海水抽水蓄能電站混流式水泵水輪機(jī)關(guān)鍵技術(shù)淺析

文樹潔，熊 欣，張 建

（東方電氣集團(tuán)東方電機(jī)有限公司，四川省德陽(yáng)市 618000）

海水抽水蓄能電站混流式水泵水輪機(jī)關(guān)鍵技術(shù)淺析

文樹潔，熊 欣，張 建

（東方電氣集團(tuán)東方電機(jī)有限公司，四川省德陽(yáng)市 618000）

海水抽水蓄能電站是抽水蓄能電站的一種新型式，相關(guān)技術(shù)研究具有前瞻性。本文重點(diǎn)分析總結(jié)了中高水頭海水抽水蓄能電站混流式水泵水輪機(jī)水力設(shè)計(jì)及選型、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料選擇及防腐蝕、防海洋生物附著等關(guān)鍵前沿技術(shù)，并就關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展及研究方向提出思考和建議，為我國(guó)未來自主化研發(fā)中高水頭海水抽水蓄能電站混流式水泵水輪機(jī)提供參考和依據(jù)。

海水抽水蓄能電站；混流式水泵水輪機(jī)；關(guān)鍵技術(shù)；防腐蝕

0 引言

海水抽水蓄能電站是抽水蓄能電站的一種新型式，相關(guān)技術(shù)研究具有前瞻性。根據(jù)國(guó)家能源局最新統(tǒng)計(jì)，我國(guó)海水抽水蓄能站點(diǎn)達(dá)238個(gè)，總裝機(jī)容量可達(dá)4203.8萬kW，海水抽水蓄能資源非常豐富。我國(guó)《水電發(fā)展“十三五”規(guī)劃》將研究試點(diǎn)海水抽水蓄能納入重點(diǎn)任務(wù)，要求加強(qiáng)關(guān)鍵技術(shù)研究，推動(dòng)建設(shè)海水抽水蓄能電站示范項(xiàng)目，填補(bǔ)我國(guó)該項(xiàng)目的空白。

由于海水抽水蓄能電站水泵水輪機(jī)工作介質(zhì)為化學(xué)性質(zhì)活潑的海水，因此水泵水輪機(jī)的水力設(shè)計(jì)及選型、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料選擇及防腐蝕等方面都有不同于常規(guī)水泵水輪機(jī)的特殊要求，需要深入研究。

1 海水抽水蓄能電站水泵水輪機(jī)技術(shù)應(yīng)用情況簡(jiǎn)介

海水抽水蓄能電站通常以大海作為下庫(kù)，在地形合理的海岸山地上修建上水庫(kù)。與常規(guī)陸地淡水抽水蓄能電站相比，具有無需建設(shè)下庫(kù)、水量充沛、水位變幅小、有利于水泵水輪機(jī)運(yùn)行等諸多有利條件。在淡水資源缺乏、常規(guī)淡水抽水蓄能電站建設(shè)條件較差、火電及核電等基荷電源集中的沿海地區(qū)以及沿海島國(guó)建設(shè)，具有很強(qiáng)的經(jīng)濟(jì)性及競(jìng)爭(zhēng)力[1-2]。

日本是海水抽水蓄能電站概念的提出者。1991年，日本的KANEDA等[3]在專利技術(shù)文獻(xiàn)中系統(tǒng)地提出海水抽水蓄能的概念及技術(shù)。1999年3月，日本建成世界上第一座試驗(yàn)運(yùn)行海水抽水蓄能電站——Okinawa Yambaru 電站。該電站裝機(jī)容量30MW，最大工作水頭152m，最大流量26m3/s，通過5年的試運(yùn)行，驗(yàn)證了海水抽水蓄能電站系統(tǒng)的可靠性，為世界范圍內(nèi)建設(shè)大容量、高水頭海水抽水蓄能電站奠定了技術(shù)實(shí)踐基礎(chǔ)[2]。Okinawa Yambaru 電站水泵水輪機(jī)參數(shù)如表1所示。

日本Okinawa Yambaru 海水抽水蓄能示范電站的建成投運(yùn)，極大地促進(jìn)了海水抽水蓄能技術(shù)的進(jìn)步。近年來，對(duì)儲(chǔ)能、電網(wǎng)調(diào)節(jié)有迫切需求的愛爾蘭、印度尼西亞、愛沙尼亞、希臘、沙特等靠近海岸線的國(guó)家紛紛開展海水抽水蓄能電站項(xiàng)目可行性分析。例如，中東國(guó)家提出的死海項(xiàng)目[2]，規(guī)劃利用海洋建立抽水蓄能電站，擬裝機(jī)規(guī)模為1500～2500MW，計(jì)劃將地中海的海水通過長(zhǎng)72km的壓力管道，注入Qumran上水庫(kù)，形成抽水蓄能電站發(fā)電、抽水條件；沙特阿拉伯的KOTIUGA等[2]對(duì)沙特阿拉伯西海岸的地形進(jìn)行了研究，對(duì)在沙特阿拉伯西海岸建立1000MW海水抽水蓄能系統(tǒng)進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)、技術(shù)可行性分析；葡萄牙的ROMAS[2]對(duì)佛得角群島建立海水抽水蓄能系統(tǒng)也進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)、技術(shù)可行性分析；由此可見，未來海水抽水蓄能電站技術(shù)應(yīng)用前景非常廣闊。但目前，除了日本Okinawa Yambaru電站對(duì)水泵水輪機(jī)技術(shù)進(jìn)行了真機(jī)驗(yàn)證，全世界后續(xù)規(guī)劃的海水抽水蓄能電站均沒有進(jìn)入實(shí)質(zhì)性建設(shè)階段，沒有經(jīng)過大規(guī)模特別是高水頭大容量電站的實(shí)際運(yùn)行驗(yàn)證。因此，海水抽水蓄能電站水泵水輪機(jī)技術(shù)仍需不斷完善，以適應(yīng)未來大規(guī)模的推廣應(yīng)用要求。

