李軍

（中國葛洲壩集團機電建設(shè)有限公司，四川 成都 610091）

洪屏抽水蓄能電站300MW機組主要結(jié)構(gòu)及技術(shù)特點

李軍

（中國葛洲壩集團機電建設(shè)有限公司，四川 成都 610091）

江西洪屏抽水蓄能電站共裝設(shè)4臺高水頭（最大水頭540m）、單機容量300MW的混流可逆式水輪發(fā)電機組。該電站在機組結(jié)構(gòu)設(shè)計上綜合了宜興、白蓮河、泰安、蒲石河、仙游及惠州等大型抽水蓄能電站的優(yōu)勢，充分考慮了制造、運輸、安裝、檢修及穩(wěn)定運行各方面因素，采用了許多先進的結(jié)構(gòu)，這些先進的結(jié)構(gòu)均為機組的安裝、運行和檢修提供了有利條件。本文簡要介紹了該機組水泵水輪機、發(fā)電電動機的典型結(jié)構(gòu)設(shè)計特點。

主要結(jié)構(gòu)；技術(shù)特點；洪屏抽蓄電站

1 概述

江西洪屏抽水蓄能電站位于江西省靖安縣境內(nèi)，為周調(diào)節(jié)純抽水蓄能電站，安裝4臺單機容量為300MW的混流可逆式水輪發(fā)電機組，機組由上海福伊特水電設(shè)備有限公司設(shè)計制造。電站水輪機工況額定水頭540.00m，額定轉(zhuǎn)速500r/min，其中水輪機工況俯視逆時針方向旋轉(zhuǎn)，水泵工況俯視順時針方向旋轉(zhuǎn)。電站建成后，以500kV一級電壓等級接入江西電網(wǎng)，在電網(wǎng)中承擔(dān)調(diào)峰、填谷、調(diào)頻、調(diào)相和事故備用等任務(wù)。電站對外交通便利，下水庫壩址距靖安縣城40km；距南昌、九江公路里程分別為124km、194km。電站機電工程于2013年6月開工，計劃2016年首臺機組投入商業(yè)運行，2017年完工。

2 機組主要參數(shù)

機組主要技術(shù)參數(shù)見下頁表1。

3 水泵水輪機結(jié)構(gòu)及技術(shù)特點

水泵水輪機采用立軸單級混流可逆式，主要由尾水管、座環(huán)/蝸殼、導(dǎo)水機構(gòu)、球閥、轉(zhuǎn)動部件、導(dǎo)軸承及主軸密封等設(shè)備組成。

3.1 座環(huán)/蝸殼

水泵水輪機座環(huán)、蝸殼與進水段法蘭整體到貨，受運輸條件限制，蝸殼分3段運輸至工地，其中蝸殼進口第1節(jié)與蝸殼第1~6節(jié)（第1段）、蝸殼第12~16節(jié)（第2段）單獨到貨，蝸殼其它節(jié)（第3段）與過渡板焊接在座環(huán)上隨座環(huán)發(fā)運工地。蝸殼第1、2段各預(yù)留30mm配割余量，現(xiàn)場焊接后整體吊入機坑；蝸殼材質(zhì)為B610CF，座環(huán)上、下環(huán)板材質(zhì)為ASTMA216WCC，固定導(dǎo)葉和鼻端導(dǎo)葉材質(zhì)為S550Q，座環(huán)/蝸殼外形尺寸為：12640×9061×2840mm，重量為97.38t。蝸殼外表面不設(shè)置彈性層，采用專用悶頭與封水環(huán)進行蝸殼水壓試驗，常溫保壓澆筑混凝土。頂蓋、底環(huán)聯(lián)接螺栓孔在車間加工，混凝土澆筑后現(xiàn)場不進行座環(huán)機加工。

3.2 導(dǎo)水機構(gòu)

