溧陽抽水蓄能電站機組設(shè)備國產(chǎn)化工作策劃與實踐

章存建，陳忠賓

(江蘇國信溧陽抽水蓄能發(fā)電有限公司，江蘇溧陽213334)

1 基本情況

溧陽抽水蓄能電站(以下簡稱“溧陽電站”)是江蘇省首個抽水蓄能機組國產(chǎn)化項目，裝有6臺單機容量為250 MW混流可逆式機組，2017年6臺機組全部投產(chǎn)。

2008年11月26日，國家發(fā)展和改革委員會以發(fā)改能源[2008]3181號《印發(fā)國家發(fā)展改革委關(guān)于江蘇溧陽抽水蓄能電站項目核準的請示的通知》核準了溧陽電站項目，文中明確“為鞏固抽水蓄能電站機組設(shè)備技術(shù)引進成果，實現(xiàn)抽水蓄能電站機組設(shè)備自主化(國產(chǎn)化)目標，溧陽電站項目列為抽水蓄能電站機組設(shè)備國產(chǎn)化后續(xù)工作的依托項目，機組設(shè)備(含主機以及調(diào)速器、勵磁、變頻啟動裝置和計算機監(jiān)控系統(tǒng)等附屬設(shè)備)采用招議標方式在哈爾濱電機廠有限責(zé)任公司(簡稱“哈電”)和東方電氣集團東方電機有限公司(簡稱“東電”)之間進行采購，由哈電或東電獨立成套設(shè)計、制造和供貨。

溧陽電站核準時，哈電和東電在國家重點支持下，通過打捆招標、引進技術(shù)，抽水蓄能機組設(shè)備研發(fā)制造水平有了長足的進步，但當(dāng)時尚無獨立開發(fā)制造的大型抽水蓄能機組投運。機組設(shè)備的性能質(zhì)量關(guān)系到電站能否順利達標投產(chǎn)，關(guān)系到電站長期安全穩(wěn)定運行。項目公司對機組設(shè)備國產(chǎn)化工作高度重視，進行了專門的策劃和研究，有序、穩(wěn)健、扎實并有創(chuàng)新地開展各項工作。

2 招議標工作

2.1 確定招標范圍

根據(jù)核準文件要求，調(diào)速系統(tǒng)、勵磁系統(tǒng)、計算機監(jiān)控系統(tǒng)、變頻啟動裝置隨主機一同納入機組設(shè)備招議標范圍。為方便各系統(tǒng)和設(shè)備間的技術(shù)協(xié)調(diào)和責(zé)任劃分，將與主機設(shè)備關(guān)系密切、協(xié)調(diào)工作較多的機組狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)、發(fā)電電動機保護、變壓器保護及500 kV電纜保護也納入機組設(shè)備招議標范圍；同時，考慮到國內(nèi)承包商的成套能力和經(jīng)驗，將工作界面清晰、自成系統(tǒng)的其他系統(tǒng)和設(shè)備另行招標采購，以形成足夠的競爭態(tài)勢。

2.2 調(diào)研交流

項目核準之前，項目公司就根據(jù)可研階段設(shè)計成果、可研報告審查意見、項目申請報告評估意見，開展了前期調(diào)研準備工作。組織設(shè)計院編制完成《機組廠家調(diào)研大綱》，并分別發(fā)至國內(nèi)外相關(guān)主機設(shè)備廠家，開始了主機設(shè)備的前期調(diào)研。階段調(diào)研重點內(nèi)容為：征詢各廠家對溧陽電站項目所做的技術(shù)方案，就溧陽電站可研階段確定的水泵水輪機、發(fā)電電動機基本參數(shù)與各廠家進行交流，重點校核主要結(jié)構(gòu)和參數(shù)的合理性；針對可研報告審查意見及項目申請報告評估意見中提到的相關(guān)問題與各廠家進行交流；了解各廠家的設(shè)計制造能力、設(shè)備價格等。項目核準后，組織設(shè)計院與哈電、東電又進行了針對性的集中交流。