2 海水抽水蓄能電站水泵水輪機(jī)關(guān)鍵技術(shù)

海水抽水蓄能電站水泵水輪機(jī)機(jī)型有臥軸貫流式和立軸混流式兩種。臥軸貫流式水泵水輪機(jī)主要適用于低水頭、小容量海水抽水蓄能電站（H＜30m），其本質(zhì)是潮汐發(fā)電技術(shù)的延伸，作為儲(chǔ)能電站，推廣的意義及價(jià)值不大；立軸混流式水泵水輪機(jī)主要適用于中高水頭、大容量海水抽水蓄能電站（H≥30m），是未來海水抽水蓄能電站技術(shù)發(fā)展的主要方向。以下主要結(jié)合常規(guī)中高水頭、大容量混流式水泵水輪機(jī)成熟技術(shù)，對(duì)比探討分析中高水頭、大容量海水抽水蓄能電站混流式水泵水輪機(jī)水力設(shè)計(jì)及選型、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料選擇及防腐蝕、防止海洋生物附著等關(guān)鍵技術(shù)。

2.1 海水抽水蓄能電站混流式水泵水輪機(jī)水力設(shè)計(jì)及選型

中高水頭、大容量海水抽水蓄能電站混流式水泵水輪機(jī)水力設(shè)計(jì)與常規(guī)中高水頭、大容量混流式水泵水輪機(jī)水力設(shè)計(jì)相比，在能量性能和穩(wěn)定性方面，設(shè)計(jì)準(zhǔn)則并沒有顯著的差異。但在空化性能方面，由于海水蓄能電站工作介質(zhì)為海水，因此水力研發(fā)時(shí)應(yīng)更關(guān)注模型轉(zhuǎn)輪的空化性能。提高模型轉(zhuǎn)輪的空化性能，對(duì)真機(jī)轉(zhuǎn)輪運(yùn)行時(shí)抵抗海水介質(zhì)腐蝕具有重要的作用。

2.1.1 能量性能研究

海水的密度約為1.025×103kg/m3，不同海區(qū)略有不同，主要取決于海水中的含鹽量。海水較陸地淡水比重略大，單從能量性能研究角度，與淡水并無實(shí)質(zhì)性差異，可以在實(shí)驗(yàn)室中用淡水代替海水進(jìn)行研究。當(dāng)前模型轉(zhuǎn)輪開發(fā)的主流技術(shù)均是通過CFD模擬計(jì)算，分析水泵水輪機(jī)各部件內(nèi)部的流動(dòng)狀態(tài)，預(yù)估水泵水輪機(jī)的水力性能，再通過模型試驗(yàn)驗(yàn)證。在滿足空化、穩(wěn)定性要求的前提下，通過對(duì)固定導(dǎo)葉和活動(dòng)導(dǎo)葉的型線、相對(duì)位置、安放角、葉片翼型以及進(jìn)、出口角進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，來進(jìn)一步提高水泵水輪機(jī)能量性能。

2.1.2 水力穩(wěn)定性研究

由于海水抽水蓄能機(jī)組和常規(guī)淡水抽水蓄能機(jī)組一樣，在電力系統(tǒng)中需要擔(dān)負(fù)調(diào)峰、填谷、調(diào)相和事故備用等多種功能，因此也存在起停頻繁、工況轉(zhuǎn)換多樣等特點(diǎn)；此外如果輸水系統(tǒng)長(zhǎng)度過長(zhǎng)，水頭較高時(shí)其過渡過程也將異常復(fù)雜，水泵水輪機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性將異常重要。水力穩(wěn)定性不僅影響轉(zhuǎn)輪的使用壽命，而且關(guān)系到機(jī)組乃至電站能否長(zhǎng)期安全穩(wěn)定運(yùn)行。因此，提高水泵水輪機(jī)的水力穩(wěn)定性對(duì)機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要的作用。

海水抽水蓄能電站混流式水泵水輪機(jī)與常規(guī)混流式水泵水輪機(jī)一樣，水力穩(wěn)定性研究的主流技術(shù)也是通過CFD建模分析計(jì)算，通過對(duì)導(dǎo)葉數(shù)、葉片數(shù)、導(dǎo)葉分布圓直徑，固定導(dǎo)葉和活動(dòng)導(dǎo)葉的型線、相對(duì)位置、安放角、葉片翼型等進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以改善水輪機(jī)工況的“S”特性、水泵工況駝峰裕量，減小無葉區(qū)壓力脈動(dòng)，降低尾水管渦帶頻率產(chǎn)生的振動(dòng)，從而進(jìn)一步提高水泵水輪機(jī)水力穩(wěn)定性能。