水泵水輪機導(dǎo)水機構(gòu)由頂蓋、內(nèi)頂蓋、底環(huán)、控制環(huán)、活動導(dǎo)葉、導(dǎo)葉軸承及密封、導(dǎo)葉操作機構(gòu)等組成，屬于水泵水輪機過流部件，其安裝質(zhì)量直接影響水泵水輪機機械效率。導(dǎo)水機構(gòu)安裝的主要技術(shù)特點：泄流環(huán)與底環(huán)為整體結(jié)構(gòu)，整體運輸，底環(huán)通過螺栓和定位銷與座環(huán)連接；頂蓋預(yù)裝時，需將分瓣頂蓋吊入機坑在機坑內(nèi)組裝，預(yù)裝完畢，頂蓋解體后分瓣吊出機坑；頂蓋正式安裝時，需將分瓣頂蓋再次吊入機坑在機坑內(nèi)組裝，然后正式安裝。

頂蓋分兩瓣到貨，總重約72.23t，由于機坑里襯上段尺寸小于頂蓋最小外徑，頂蓋分瓣吊入機坑，在機坑內(nèi)組合，并裝配上固定止漏環(huán)。內(nèi)頂蓋、底環(huán)和控制環(huán)均為整體結(jié)構(gòu)。頂蓋和底環(huán)過流面上對應(yīng)導(dǎo)葉端面處設(shè)有抗磨板，與轉(zhuǎn)輪不銹鋼轉(zhuǎn)動止漏環(huán)配對工作的不銹鋼固定止漏環(huán)安裝在頂蓋和底環(huán)上，控制環(huán)下部有限制控制環(huán)上跳和徑向移動的自潤滑軸承；控制環(huán)的操作力矩通過導(dǎo)葉連桿、剪斷銷和導(dǎo)葉轉(zhuǎn)臂傳遞，導(dǎo)葉摩擦環(huán)可在導(dǎo)葉剪斷銷剪斷失效時固持導(dǎo)葉，防止導(dǎo)葉自由擺動而碰撞相鄰導(dǎo)葉和轉(zhuǎn)輪。導(dǎo)葉軸上面的調(diào)整墊可上下調(diào)整導(dǎo)葉的安裝位置，使導(dǎo)葉上、下端面與抗磨板的間隙符合圖紙設(shè)計要求；導(dǎo)葉止推軸承起到限制導(dǎo)葉上下竄動的作用。

每臺機活動導(dǎo)葉共計20只，每只重約1t。導(dǎo)葉端面總間隙0.56~0.94mm，活動導(dǎo)葉立面間隙在接力器全關(guān)位置為零。導(dǎo)葉為三支點支撐結(jié)構(gòu)，一個位于底環(huán)上，另兩個位于頂蓋上；導(dǎo)葉軸承為黃銅基固體潤滑劑鑲嵌軸承，導(dǎo)葉軸頸密封采用愛科密封圈。

導(dǎo)葉操作機構(gòu)由自潤滑軸承、偏心銷、拐臂、連桿、控制環(huán)和推拉桿等部件組成，將導(dǎo)葉與接力器相連接。導(dǎo)葉和拐臂之間由2個錐銷（B40×220）傳遞控制環(huán)的操作力矩，同時拐臂與頂蓋之間設(shè)有自潤滑的導(dǎo)葉止推環(huán)。連桿設(shè)有雙夾板的偏心銷結(jié)構(gòu)，以彌補各連桿之間的加工誤差。在頂蓋上設(shè)有雙向?qū)~限位塊，防止導(dǎo)葉剪斷銷剪斷后撞擊相鄰導(dǎo)葉。

3.3 轉(zhuǎn)動部件

轉(zhuǎn)輪由上冠、下環(huán)、葉片與泄水錐組成，為不銹鋼整體鑄焊結(jié)構(gòu)，葉片數(shù)9個，材質(zhì)為ASTMA743 CA-6NM低碳優(yōu)質(zhì)不銹鋼材料，在上海福伊特轉(zhuǎn)輪制造車間組焊，然后精加工，最終靜平衡試驗合格后整體運輸至工地，重量為19.8t。

水輪機軸采用優(yōu)質(zhì)鋼鍛制，為中空結(jié)構(gòu)，外形尺寸為Ф1450×Ф980×Φ600mm，主軸長6085mm，總重量為26.6t。水輪機軸與發(fā)電機軸采用銷釘螺栓傳遞扭矩與外法蘭連接方式，與轉(zhuǎn)輪采用銷套傳遞扭矩與外法蘭連接方式，水輪機軸與轉(zhuǎn)輪的連接螺栓采用電加熱法緊固。

