永泰抽水蓄能機組主要設備結構優化設計簡述

揭子義

（福建永泰閩投抽水蓄能有限公司，福建 福州350000）

1 概述

福建永泰抽水蓄能電站（以下簡稱：永泰抽蓄）位于福州市下轄的永泰縣白云鄉，電站為日調節純抽水蓄能電站，采用4臺單機容量300 MW的立軸單級混流可逆式抽水蓄能機組，機組額定轉速428.6 r/min，額定水頭416 m，工程開發任務為承擔福建電網調峰、填谷、調頻、調相及緊急事故備用等。永泰抽蓄機組主要機電設備由東方電機有限公司（以下簡稱：東方電機）中標設計制造，在轉輪模型設計、水泵水輪機、進水球閥和發電電動機等主要部件設計方案確定中，雙方技術人員通過多次設計聯絡會展開充分磋商、探討、論證和協商，完成了永泰抽蓄機組設備的設計工作。

2 水泵水輪機部分

2.1 水泵水輪機轉輪水力開發

永泰抽蓄電站參數的主要特點是水頭變幅適中，Htmax/Htmin=1.14。東方電機在水力開發中結合400 m左右水頭的仙游、深圳以及豐寧二期和沂蒙電站開發中取得的經驗，以豐寧二期、沂蒙水泵水輪機水力模型為基礎，借助在超高水頭水泵水輪機水力開發中所取得的穩定性成果，進行永泰抽蓄水泵水輪機轉輪模型的水力開發，并經過了多輪次水力試驗和5+5+16長短葉片方案、9+20方案和9+22方案的比選。

從試驗結果看，9+20（D927 C水力模型）和9+22（D993水力模型）方案中的水泵工況能量特性、水輪機工況能量特性[3]、水泵工況駝峰特性、水泵工況及水輪機工況下各部位壓力脈動和水輪機工況S特性等各項指標差異不大，但在同一水平相位共振分析看，9+20方案的相位共振的風險因子為75%，而9+22方案的風險因子為19.5%，低于25%安全線。鑒于目前已經投產9+20方案抽水蓄能電站出現廠房異常振動及水車室異常高分貝噪聲等現象，在國內相關水力專家建議下，永泰抽蓄技術人員最終選擇水泵水輪機轉輪采用9+22方案，即9葉片+22片導葉的方案。

2.2 頂蓋平壓管優化設計

目前國內外抽水蓄能機組在水泵水輪機結構設計上，為了降低轉輪與頂蓋之間的水壓力，采用在頂蓋上設計平壓管的方式將轉輪與頂蓋之間的壓力水排至尾水管。已建大部分抽水蓄能電站的頂蓋平壓管均采用剛性焊接結構的平壓管，頂蓋平壓管運行過程中，由于抽水蓄能電站工況轉換較為頻繁，過渡過程中無葉區壓力脈動較大而引起頂蓋的軸向、徑向振動幅值較大，導致頂蓋平壓管存在缺陷的焊縫部位的動應力顯著增加，二者疊加，易導致平壓管焊縫開裂，長此以往，也會對平壓管其他對接焊縫產生疲勞破壞，兩種連接方式如圖1所示。焊接結構的頂蓋平壓管，易震裂且現地修復難度巨大，而把合結構的平壓管，由于可拆卸，即便長時間運行后產生了裂紋，也可將平壓管拆出機坑后修復，修復難度大大減低，維護方便。

圖1 頂蓋平壓管兩種連接方式示意圖

為了機組的安全穩定運行，要求頂蓋平壓管結構簡單，在機組運行時的軸向、徑向有一定自由度，以補償頂蓋和機坑里襯之間因頂蓋振動引起方位偏差[1]，同時補償機組運行過程中頂蓋無葉區水流壓力引起的變形量，永泰抽水蓄能電站頂蓋平壓管采用法蘭把合的柔性連接方式取代了傳統的焊接結構，頂蓋平壓管與頂蓋外圓及機坑里襯連接進行減震設計。

2.3 導葉接力器優化設計

接力器缸采用鋼制，活塞及活塞桿采用鍛造，導葉及其操作機構通過2個雙向作用、開關操作力矩平衡的活塞型接力器操縱，正常運行時，每個接力器傳至土建工程上的力應平衡。因接力器為平行同側布置型式，兩接力器同時給油動作時，其中1個接力器將由有桿腔進油而另1個接力器為無桿腔進油，由于接力器的有桿腔與無桿腔受力面積不同造成兩接力器動作無法做到同步，接力器的不同步直接引起控制環跳動而破壞控制環的抗磨材料。為避免控制環跳動，根據目前已經運行常規機組和抽蓄機組實際運行狀況分析，活塞單支撐的接力器同側布置的機組均發生不同程度控制環抗磨材料損壞，在永泰抽蓄相關技術人員建議下，接力器采用活塞桿雙支撐，開啟、關閉導葉時作用力一致的結構型式（如圖2所示）。

