宮讓勤，高 欣

（哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司，哈爾濱 150040）

1 引言

2001年8月21日哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司（以下簡(jiǎn)稱哈電）與河南省電力公司南陽(yáng)回龍抽水蓄能發(fā)電分公司正式簽訂了2×60MW高水頭水泵水輪機(jī)及高轉(zhuǎn)速發(fā)電電動(dòng)機(jī)供貨合同。該項(xiàng)目是哈電第一個(gè)引進(jìn)關(guān)鍵技術(shù)獨(dú)立設(shè)計(jì)制造的抽水蓄能機(jī)組，它標(biāo)志著哈電的抽水蓄能技術(shù)從科研階段走向了生產(chǎn)實(shí)施階段。

2 電站主要參數(shù)

2.1 水位

上庫(kù)正常蓄水位：899.0m

上庫(kù)正常低水位：885.0m

下庫(kù)正常蓄水位：502.0m

下庫(kù)正常低水位：487.0m

2.2 庫(kù)容

上庫(kù)總庫(kù)容： 118.4萬(wàn)m3

上庫(kù)發(fā)電庫(kù)容： 104.5萬(wàn)m3

下庫(kù)總庫(kù)容： 129.0萬(wàn)m3

下庫(kù)發(fā)電庫(kù)容： 99.0萬(wàn)m3

日發(fā)電歷時(shí)： 約5～6 h

日抽水歷時(shí)： 約6～7 h

2.3 水頭

最大毛水頭： 416.0m

最小毛水頭： 374.4m

水輪機(jī)額定凈水頭： 379.0m

2.4 泥沙特性

汛期多年平均過(guò)機(jī)含沙量： 0.023kg/m3

多年平均過(guò)機(jī)含沙量： 0.006 kg/m3

2.5 安裝高程

導(dǎo)葉中心線高程： 438.0 m

3 水泵水輪機(jī)主要參數(shù)的選擇

3.1 比轉(zhuǎn)速與比速系數(shù)

圖1為大中型混流式水泵水輪機(jī)水輪機(jī)工況比轉(zhuǎn)速隨水輪機(jī)最大水頭變化的關(guān)系曲線，是對(duì)國(guó)內(nèi)外上百座已經(jīng)投入運(yùn)行的混流式水泵水輪機(jī)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。回龍水電站額定水頭379.0m，從圖1可見(jiàn)，其比轉(zhuǎn)速應(yīng)在 100～125m?kW 之間，相應(yīng)的比速系數(shù)在2000～2500之間。

從對(duì)國(guó)內(nèi)外大中型混流式水泵水輪機(jī)水泵工況比轉(zhuǎn)速隨水泵揚(yáng)程變化的關(guān)系可以得出，對(duì)回龍水電站其水泵工況的比轉(zhuǎn)速應(yīng)在28～35 m·m3/s 之間，相應(yīng)的比速系數(shù)在540～720之間。

圖1 水輪機(jī)比轉(zhuǎn)速與水頭關(guān)系曲線

3.2 額定轉(zhuǎn)速的選取

對(duì)于回龍電站可選的額定轉(zhuǎn)速為 600r/min和750r/min，對(duì)應(yīng)的水輪機(jī)工況比轉(zhuǎn)速分別為88.96m?kW、111.2 m?kW。比速系數(shù)分別為 1732.2、2165.0。

綜合比較最終選用 750r/min，這樣對(duì)回龍電站既先進(jìn)又安全可靠。

3.3 吸出高度與空化系數(shù)

可逆式水泵水輪機(jī)的空化性能以水泵工況為差，因此，通常以水泵工況的空化特性來(lái)選定可逆式水泵水輪機(jī)的吸出高度。隨著水泵工況的比轉(zhuǎn)速提高，將導(dǎo)致空蝕加劇，即要求機(jī)組有更大的淹沒(méi)深度。根據(jù)對(duì)已建的抽水蓄能電站的統(tǒng)計(jì)曲線可得出，對(duì)于回龍電站，在水輪機(jī)工況的比轉(zhuǎn)速為100～125m?kW之間時(shí)，電站空化系數(shù)約為0.095～0.14之間。圖2為日本日立公司對(duì)混流式水泵水輪機(jī)所需的電站空化系數(shù)的統(tǒng)計(jì)曲線，從圖中可得出，保證回龍電站穩(wěn)定運(yùn)行所需的電站空化系數(shù)為0.145?；佚堧娬灸Ｐ驮囼?yàn)表明，在水泵的揚(yáng)程范圍內(nèi)，臨界空化系數(shù)在0.063～0.111之間，相應(yīng)的K值為1.7 左右，空化性能有足夠的余量。