3.4 水導(dǎo)軸承與主軸密封

水輪機導(dǎo)軸承為稀油潤滑、巴氏合金的分塊瓦結(jié)構(gòu)，水導(dǎo)瓦共12塊，軸瓦間隙采用楔子板加套管調(diào)整。導(dǎo)軸承由軸瓦、軸瓦支承、帶油槽的軸承箱（分2瓣）、箱蓋和附件組成，導(dǎo)軸承置于油槽箱內(nèi)。水輪機導(dǎo)軸承設(shè)有一個完整、獨立的機坑外循環(huán)潤滑冷卻系統(tǒng)，設(shè)有2個冷卻器，冷卻器及閥組布置在蝸殼層（EL88.85m）錐管廊道進口側(cè)。冷卻水由電站技術(shù)供水系統(tǒng)提供。

主軸密封系統(tǒng)由工作密封和檢修密封兩部分組成。主軸工作密封采用水潤滑和冷卻，水源取自蝸殼進口前，經(jīng)減壓過濾裝置減壓并過濾后供給主軸工作密封。為防止尾水溢出，在主軸工作密封的下方設(shè)置有主軸檢修密封。主軸檢修密封采用壓縮空氣充氣膨脹式橡膠密封，由壓縮空氣系統(tǒng)提供工作壓力為0.5~0.8MPa的壓縮空氣。

3.5 球閥

水泵水輪機球閥為臥軸雙面密封球閥，由上游延伸段（湊合節(jié)）、球閥閥體、下游伸縮節(jié)、球閥接力器、接力器操作系統(tǒng)、管路組成，重約95t。上游延伸段重9.5t，管徑2.1m，在壓力鋼管上預(yù)留設(shè)計配割余量（200mm），實際配割余量現(xiàn)場測量計算。下游伸縮節(jié)重約11.5t，由伸縮節(jié)、伸縮密封座法蘭組成，現(xiàn)場調(diào)整裝配。閥體已在廠內(nèi)完成密封試驗，到貨為關(guān)閉狀態(tài)；采用雙缸雙向液壓接力器開啟、關(guān)閉球閥。球閥技術(shù)參數(shù)見表2。

4 發(fā)電電動機結(jié)構(gòu)及技術(shù)特點

洪屏抽水蓄能發(fā)電電動機主要由上機架和推力軸承及上導(dǎo)軸承、定子、轉(zhuǎn)子、下機架和下導(dǎo)軸承、集電環(huán)刷架、輔助裝置等組成。發(fā)電機為懸式、三相、空冷、可逆式同步電機，轉(zhuǎn)子上方設(shè)有推力軸承和上導(dǎo)軸承，由上機架支撐；轉(zhuǎn)子下方設(shè)有下導(dǎo)軸承，由下機架支撐。

4.1 定子

定子由定子機座、定子鐵心、定子繞組、端部支撐、測溫裝置和絕緣件等組成。在安裝間組裝定子機座、定子鐵心與繞組，組裝完成且整體耐壓試驗后使用平衡梁、上機架吊入機坑。

定子機座由軋制鋼板焊接而成，設(shè)置8層環(huán)板，外徑φ7620mm，內(nèi)徑φ4912mm，高度4570mm，分2瓣運至工地組圓焊接。定子機座為浮動式結(jié)構(gòu)，與基礎(chǔ)板間通過偏心銷釘、徑向鍵及螺栓連接，當其受熱膨脹作用時，可沿徑向自由滑移。機座下環(huán)板設(shè)置下壓指，下壓指現(xiàn)場通過模板調(diào)整合格后焊接在機座下環(huán)板上。定子機座與定子鐵心采用雙鴿尾型定位筋結(jié)構(gòu)，共72根定位筋，每根雙鴿尾筋有兩段組成并布置8個托板，分別與定子機座的8層環(huán)板焊接，托塊與雙鴿尾筋精確配合，以保證鐵心的圓度和同心度。