2.1.3 空化性能研究

由于海水抽水蓄能電站工作介質(zhì)為化學(xué)性質(zhì)活躍的海水，因此對(duì)海水抽水蓄能電站水泵水輪機(jī)而言，空化性能更為關(guān)鍵。與常規(guī)混流式水泵水輪機(jī)一樣，水泵水輪機(jī)水泵工況的空化性能比水輪機(jī)工況更惡劣，因此在模型轉(zhuǎn)輪研發(fā)時(shí)，通常重點(diǎn)研究水泵工況的空化性能，模型試驗(yàn)驗(yàn)證后再反過來校核水輪機(jī)工況空化性能。水泵水輪機(jī)在高揚(yáng)程、小流量區(qū)域，葉片的背面容易產(chǎn)生空化；在低揚(yáng)程、大流量區(qū)域，葉片的正面也容易產(chǎn)生空化。因此，在海水水泵水輪機(jī)水力研發(fā)上，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注葉片型線、包角的優(yōu)化，提高轉(zhuǎn)輪空化性能。目前的主流技術(shù)是采用仿生學(xué)原理對(duì)葉片翼型進(jìn)行設(shè)計(jì)來提高空化性能，同時(shí)也可以達(dá)到機(jī)組生態(tài)過魚的要求，減少機(jī)組運(yùn)行時(shí)對(duì)淺海海洋魚類的傷害。

2.1.4 海水抽水蓄能電站混流式水泵水輪機(jī)選型

海水抽水蓄能電站水泵水輪機(jī)參數(shù)的選擇直接關(guān)系到電站的經(jīng)濟(jì)性和可靠性，是抽水蓄能電站設(shè)計(jì)中極其重要的一環(huán)。海水抽水蓄能電站水泵水輪機(jī)選型與常規(guī)混流式水泵水輪機(jī)選型并無本質(zhì)性的差異，水泵水輪機(jī)參數(shù)選擇的關(guān)鍵是比轉(zhuǎn)速的確定。比轉(zhuǎn)速是表征水泵水輪機(jī)技術(shù)經(jīng)濟(jì)的綜合性指標(biāo)，它的高低可大致表征其性能水平要求的高低，并直接影響到機(jī)組尺寸、重量、空蝕及運(yùn)行穩(wěn)定性等。

水輪機(jī)工況比轉(zhuǎn)速計(jì)算公式為：

水泵工況比轉(zhuǎn)速計(jì)算公式為：

式中：nst——水輪機(jī)工況比轉(zhuǎn)速，m·kW；

nsq——水泵工況比轉(zhuǎn)速，m·m3/s；

n——水泵水輪機(jī)額定轉(zhuǎn)速，r/min；

N——水泵水輪機(jī)出力，kW；

HT——水泵水輪機(jī)凈水頭，m；

HQ——水泵凈揚(yáng)程，m；

QP——水泵流量，m3/s。

從式（1）和式（2）可以看出，海水抽水蓄能電站，在機(jī)組容量和水頭確定后，提高水泵水輪機(jī)比轉(zhuǎn)速的最有效方法是提高機(jī)組的轉(zhuǎn)速，機(jī)組轉(zhuǎn)速的提高可以減小水泵水輪機(jī)及發(fā)電電動(dòng)機(jī)的尺寸，降低主機(jī)設(shè)備成本，同時(shí)也可以減小機(jī)組平面尺寸和高度，從而減小廠房尺寸，降低土建成本；但另一方面，過高的機(jī)組轉(zhuǎn)速會(huì)使得水泵水輪機(jī)的水力研發(fā)難度加大，水泵水輪機(jī)的空化性能將變壞，提高了水泵水輪機(jī)的制造難度及安全運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)[4]。因此，針對(duì)海水抽水蓄能電站，比轉(zhuǎn)速的選擇，更需要綜合評(píng)價(jià)分析。

由于目前海水抽水蓄能投運(yùn)電站極少，水泵水輪機(jī)參數(shù)不具備統(tǒng)計(jì)規(guī)律。因此，在海水抽水蓄能電站混流式水泵水輪機(jī)選型時(shí)，可參考常規(guī)混流式水泵水輪機(jī)電站的參數(shù)統(tǒng)計(jì)進(jìn)行初步選型。行業(yè)內(nèi)一般以水泵水輪機(jī)額定水頭（或最大水頭工況）和水泵最低揚(yáng)程工況下參數(shù)[4]衡量水泵水輪機(jī)的比轉(zhuǎn)速和比速系數(shù)水平高低。常規(guī)抽水蓄能電站水泵水輪機(jī)工況額定水頭與額定比轉(zhuǎn)速的統(tǒng)計(jì)曲線如圖1所示，水泵工況最小揚(yáng)程與最大比轉(zhuǎn)速的統(tǒng)計(jì)曲線如圖2所示。

從圖1和圖2可以看出，在電站水頭參數(shù)和單機(jī)容量確定后，機(jī)組水輪機(jī)及水泵工況比轉(zhuǎn)速將會(huì)對(duì)應(yīng)一個(gè)較為合理的參數(shù)區(qū)間，根據(jù)水輪機(jī)及水泵工況的比轉(zhuǎn)速公式反算出其對(duì)應(yīng)的合理轉(zhuǎn)速范圍值，再結(jié)合模型轉(zhuǎn)輪研發(fā)情況、發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)難度等綜合因素可確定機(jī)組的額定轉(zhuǎn)速。

