永泰抽水蓄能機組主要設(shè)備結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)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(xiāng)，電站為日調(diào)節(jié)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(zhuǎn)速428.6 r/min，額定水頭416 m，工程開發(fā)任務(wù)為承擔福建電網(wǎng)調(diào)峰、填谷、調(diào)頻、調(diào)相及緊急事故備用等。永泰抽蓄機組主要機電設(shè)備由東方電機有限公司（以下簡稱：東方電機）中標設(shè)計制造，在轉(zhuǎn)輪模型設(shè)計、水泵水輪機、進水球閥和發(fā)電電動機等主要部件設(shè)計方案確定中，雙方技術(shù)人員通過多次設(shè)計聯(lián)絡(luò)會展開充分磋商、探討、論證和協(xié)商，完成了永泰抽蓄機組設(shè)備的設(shè)計工作。

2 水泵水輪機部分

2.1 水泵水輪機轉(zhuǎn)輪水力開發(fā)

永泰抽蓄電站參數(shù)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(fā)中結(jié)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(fā)中取得的經(jīng)驗，以豐寧二期、沂蒙水泵水輪機水力模型為基礎(chǔ)，借助在超高水頭水泵水輪機水力開發(fā)中所取得的穩(wěn)定性成果，進行永泰抽蓄水泵水輪機轉(zhuǎn)輪模型的水力開發(fā)，并經(jīng)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(jié)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(jīng)投產(chǎn)9+20方案抽水蓄能電站出現(xiàn)廠房異常振動及水車室異常高分貝噪聲等現(xiàn)象，在國內(nèi)相關(guān)水力專家建議下，永泰抽蓄技術(shù)人員最終選擇水泵水輪機轉(zhuǎn)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(yōu)化設(shè)計

目前國內(nèi)外抽水蓄能機組在水泵水輪機結(jié)構(gòu)設(shè)計上，為了降低轉(zhuǎn)輪與頂蓋之間的水壓力，采用在頂蓋上設(shè)計平壓管的方式將轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)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(zhuǎn)換較為頻繁，過渡過程中無葉區(qū)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(yīng)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(chǎn)生疲勞破壞，兩種連接方式如圖1所示。焊接結(jié)構(gòu)的頂蓋平壓管，易震裂且現(xiàn)地修復難度巨大，而把合結(jié)構(gòu)的平壓管，由于可拆卸，即便長時間運行后產(chǎn)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(wěn)定運行，要求頂蓋平壓管結(jié)構(gòu)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(qū)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(tǒng)的焊接結(jié)構(gòu)，頂蓋平壓管與頂蓋外圓及機坑里襯連接進行減震設(shè)計。

2.3 導葉接力器優(yōu)化設(shè)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(gòu)通過2個雙向作用、開關(guān)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(yīng)平衡。因接力器為平行同側(cè)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(huán)跳動而破壞控制環(huán)的抗磨材料。為避免控制環(huán)跳動，根據(jù)目前已經(jīng)運行常規(guī)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(cè)布置的機組均發(fā)生不同程度控制環(huán)抗磨材料損壞，在永泰抽蓄相關(guān)技術(shù)人員建議下，接力器采用活塞桿雙支撐，開啟、關(guān)閉導葉時作用力一致的結(jié)構(gòu)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(shè)計

根據(jù)永泰抽蓄水泵水輪機第三方模型試驗臺轉(zhuǎn)輪模型驗收試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當水輪機凈水頭為400 m時，導葉后轉(zhuǎn)輪前區(qū)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(yè)主技術(shù)人員和水泵水輪機轉(zhuǎn)輪模型驗收組專家認為，無葉區(qū)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(jié)構(gòu)設(shè)計時加大頂蓋整體剛度裕量，確保機組安全穩(wěn)定運行。為了提高永泰抽蓄頂蓋整體剛強度，設(shè)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(zhì)量也由原來的94 t提高到99 t。

2.5 機組調(diào)相壓水時水環(huán)消除設(shè)計

2.5.1 水環(huán)的形成

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

圖4 頂蓋剖面圖

2.5.2 水環(huán)消除方式

水環(huán)的存在將使得轉(zhuǎn)輪調(diào)相運行時能量損耗增大、振動噪音增大，需消除上述水環(huán)。根據(jù)永泰抽蓄機組止漏環(huán)結(jié)構(gòu)及機組轉(zhuǎn)速參數(shù)，以及止漏環(huán)計算允許溫升（取5～15℃），得到止漏環(huán)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(huán)的冷卻水流量。當蝸殼平壓管的通徑選取值為200 mm時，管內(nèi)流速＜1 m/s，蝸殼平壓管內(nèi)流速越小，平壓管的水流沿程損失越小，止漏環(huán)的冷卻水將更加順暢的通過蝸殼平壓管排至尾水管，水環(huán)將不會形成。蝸殼延伸段與尾水管平壓后，轉(zhuǎn)輪腔內(nèi)的止漏環(huán)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(zhuǎn)輪腔內(nèi)形成水環(huán)。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(huán)（如圖5所示）。

