上來看，上水庫位于山頂，基本無天然徑流，庫外雨水可通過水庫周邊的截、排水系統引走；附近亦無居民和工業，無生活垃圾和工業垃圾來源；水庫高程較高，四周邊坡范圍及高度較小，且均進行了支護處理，無高坡滾石和泥石流發生條件。大壩及環庫公路臨水庫側設置了防浪墻及防護欄桿，只要在電站運行過程中加強管理，可避免如人工投物、游人落水等非自然因素帶來的污物進入庫內。根據周邊的自然條件和運行條件，上水庫進/出水口設置攔污柵的必要性不大，因此取消了上水庫進/出水口攔污柵，從而簡化了進/出水口結構，節省土建及金屬結構方面的投資，同時還

可減少水頭損失，增加發電效益。

8 結 語

目前，電站6臺機組已全部投產，機電各專業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，工程設計滿足規程、規范及有關標準的要求，機電設備運行正常。