路振剛 陳順義 鄭小康 邱紹平 梁權(quán)偉 鄭應(yīng)霞

摘要：

通過對抽水蓄能機(jī)組進(jìn)行國產(chǎn)化和自主研究，中國掌握了500 m以下水頭段的抽水蓄能機(jī)組技術(shù)。為了在600 m以上高水頭段、500 r/min高轉(zhuǎn)速抽水蓄能機(jī)組自主設(shè)計(jì)制造技術(shù)方面取得突破，以中國首座600 m以上水頭的高轉(zhuǎn)速高水頭的績溪抽水蓄能國產(chǎn)化機(jī)組研制與工程應(yīng)用為依托，研制并提出了針對性較強(qiáng)的技術(shù)規(guī)范。在此基礎(chǔ)上，采用了同臺對比試驗(yàn)的模式，以促進(jìn)國產(chǎn)化機(jī)組水力研發(fā)技術(shù)的發(fā)展，并采用了“5+5”長短葉片等創(chuàng)新技術(shù)?，F(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果表明：機(jī)組主要性能指標(biāo)均優(yōu)于技術(shù)規(guī)范，對中國其他高水頭、高轉(zhuǎn)速抽水蓄能電站建設(shè)具有借鑒意義，并對中國抽水蓄能機(jī)組技術(shù)進(jìn)步具有重要的促進(jìn)作用。

關(guān) 鍵 詞：

抽水蓄能機(jī)組研發(fā); 同臺對比; 原型驗(yàn)證; 國產(chǎn)化

中圖法分類號： TV734

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.07.022

0 引 言

抽水蓄能電站以其大規(guī)模儲能容量、卓越的調(diào)節(jié)性能和敏捷的反應(yīng)速度，成為能源革命和綠色能源建設(shè)、實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰”“碳中和”莊嚴(yán)承諾的關(guān)鍵支柱，中國抽水蓄能電站建設(shè)將迎來更大更快的發(fā)展。抽水蓄能機(jī)組研發(fā)制造技術(shù)是抽水蓄能電站建設(shè)最重要的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一[1-2]。自21世紀(jì)初開始實(shí)施抽水蓄能機(jī)組國產(chǎn)化自主化以來，機(jī)組單機(jī)容量從250 MW到400 MW、轉(zhuǎn)速從250 r/min到428.6 r/min、水頭/揚(yáng)程從200 m到500 m水頭段，一步一個臺階逐步提高，穩(wěn)步發(fā)展[3-4]。隨著安徽響水澗、福建仙游、江蘇溧陽、浙江仙居、廣東深圳等抽水蓄能電站的先后成功投產(chǎn)，中國已具備500 m以下水頭的抽水蓄能機(jī)組的自主設(shè)計(jì)制造能力[5-6]。為了在600 m以上高水頭段、500 r/min高轉(zhuǎn)速抽水蓄能機(jī)組自主設(shè)計(jì)制造技術(shù)方面取得突破，擁有全球最大規(guī)模的抽水蓄能電站營建經(jīng)驗(yàn)的國網(wǎng)新源控股有限公司，在總結(jié)抽水蓄能機(jī)組國產(chǎn)化、自主化經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合安徽績溪抽水蓄能電站建設(shè)，從技術(shù)規(guī)范制定和不斷完善、同臺對比陽光競爭確保技術(shù)研發(fā)投入和有序競爭、現(xiàn)場原位試驗(yàn)對國產(chǎn)化自主研發(fā)制造成果進(jìn)行驗(yàn)證3個環(huán)節(jié)入手，形成了完備的大型抽水蓄能機(jī)組國產(chǎn)化自主研發(fā)制造的扶持、支撐和競爭機(jī)制，堅(jiān)強(qiáng)有力地支持了中國抽水蓄能機(jī)組成套設(shè)備自主化事業(yè)發(fā)展[7-8]。

