彭 潛，顧志堅，陳弘昊，李 碩，李德芳

(1.深圳蓄能發(fā)電有限公司，廣東 深圳 518115；2.調(diào)峰調(diào)頻發(fā)電有限公司工程建設(shè)管理分公司，廣東 廣州 510630)

0 引 言

深圳抽水蓄能電站(下文簡稱“深蓄電站”)是南方電網(wǎng)在廣東投建的第四座抽水蓄能電站。在南方電網(wǎng)抽蓄電站建設(shè)過程中，2000年建成的廣州抽水蓄能電廠，8臺機組全部引進法國和德國設(shè)備；2011年全部投產(chǎn)的惠州抽水蓄能電廠，8臺機組中的1臺由國內(nèi)廠家制造；2016年全部投產(chǎn)的清遠抽水蓄能電站，實現(xiàn)了4臺進口機組在國內(nèi)制造。

深蓄電站是南方電網(wǎng)首座全面國產(chǎn)化設(shè)計、制造、安裝、調(diào)試的抽水蓄能電站，電站單機容量300 MW， 額定轉(zhuǎn)速428.6 r/min，飛逸轉(zhuǎn)速659 r/min，其飛逸轉(zhuǎn)速與額定轉(zhuǎn)速比值高達1.538，為同期國產(chǎn)高轉(zhuǎn)速抽水蓄能機組(400 r/min以上)中比值最高的機組，設(shè)計、制造難度大，為此，本文將對深蓄電站發(fā)電電動機、水泵水輪機、機組主保護、監(jiān)控系統(tǒng)等方面關(guān)鍵技術(shù)進行總結(jié)，以期對后續(xù)電站建設(shè)起到有益借鑒。

1 技術(shù)內(nèi)容

1.1 雙面加工整圓厚板熱套磁軛結(jié)構(gòu)設(shè)計研究

抽水蓄能機組轉(zhuǎn)子通常采用疊片式磁軛，由成千上萬張硅鋼片疊裝而成。深蓄電站發(fā)電電動機轉(zhuǎn)子首次采用雙面加工整圓厚鋼板分段式高剛性磁軛結(jié)構(gòu)和配套的高強度磁極，分段磁軛采用銷釘螺栓把合結(jié)構(gòu)，9段磁軛整體加工并設(shè)有穿心拉桿結(jié)構(gòu)，解決了高轉(zhuǎn)速下疊片式磁軛存在離心力作用下動態(tài)變形和剪切力大的難題，雙面加工結(jié)構(gòu)有效避免了磁軛鋼板變形，提高安裝精度及可靠性，保證了高轉(zhuǎn)速機組的安全、高效、穩(wěn)定運行[1]。如圖1所示。

圖1 磁軛結(jié)構(gòu)

剛性磁軛與轉(zhuǎn)子支架采用復(fù)合鍵結(jié)構(gòu)，由帶鍵槽的磁軛和轉(zhuǎn)子支架、磁軛凸鍵、磁軛副鍵和墊片組成，該結(jié)構(gòu)使轉(zhuǎn)子支架和磁軛之間產(chǎn)生切向配合力，能保證高轉(zhuǎn)速抽蓄機組正反轉(zhuǎn)情況下很好地傳遞切向扭矩，通過墊片的厚度調(diào)整磁軛和轉(zhuǎn)子支架熱打鍵緊量，保證磁軛和轉(zhuǎn)子支架的徑向配合力，滿足了轉(zhuǎn)子支架和磁軛較高分離轉(zhuǎn)速的需要[2]，如圖2所示。

圖2 轉(zhuǎn)子支架與磁軛的連接復(fù)合鍵

自主研制厚板剛性磁軛熱加墊溫度監(jiān)測系統(tǒng)，快速有效地監(jiān)測轉(zhuǎn)子磁軛在熱加墊過程中各監(jiān)控點的溫度，檢查所有加熱板是否處于加熱狀態(tài)，大大提高了監(jiān)控測量的效率，保證轉(zhuǎn)子磁軛熱加墊安裝質(zhì)量。按照GB8564—2003要求，轉(zhuǎn)速300-500 r/min機組，轉(zhuǎn)子磁軛偏心值不大于0.15 mm，深蓄機組偏心值均可控制在0.10 mm以內(nèi)，如圖3所示。