圖2 接力器裝配圖

2.4 增強頂蓋剛強度設計

根據永泰抽蓄水泵水輪機第三方模型試驗臺轉輪模型驗收試驗結果發現，當水輪機凈水頭為400 m時，導葉后轉輪前區域的壓力脈動值，在水輪機空載工況和50%Pt≤出力＜75%Pt下，壓力脈動試驗值ΔH/H（%）較大，分別為14.3%和10.62%，如圖3所示。

圖3 D993水輪機工況壓力脈動試驗曲線（Hmin=400 m）

業主技術人員和水泵水輪機轉輪模型驗收組專家認為，無葉區壓力脈動較大直接將引起水泵水輪機頂蓋振動增大，因此要求東方電機在真機結構設計時加大頂蓋整體剛度裕量，確保機組安全穩定運行。為了提高永泰抽蓄頂蓋整體剛強度，設計人員增加頂蓋過流面鋼板厚度提升整體剛強度，圖4所示鋼板T1、T2和T3分別由原來的200 mm、100 mm、80 mm 加厚至 230 mm、140 mm、100 mm，頂蓋的整體質量也由原來的94 t提高到99 t。

2.5 機組調相壓水時水環消除設計

2.5.1 水環的形成

水泵水輪機在調相壓水運行時為減小功率損耗，轉輪腔內的水需壓至轉輪以下一定位置，轉輪將在空氣中旋轉。轉輪的上、下止漏環處，由于間隙較小，需向止漏環處通冷卻水降溫，止漏環的冷卻水由于離心力的作用將匯集于轉輪外圓側，形成水環。

圖4 頂蓋剖面圖

2.5.2 水環消除方式

水環的存在將使得轉輪調相運行時能量損耗增大、振動噪音增大，需消除上述水環。根據永泰抽蓄機組止漏環結構及機組轉速參數，以及止漏環計算允許溫升（取5～15℃），得到止漏環冷卻水需求量約為80 m3/h，從而確定蝸殼平壓管中最大流量即為止漏環的冷卻水流量。當蝸殼平壓管的通徑選取值為200 mm時，管內流速＜1 m/s，蝸殼平壓管內流速越小，平壓管的水流沿程損失越小，止漏環的冷卻水將更加順暢的通過蝸殼平壓管排至尾水管，水環將不會形成。蝸殼延伸段與尾水管平壓后，轉輪腔內的止漏環冷卻水將通過活動導葉端面間隙進入蝸殼延伸段，再通過蝸殼平壓管引至尾水管，從而不能在轉輪腔內形成水環。故采用了在球閥后的蝸殼延伸段上接一根平壓管至尾水管的方式消除水環（如圖5所示）。

圖5 水環消除示意圖

3 發電電動機部分

3.1 定子定位筋優化設計

根據投運的水電機組經驗總結，大型水輪發電機組由于定子機座結構型式、鐵心熱膨脹和電磁振動等原因，會引起定子定位筋運行過程中發生松動及上下竄動的現象，導致定子鐵心運行中不斷松動，嚴重影響定子安全穩定運行。經雙方技術討論研究，永泰發電電動機決定采用新型分體式彈性定位筋結構，針對浮動式定子鐵心增加了機座與鐵心之間的柔度連接，具有同時兼顧抑振降噪和適應鐵心熱膨脹的優點（如圖6所示）。

圖6 定子新型分體式彈性定位筋

3.2 穿心螺桿全絕緣優化設計

近年來，大型水輪發電機定子鐵心穿心螺桿絕緣降低引發的發電機事故時有發生，例如河南某抽水蓄能電站在進行發電機開路試驗時穿心螺桿絕緣降低出現了定子鐵心燒損現象。特別是針對國外發電設備制造采用柔性大型發電機組定子機座技術，帶來定子鐵心穿心螺桿絕緣破壞的風險較大。穿心螺桿絕緣破壞形成渦流損耗，螺桿和鐵心間形成短路回路，產生環流，使定子鐵心局部過熱，可能導致嚴重事故。

永泰發電電動機針對穿心螺桿設計方案進一步優化，采用全絕緣結構，在穿心螺桿絕緣末端、絕緣墊片、鐵心壓板之間的間隙使用絕緣材料進行密封，構成定子鐵心和穿心螺桿之間的連續絕緣，確保穿心螺桿與鐵心間有可靠絕緣，并有效避免由于灰塵、潮氣、油污、雜質等污染造成穿心螺桿絕緣電阻降低現象（如圖7所示）。