為支持抽水蓄能機(jī)組設(shè)備的國產(chǎn)化制造，國家將績溪抽水蓄能電站（以下簡稱“績溪電站”）列為抽水蓄能電站機(jī)組設(shè)備自主化后續(xù)工作的依托項(xiàng)目。績溪電站位于安徽省績溪縣，裝設(shè)6臺單機(jī)容量為300 MW的混流可逆式機(jī)組，水頭范圍565.90～637.44 m，揚(yáng)程范圍586.03～650.86 m，機(jī)組額定水頭600 m，額定轉(zhuǎn)速500 r/min[9]?？兿娬臼侵袊樗钅軝C(jī)組國產(chǎn)化自主設(shè)計(jì)制造首次向600 m高水頭段、高轉(zhuǎn)速方向發(fā)起挑戰(zhàn)的依托項(xiàng)目，建設(shè)、設(shè)計(jì)、研發(fā)制造、調(diào)試試驗(yàn)等多個單位參與了該型機(jī)組國產(chǎn)化的工作。

1 高水頭段、高轉(zhuǎn)速機(jī)組技術(shù)規(guī)范

相關(guān)文獻(xiàn)表明[10]，隨著抽水蓄能機(jī)組向高水頭、大容量、高轉(zhuǎn)速方向的發(fā)展，對于600 m及以上水頭/揚(yáng)程的抽水蓄能機(jī)組國內(nèi)還沒有自主研發(fā)的業(yè)績。也有文獻(xiàn)表明[11]，攻克大容量、高水頭、高轉(zhuǎn)速常規(guī)定速機(jī)組的技術(shù)難題是國內(nèi)主機(jī)設(shè)備制造廠商技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展的方向。因此，在績溪電站主機(jī)招標(biāo)前，國網(wǎng)新源控股有限公司（以下簡稱“新源公司”）對高水頭抽水蓄能機(jī)組國產(chǎn)化進(jìn)程高度重視，專門組織針對對國產(chǎn)化的機(jī)組水力研發(fā)、參數(shù)選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等一系列研討會。在此基礎(chǔ)上華東勘測設(shè)計(jì)研究院提出了國產(chǎn)化高水頭、高轉(zhuǎn)速機(jī)組技術(shù)規(guī)范，新源公司和建設(shè)單位組織內(nèi)部、外部評審，形成合理可行的機(jī)組技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和參數(shù)指標(biāo)。技術(shù)規(guī)范就高水頭、高轉(zhuǎn)速機(jī)組的研發(fā)、性能參數(shù)、設(shè)計(jì)及制造、材料選型、機(jī)組輔助設(shè)施的配置、檢驗(yàn)試驗(yàn)等提出了全方面要求，以確保機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

績溪電站水頭變幅、吸出高度等參數(shù)適中，為國產(chǎn)化機(jī)組的研發(fā)創(chuàng)造了條件。機(jī)組技術(shù)規(guī)范中對能量指標(biāo)不提過高要求，但對機(jī)組穩(wěn)定性指標(biāo)則提出了較高要求，體現(xiàn)以機(jī)組穩(wěn)定性指標(biāo)為重的主導(dǎo)思想：技術(shù)規(guī)范中對于機(jī)組振動指標(biāo)的要求高于ISO10186-5的規(guī)定，對于機(jī)組擺度指標(biāo)的要求高于ISO7919-5的規(guī)定。近年來，已把壓力脈動特性作為衡量大型水力機(jī)組性能的重要指標(biāo)[12]，因此，技術(shù)規(guī)范中對壓力脈動指標(biāo)的要求均不低于同水頭段國外廠商研發(fā)的機(jī)組水平。機(jī)組的預(yù)期主要技術(shù)參數(shù)要求如表1所列。

2 水泵水輪機(jī)同臺對比試驗(yàn)

本文研究電站的機(jī)組為國產(chǎn)化水頭最高、轉(zhuǎn)速最高的抽蓄機(jī)組?？紤]到國內(nèi)廠家均沒有該水頭段成熟的水力研發(fā)經(jīng)驗(yàn)，且水泵水輪機(jī)性能參數(shù)對機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行有著決定性的影響，績溪電站主機(jī)招議標(biāo)采用“同臺對比試驗(yàn)”模式，即帶模型轉(zhuǎn)輪投標(biāo)，機(jī)組評標(biāo)前開展模型同臺對比試驗(yàn)，將試驗(yàn)結(jié)果作為評標(biāo)、決標(biāo)的重要因素。

2.1 水力開發(fā)歷程

由于“同臺對比試驗(yàn)”模式充分引入了競爭機(jī)制，參與投標(biāo)的國內(nèi)制造廠商均高度重視，在績溪電站水力開發(fā)方面均投入了巨大的資源，采取了多方向研究、多種措施保障等策略，加快推進(jìn)國產(chǎn)化高水頭、高轉(zhuǎn)速抽水蓄能機(jī)組水力開發(fā)的進(jìn)程。