圖3 厚板剛性磁軛熱加墊溫度監(jiān)測布置示意

1.2 高可靠性轉(zhuǎn)子引線結(jié)構(gòu)設(shè)計

轉(zhuǎn)子引線由磁極引出線開始，通過磁軛、轉(zhuǎn)子支架和頂軸，對稱上行接至頂軸上端的集電環(huán)，并用線夾支撐固定。轉(zhuǎn)子引線采用局部包扎絕緣的方法，使結(jié)構(gòu)更加簡便，并滿足安全穩(wěn)定運行的要求。結(jié)合相關(guān)電站設(shè)計、安裝、運行經(jīng)驗，進行如下優(yōu)化[3]：

(1)深蓄電站穿軸轉(zhuǎn)子引線原設(shè)計結(jié)構(gòu)由穿軸銅螺桿、銅排引線、固定螺母、絕緣墊、絕緣套筒等組成，因采用類似結(jié)構(gòu)電站于2016年發(fā)生引線燒灼現(xiàn)象，故對深蓄穿軸引線結(jié)構(gòu)進行相應(yīng)改進。優(yōu)化后結(jié)構(gòu)為：穿軸引線由“L”型銅排組成，接頭采用螺栓進行把合，銅排與穿軸部位外側(cè)之間墊有絕緣板，穿軸內(nèi)側(cè)同時設(shè)置支撐塊以抵消運行過程的離心力。原結(jié)構(gòu)、優(yōu)化后結(jié)構(gòu)如圖4、5所示。

圖4 原設(shè)計

圖5 優(yōu)化后設(shè)計

(2)深蓄電站磁極極間引線原結(jié)構(gòu)為采用3顆3×M12螺栓并排固定，由于其正壓緊度不足，把緊后螺栓內(nèi)外側(cè)引線均有間隙，使得引線接觸面積明顯減小、接觸電流密度增大，存在接觸部位發(fā)熱甚至燒損的隱患。不改變原來螺孔的基礎(chǔ)上，增設(shè) 2×φ14螺栓孔并采用4×M12螺栓把緊。改裝后引線接觸電密測定為0.24 A/mm2，滿足設(shè)計要求，目前極間引線無異常發(fā)熱燒灼現(xiàn)場。

(3)深蓄轉(zhuǎn)子引線通過線夾、墊板、絕緣板、螺栓及墊圈等固定于頂軸內(nèi)腔，其中墊板原安裝工藝為焊接于頂軸，具體結(jié)果如圖6所示。由于焊角達到10 mm，焊接工藝考慮不周，在軸內(nèi)孔壁為數(shù)較多的線夾焊接量引發(fā)了上端軸的橢圓變形，繼而影響上導(dǎo)擺度，尤其是2X分量偏大。1、2號機轉(zhuǎn)子引線墊板均采用現(xiàn)場焊接方式，上導(dǎo)2X擺度分別達到80 μm和66 μm左右。

圖6 轉(zhuǎn)子穿軸引線固定夾

因此，對工藝進行優(yōu)化，3號采用廠內(nèi)先焊接再進行車床加工、4號機則采用現(xiàn)場鉆孔安裝的方式，上導(dǎo)2X擺度分別僅為6.9 μm和2.3 μm，順利解決上導(dǎo)擺度2X大的問題。為了消除1、2號機上導(dǎo)二倍頻分量，利用400目砂紙及百潔布等工具手工修磨測點區(qū)域，使直徑尺寸滿足要求。

1.3 雙列葉柵結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化研究

深蓄電站是南方電網(wǎng)首個國產(chǎn)化抽蓄項目。國內(nèi)早期多個抽蓄電站均發(fā)生因水泵水輪機S區(qū)特性造成的低水頭發(fā)電工況運行不穩(wěn)定、并網(wǎng)困難等問題。為解決該問題，大多采用設(shè)置異步導(dǎo)葉方式來解決，但設(shè)置異步導(dǎo)葉亦會造成導(dǎo)水機構(gòu)設(shè)備復(fù)雜、成本較大。