定子鐵心外徑φ5770mm，內(nèi)徑φ4520mm，高度3414mm，由0.5mm厚的低損耗硅鋼片疊裝而成，分95段鐵心（每段高30mm）、94個通風(fēng)槽（厚度6mm），現(xiàn)場通過上、中、下三個高度模擬試疊片對定位筋進行定位、焊接，再拆除“模擬鐵心”后正式疊裝，疊片按順時針方向，層間交錯搭接為3/4沖片，通過穿心拉緊螺桿及現(xiàn)場焊接在下壓板上的壓指軸向壓緊，螺桿與鐵心之間設(shè)有絕緣套管，穿心螺桿壓緊系統(tǒng)設(shè)有疊形彈簧、絕緣墊圈和絕緣套管，以保證機組運行時鐵心保持恒定的壓緊力，并保證螺桿與機座之間可靠絕緣，鐵心疊裝分5次預(yù)壓后進行磁化試驗。

定子繞組為雙層疊繞組，4支路，Y形連接，絕緣等級為F級。定子線棒槽部固定采用槽楔和波紋板在槽口內(nèi)壓緊，以保證在各種運行工況下均能對線棒保持較大的徑向力，避免線棒松動。線棒之間及線棒與銅環(huán)之間的所有接頭均采用銀銅焊。為防止承受穩(wěn)態(tài)或短路、誤同期等故障狀態(tài)下電磁力而損害，線棒端部設(shè)置斜邊墊塊并加以綁扎固定，并設(shè)有端箍支撐。

4.2 轉(zhuǎn)子及軸系

發(fā)電電動機轉(zhuǎn)子由轉(zhuǎn)軸、磁軛、磁極、制動環(huán)、阻尼環(huán)、轉(zhuǎn)子引線等組成，外徑Ф4442mm，磁軛高度3650mm，轉(zhuǎn)子整體重量350t。機組軸系中，發(fā)電機采用一根軸結(jié)構(gòu)，由三段焊接而成，6根徑向筋板焊接在軸上，構(gòu)成轉(zhuǎn)子支架；推力軸承位于轉(zhuǎn)子上方，發(fā)電機轉(zhuǎn)子上方和下方分別設(shè)有上、下導(dǎo)軸承，水輪機設(shè)有水導(dǎo)軸承，共三個導(dǎo)軸承；導(dǎo)軸承及其支架具有足夠的徑向剛度來支撐轉(zhuǎn)動系統(tǒng)，以保證一階臨界轉(zhuǎn)速具有足夠的安全裕度。

發(fā)電機轉(zhuǎn)子支架高度為10320mm，設(shè)置6個高度為3748mm的主立筋，主立筋半徑為1195mm，重量為53t，工廠加工后整體運至工地。磁軛包括磁軛及上、下壓板，磁軛沖片由2740張4mm的高強度鋼板現(xiàn)場疊裝而成。磁軛沖片交錯相疊，每張沖片4極距，每層圓周為3張片，每層片與前一層片相錯1個極距。整個磁軛疊裝過程分為4次壓緊，壓緊方式為風(fēng)動預(yù)緊。磁軛拉緊螺桿通過上、下磁軛壓板將疊片磁軛緊固為一體，磁軛疊裝后現(xiàn)場進行磁軛鍵槽拉削以及磁軛鍵安裝。磁軛與轉(zhuǎn)子支架之間徑、切向鍵分開設(shè)置，按規(guī)定順序擰緊彈性鍵背側(cè)的調(diào)整螺栓以實現(xiàn)磁軛徑向調(diào)整。制動環(huán)為分塊結(jié)構(gòu)，通過磁軛拉緊螺桿固定在磁軛下壓板上。

轉(zhuǎn)子磁極共12個，由1mm厚的沖片疊壓而成，單個重量為10.717t。磁極通過T尾固定在磁軛上，磁極通過磁軛下壓板上的調(diào)整銷進行支撐和調(diào)節(jié)其中心線高程。通過楔子板結(jié)構(gòu)，將磁極向外徑方向固定。磁極設(shè)有完整的阻尼繞組，以抑制系統(tǒng)波動，例如不平衡負荷、兩相短路等電氣故障。阻尼繞組之間采用柔性連接結(jié)構(gòu),以補償機組運行時阻尼環(huán)的位移，并由固定在磁軛上的螺桿承受其離心力。