海水抽水蓄能電站水泵水輪機(jī)額定轉(zhuǎn)速確定后，選型工作的任務(wù)就是確定轉(zhuǎn)輪直徑、機(jī)組吸出高度等其他參數(shù)。海水抽水蓄能電站水泵水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪直徑和機(jī)組吸出高度的確定，其原則與常規(guī)抽水蓄能電站水泵水輪機(jī)沒有本質(zhì)的差異。轉(zhuǎn)輪直徑的選擇，應(yīng)兼顧水輪機(jī)和水泵的性能，水泵性能需要在選定額定轉(zhuǎn)速下考慮頻率變化區(qū)的駝峰裕量。與常規(guī)水泵水輪機(jī)一樣，建議駝峰區(qū)裕量不小于最大揚(yáng)程的1.5%～3%。此外，還要關(guān)注水泵最大入力，盡量控制水泵在高效率區(qū)運(yùn)行，并在規(guī)定的揚(yáng)程范圍內(nèi)與駝峰區(qū)裕量平衡。海水抽水蓄能電站吸出高度的選擇，和常規(guī)抽水蓄能電站一樣，都是按照可以滿足水泵水輪機(jī)最危險(xiǎn)工況無空化運(yùn)行確定，同時(shí)針對(duì)輸水系統(tǒng)復(fù)雜的高水頭電站，也要考慮過渡工況下尾水管發(fā)生水柱分離的危險(xiǎn)因素。針對(duì)海水抽水蓄能電站的特殊運(yùn)行介質(zhì)，建議在計(jì)算機(jī)組吸出高度時(shí)，在采信常規(guī)蓄能電站裝置空化系數(shù)時(shí)，留有不小于10%的介質(zhì)空化安全裕量，以降低海水抽水蓄能電站安裝高程，為水泵水輪機(jī)無空化運(yùn)行創(chuàng)造較好的條件。

2.1.5 海水抽水蓄能電站混流式水泵水輪機(jī)水力研發(fā)及選型的思考及建議

海水抽水蓄能電站與常規(guī)抽水蓄能電站相比，由于工作介質(zhì)的顯著差異，在水力研發(fā)時(shí)應(yīng)重點(diǎn)加強(qiáng)海水介質(zhì)下提高水泵水輪機(jī)空化性能方面的研究，提高海水抽水蓄能電站水泵水輪機(jī)的運(yùn)行可靠性。有試驗(yàn)條件的，可以有針對(duì)性地開展海水介質(zhì)下的模擬試驗(yàn)，以進(jìn)一步提高理論認(rèn)識(shí)。

對(duì)于海水抽水蓄能電站混流式水泵水輪機(jī)選型，從提高機(jī)組穩(wěn)定性方面，建議遵循以下兩個(gè)選型準(zhǔn)則：

（1）選取較低的比轉(zhuǎn)速。即選取常規(guī)抽水蓄能電站水泵水輪機(jī)統(tǒng)計(jì)曲線的下限，以提高水泵水輪機(jī)的空化性能。

（2）選取合理的吸出高度。在經(jīng)濟(jì)性允許前提下，盡可能低的吸出高度可以確保海水抽水蓄能電站水泵水輪機(jī)在運(yùn)行中不發(fā)生空蝕，保證機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

2.2 海水抽水蓄能電站混流式水泵水輪機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

總體而言，伴隨國(guó)內(nèi)外高水頭、大容量常規(guī)抽水蓄能電站近年來的大規(guī)模建設(shè)投運(yùn)，常規(guī)混流式水泵水輪機(jī)結(jié)構(gòu)形式已日趨成熟、結(jié)構(gòu)型式可靠性極高。海水抽水蓄能電站水泵水輪機(jī)結(jié)構(gòu)型式，完全可以借鑒常規(guī)混流式水泵水輪機(jī)結(jié)構(gòu)型式，并在充分考慮水泵水輪機(jī)因海水腐蝕大修周期較短的典型特點(diǎn)，進(jìn)一步優(yōu)化水泵水輪機(jī)結(jié)構(gòu)，從而保障海水抽水蓄能電站長(zhǎng)期、安全、穩(wěn)定運(yùn)行，以下結(jié)合常規(guī)混流式水泵水輪機(jī)結(jié)構(gòu)型式，簡(jiǎn)述海水抽水蓄能電站水泵水輪機(jī)主要部件結(jié)構(gòu)型式選擇及優(yōu)化的方向。

2.2.1 海水抽水蓄能電站混流式水泵水輪機(jī)總體布置型式

常規(guī)水泵水輪機(jī)總體布置方式按機(jī)組檢修方式分為上拆、中拆、下拆布置方式。所謂上拆總體布置方式，是指水泵水輪機(jī)的主軸、導(dǎo)葉操作機(jī)構(gòu)、頂蓋、轉(zhuǎn)輪等部件，均需向上通過吊出發(fā)電電動(dòng)機(jī)機(jī)坑來檢修，因此水泵水輪機(jī)檢修時(shí)必須拆出發(fā)電電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子等部件來完成機(jī)組大修。典型水泵水輪機(jī)上拆總體布置圖如圖3所示。