深蓄機組最高毛水頭466.81 m，額定出力300 MW，轉(zhuǎn)速為428.6 r/min。為保證水力性能的優(yōu)良，常規(guī)設(shè)計的雙列葉柵無論是固定導(dǎo)葉還是活動導(dǎo)葉，通常都是在高壓邊采用圓頭，而在低壓邊采用尖頭的設(shè)計。深蓄電站水泵水輪機活動導(dǎo)葉大小端均采用大圓頭設(shè)計，優(yōu)選縫隙長度，成功將水輪機工況的“S”形特性推出在電站運行范圍(在50.2 Hz情況下余量達到37.5 m)，解決了該水頭段水輪機工況低水頭并網(wǎng)難題。

1.4 單波紋彈性油箱雙向推力軸承結(jié)構(gòu)設(shè)計研究

在428.6 r/min高轉(zhuǎn)速、推力軸承設(shè)計制造難度高達3.1的情況下，深蓄電站首次應(yīng)用單波紋彈性油箱雙向推力軸承結(jié)構(gòu)[4]，自動平衡了瓦間負荷，解決了瓦間溫差不大于3度的技術(shù)難題。其特點如下：

(1)推力軸承圓周共12個彈性油箱，通過聯(lián)通管焊接成一體，通過油壓傳遞，自動平衡瓦間負荷，推力軸承瓦的負荷均勻度小于3%。

(2)推力軸承瓦采用厚薄瓦的雙層瓦結(jié)構(gòu)，雙層瓦之間采用鴿尾鍵連接，可單獨抽出薄瓦進行檢修。雙層瓦結(jié)構(gòu)可使推力瓦機械變形、熱變形最小，降低動壓油膜最大壓力幅值，利于穩(wěn)定油膜形成。

(3)推力軸承推力頭采用鏡板與推力頭一體結(jié)構(gòu)，推力頭作為下導(dǎo)滑轉(zhuǎn)子使用，通過減少加工配合面，進一步提升了機組軸線擺度。

1.5 高精度轉(zhuǎn)輪靜平衡技術(shù)

蓄能機組水頭高、轉(zhuǎn)速高、啟停頻繁，轉(zhuǎn)輪設(shè)計需兼顧水輪機和水泵兩種運行特性，因此在振動控制方面要求較為嚴(yán)格。轉(zhuǎn)輪、大軸等在加工過程中，因鑄造質(zhì)量、加工精度及焊接質(zhì)量影響，會存在一個殘余不平衡質(zhì)量。因此，盡可能減小轉(zhuǎn)輪殘余不平衡質(zhì)量對于減小機組振動起著重要作用。

通過固定加工基準(zhǔn)、三次靜平衡、多部位去重優(yōu)化等手段，首次采用測感式應(yīng)力棒靜平衡測試方法，使抽水蓄能轉(zhuǎn)輪靜平衡精度達到了ISO1940-1 G2.5級標(biāo)準(zhǔn)，實現(xiàn)了轉(zhuǎn)輪制造質(zhì)量邁上新臺階。具體特點如下：

(1)轉(zhuǎn)輪在整個制造過程中共進行三次靜平衡試驗，分別是粗平衡、半精平衡、精平衡，確保轉(zhuǎn)輪的偏重情況全過程受控，便于提前設(shè)計及制定轉(zhuǎn)輪配重方案。

(2)轉(zhuǎn)輪在整個加工過程中，工件中心及基準(zhǔn)統(tǒng)一，確保各次靜平衡結(jié)果的吻合性，消除轉(zhuǎn)輪移中心(部分項目轉(zhuǎn)輪所采用的配重方式)后對平衡結(jié)果所造成的不確定性。

(3)對深蓄轉(zhuǎn)輪靜平衡蓋板結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，采用雙面止口，實現(xiàn)只用一副蓋板完成所有靜平衡試驗，消除不同平衡工具可能造成的靜平衡結(jié)果偏差。