為做好附屬成套設(shè)備的采購，項目公司先后組織與調(diào)速、勵磁、變頻啟動裝置、繼電保護、機組狀態(tài)監(jiān)測、計算機監(jiān)控等附屬設(shè)備廠家進行了20多次技術(shù)交流；同時組織對部分附屬設(shè)備廠家進行考察，實地察看廠家生產(chǎn)加工情況。通過交流和考察，基本掌握了當(dāng)時附屬設(shè)備的制造水平。在對主要附屬設(shè)備廠家的開發(fā)生產(chǎn)能力和業(yè)績進行了解對比的基礎(chǔ)上，同時，考慮將來設(shè)備運行維護、升級改造的成本和便捷性，確定附屬設(shè)備資格要求。原則上哈電和東電對每個附屬設(shè)備提供三家相應(yīng)的廠家供溧陽電站項目比選，至少不得少于兩家。

溧陽電站招議標準備工作期間，國內(nèi)抽水蓄能電站機電設(shè)備相繼發(fā)現(xiàn)了一些較大缺陷，為提前做好防范措施，項目公司采用調(diào)研和邀請交流等方式，收集有關(guān)抽水蓄能電站機電設(shè)備缺陷資料，進行總結(jié)提煉，在后續(xù)工作中對機組穩(wěn)定性、發(fā)電電動機磁極的結(jié)構(gòu)設(shè)計、水泵水輪機水力開發(fā)等予以了足夠重視。

2.3 設(shè)計優(yōu)化

項目公司在認真研究調(diào)研交流材料后，對有關(guān)設(shè)計進行了優(yōu)化，其中主要工作有[1]：

(1)吸出高度調(diào)整?？紤]到溧陽電站水頭變幅較大，機組水力設(shè)計難度大，保證機組的安全穩(wěn)定運行應(yīng)放在第一位。根據(jù)各廠家方案中機組吸出高度值，將可研設(shè)計階段確定的機組吸出高度-50 m調(diào)整為-57 m，保證了有效空蝕裕量，提高了機組的空化性能，對機組投產(chǎn)后的穩(wěn)定高效運行有著積極的意義。

(2)轉(zhuǎn)動慣量調(diào)整?？裳须A段轉(zhuǎn)動慣量初步確定為12 000 t·m2，廠家提供的方案中，溧陽電站機組轉(zhuǎn)動慣量在6 500～9 500 t·m2之間。轉(zhuǎn)動慣量選擇過大直接造成發(fā)電電動機造價增加。設(shè)計院在復(fù)核調(diào)節(jié)保證計算的基礎(chǔ)上，確定招標階段溧陽電站機組轉(zhuǎn)動慣量不低于9 000 t·m2。

(3)論證同步轉(zhuǎn)速333.3 r/min方案。各廠家均認為333.3 r/min理論上存在可行性，但對應(yīng)水泵比速系數(shù)2 982～3 400已達到目前200～300 m水頭段的上限，成熟性方面遠不如300 r/min方案，認為溧陽項目應(yīng)采用300 r/min方案為宜。

(4)能量指標優(yōu)化。有關(guān)專家建議為力保機組運行穩(wěn)定性，可適當(dāng)調(diào)低水泵水輪機能量指標。項目公司要求設(shè)計院根據(jù)專家意見，結(jié)合與哈電和東電兩家單位轉(zhuǎn)輪水力開發(fā)交流情況及相關(guān)建議，參考了相關(guān)電站的能量指標以及運行方式，對溧陽電站能量指標進行分析研究，優(yōu)化加權(quán)平均效率及其因子表。根據(jù)設(shè)計院提交的研究成果，調(diào)整了低水頭低負荷區(qū)的加權(quán)平均效率因子的比重，適當(dāng)降低了平均效率的要求。上述優(yōu)化研究，有利于提高機組運行穩(wěn)定性和可靠性。