圖2 日立公司電站空化系數(shù)的統(tǒng)計(jì)曲線

3.4 水泵水輪機(jī)主要參數(shù)

型號(hào) HLN111-LJ220

轉(zhuǎn)輪直徑D12205mm

額定轉(zhuǎn)速 750 r/min

水輪機(jī)工況旋轉(zhuǎn)方向 俯視順時(shí)針

比轉(zhuǎn)速

水輪機(jī)工況最優(yōu)比轉(zhuǎn)速88.2 m·kW

(相應(yīng)的凈水頭 489.5 m)

水泵工況最優(yōu)比轉(zhuǎn)速31.8 m·m3/s

(相應(yīng)的凈揚(yáng)程 400m)，

水輪機(jī)工況額定水頭 379.0m

水輪機(jī)額定出力 61.5MW

水輪機(jī)額定流量 17.9m3/s

水輪機(jī)額定效率 90.3%

水泵最高揚(yáng)程 424.4 m

水泵最大入力 65.6MW

水泵最高效率 93.46%

水泵最大流量 16.25 m3/s

最大飛逸轉(zhuǎn)速 1087.5r/min

穩(wěn)態(tài)飛逸轉(zhuǎn)速 1050.0r/min

最小淹沒(méi)深度 -45.0 m

4 主要結(jié)構(gòu)特征

4.1 總體布置

回龍抽水蓄能電站水泵水輪機(jī)型式為立軸、單級(jí)、混流式。水泵水輪機(jī)與50Hz發(fā)電電動(dòng)機(jī)連接。轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)方向：水輪機(jī)工況為俯視順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，水泵工況為俯視逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。投入商業(yè)運(yùn)行后可采用中拆方式對(duì)水輪機(jī)進(jìn)行檢修機(jī)組轉(zhuǎn)輪的更換。

4.2 埋入部分的設(shè)計(jì)

4.2.1 尾水管的設(shè)計(jì)

由于正常運(yùn)行時(shí)最高尾水壓力達(dá) 64m，過(guò)渡工況尾水管進(jìn)口的最大脈動(dòng)壓力達(dá)110m，為了解決混凝土對(duì)尾水管產(chǎn)生的澆注壓力及其放空時(shí)尾水位對(duì)其本身的滲透壓力的作用，采用三峽尾水管的強(qiáng)度計(jì)算方法解決了回龍電站尾水管的強(qiáng)度計(jì)算問(wèn)題。

由于管路系統(tǒng)的復(fù)雜性及尾水管的壓力脈動(dòng)幅值較高，為防止管路接口可能的爆裂，管路系統(tǒng)的開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)按 GB 150壓力容器標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行管路開(kāi)孔的補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)。

4.2.2 蝸殼座環(huán)的設(shè)計(jì)

回龍電站水泵水輪機(jī)蝸殼座環(huán)的設(shè)計(jì)壓力（包括升壓）為580m，試驗(yàn)壓力870m。座環(huán)與蝸殼采用整體無(wú)舌板結(jié)構(gòu)，座環(huán)環(huán)板采用抗撕裂鋼板 DIN TSTE355-Z35，蝸殼鋼板和固定導(dǎo)葉材料采用 JIS NK-HITEN610U制造。蝸殼的所有焊縫包括與座環(huán)的連接焊縫都進(jìn)行100% X射線（RT）探傷。運(yùn)用有限元分析對(duì)座環(huán)在不同運(yùn)行工況下的受力情況進(jìn)行剛強(qiáng)度計(jì)算分析，打壓工況下，蝸殼座環(huán)最大變形在蝸殼的頂部，最大變形值為0.51mm，蝸殼座環(huán)最大應(yīng)力在固定導(dǎo)葉的進(jìn)口端與上環(huán)板的接點(diǎn)處，最大應(yīng)力為384.7MPa。蝸殼按60%的升壓（580m）即348m水頭進(jìn)行保壓澆注的方式進(jìn)行。由于采用部分壓力保壓澆注，使整個(gè)機(jī)組與廠房機(jī)墩成為一個(gè)整體，可以減少機(jī)組的振動(dòng)。

4.3 導(dǎo)水機(jī)構(gòu)