(4)針對抽水蓄能轉(zhuǎn)輪的結(jié)構(gòu)特點，充分有效利用多個部位進行去重孔加工(包括下環(huán)下端面、下環(huán)外曲面、上冠與下環(huán)外圓、上冠把合孔及銷孔底部)，確保轉(zhuǎn)輪配重方案的可實施性。

1.6 國產(chǎn)化計算機監(jiān)控系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計研究

由業(yè)主主導(dǎo)，對電站監(jiān)控系統(tǒng)進行全面優(yōu)化設(shè)計，自主開發(fā)了一鍵黑啟動、水道充排水可視化等程序，系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，引領(lǐng)了監(jiān)控系統(tǒng)國產(chǎn)化技術(shù)進步。其特點如下：

(1)采用大監(jiān)控架構(gòu)模式。計算機監(jiān)控系統(tǒng)集成了10 kV廠用電備自投、400 V廠用電備自投、機組及全廠公用輔助設(shè)備控制功能，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，協(xié)調(diào)控制更合理，既減少了外部輔助控制系統(tǒng)，又提高了電站運行維護效率。

(2)電站運行模式設(shè)定為全廠模式和分廠模式，電站AGC系統(tǒng)根據(jù)抽水蓄能電站主接線開關(guān)狀態(tài)自動識別和切換電站AGC全廠/分廠模式，全廠模式控制對象為全廠4臺機組，分廠模式包括分廠A和分廠B，分廠A控制對象為1號、2號機組，分廠B控制對象為3號、4號機組。AGC全廠/分廠自動切換和控制功能降低了人工誤操作的風(fēng)險，提高了電站根據(jù)電網(wǎng)負荷要求進行自動抽水、發(fā)電和負荷調(diào)節(jié)的響應(yīng)速度[5]。

(3)配置機組事故停機PLC。為保證機組事故時安全可靠停機，機組現(xiàn)地控制單元一般設(shè)置獨立的事故停機回路，其電源和輸入信號與機組現(xiàn)地控制單元獨立。深蓄電站獨立于機組現(xiàn)地控制單元PLC之外，配置機組事故停機PLC，實現(xiàn)機組事故停機功能。

(4)設(shè)置“一鍵黑啟動”功能。深蓄電站投產(chǎn)初年，同步實現(xiàn)黑啟動功能，采用柴油發(fā)電機作為備用電源，自主設(shè)計柴油發(fā)電機控制回路，自主開展黑啟動程序開發(fā)、測試，柴油發(fā)電機調(diào)試完畢即開展了黑啟動實戰(zhàn)試驗，成為深圳電網(wǎng)第一個經(jīng)過實戰(zhàn)檢驗的快速、穩(wěn)定、可靠的黑啟動電源，為電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行提供了堅實的保障。

(5)優(yōu)化廠用電控制系統(tǒng)[6]。一是提高遠程I/O設(shè)備配置比例，優(yōu)化廠用電控制系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)；二是將控制器改為雙CPU冗余結(jié)構(gòu)，優(yōu)化廠用電備自投裝置硬件選型；三是優(yōu)化廠用電備自投控制邏輯。利用窮舉法列舉出三段母線下所有備自投切換方案，嚴(yán)謹(jǐn)設(shè)定備自投觸發(fā)條件，最大程度降低誤動拒動風(fēng)險。

(6)計算機房模塊化設(shè)計。一是機房整體采用模塊化布局，將14個IT機柜分兩排相對布置，并在其中配置行級空調(diào)和精密配電柜、密封通道、端門等設(shè)施；二是通道采用雙排密封冷通道，可隔離冷熱氣流；三是設(shè)置精密空調(diào)，以提高系統(tǒng)可靠性及能源利用效率，且可實現(xiàn)在線擴容；四是采用智能管理系統(tǒng)，來實現(xiàn)對數(shù)據(jù)機房基礎(chǔ)設(shè)施層的動力、環(huán)境、視頻、門禁等設(shè)備的實時數(shù)據(jù)、設(shè)備狀態(tài)、告警等的管理?？伸`活配置、柔性擴容、分層級管理，適應(yīng)模塊化和集裝箱數(shù)據(jù)機房等多種應(yīng)用場景。