4.3 軸承結(jié)構(gòu)

發(fā)電機軸承分上導(dǎo)軸承、推力軸承（推力軸承結(jié)構(gòu)見圖2）和下導(dǎo)軸承，即位于轉(zhuǎn)子上方的推力軸承和上導(dǎo)軸承，位于轉(zhuǎn)子下方的下導(dǎo)軸承。

圖2 推力軸承結(jié)構(gòu)圖

上、下導(dǎo)軸承采用單獨油槽,分別布置在上、下機架中心體內(nèi),均為12塊鎢金瓦。上導(dǎo)軸承采用外加泵外循環(huán)冷卻方式；下導(dǎo)軸承采用潤滑油在油槽內(nèi)部自循環(huán)的冷卻和潤滑方式，導(dǎo)軸承瓦的支撐為楔子板加套管結(jié)構(gòu)。

推力軸承與上導(dǎo)軸承油槽分開設(shè)置，推力軸承布置在上機架中心體上部。推力軸承承受機組全部旋轉(zhuǎn)部件的重量，以及水輪機的軸向水推力。軸向推力負荷通過推力頭、鏡板傳遞到推力瓦上，推力瓦由VOITH專利的彈性橡膠墊支撐，彈性橡膠墊安裝于上機架上方的推力支架。推力頭、鏡板為一體結(jié)構(gòu)，現(xiàn)場熱套與轉(zhuǎn)軸上。推力瓦為鎢金瓦。推力軸承采用外加泵外循環(huán)潤滑冷卻方式，并設(shè)有外油箱，與上導(dǎo)軸承共用一個油箱。推力軸承設(shè)有高壓油頂起系統(tǒng)。

4.4 上、下機架

上機架采用輻射型箱形梁支臂，為承重機架，承受機組推力負荷，由中心體和6個徑向支臂在工地現(xiàn)場組焊成一整體，徑向通過彈性支撐與混凝土相連接,軸向由定子機座支撐。為保證發(fā)電機具有良好的穩(wěn)定性，軸系具有較高的臨界轉(zhuǎn)速，上機架和混凝土需共同為導(dǎo)軸承提供足夠的徑向支撐剛度，采用VOITH公司特有的粘滯彈性支撐結(jié)構(gòu)（見圖3），粘滯彈性支撐結(jié)構(gòu)元件為液壓阻尼器，來吸收結(jié)構(gòu)部件作用在基礎(chǔ)上的熱應(yīng)力。

圖3 上機架粘滯彈性支撐結(jié)構(gòu)圖

發(fā)電機下機架由1個中心體和6個支臂徑向支臂組成，采用合縫板螺栓把合結(jié)構(gòu)，可滿足下機架從定子內(nèi)徑吊出的要求。在最嚴重工況下最大下?lián)隙炔淮笥?.63mm，組裝后總重約16t。下導(dǎo)軸承布置在下機架中心體的內(nèi)部。每個支臂上布置1個制動器,沿圓周方向共布置6個。

4.5 輔助設(shè)備

制動系統(tǒng)采用壓縮空氣操作的機械制動方式，壓縮空氣壓力為0.5~0.7MPa，6個制動器安裝在下機架每個支臂上。制動塊由非金屬無石棉材料制成。當機組為靜止工況下，制動器通過高壓油操作可以作為頂轉(zhuǎn)子用。制動粉塵由制動粉塵收集裝置除去，以避免制動粉塵進入繞組、軸承或冷卻系統(tǒng)。

發(fā)電機設(shè)有水滅火系統(tǒng)，在定子繞組上下兩端端部適當位置，分別布置2根環(huán)管，環(huán)管上有適當數(shù)量的噴霧頭。機坑內(nèi)設(shè)有空間加熱器，以防止發(fā)電機停機時受潮或結(jié)露。

4.6 通風(fēng)系統(tǒng)

