張河灣抽水蓄能電站主機設備裝拆方式的選擇

吳 妍，谷振富，劉更海，尤莉莎，王瑞蘭

（河北張河灣蓄能發電有限責任公司，河北 石家莊 050300）

1 概述

張河灣抽水蓄能電站位于石家莊市井陘縣測魚鎮張河灣村附近，距石家莊市（負荷中心）僅53 km（直線距離），是一座日調節的純抽水蓄能電站。電站裝機容量為1 000 WM，即4臺250 WM的單級混流可逆式水泵水輪機組，設計發電水頭為305 m。建成投產后，電站將以2條500 kV線路接入冀南電網，承擔電網的調峰、填谷、調頻、調相、事故備用等任務，起到十分重要的作用。

由于機組的裝拆方式與機組參數和廠房布置有密切關系，設計方曾在可研階段向世界上有實力的水電設備制造商發出咨詢書，并在此基礎上進行了由各廠商和設計院、張河灣公司參加的技術交流。同時，張河灣公司的技術人員也利用各種機會向國內外的水電專家進行請教，并做了專題研究，下面就針對張河灣項目的具體特點進行分析。

2 機組主要參數

2.1 水泵水輪機主要參數（表1）

表1 水泵水輪機主要參數

2.2 發電電動機主要參數（表2）

表2 發電電動機主要參數

2.3 其他資料

設計年發電量1 675 GW·h；

設計年抽水電量2 204 GW·h；

多年平均含沙量11.10 kg/m3；

設計日滿載抽水6.0 h；

設計日滿載發電4.6 h。

3 機組的裝拆方式

從國內外已運行的中高水頭的抽水蓄能電站機組來看，發電電動機采用上拆方式，而水泵水輪機的安裝和拆卸可采用上拆、中拆和下拆3種方式[1]。

（1）上拆方式如水泵水輪機需要檢修時，先吊出發電電動機的上下機架、轉子、導軸承、推力軸承等部件，然后再將水泵水輪機的部件（包括頂蓋、轉輪、水導軸承、導葉等部件）通過發電電動機的定子內孔中吊出。這種方式的優點是能盡可能地縮短機組軸線，使得設備布置緊湊，軸系穩定性好，廠房結構簡單。缺點是每次進行水泵水輪機大修都必須拆裝電機部分，致使大修時間長。國內已建的抽水蓄能電站中，北京十三陵電站、河北潘家口電站、浙江桐柏電站、山東泰安電站、安徽瑯琊山電站和江蘇宜興電站的機組均采用上拆方式。

（2）中拆方式在不拆發電電動機部件的情況下，將水泵水輪機部件通過位于水輪機室一側的水泵水輪機機墩通道，利用專用車或/和吊規運到主閥吊物孔，然后由廠房橋機吊運到安裝場進行修理。這種方式的優點是水泵水輪大修時無須拆裝發電電動機，檢修時間較短。缺點是需在發電電動機與水泵水輪機之間增加一段中間軸，并配備相應的起吊設備；水機室的機墩混凝土要開較大的通道，增加了土建的設計難度。國內已建的抽水蓄能電站中，廣東的廣蓄II期電站、浙江天荒坪電站的機組均采用中拆方式。

（3）下拆方式在尾水管直錐段設一可拆卸段，在設備大修時，水泵水輪機部件如轉輪、底環等可從堝殼下方的已拆除的尾水管直錐段拆卸拉出，并運輸到專用吊物孔利用廠房的橋機吊運到安裝場進行修理。這種方式的優點是水泵水輪機大修時無須拆裝發電電動機，也無連接發電電動機和水泵水輪的中間軸，設備檢修時間最短。缺點是尾水管直錐段為裸露的可拆卸部件，在設備運行時，廠房內的噪音會很大；另外，廠房的土建結構也會很復雜。這種方式在國內基本上不受歡迎，在國內已建 的抽水蓄能電站中，廣東的廣蓄I期電站的機組采用下拆方式。

對于一個電站具體采用上述3種方式中的哪一種，應取決于該電站的設計水頭及轉速、運行工況、水質條件，也取決于設備制造廠的偏好和機組的結構尺寸。

一般說來，對于低水頭、低轉速的機組，因其轉輪、頂蓋直徑較大，采用中、下拆的基建投資也相應增大，但其發電電動機定子的內徑也較大，上拆方式是天然具備的拆裝方式，所以多采用上拆方式；對于高水頭、高轉速的的機組，其轉輪、頂蓋直徑較小，采用中、下拆的基建投資也相應減少，同時因其發電電動機定子的內徑較小，有時可能導致許多水力機械部件不能直接從發電電動機定子中間吊出，這時采用中拆或下拆可能比較經濟；但是對于超高水頭、超高轉速的機組，考慮到機組運行的穩定性，有時必須采用上拆方式[2]。