水泵水輪機(jī)中拆總體布置型式，是指在水輪機(jī)層設(shè)置有中間層并設(shè)置有專門的檢修廊道，水泵水輪機(jī)在檢修時(shí)，無需拆除發(fā)電電動(dòng)機(jī)。水泵水輪機(jī)主軸、導(dǎo)葉操作機(jī)構(gòu)、頂蓋、轉(zhuǎn)輪、底環(huán)等主要部件可以通過水輪機(jī)中間層的檢修廊道吊出檢修。水泵水輪機(jī)中拆布置結(jié)構(gòu)總體布置較復(fù)雜，水泵水輪機(jī)設(shè)置有中間軸，機(jī)組軸系較長(zhǎng)，需要較為復(fù)雜的檢修工具完成檢修。如電站廠房布置條件寬松，在廠房高度允許的前提下也可采用中拆方式布置。典型水泵水輪機(jī)中拆總體布置圖如圖4所示。

水泵水輪機(jī)下拆總體布置方式，是指水泵水輪機(jī)易損檢修部件，例如底環(huán)、導(dǎo)葉、轉(zhuǎn)輪等可通過專門設(shè)置的尾水檢修廊道吊出檢修。水泵水輪機(jī)下拆總體布置方式，水泵水輪機(jī)結(jié)構(gòu)布置緊湊，在拆除尾水錐管后，可以方便地拆出水泵水輪機(jī)底環(huán)、導(dǎo)葉、轉(zhuǎn)輪等易損部件，水泵水輪機(jī)檢修周期較短。典型水泵水輪機(jī)下拆總體布置圖如圖5所示。日本Okinawa Yambaru 海水抽水蓄能就采用下拆總體布置結(jié)構(gòu)，如圖6所示[5]。

考慮到海水水泵水輪機(jī)受海水腐蝕檢修將較頻繁，而發(fā)電電動(dòng)機(jī)做基本防腐蝕保護(hù)后，不會(huì)受到海水介質(zhì)腐蝕的顯著影響，因此針對(duì)海水抽水蓄能電站水泵水輪機(jī)，推薦采用不拆發(fā)電電動(dòng)機(jī)檢修的下拆總體布置型式。

2.2.2 海水抽水蓄能電站混流式水泵水輪機(jī)關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)型式

2.2.2.1 蝸殼及座環(huán)

蝸殼及座環(huán)作為水泵水輪機(jī)埋入部分的兩大部件，既是機(jī)組的基礎(chǔ)件，又是機(jī)組通流部件的組成部分，承受隨機(jī)組運(yùn)行工況改變而變化的水壓分布載荷以及頂蓋傳導(dǎo)過來的作用力。海水水泵水輪機(jī)座環(huán)結(jié)構(gòu)與常規(guī)水泵水輪機(jī)結(jié)構(gòu)無較大差異，座環(huán)推薦采用上、下環(huán)板與固定導(dǎo)葉焊接而成的平行箱體結(jié)構(gòu)形式，其上、下環(huán)板采用抗層狀撕裂鋼板制造，固定導(dǎo)葉采用高強(qiáng)度鋼板制造。蝸殼采用高強(qiáng)度鋼板焊接制造，在工地采用保壓澆灌混凝土。但由于蝸殼座環(huán)過流介質(zhì)為海水，蝸殼及座環(huán)過流面須采用特殊防腐蝕工藝處理。

2.2.2.2 頂蓋及底環(huán)

頂蓋及底環(huán)作為水泵水輪機(jī)的重要結(jié)構(gòu)部件，同時(shí)也是流道的組成部分，其承受著機(jī)組水壓變化的作用力，從功能上要求其必須具有足夠的強(qiáng)度和剛度。海水水泵水輪機(jī)的頂蓋及底環(huán)與常規(guī)水泵水輪機(jī)頂蓋及底環(huán)在結(jié)構(gòu)上并無本質(zhì)差異。但為防止海水腐蝕，海水水泵水輪機(jī)頂蓋、底環(huán)抗磨板及頂蓋、底環(huán)過水面須鋪焊耐海水腐蝕的低碳奧氏體不銹鋼[6]，而常規(guī)水泵水輪機(jī)在相同部位多采用馬氏體不銹鋼。

除此之外，由于海水水泵水輪機(jī)多為下拆結(jié)構(gòu)，其底環(huán)無法像常規(guī)水泵水輪機(jī)完全澆筑于混凝土中，其結(jié)構(gòu)剛強(qiáng)度要求較常規(guī)水泵水輪機(jī)更高。

2.2.2.3 活動(dòng)導(dǎo)葉及其密封結(jié)構(gòu)

海水水泵水輪機(jī)活動(dòng)導(dǎo)葉與常規(guī)水泵水輪機(jī)活動(dòng)導(dǎo)葉在結(jié)構(gòu)上差異不大，但考慮耐海水腐蝕性，海水水泵水輪機(jī)活動(dòng)導(dǎo)葉推薦采用抗海水腐蝕性能更好的低碳奧氏體鑄造不銹鋼，而常規(guī)水泵水輪機(jī)活動(dòng)導(dǎo)葉多采用馬氏體鑄造不銹鋼。