2.4 帶模型轉(zhuǎn)輪投標

水泵水輪機的核心部件是轉(zhuǎn)輪，它直接關(guān)系到投產(chǎn)后機組運行的穩(wěn)定性和電站的經(jīng)濟效益；而轉(zhuǎn)輪模型試驗是當(dāng)前能真實反映轉(zhuǎn)輪開發(fā)水平和水泵水輪機綜合性能的最有效手段。溧陽電站水泵水輪機水力設(shè)計難度較大，為保證機組的先進性與穩(wěn)定性，降低因水力開發(fā)設(shè)計導(dǎo)致電站投產(chǎn)后機組不穩(wěn)定的風(fēng)險，項目公司采用帶模型轉(zhuǎn)輪投標方案，機組評議標過程中開展同臺對比復(fù)核試驗，試驗結(jié)果作為評標的一項重要評審因素。此舉大大激發(fā)了廠家的開發(fā)熱情。

2.5 機組設(shè)備制造監(jiān)理

設(shè)備監(jiān)造是指設(shè)備監(jiān)造單位或個人受委托人委托，根據(jù)供貨合同，按照國家有關(guān)規(guī)程、標準，對設(shè)備制造過程的質(zhì)量實施監(jiān)督(工藝流程、制造質(zhì)量及制造廠的質(zhì)量體系)，見證合同產(chǎn)品與合同的符合性；協(xié)助和促進制造廠保證設(shè)備制造質(zhì)量，嚴格把好質(zhì)量關(guān)，努力消除常見性、多發(fā)性、重復(fù)性質(zhì)量問題，把產(chǎn)品缺陷消除在制造廠內(nèi)，防止不合格品出廠；同時，在設(shè)備交貨進度方面起到一定的督促作用。溧陽電站機組設(shè)備處于國家抽水蓄能機組設(shè)備國產(chǎn)化的第三階段，為加大力度進行廠內(nèi)質(zhì)量控制，項目公司在調(diào)研交流的基礎(chǔ)上，通過公開招標最終選定了專業(yè)監(jiān)造單位進行機組設(shè)備的制造監(jiān)理工作。

3 水泵水輪機水力開發(fā)

3.1 水泵水輪機水力性能開發(fā)存在的困難

溧陽電站最大凈揚程約295 m，最小凈水頭約227 m，運行水頭變幅達1.299；機組需要在寬廣的運行范圍內(nèi)保持高效穩(wěn)定運行，水力性能開發(fā)難度大。

3.2 解決策略

水泵水輪機的性能直接關(guān)系到投產(chǎn)后機組運行的穩(wěn)定性和電站的經(jīng)濟效益，而水泵水輪機模型試驗是當(dāng)前能真實反映水泵水輪機水力性能開發(fā)水平的最有效手段。在采用公開招標方式采購機組時，業(yè)主一般根據(jù)投標文件評標結(jié)果選定制造廠家；合同簽訂后，再由制造廠家進行水力開發(fā)和模型試驗；最后由業(yè)主組織驗收。驗收試驗結(jié)果的中的個別或局部重要指標難以達到合同要求；但由于工程進度等多種因素影響，業(yè)主只能讓步接受。而等到電站投產(chǎn)運行后，上述問題就可能導(dǎo)致機組運行不穩(wěn)定等現(xiàn)象發(fā)生。國內(nèi)部分已投產(chǎn)的抽水蓄能電站機組在低水頭時發(fā)電會出現(xiàn)并網(wǎng)難、并網(wǎng)不成功或并網(wǎng)后不能由空載直接帶上負荷而進入反水泵區(qū)等現(xiàn)象。其主要原因是在上述招標方式下，給予制造廠家進行水泵水輪機水力開發(fā)的時間相對緊張，有可能導(dǎo)致全特性曲線出現(xiàn)明顯的“S”區(qū)。對該現(xiàn)象處理辦法多采用預(yù)開導(dǎo)葉法；而解決的根本方法則是要重視水力開發(fā)，在水力開發(fā)時就應(yīng)盡量避免這種情況。

為保證機組的先進性與穩(wěn)定性，降低因水力開發(fā)導(dǎo)致電站投產(chǎn)后機組不穩(wěn)定的風(fēng)險，項目公司進行了專門的策劃和研究，確定了溧陽電站水泵水輪機水力性能開發(fā)的實施方案，分4個階段[2]：