圖7 穿心螺桿全絕緣結構

3.3 轉子磁軛優化設計

發電電動機的轉子磁軛結構目前主要分為三種結構：整體實心磁軛、疊片磁軛和整圓厚鋼板磁軛。針對高轉速發電電動機，目前國內外推薦才用整圓磁軛結構。按照《福建永泰抽水蓄能電站機組及其附屬設備采購合同》第二冊第4章第4.4.4條要求，永泰抽蓄轉子磁軛采用優質高強度鋼板780 CF制成，為整圓厚鋼板磁軛。根據目前國內才用整圓厚鋼板磁軛的制造情況分析，厚鋼板整環磁軛制造工藝復雜，周期較長，在工地安裝時需要嚴格控制磁軛加熱后厚鋼板片間容易出現錯牙的問題。為避免上述問題，經深入研究和討論，在沒有影響通風性能、導磁性能、安裝方式的情況下，永泰抽蓄發電電動機磁軛決定采用沒有片間接縫，整體性更好，能夠承受更大的離心力的環形厚鍛件代替厚鋼板疊片磁軛（如圖8所示）。

圖8 厚鍛件整環磁軛圈

作為機組的轉動部件，磁軛材料的選擇首先要滿足機械性能，保證各工況下應力值及疲勞均滿足合同要求；其次，由于通風冷卻需要，磁軛段間需設置導風帶，而導風帶與磁軛之間的固定優先采用焊接方式固定，因此要求磁軛鍛件材料具有一定的可焊性。由此可見磁軛鍛件材料選擇主要考慮良好的機械性能和良好的可焊性兩個因素。經調研比較，鍛件18 MnNiCrMo和780 CF鋼板的機械性能及化學成分分別見表1、表2。

表1 鍛件18 MnNiCrMo和780 CF鋼板機械性能對比表

從表1、表2可以看出，鍛件18MnNiCrMo機械性能與鋼板780CF相當，兩種材料的機械性能均滿足合同條款中關于磁軛應力計算的相關要求。同時兩種材料化學成分基本相當，但要求東方電機在鍛件訂貨技術條件中明確碳當量Ceq%不大于0.65，保證鍛件的焊接性能和焊縫質量。

3.4 磁軛導磁塊結構優化

近幾年來，國內外抽水蓄能電站機組在調試和運行過程中，由于焊接質量、設計缺陷、機組振動及離心力作用等原因引起部件脫落，造成轉子磁極松動、定子掃堂等嚴重設備安全事故，所以雙方技術人員針對采用整圓鍛件結構的磁軛導磁塊（通風槽擋塊）結構設計尤其謹慎，經過充分討論決定在每塊導磁塊中設置圓形凸臺，同時在磁軛鍛件中部設置一個凹槽將導磁塊直接嵌入。通過導磁塊凸臺止口應力的計算結果，可以有效避免焊縫開裂和在離心力作用下導磁塊甩出的現象，確保了轉子磁極的安全可靠運行。

圖9 磁軛鍛件裝配示意圖

3.5 推力軸承潤滑系統優化設計

根據目前已經投產運行的抽水蓄能電站機組推力軸承運行情況分析，由于抽水蓄能機組單機容量較大、轉速偏高，在采用推力軸承全浸泡潤滑方式下，機組運行時鏡板在潤滑油中高速旋轉，同時帶動推力軸承潤滑油在推力油槽內高速旋轉攪拌，將造成一定的攪拌損耗及降低了機組效率[2]，同時功率的損耗大部分轉換成油溫和瓦溫的升高，并形成大量的油霧問題。為了降低推力軸承瓦溫及減輕油霧影響，東電公司提出采用噴淋式低損耗推力軸承潤滑系統。通過對浸泡式和噴淋式兩種潤滑系統下的推力軸承性能試驗結果對比分析（見表3），最終同意采用噴淋式低損耗推力軸承潤滑系統。

表3 某350 MW發電電動機兩種形式推力軸承性能對比表

永泰抽水蓄能機組噴淋式推力軸承潤滑系統包括外循環油泵、油冷卻器及過濾器、高位油箱、瓦間噴油環管和油槽等組成。在正常狀態下運行時，油槽油位充至推力軸承與鏡板接觸面以下，利用推力外循環油泵打油至高位油箱，通過噴油環管在瓦間的進油邊向鏡板噴油，鏡板的旋轉將潤滑油帶入瓦面形成油膜。當推力外循環油泵停運時，高位油箱中的潤滑油在重力作用下迅速將推力油槽油位充滿，此時軸承處于傳統的浸泡式潤滑狀態（如圖10所示）。

圖10 兩種方式對比示間圖

4 結束語

在永泰抽水蓄能機組設計過程中，業主方專業技術人員充分發揮專業技術優勢和電站安裝調試、運行檢修豐富寶貴經驗，從有利于機組安全穩定運行、維護檢修方便的角度，給機組設備生產廠家設計人員提出了大量的優化設計和制造工藝改進的建議。針對業主提出的建議，東電公司設計人員高度重視并積極響應，進行了充分論證和驗算，雙方技術人員通過多渠道友好的技術溝通、討論、協商和研究，大量的優化建議已經完全融入到永泰抽水蓄能機組設計理念中，很好地展現了甲乙雙方良好合作關系和東電公司設計人員開放的設計思維，并進一步推動了設備廠家設計、制造和加工工藝水平的不斷提升。