除材質(zhì)與常規(guī)水泵水輪機(jī)活動(dòng)導(dǎo)葉有區(qū)別之外，海水水泵水輪機(jī)活動(dòng)導(dǎo)葉中、下軸頸均也采用雙重密封，較常規(guī)水泵水輪機(jī)活動(dòng)導(dǎo)葉軸頸的單層密封更加可靠，以防止海水滲漏腐蝕。軸頸密封材質(zhì)推薦使用耐海水的氟橡膠，而非常規(guī)水泵水輪機(jī)活動(dòng)導(dǎo)葉密封所使用的耐水聚氨酯材料。為進(jìn)一步驗(yàn)證導(dǎo)葉軸頸密封的可靠性，須在工地安裝就位后，對(duì)其進(jìn)行水壓試驗(yàn)，以保證其達(dá)到設(shè)計(jì)要求，并應(yīng)單獨(dú)設(shè)置自動(dòng)化監(jiān)測(cè)裝置對(duì)軸頸密封漏水量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

2.2.2.4 主軸及轉(zhuǎn)輪

水輪機(jī)主軸承受著水輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)部分重量及軸向水推力，同時(shí)傳遞轉(zhuǎn)輪所產(chǎn)生的扭矩。海水水泵水輪機(jī)主軸及轉(zhuǎn)輪與常規(guī)水泵水輪機(jī)主軸轉(zhuǎn)輪在結(jié)構(gòu)上差異不大，但材質(zhì)差異明顯。

海水水泵水輪機(jī)主軸推薦采用低碳奧氏體鍛造不銹鋼，其抗腐蝕性能遠(yuǎn)超常規(guī)水泵水輪機(jī)主軸使用的普通鍛鋼。同時(shí)，為進(jìn)一步提高其抗電化腐蝕能力，海水水泵水輪機(jī)主軸還須單獨(dú)設(shè)置防電化腐蝕裝置。

海水水泵水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)同常規(guī)水泵水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)型式相同，也可采用鑄焊結(jié)構(gòu)。海水水泵水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪上冠、下環(huán)及葉片材質(zhì)推薦采用耐海水腐蝕的低碳奧氏體鑄造不銹鋼，而常規(guī)水泵水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪材質(zhì)為馬氏體鑄造不銹鋼。

2.2.2.5 水導(dǎo)軸承

常規(guī)水泵水輪機(jī)水導(dǎo)軸承多采用稀油潤(rùn)滑分塊瓦軸承，海水水泵水輪機(jī)水導(dǎo)軸承可采用稀油潤(rùn)滑分塊瓦軸承，也可采用無油固體潤(rùn)滑軸承方案。

無油固體潤(rùn)滑軸承由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，海水不宜進(jìn)入，從外部便于清洗，可以有效防止電氣腐蝕和間隙腐蝕，且拆卸檢修方便，其推廣應(yīng)用前景廣泛。但由于目前此類水導(dǎo)軸承只應(yīng)用在徑向力較小的水泵水輪機(jī)上，對(duì)徑向力較大的水泵水輪機(jī)，其結(jié)構(gòu)適用性還應(yīng)作進(jìn)一步研究。

海水水泵水輪機(jī)采用稀油潤(rùn)滑分塊瓦軸承時(shí)，若其水導(dǎo)軸承外置冷卻器內(nèi)部冷卻介質(zhì)為海水，冷卻器防腐須采用特殊工藝，同時(shí)為避免由于海洋生物附著導(dǎo)致的冷卻器失效，稀油潤(rùn)滑分塊瓦水導(dǎo)軸承其冷卻器宜布置一主一備，以確保水導(dǎo)軸承的正常運(yùn)行。

2.2.2.6 主軸密封

海水水泵水輪機(jī)主軸密封結(jié)構(gòu)型式主要有彈簧補(bǔ)償式徑向密封和水壓端面軸向密封兩種。由于徑向密封為接觸式密封，存在密封漏水量過大，被密封海水易泄漏等缺點(diǎn)，故海水水泵水輪機(jī)宜優(yōu)先采用軸向密封結(jié)構(gòu)型式。

海水水泵水輪機(jī)軸向密封與常規(guī)水泵水輪機(jī)軸向密封在結(jié)構(gòu)形式上一致，其差別主要體現(xiàn)在主軸密封各結(jié)構(gòu)件材質(zhì)上。由于海水水泵水輪機(jī)主軸密封被密封水為海水，其主密封圈抗磨性及抗腐蝕性較常規(guī)水泵水輪機(jī)要求更高。目前主密封圈材質(zhì)主要采用耐海水腐蝕的為高分子材料。也有研究表明，用陶瓷材質(zhì)制作的主密封圈在海水環(huán)境中，其抗磨性及抗腐蝕性更優(yōu)秀。

2.3 海水水泵水輪機(jī)關(guān)鍵部件防腐蝕技術(shù)研究

在海水中運(yùn)行的機(jī)器，如潮汐發(fā)電站、船舶驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、火電站和核電站的冷卻水系統(tǒng)等，已有成熟的防腐蝕經(jīng)驗(yàn)。但海水水泵水輪機(jī)由于其流道內(nèi)海水流速較高，對(duì)水泵水輪機(jī)材料的防腐提出了更高要求，目前主流的防蝕技術(shù)主要分為四個(gè)方面。