圖5 水環(huán)消除示意圖

3 發(fā)電電動機部分

3.1 定子定位筋優(yōu)化設(shè)計

根據(jù)投運的水電機組經(jīng)驗總結(jié)，大型水輪發(fā)電機組由于定子機座結(jié)構(gòu)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(fā)生松動及上下竄動的現(xiàn)象，導致定子鐵心運行中不斷松動，嚴重影響定子安全穩(wěn)定運行。經(jīng)雙方技術(shù)討論研究，永泰發(fā)電電動機決定采用新型分體式彈性定位筋結(jié)構(gòu)，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(yīng)鐵心熱膨脹的優(yōu)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(yōu)化設(shè)計

近年來，大型水輪發(fā)電機定子鐵心穿心螺桿絕緣降低引發(fā)的發(fā)電機事故時有發(fā)生，例如河南某抽水蓄能電站在進行發(fā)電機開路試驗時穿心螺桿絕緣降低出現(xiàn)了定子鐵心燒損現(xiàn)象。特別是針對國外發(fā)電設(shè)備制造采用柔性大型發(fā)電機組定子機座技術(shù)，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(chǎn)生環(huán)流，使定子鐵心局部過熱，可能導致嚴重事故。

永泰發(fā)電電動機針對穿心螺桿設(shè)計方案進一步優(yōu)化，采用全絕緣結(jié)構(gòu)，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(gòu)成定子鐵心和穿心螺桿之間的連續(xù)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(zhì)等污染造成穿心螺桿絕緣電阻降低現(xiàn)象（如圖7所示）。

圖7 穿心螺桿全絕緣結(jié)構(gòu)

3.3 轉(zhuǎn)子磁軛優(yōu)化設(shè)計

發(fā)電電動機的轉(zhuǎn)子磁軛結(jié)構(gòu)目前主要分為三種結(jié)構(gòu)：整體實心磁軛、疊片磁軛和整圓厚鋼板磁軛。針對高轉(zhuǎn)速發(fā)電電動機，目前國內(nèi)外推薦才用整圓磁軛結(jié)構(gòu)。按照《福建永泰抽水蓄能電站機組及其附屬設(shè)備采購合同》第二冊第4章第4.4.4條要求，永泰抽蓄轉(zhuǎn)子磁軛采用優(yōu)質(zhì)高強度鋼板780 CF制成，為整圓厚鋼板磁軛。根據(jù)目前國內(nèi)才用整圓厚鋼板磁軛的制造情況分析，厚鋼板整環(huán)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(xiàn)錯牙的問題。為避免上述問題，經(jīng)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(fā)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(huán)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(huán)磁軛圈

作為機組的轉(zhuǎn)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(yīng)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(shè)置導風帶，而導風帶與磁軛之間的固定優(yōu)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(jīng)調(diào)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(guān)于磁軛應(yīng)力計算的相關(guān)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(shù)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(zhì)量。

3.4 磁軛導磁塊結(jié)構(gòu)優(yōu)化

近幾年來，國內(nèi)外抽水蓄能電站機組在調(diào)試和運行過程中，由于焊接質(zhì)量、設(shè)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(zhuǎn)子磁極松動、定子掃堂等嚴重設(shè)備安全事故，所以雙方技術(shù)人員針對采用整圓鍛件結(jié)構(gòu)的磁軛導磁塊（通風槽擋塊）結(jié)構(gòu)設(shè)計尤其謹慎，經(jīng)過充分討論決定在每塊導磁塊中設(shè)置圓形凸臺，同時在磁軛鍛件中部設(shè)置一個凹槽將導磁塊直接嵌入。通過導磁塊凸臺止口應(yīng)力的計算結(jié)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(xiàn)象，確保了轉(zhuǎn)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(tǒng)優(yōu)化設(shè)計

根據(jù)目前已經(jīng)投產(chǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)，同時帶動推力軸承潤滑油在推力油槽內(nèi)高速旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(tǒng)。通過對浸泡式和噴淋式兩種潤滑系統(tǒng)下的推力軸承性能試驗結(jié)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(tǒng)。

表3 某350 MW發(fā)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(tǒng)包括外循環(huán)油泵、油冷卻器及過濾器、高位油箱、瓦間噴油環(huán)管和油槽等組成。在正常狀態(tài)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(huán)油泵打油至高位油箱，通過噴油環(huán)管在瓦間的進油邊向鏡板噴油，鏡板的旋轉(zhuǎn)將潤滑油帶入瓦面形成油膜。當推力外循環(huán)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(tǒng)的浸泡式潤滑狀態(tài)（如圖10所示）。

圖10 兩種方式對比示間圖

4 結(jié)束語

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