(1)組織開發(fā)投標水泵水輪機模型。機組招議標采用帶水泵水輪機模型投標的方案，投標前，國內(nèi)制造商進行水泵水輪機模型水力開發(fā)，在各自試驗臺完成模型試驗。

(2)組織開展同臺對比復(fù)核試驗。投標時，國內(nèi)制造商將水泵水輪機模型和試驗報告隨同投標文件一起遞交。機組評標時，開展同臺對比復(fù)核試驗，試驗結(jié)果作為評標的一項重要評審因素。

(3)組織開展初步試驗。在投標水泵水輪機模型的基礎(chǔ)上，中標人根據(jù)同臺對比復(fù)核試驗結(jié)果，確定優(yōu)化方向，進行優(yōu)化改進工作，開展初步試驗。

(4)組織開展驗收試驗。優(yōu)化后的水泵水輪機模型初步試驗結(jié)果在基本滿足合同保證值的條件下，進行驗收試驗，確定溧陽電站水泵水輪機模型和水力性能。

實踐表明，階段(1)、(2)的工作能夠充分引入競爭，引導(dǎo)投標廠家重視和加大前期水力開發(fā)投入，保證水泵水輪機水力性能開發(fā)工作充分。對制造廠家來講，能積累經(jīng)驗，提高設(shè)計水平，對項目來講，可以更加真實地比較優(yōu)選投標廠家的方案。然后，通過中標廠家最后兩個階段的優(yōu)化，就基本上能保證得到理想的水泵水輪機模型。

溧陽電站水泵水輪機水力性能開發(fā)工作歷經(jīng)3年多時間，其間通過了多個試驗臺的檢驗。機組運行數(shù)據(jù)表明，水泵水輪機水力性能是先進的，在正常運行范圍內(nèi)不存在“S”區(qū)現(xiàn)象，可以保證在正常運行范圍內(nèi)水泵水輪機在水輪機工況均能夠安全平穩(wěn)開機并網(wǎng)。

4 推力軸承研制

推力軸承是機組的關(guān)鍵部件。為支持蓄能機組國產(chǎn)化建設(shè)，溧陽電站在蓄能機組中首次采用單波紋彈性油箱支撐結(jié)構(gòu)的推力軸承。單波紋彈性油箱具有安裝調(diào)整方便、機組運行過程中可自動平衡瓦間負荷、瓦的傾斜靈活、能較好地控制瓦的變形等優(yōu)點。國產(chǎn)單波紋彈性油箱支撐推力軸承在常規(guī)大型水輪發(fā)電機的設(shè)計制造及安裝、運行業(yè)績較多，運行情況良好，但無抽水蓄能應(yīng)用業(yè)績。溧陽電站項目設(shè)計過程中進行了有限元應(yīng)力變形分析、疲勞性能分析及應(yīng)力應(yīng)變試驗，確認主要設(shè)計參數(shù)和結(jié)構(gòu)形式符合機組剛強度和疲勞使用要求；同時，在3 000 t推力軸承試驗臺進行全模擬試驗。試驗結(jié)果表明，單波紋彈性油箱支撐結(jié)構(gòu)能適應(yīng)各種不同工況的要求。

溧陽電站推力軸承采用巴氏合金推力瓦，配備高壓油頂起系統(tǒng)，采用外加泵外循環(huán)的冷卻方式，推力頭側(cè)面兼作下導(dǎo)軸領(lǐng)面，下導(dǎo)和推力軸承共用一個油槽。機組啟動試運行和商運過程中機組推力軸承運行穩(wěn)定可靠，推力瓦溫、下導(dǎo)瓦溫、油槽油溫、機組的振動和擺度等各項性能指標滿足設(shè)計及合同要求。溧陽電站之后的抽水蓄能項目也逐漸使用單波紋彈性油箱支撐結(jié)構(gòu)，進一步提升了我國大型抽水蓄能機組雙向推力軸承研究和結(jié)構(gòu)設(shè)計的技術(shù)水平。