2 與當(dāng)前國內(nèi)外同類研究、同類技術(shù)的綜合比較

2.1 水泵水輪機模型效率比較

深圳抽水蓄能電站是一座日調(diào)節(jié)的純抽水蓄能電站，電站總裝機容量1 200 MW，裝設(shè)4臺套單機容量為300 MW的單級可逆式水泵水輪機和發(fā)電電動機組，發(fā)電電動機由哈電設(shè)計制造，水泵水輪機由東電設(shè)計制造，水輪機額定水頭419 m，水輪機額定出力306.1 MW，額定轉(zhuǎn)速428.6 r/min。

X1抽水蓄能電站是一座周調(diào)節(jié)純抽水蓄能電站，單機容量為300 MW，東電自主研發(fā)，額定轉(zhuǎn)速428.6 r/min，水輪機額定水頭430 m。

X2抽水蓄能電站是一座日調(diào)節(jié)的純抽水蓄能電站，單機容量為375 MW，發(fā)電電動機由東電設(shè)計制造，水泵水輪機由哈電設(shè)計制造。額定轉(zhuǎn)速375 r/min，水輪機額定水頭447 m。

根據(jù)模型試驗結(jié)果，水泵水輪機主要效率參數(shù)如表1、2所示。

從試驗結(jié)果的對比可以看出，深圳電站轉(zhuǎn)輪在水輪機工況的效率水平與X1電站接近，優(yōu)于X2電站，而在水泵工況，深蓄電站水泵水輪機各項效率參數(shù)均明顯優(yōu)于另外2個電站的轉(zhuǎn)輪。

表1 水輪機工況主要效率參數(shù)對比 %

表2 水泵工況主要效率參數(shù)對比 %

表3 與引進技術(shù)結(jié)構(gòu)對比

2.2 深圳發(fā)電電動機與國外技術(shù)結(jié)構(gòu)比較

深蓄發(fā)電電動機由哈爾濱電機廠有限責(zé)任公司設(shè)計制造，額定容量為334 MV·A，電動機工況額定輸出功率為325 MW，額定轉(zhuǎn)速428.6 r/min，飛逸轉(zhuǎn)速659 r/min，額定電壓15.75 kV，推力負荷720 t。深蓄發(fā)電電動機結(jié)構(gòu)與引進結(jié)構(gòu)對比如表3所示。

從結(jié)構(gòu)對比上看，深蓄發(fā)電電動機結(jié)構(gòu)在國外引進基礎(chǔ)上，進一步優(yōu)化創(chuàng)新，部分技術(shù)在行業(yè)內(nèi)部出于領(lǐng)先水平，具有廣泛的推廣應(yīng)用價值及較高的經(jīng)濟效益和社會效益。

3 結(jié) 語

深蓄電站是南方電網(wǎng)在廣東投建的第四座抽水蓄能電站，是國內(nèi)首個特大型城市內(nèi)建設(shè)的抽水蓄能電站，同時也是南方電網(wǎng)首座全面國產(chǎn)化設(shè)計、制造、安裝、調(diào)試的抽水蓄能電站。通過國產(chǎn)化抽水蓄能機組結(jié)構(gòu)設(shè)計、制造技術(shù)研究，實現(xiàn)了全部4臺機組調(diào)試一次啟動成功、一次并網(wǎng)成功、一次抽水成功、所有工況轉(zhuǎn)換均一次性成功，實現(xiàn)了220 kV零跳閘、主要電氣設(shè)備零損壞。

相關(guān)技術(shù)研究成果應(yīng)用于豐寧、荒溝、文登、周寧、梅州、陽江等抽水蓄能電站，有力促進了我國抽水蓄能產(chǎn)業(yè)的技術(shù)升級。深蓄電站安全穩(wěn)定運行，不僅有助于充分吸納清潔西電，也為緩解深圳乃至香港電網(wǎng)負荷壓力，提高電網(wǎng)運行安全和經(jīng)濟性作出了重要貢獻。