在中高水頭和中高轉速段的抽水蓄能機組中，采用上述3種方式的都有，還有一些將2種方式結合起來的混合拆裝方式。通常，歐洲廠家多推薦中拆或下拆方式，日本廠家多推薦上拆方式，但所有廠家都聲稱，上述3種方式的機組都能設計、制造。

4 張河灣項目發電機組的裝拆方式比較

4.1 各制造廠家對張河灣項目的建議

在各廠家提供的技術建議書中，都提到了水泵水輪機的裝拆方式，在與業主和設計院的技術交流中也展開過多次討論，各家推薦的拆裝方式和理由簡述如下：

日本的3家廠商三菱、東芝和日立都推薦上拆方式，主要是認為本項目的水頭和轉速都不高，設計運行點在經驗穩定區域內，水泵水輪機運行良好，而且目前水泵水輪機過流表面的材料和水力設計的研究都有很大進展，大修周期應能保證在10年以上，沒必要采用中、下拆方式從而增加土建設計難度并增加基建投資。日本廠商所制造的水電機組幾乎都采用此種方式，在制造上有豐富的經驗。

Vatech公司和Voith公司也推薦了上拆方式，主要理由是本項目的水頭和轉速不高，轉輪直徑較大，采用其他方式的基建費用較高；但在與我們的技術交流中發現，本項目所在水庫的泥沙含量較大，認為有必要引起重視，并推薦中拆方案為另一推薦方案。

Alstom公司推薦了下拆方案，主要理由為：①本項目的水頭和轉速適中，而且現在許多廠家在設備制造上都采用了數控機床技術，加工精度大大提高，不必擔心機組運行穩定性的問題，而本項目的水質條件較差，用下拆方案可以避免不必要地拆裝發電電動機部件，迅速對轉輪、導葉等設備進行檢修；②一次性投資和長期收益的比較，因為本項目所在電力系統幾乎為一個純火電系統，投入運行后將成為系統的主力調峰點和緊急備用電源，安排長時間檢修的代價相對較大，采用檢修時間最短的下拆方案應是最經濟的方案。

GE公司推薦了中、下拆結合的方案，主要理由是水泵水輪機檢修快捷方便，而且尾水管直錐段裸露在空氣中不會增加設備運行噪音，還會有利于減輕機組振動。

綜上所述，這3種拆裝方案對于本項目都可行，各廠家也各有自己的設計制造特長。根據其他國內抽水蓄能項目的招標采購經驗和向各廠家咨詢結果，各種裝拆方案中的設備價相差不多（暫不考慮土建投資），主要是有的方案需要一些專用工具。

為配合廠房布置，各廠家提供了與拆裝方式有關的機組尺寸，經過整理如表3。

表3 各廠家提供的相關機組尺寸

4.2 張河灣項目機組的裝拆方式分析

4.2.1 上拆方式

在機組大修時，水力機械各部件需要從發電電動機定子內孔中吊出，而從表3數據來看頂蓋需要分辨才能滿足要求。從抽水蓄能機組的運行特點來看，頂蓋應盡可能地減少分辨數目，因為分辨數目多，螺栓的把合量就大，就越容易出現漏水等問題，一旦連接螺栓松動還會造成局部應力集中，損壞受力部件，發生運行事故；另外，使得檢修工期也會加長，對于本項目的機組，頂蓋分兩辨比不分辨的機組每次檢修時間要多15 d左右，頂蓋分四辨的機組比不分辨要多檢修30 d左右，但分辨多時水機室的高度會降低一些，土建工作量減少一些。根據已建抽水蓄能電站的實踐經驗和張河灣項目的具體特點，頂蓋分二瓣較為適宜。

4.2.2 中拆方式

采用中拆方式時，下機架直徑可減小，但機墩高度有所加大，機組中心線到發電機層的高度比上拆分二瓣方案約高0.7 m，做經濟比較時該高差取1 m。

如果運輸條件沒有限制，頂蓋可整體運輸到工地，頂蓋外形尺寸取建方中拆方案的GE公司的尺寸，為φ6.29 m，則機墩開孔平面尺寸需6.7 m，為目前在國內已建的抽水蓄能電站中是最大的。如頂蓋分二瓣，轉輪為最大吊出設備，其直徑為4.8 m，則開孔尺寸應為5.2 m，與天荒坪的尺寸相近。另外，多數廠家和咨詢專家建議，頂蓋應盡量少分瓣，少裝拆，因此以分二瓣較為適宜。