5 首臺機首次啟動方式

抽水蓄能電站首臺機首次啟動是機組投入正式運行前的重要環(huán)節(jié)，選擇合適的啟動方式對機組乃至整個電站初期安全穩(wěn)定運行至關(guān)重要。國內(nèi)外抽水蓄能電站首臺機首次啟動方式主要有純水泵工況啟動、水輪機空載+水泵工況啟動、水輪機工況啟動3種方式，項目公司根據(jù)溧陽電站外部施工條件及機組特性對3種啟動方式進行具體分析[3]，從而確定了最終啟動方式。

5.1 純水泵工況啟動

純水泵工況啟動方式僅需借助外來充水泵將上庫蓄水至水泵最低啟動揚程范圍內(nèi)即可以水泵工況啟動機組向上庫充水，繼而進行水輪機工況調(diào)試。以往抽水蓄能電站相關(guān)資料顯示，首臺機首次啟動方式采用純水泵工況比水輪機工況將在一定程度上縮短工期，項目收益較明顯。然而從機組運行穩(wěn)定性及電站安全角度考慮，純水泵工況啟動方式相對水輪機工況啟動方式無疑將承擔(dān)更大的風(fēng)險，機組在最低啟動揚程下運行受水流壓力脈動影響振動較為劇烈，空化特性條件惡劣，且動平衡、軸承負荷及溫升等指標將直接面臨接近正常運行最大值的考驗。對于剛安裝完畢的新機組，本身各項技術(shù)指標和穩(wěn)定性均未經(jīng)過實際運行的考驗，在機械或電氣環(huán)節(jié)可能存在某種隱患沒有暴露，一旦在水泵抽水工況下出現(xiàn)重要指標異?；蛘咄蝗粩嚯娗闆r，機組被迫突甩負荷，不僅對引水系統(tǒng)水工建筑物造成強烈沖擊，機組本身的安全性亦面臨考驗。出現(xiàn)這種情況后機組復(fù)查修復(fù)過程費時費力。

溧陽電站水泵水輪機模型試驗在50.5 Hz條件下，對導(dǎo)葉開度17 mm和19 mm進行了異常低揚程啟動試驗，模型試驗結(jié)果表明：在水泵導(dǎo)葉開度為19 mm，異常低揚程223 m條件下啟動機組，其最大輸入功率為265.5 MW；導(dǎo)葉與轉(zhuǎn)輪之間壓力脈動值為5.2%，尾水管壓力脈動值為1.19%，滿足合同中對水泵正常運行范圍內(nèi)入力和壓力脈動幅值的要求。模型試驗確認在此條件下運行不發(fā)生有害振動和空化破壞。但對于壓力脈動來說，真機運行工況下脈動值和模型試驗下脈動值是不同的，有可能真機在異常低揚程下運行的穩(wěn)定性情況變得惡劣。

5.2 水輪機空載+水泵工況啟動

水輪機空載+水泵工況啟動方式適于上庫具備蓄水條件的抽水蓄能電站。只要保證上庫水位在水輪機空載調(diào)試運行期間高于進/出水口流道頂板高程1 m左右，上下庫之間形成的水頭達到水輪機工況運行的最小水頭，即可采用水輪機空載+水泵工況啟動方式?？蛰d試驗完成后隨即轉(zhuǎn)入水泵工況。

由于蓄能機組水輪機空載運行工況下易出現(xiàn)不穩(wěn)定運行情況。即，進入所謂的“S”區(qū)反水泵工況。首臺機首次啟動過程中一旦出現(xiàn)這種情況將給調(diào)試帶來嚴重影響，甚至必須停機檢查。故，在首臺機首次啟動采用水輪機工況啟動方式之前，需對此現(xiàn)象做充分的研究分析。溧陽電站水泵水輪機模型試驗表明：水輪機在最低水頭下的空載啟動開度A0=9 mm，運行區(qū)處于不穩(wěn)定的“S”區(qū)之外；故，水輪機空載工況下機組將不會出現(xiàn)不穩(wěn)定狀態(tài)。