利用自己開(kāi)發(fā)的計(jì)算程序，對(duì)發(fā)電工況、抽水工況、水輪機(jī)工況甩負(fù)荷、水泵造壓四種不同的工況進(jìn)行了水輪機(jī)主要部件承壓壓力的計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 計(jì)算結(jié)果示意圖

運(yùn)用有限元分析，根據(jù)上述程序?qū)Τ袎翰考膲毫Ψ治鼋Y(jié)果對(duì)頂蓋在不同運(yùn)行工況下的受力情況進(jìn)行剛強(qiáng)度計(jì)算分析，抽水工況下頂蓋最大峰值應(yīng)力60.9MPa，最大變形為0.394mm；發(fā)電工況下頂蓋最大峰值應(yīng)力 59.5MPa，最大變形 0.385mm；發(fā)電工況甩負(fù)荷時(shí)頂蓋應(yīng)力最大峰值應(yīng)力 88.5MPa，最大變形0.581mm；造壓?jiǎn)?dòng)工況下頂蓋最大峰值應(yīng)力99.8MPa，最大變形0.657mm。造壓?jiǎn)?dòng)工況下活動(dòng)導(dǎo)葉的運(yùn)行工況最為惡劣，在該工況下活動(dòng)導(dǎo)葉瓣體最大拉應(yīng)力值為196.7MPa?；顒?dòng)導(dǎo)葉最大綜合應(yīng)力發(fā)生在瓣體下端面與下環(huán)板的接點(diǎn)處，最大應(yīng)力為288.163MPa，活動(dòng)導(dǎo)葉最大彎振頻率為 515Hz，活動(dòng)導(dǎo)葉一階最大扭轉(zhuǎn)頻率為 362Hz，活動(dòng)導(dǎo)葉二階最大扭轉(zhuǎn)頻率為638Hz。

為滿足機(jī)組管路布置的需要，取消外圍板，保證了機(jī)坑內(nèi)管路的布置。從電站實(shí)際試運(yùn)行的結(jié)果看，頂蓋的徑向振動(dòng)和垂直振動(dòng)均在允許的范圍內(nèi)。

4.4 轉(zhuǎn)動(dòng)部分

4.4.1 主軸密封的設(shè)計(jì)

由于機(jī)組的各向尺寸較小，主軸密封采用分段徑向式密封，該密封不僅結(jié)構(gòu)緊湊，而且還具有檢修和維護(hù)方便的優(yōu)點(diǎn)。主軸密封處安裝有可更換的軸套，避免了可能給主軸帶來(lái)的磨損。主軸密封的密封材料采用加拿大高分子塞龍（Tordon SXL）材料，具有低摩擦系數(shù)，高的耐磨性，高的彈性。從電站實(shí)際試運(yùn)行的結(jié)果來(lái)看，主軸密封的漏水量較小，頂蓋內(nèi)的潛水電泵始終沒(méi)有啟動(dòng)。主軸密封的現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行結(jié)果達(dá)到了預(yù)期的目的和效果。

4.4.2 主軸檢修密封

雖然尾水壓力較高，但仍采用傳統(tǒng)的空氣圍帶式主軸檢修密封，因哈電在此方面有較豐富的加工制造經(jīng)驗(yàn)，并保證在該部件出廠前在1.1～1.3MPa下進(jìn)行氣壓試驗(yàn)和動(dòng)作試驗(yàn)，保證在電站實(shí)際運(yùn)行中安全可靠。電站的實(shí)際試運(yùn)行結(jié)果說(shuō)明，在較高尾水位的情況下該主軸檢修密封也具有較高的可靠性。

4.4.3 水輪機(jī)主軸及鍵的設(shè)計(jì)

由于機(jī)組在造壓?jiǎn)?dòng)工況和過(guò)渡過(guò)程工況兩種情況下水力不平衡力矩對(duì)軸系的沖擊將無(wú)法按理論計(jì)算精確給出。回龍電站水泵水輪機(jī)軸與轉(zhuǎn)輪的連接方式確定為鍵傳遞。鍵傳遞的方式更能確保機(jī)組運(yùn)行的安全可靠性。

4.4.4 水導(dǎo)軸承的設(shè)計(jì)