4.2.3 下拆方式

下拆方案因為不設中間軸，廠房高度與上拆方案相差不多，基建投資比上拆多一些但相差不多，但本方案的水泵水輪機尾水管直錐段需設計成活動部件并用螺栓聯接，在土建上還要考慮設置運輸通道，水力發電設備的支撐相對較弱，可能對機組運行的穩定性有些影響。雖然本項目發電用水泥沙情況較為嚴重，但水頭和轉速較為適中，而且泥沙影響的季節性較明顯，水泵水輪的檢修應不是太大的問題，所以下拆方案在此不做比較。

4.3 本電站的裝拆方式比較

根據上面的分析結果，主要對頂蓋分二瓣時的上拆方案和中拆方案進行比較。

4.3.1 技術比較

水泵水輪機的中拆方案與上拆方案的差別主要在于軸系穩定問題，但根據有關廠家專家的意見，認為中拆方式的主軸雖然比上拆方式長1.2～1.5 m，但只會對第一階臨界轉速略有影響。根據設計院對制造廠家的詢價結果，對于發電電動機型式絕大多數廠家推薦半傘結構，因該結構在軸系上設置有3組軸承，而且目前所有廠家的設備加工能力都很強，大多采用數控機床，設備的加工沒有問題，所以對設備軸系的穩定性幾乎沒有影響。因此，中拆方案的問題不在機電設備的制造上，而是在電站廠房的土建結構的設計上。特別是對于張河灣電站這種低水頭、大容量的機組（相應地頂蓋、轉輪等可拆卸部件的外形尺寸要加大），不但加大土建投資，還增加結構設計上的風險[3]。

4.3.2 經濟比較

當采用上拆方案時，檢修工期有所增加，相差約為15 d。根據電站的年發電量和年抽水電量可以計算出停機損失。發電電價按0.6元/kW·h，抽水電價按0.15元/kW·h計算，則每停機1天4臺機共損失184.76萬元。

根據設計院的計算結果，張河灣電站的上拆方案機墩開孔尺寸為2.2 m×2.3 m，中拆方案的機墩高度比上拆方案高1 m，根據土建專業提供的數據，4臺機組的機墩每增加1 m，開挖量增加2 250 m3，鋼筋用量增加30.5 t，混凝土用量增加380 m3；如果開挖方量按單價100元/m3，鋼筋單價4 450元/t，混凝土單價800元/ m3計， 則中拆方案比上拆方案增加土建費用約78.4萬元。

水泵水輪機的裝拆方式對機組的造價影響有的公司認為沒什么差別，但多數公司認為中拆方式比上拆方式要高1%左右，參照泰安抽水蓄能項目主機設備招標的報價，4臺機組約增加180萬元，中拆方案和下拆方案經濟比較詳細結果如表4。

表4 中拆方案和下拆方案經濟比較詳細結果

從表4可以看出，中拆方案和上拆相比，增加土建投資不多，即使扣除必要的費用，如水費、基建中多投資金的利息和各種稅費，一次大修節約的費用就可將全部投資收回還有余。如考慮到機組在50年壽命期內大修4次的話，中拆方案的經濟性明顯要好。中拆-頂蓋不分瓣方案雖然設備的機械性能要好些，但因機墩開孔尺寸過大，對土建設計的要求過于苛刻，中拆-頂蓋分二瓣方案綜合性能較好些。

但是中拆方案技術性能要差一些，除發電機組軸系加長后增大的運行風險外，還增加了土建結構設計上的風險，特別是對于張河灣電站這種低水頭、大容量的機組（相應的頂蓋、轉輪等可拆卸部件的外形尺寸要加大）。同時，張河灣機組的發電機定子中孔直徑相對較大，上拆方式在技術上可以說是天然具備各種條件，在幾種拆卸方式中是最簡單、方便的一種方式。

5 結論

綜上所述，水泵水輪機裝拆方式采用上拆方案時，機組軸線短，布置緊湊，軸系穩定性好，土建結構設計難度??；中拆方案明顯的好處在于縮短檢修周期，經濟性好；而下拆方案在廠房下部開孔，雖然經濟性好，但基礎支撐較弱，運行噪音大，不宜采用。出于考慮發揮各廠商的特點和優勢，建議在招標文件中保留采用上拆和中拆兩種方案由投標商自行選擇，但是不對任何一種方式做出經濟上的優惠條件。