溧陽電站上下庫天然來水量很小，必須依靠外來泵從沙河水庫抽水以滿足初期蓄水的要求。若首臺機首次啟動方式考慮采用水泵工況啟動，根據(jù)水泵最低起用揚程要求，上庫必須蓄水至高程242.00 m，相應(yīng)蓄水量為8.9萬m3；而考慮采用水輪機空載工況啟動，上庫水位需至少高出進/出水口流道頂板高程(高程249.00 m)1 m 左右，綜合考慮空載調(diào)試用水量，上庫需蓄水至高程253.20 m，相應(yīng)蓄水量為180.1萬m3。按外來泵輸水能力1 300 m3/h考慮，每天抽水20 h；則水輪機空載工況啟動方式將比純水泵工況啟動方式工期滯后約60 d。

5.3 水輪機工況啟動

水輪機工況啟動方式是目前具備上庫蓄水條件的抽水蓄能電站大多采用的首臺機首次啟動方式。該方式對機組首次啟動最為有利。水輪機工況首次啟動是在負荷逐級增加下進行，對機組振動、壓力脈動等穩(wěn)定性指標、動平衡、軸承負荷、溫升等有一個逐步加大的、可調(diào)整的逐步考驗過程。但是，溧陽電站首臺機首次啟動若采用此啟動方式， 根據(jù)試驗項目的調(diào)試用水量(空載調(diào)試水量+并網(wǎng)運行調(diào)試水量)，上庫需蓄水至257.00 m高程，相應(yīng)蓄水量為288.1萬m3，相比水輪機空載+水泵工況啟動方式增加了近110萬m3蓄水量。按外來泵輸水能力1 300 m3/h考慮，每天抽水20 h，則水輪機工況啟動方式比水輪機空載+水泵工況啟動方式工期滯后約42 d，比純水泵工況啟動方式工期滯后約100 d。

抽水蓄能電站首臺機首次啟動采用純水泵工況向上庫充水的方式雖然在國內(nèi)已有一

定工程實踐經(jīng)驗，但這種啟動方式在機組調(diào)試過程中存在一定的弊端和風(fēng)險。而水輪機工況啟動方式一般適用于上庫具有豐富天然來水或者為已建人工水庫的情況。溧陽電站上庫為施工期挖填形成，天然集雨面積較小，初期蓄水需依靠外來水泵從沙河水庫抽水。若采用水輪機工況啟動方式上庫初期蓄水量較大，工期耗費較長，不利于項目成本控制。而水輪機空載工況+水泵工況啟動方式相比純水泵工況啟動方式更有利于機組的安全調(diào)試運行，相比水輪機工況啟動方式對上庫初期蓄水量的要求大大減小，有利于節(jié)約工程投資成本。溧陽電站上庫初期蓄水可實現(xiàn)在首臺機啟動前達到水輪機空載調(diào)試運行的要求。因此，溧陽電站首臺機首次啟動采用水輪機空載工況+水泵工況方式。

溧陽電站機組滑動摩擦檢查及升速試驗過程中，機組各部位無異聲響，機組各部位振動擺度基本正常，機組各部瓦溫、油溫、水壓均正常，各輔助設(shè)備運行正常，機組轉(zhuǎn)動方向正確。水輪機空載試驗完成后，機組進行了首次水泵工況抽水試驗，共抽水35分鐘，累計抽水18.5萬m3。首次水泵抽水試驗正常，機組各部位運行穩(wěn)定。

6 結(jié) 語

在參建各方共同努力下，溧陽電站歷經(jīng)9年時間，于2017年全面投產(chǎn)，機組運行穩(wěn)定，機組設(shè)備國產(chǎn)化工作過程中，得到了水電水利規(guī)劃設(shè)計總院、哈電、東電、中國水利水電科學(xué)研究院、機組附屬設(shè)備廠家、有關(guān)蓄能電站等單位和專家的大力支持，在國內(nèi)率先開展了抽水蓄能機組同臺對比復(fù)核試驗，首次采用單波紋彈性油箱支撐結(jié)構(gòu)的推力軸承，整個工作的順利實施對我國抽水蓄能機組國產(chǎn)化發(fā)展起到一定的促進作用。