2.3.1 材料改進(jìn)

為了提高海水水泵水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪、活動(dòng)導(dǎo)葉等重要部件在海水中的疲勞強(qiáng)度及耐蝕性能，如前所述，海水水泵水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪及活動(dòng)導(dǎo)葉均推薦采用耐海水腐蝕的低碳奧氏體鑄造不銹鋼材質(zhì)；主軸推薦采用耐海水腐蝕的低碳奧氏體鍛造不銹鋼；頂蓋、底環(huán)過流面推薦采用耐海水腐蝕的低碳奧氏體不銹鋼抗磨板，其頂蓋、底環(huán)過水面也推薦采用鋪焊用耐海水腐蝕的低碳奧氏體不銹鋼。以上材質(zhì)相對(duì)常規(guī)水泵水輪機(jī)同部位材質(zhì)在防腐性能上有極大的提高，且隨著材料科學(xué)技術(shù)進(jìn)步，海水水泵水輪機(jī)部件材質(zhì)的抗蝕能力會(huì)進(jìn)一步提高。

2.3.2 涂層防腐及絕緣處理

海水水泵水輪機(jī)在轉(zhuǎn)輪、活動(dòng)導(dǎo)葉、主軸等關(guān)鍵部位上均采用不銹鋼材質(zhì)，但出于結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及經(jīng)濟(jì)性考慮，海水水泵水輪機(jī)在蝸殼座環(huán)、頂蓋及底環(huán)非過水面、高強(qiáng)度聯(lián)接螺栓等多個(gè)部位無法使用不銹鋼材質(zhì)。此時(shí)，為了防止發(fā)生間隙腐蝕、異種金屬腐蝕等電氣腐蝕，需對(duì)以上部位進(jìn)行防腐涂層保護(hù)或進(jìn)行絕緣處理。目前，海水水泵水輪機(jī)防腐涂層及絕緣處理方法還需要作進(jìn)一步的研究。

2.3.3 電氣防腐

海水水泵水輪機(jī)除采用耐海水腐蝕不銹鋼材料及防銹涂層等防蝕手段之外，為了防止由于涂層損傷引起的點(diǎn)蝕及間隙腐蝕，還可設(shè)置電氣防蝕裝置。

電氣防蝕方法分為陰極法（外加電源法）與陽(yáng)極法（犧牲陽(yáng)極方式）兩種。在腐蝕環(huán)境中，一般情況下因環(huán)境條件與金屬條件的不同，局部產(chǎn)生電位差，從而導(dǎo)致電位低的陽(yáng)極產(chǎn)生離子化，發(fā)生腐蝕。

陰極法原理上是通過調(diào)整外加電流大小，施加高于陽(yáng)極的直流電位差，從而將局部陽(yáng)極轉(zhuǎn)變?yōu)殛帢O，起到防腐蝕的目的。由于設(shè)置了外部電源，所以將其稱之為電氣防蝕。在防蝕對(duì)象的各個(gè)部位中，電極的位置和數(shù)量是按照電位差一定的條件來選定的。由于電氣防蝕會(huì)將海水電解產(chǎn)生氯氣，氯氣濃度一旦變高，就會(huì)使涂刷保護(hù)膜惡化，使不銹鋼鈍化膜遭到破壞，為此海水水泵水輪機(jī)應(yīng)單獨(dú)設(shè)置將氯氣從轉(zhuǎn)輪室排放到排水坑的氯氣排放裝置。建議在海水水泵水輪機(jī)主軸、頂蓋等部件上設(shè)置陰極法電氣防腐裝置[5]。

陽(yáng)極法也稱作犧牲陽(yáng)極方式，犧牲陽(yáng)極的材質(zhì)按金屬的電位順序來確定，使電位（陽(yáng)極側(cè)）經(jīng)常低于防蝕對(duì)象材質(zhì)的電位，這樣在犧牲陽(yáng)極被持續(xù)消耗的過程中，就會(huì)起到陰極側(cè)防蝕的效果。雖然犧牲陽(yáng)極是需要定期更換的，但是與電氣防蝕相比，仍是一種廉價(jià)的裝置。建議在海水水泵水輪機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜且難以設(shè)置電氣防蝕用電極裝置的部件，例如主軸密封上采用陽(yáng)極法[5]。

2.4 水泵水輪機(jī)部件防海洋生物附著技術(shù)研究

對(duì)于海水抽水蓄能電站來說，海洋生物附著會(huì)堵塞海水循環(huán)通道，腐蝕管路，極大程度地影響海水抽水蓄能電站的安全穩(wěn)定運(yùn)行。截至目前，針對(duì)海水水泵水輪機(jī)部件的海洋生物附著污染防護(hù)還主要以試驗(yàn)為主，盡管在某些應(yīng)用方面取得了一定的進(jìn)展，但由于海洋生物的多樣性和海洋環(huán)境的復(fù)雜性，目前海洋生物附著的防污保護(hù)并沒有得到真正意義上的解決。當(dāng)前主流的海洋生物附著防護(hù)方法主要分為物理法與化學(xué)法。