通風(fēng)冷卻方式為端部雙路徑向、密閉自循環(huán)、無風(fēng)扇空氣冷卻，結(jié)構(gòu)見圖4。風(fēng)壓主要由轉(zhuǎn)子支架和磁軛的扇風(fēng)作用產(chǎn)生。冷風(fēng)穿過定子繞組上、下端部后，雙路徑向進入轉(zhuǎn)子支架，依次穿過磁軛、磁極、氣隙、定子鐵心和機座，并被定、轉(zhuǎn)子繞組的各種損耗加熱。熱風(fēng)由6個空氣冷卻器冷卻，空氣冷卻器固定在機座的開口位置。該通風(fēng)冷卻結(jié)構(gòu)縮短了發(fā)電機風(fēng)路，減小了發(fā)電機風(fēng)摩損耗，提高了發(fā)電機冷卻效率。

圖4 通風(fēng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

5 幾點看法

2016年4月30日，洪屏抽水蓄能電站1號機組與江西電網(wǎng)系統(tǒng)并網(wǎng)進行首次泵水試驗并取得成功，抽水負荷29.1萬kW，期間機組運行穩(wěn)定、各項運行指標良好，從而證明了洪屏抽水蓄能電站結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢。

（1）水泵水輪機導(dǎo)水機構(gòu)采用導(dǎo)葉斷面為負曲率形式，同時采用剪刀形立面間隙設(shè)計,有助于導(dǎo)葉開啟。

（2）發(fā)電電動機為懸吊式機組，采用一根軸，機組軸線結(jié)構(gòu)特點是軸系長、分段數(shù)少、結(jié)合面少。優(yōu)點：制造廠內(nèi)加工確保機組軸系軸線質(zhì)量，減少現(xiàn)場軸線調(diào)整工程量。缺點：發(fā)電電動機部分因受力轉(zhuǎn)換后不能與水機軸脫離，發(fā)電電動機不能單獨盤車；軸系較長（鏡板至水導(dǎo)距離達14.135m）,現(xiàn)場通過打磨卡環(huán)處理軸線難度加大。

（3）轉(zhuǎn)子磁軛疊裝后不進行現(xiàn)場加溫?zé)崽?，而是采用冷打鍵，冷打鍵后通過彈性鍵背側(cè)的調(diào)整螺栓以實現(xiàn)磁軛徑向調(diào)整，從而確保磁軛與轉(zhuǎn)子支架緊度滿足設(shè)計要求；定子疊裝采用“片-筋-片安裝法”，該工藝不是從繁瑣的定位筋調(diào)整過程入手，而是直接從最根本的問題入手，去直接調(diào)整“模擬鐵心”，達到以“模擬鐵心”控制定位筋，以定位筋最終保證鐵心的目的。

（4）推力軸承采用彈性橡膠墊支撐結(jié)構(gòu)，該支撐系統(tǒng)可在周向和徑向使瓦傾斜，并可補償0.10mm的高度方向誤差。彈性墊支撐結(jié)構(gòu)的優(yōu)點：對動態(tài)負載有極好的阻尼作用；在圓周方向上能夠自我調(diào)節(jié)，有利于生成楔形油膜；能夠在徑向自我調(diào)節(jié)以補償轉(zhuǎn)子傾斜或機架變形；補償鏡板和推力瓦的熱變形；對短暫過載不敏感。

（5）上機架采用粘滯彈性支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計，該結(jié)構(gòu)可顯著減小軸承支撐結(jié)構(gòu)部件傳遞到基礎(chǔ)上的熱應(yīng)力，以提高軸承及其支撐部件的經(jīng)濟性，并大大節(jié)省成本。另一方面，能保證發(fā)電電動機具有良好的穩(wěn)定性，軸系具有較高的臨界轉(zhuǎn)速。

（6）水導(dǎo)軸承、推力軸承與上導(dǎo)軸承外循環(huán)泵方式，并將外循環(huán)泵、油冷卻器布置發(fā)電機機墩外,有利于提高軸承的冷卻能力，便于檢修與運行巡視檢查。

TV743

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1672-5387（2017）05-0048-05

10.13599/j.cnki.11-5130.2017.05.012

2016-05-15

李 軍（1978-），男，高級工程師，從事水電站機電安裝、檢修與技術(shù)管理工作。