軸瓦支頂沒(méi)有采用常規(guī)機(jī)組的偏心支頂，而采用對(duì)稱中心支頂方式。由于機(jī)組小、轉(zhuǎn)速高、又是可逆機(jī)組，分塊瓦軸承的油循環(huán)和常規(guī)的分塊瓦軸承油循環(huán)不同。水導(dǎo)軸承的冷卻器和油泵采用外冷方式，軸承設(shè)計(jì)負(fù)荷為50kN。瓦長(zhǎng)150mm，瓦寬150mm，采用L-TSA30潤(rùn)滑油。

回龍抽水蓄能電站的2×60MW機(jī)組動(dòng)平衡試驗(yàn)在1號(hào)機(jī)進(jìn)行了2次，2號(hào)機(jī)進(jìn)行了1次后，機(jī)組在發(fā)電和抽水工況下，在水導(dǎo)軸承處的擺度單邊均不超過(guò)0.2mm。由于機(jī)組轉(zhuǎn)速很高，水導(dǎo)軸承分塊瓦瓦溫偏高，但在正常范圍內(nèi)。由此說(shuō)明此水導(dǎo)軸承設(shè)計(jì)是合理的，外循環(huán)的冷卻效果良好，能夠滿足機(jī)組的要求。

4.4.5 轉(zhuǎn)輪

回龍電站兩臺(tái)轉(zhuǎn)輪均由日本日立公司設(shè)計(jì)制造。

4.5 油水汽系統(tǒng)

4.5.1 充氣壓水系統(tǒng)

為滿足轉(zhuǎn)輪室壓水用氣、轉(zhuǎn)輪在空氣中旋轉(zhuǎn)的滲漏補(bǔ)氣、調(diào)速器、進(jìn)水閥壓力油罐補(bǔ)充用氣等，機(jī)組設(shè)有充氣壓水裝置的全套中壓空氣系統(tǒng)壓縮設(shè)備。

空壓機(jī)為多級(jí)、水冷、活塞往復(fù)式。每臺(tái)空壓機(jī)均配有氣水分離器、空氣過(guò)濾器、止回閥、減壓閥、起動(dòng)減荷裝置、溫度信號(hào)器、壓力信號(hào)器、冷卻水示流信號(hào)器、測(cè)量表計(jì)、電磁閥和操作控制裝置等。

空壓機(jī)起動(dòng)和停機(jī)除由壓力信號(hào)器自動(dòng)控制外，還配有手動(dòng)操作系統(tǒng)。轉(zhuǎn)輪室的充排氣，按自動(dòng)控制方式執(zhí)行，水面下壓后，通過(guò)自動(dòng)水位檢測(cè)裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)補(bǔ)氣和停止補(bǔ)氣，并配有手動(dòng)操作補(bǔ)氣裝置。調(diào)速器與進(jìn)水閥壓力油罐補(bǔ)氣和停止補(bǔ)氣通過(guò)油位信號(hào)器和壓力信號(hào)器自動(dòng)控制，也能手動(dòng)操作。

每臺(tái)水泵水輪機(jī)配置壓水用的貯氣罐，其容積按空壓機(jī)不補(bǔ)氣情況下，貯氣罐氣壓從工作壓力下限開(kāi)始至允許最低壓力之間，能夠完成2次壓低水面操作設(shè)計(jì)。貯氣罐容積 3m3。每臺(tái)水泵水輪機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)與進(jìn)水閥操作系統(tǒng)補(bǔ)氣裝置配置1個(gè)1 m3氣罐。

充氣壓水裝置的研究和設(shè)計(jì)不僅填補(bǔ)了公司在蓄能機(jī)組氣系統(tǒng)管路方面的空白，而且同時(shí)豐富了在高水頭水輪機(jī)氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面的經(jīng)驗(yàn)。

4.5.2 水管路

除了其他常規(guī)的管路外，為了減小調(diào)相壓水啟動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)輪在空氣中旋轉(zhuǎn)的力矩，設(shè)有大小消水環(huán)管路布置；為減少水推力設(shè)置內(nèi)外環(huán)均壓管。

5 結(jié)論

回龍60MW抽水蓄能電站水泵水輪機(jī)項(xiàng)目的運(yùn)行成功標(biāo)志著哈電的抽水蓄能機(jī)組的設(shè)計(jì)制造調(diào)試水平與國(guó)際先進(jìn)水平的差距在進(jìn)一步縮小，使哈電逐步具備了能夠獨(dú)立設(shè)計(jì)制造水泵水輪機(jī)的能力，并積累了較為豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，為今后我國(guó)大力開(kāi)發(fā)抽水蓄能機(jī)組奠定了良好的基礎(chǔ)。