2.4.1 物理法

2.4.1.1 涂層法

在水泵水輪機(jī)部件表面采用特殊涂層的方式，阻止海洋生物附著。單從涂層防生物附著角度來看，其防附著能力最強(qiáng)的是有機(jī)硅橡膠，其次是聚四氟乙烯[7]。但海水水泵水輪機(jī)涂層除應(yīng)具備防止海洋生物附著能力外，還需具備良好的抗海水腐蝕防護(hù)性能，從目前情況來看，還需作進(jìn)一步的研究。

2.4.1.2 超聲波法與射線法

有研究表明，采用超聲波可以驅(qū)趕海洋生物，防止生物附著，但這種方法效果不穩(wěn)定，且費(fèi)用昂貴，成本高[7]。此外，利用同位素產(chǎn)生射線防止海洋生物附著也相當(dāng)有效，但此方法對(duì)健康和環(huán)保有潛在威脅，故在海水水泵水輪機(jī)上還未有推廣應(yīng)用。

2.4.1.3 其他物理方法

有研究表明，利用溫度、磁場(chǎng)、水力、液膜層、強(qiáng)力水波等物理方法也可防止海洋生物附著，但均處于試驗(yàn)階段，沒有經(jīng)過大規(guī)模驗(yàn)證[7]。

2.4.2 化學(xué)法

與物理法相比，化學(xué)法防止海洋生物附著更加有效，但部分方法容易破壞環(huán)境，殺滅生物，且有害物的富集會(huì)危害人類的健康，應(yīng)選擇性應(yīng)用。

2.4.2.1 電化學(xué)法

電化學(xué)法防止海洋生物附著在船舶工業(yè)中運(yùn)用成熟，其防附著能力強(qiáng)且有效期長(zhǎng)，同時(shí)電化學(xué)法還可以有效地防止海水水泵水輪機(jī)電化腐蝕，一舉兩得，應(yīng)推薦優(yōu)先采用。

2.4.2.2 毒素滲出法

毒素滲出法主要是利用有毒金屬氧化物（如銅、鋅、鉛等金屬氧化物）、有機(jī)毒物（如有機(jī)錫、DDT、有機(jī)鉛、有機(jī)碑等）、氯氣、臭氧等有毒元素來殺死海洋附著生物，但其有毒元素容易擴(kuò)散，影響生態(tài)環(huán)境[7]，不推薦在海水水泵水輪機(jī)使用。

綜上，由于海洋環(huán)境復(fù)雜性和生物多樣性，海水水泵水輪機(jī)的海洋生物附著一直是人們關(guān)注但尚未完全解決的問題。目前研究情況表明，多種方法結(jié)合往往比單一方法更為有效，海水水泵水輪機(jī)防海洋生物附著應(yīng)優(yōu)先采用物理涂層法和電化學(xué)法，但兩種方法均需進(jìn)一步研究，其結(jié)合防護(hù)也還需要作進(jìn)一步研究工作。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文重點(diǎn)闡述了海水抽水蓄能電站混流式水泵水輪機(jī)關(guān)鍵技術(shù)，并就關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展及研究方向提出思考和建議。近年來，東方電機(jī)在常規(guī)蓄能電站技術(shù)研發(fā)方面取得了長(zhǎng)足進(jìn)步，相繼自主完成仙游、仙居、深蓄、績(jī)溪、敦化等多個(gè)高水頭大容量蓄能電站機(jī)組的技術(shù)研發(fā)工作，其中仙游、仙居電站機(jī)組已投入運(yùn)行，技術(shù)水平達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。針對(duì)我國(guó)《水電發(fā)展“十三五”規(guī)劃》要求，東方電機(jī)積極開展海水抽水蓄能電站機(jī)組相關(guān)技術(shù)前期研究工作。隨著我國(guó)進(jìn)一步大力推動(dòng)建設(shè)海水抽水蓄能電站示范項(xiàng)目，東方電機(jī)將進(jìn)一步加強(qiáng)海水抽水蓄能電站水泵水輪機(jī)關(guān)鍵技術(shù)研究工作，為促進(jìn)我國(guó)海水抽水蓄能電站機(jī)電技術(shù)進(jìn)步做出貢獻(xiàn)。

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2017-08-15

2017-09-21

文樹潔（1979—），男，高級(jí)工程師，主要研究方向：水輪機(jī)結(jié)構(gòu)及初步設(shè)計(jì)等。E-mail：wenshujie@dfem．com．cn

熊 欣（1983—），男，工程師，主要研究方向：水輪機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。E-mail：25257719@qq．com

張 建（1986—），男，工程師，主要研究方向：水輪機(jī)初步設(shè)計(jì)。E-mail：freestorn@163．com

Analysis of Francis Pump Turbine Key Technology in Seawater Pumped Storage Power Station

WEN Shujie，XIONG Xin，ZHANG Jian
（Dongfang Electric Machinery Co.，Ltd. Deyang 618000，China）

The seawater pumped storage station is a new type of pump storage power station，and the related technical research is prospective. This paper introduces and summaries the key technologies of medium and high head seawater pumped storage turbine such as the hydraulic design and type selection，structural design，material selection，anticorrosion，marine biological attachment protection，and proposes some thoughts and suggestions on the development of key technologies for China’s future independent R&D seawater pumped storage power station.

seawater pumped storage power station；francis pump turbine；key technology；corrosion protection

TV734

A學(xué)科代碼：570．30

10．3969/j．issn．2096-093X．2017．05．003