根據(jù)績溪電站水泵水輪機(jī)模型開發(fā)技術(shù)條件要求，同時(shí)綜合考慮未來電站整體的安全穩(wěn)定性，國內(nèi)制造商均制定了不同的模型轉(zhuǎn)輪技術(shù)開發(fā)方案。如轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)選擇了7葉片、9葉片和5+5長短葉片、6+6長短葉片等不同方向分別開展研究，活動導(dǎo)葉數(shù)選擇了20個導(dǎo)葉和16個導(dǎo)葉2種方案分別開展研究，每一輪次的水力研發(fā)都包括水力設(shè)計(jì)、模型制備、模型試驗(yàn)等過程。經(jīng)過多輪次的研發(fā)工作，國內(nèi)制造商分別推出了5+5長短葉片加16導(dǎo)葉方案和6+6長短葉片加20導(dǎo)葉方案。

此前，長短葉片在國內(nèi)研發(fā)的抽水蓄能機(jī)組中尚未得到應(yīng)用，這也意味著通過“同臺對比試驗(yàn)”來激勵國內(nèi)制造商的水力研發(fā)水平有了新的突破。同時(shí)，多輪次的研發(fā)經(jīng)驗(yàn)積累也為高水頭國產(chǎn)化抽水蓄能機(jī)組自主化設(shè)計(jì)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

2.2 同臺對比試驗(yàn)

2014年9月22日至10月28日，在中國水科院水力機(jī)械實(shí)驗(yàn)室開展了水泵水輪機(jī)模型同臺對比試驗(yàn)。由于“同臺對比試驗(yàn)”模式充分引入了競爭機(jī)制，參與投標(biāo)的國內(nèi)制造廠商在投標(biāo)之前進(jìn)行了大量的水力研發(fā)和模型試驗(yàn)工作，各投標(biāo)人的模型試驗(yàn)結(jié)果均較為優(yōu)異。通過同臺對比試驗(yàn)，最終選擇了5長5短的長短葉片，該方案的水泵水輪機(jī)模型試驗(yàn)結(jié)果（主要參數(shù)）如表2所列。

2.3 同臺對比試驗(yàn)對水力開發(fā)的促進(jìn)作用

同臺對比試驗(yàn)充分引入了競爭機(jī)制，給制造廠和項(xiàng)目公司帶來了雙贏的結(jié)果。一方面，同臺對比試驗(yàn)激勵了制造廠在投標(biāo)之前加大水力開發(fā)的投入，有利于制造廠家的經(jīng)驗(yàn)積累和技術(shù)提高，促進(jìn)了國產(chǎn)化機(jī)組水力開發(fā)技術(shù)水平的提高。另一方面，項(xiàng)目公司也可以根據(jù)同臺對比的試驗(yàn)結(jié)果，擇優(yōu)選擇中標(biāo)廠家，為電站的安全穩(wěn)定運(yùn)行提供保障。

3 機(jī)組研發(fā)設(shè)計(jì)

如前文所述，在機(jī)組技術(shù)規(guī)范中提出了以機(jī)組穩(wěn)定性為重的思想。為此，針對績溪電站機(jī)組高水頭、高轉(zhuǎn)速的特點(diǎn)，在機(jī)組研發(fā)過程中采用了一些創(chuàng)新技術(shù)。

3.1 5+5長短葉片的應(yīng)用

績溪電站水力開發(fā)過程中，對水泵水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)和導(dǎo)葉數(shù)的匹配問題開展了專項(xiàng)研究，最終確定采用5+5長短葉片+16個活動導(dǎo)葉的設(shè)計(jì)方案。5+5長短葉片是在國內(nèi)自主開發(fā)的抽水蓄能電站機(jī)組中首次應(yīng)用。制造廠為績溪電站開發(fā)的不同葉片數(shù)轉(zhuǎn)輪的設(shè)計(jì)如圖1所示。從圖1中可以看到長短葉片方案與常規(guī)葉片相比，在進(jìn)、出口邊流道形狀、葉柵稠密度等方面的不同。

5+5長短葉片方案由于高壓側(cè)葉柵稠密，能夠有效地控制部分負(fù)荷工況高壓側(cè)的二次回流，也可以使得高壓側(cè)葉片的安放角和轉(zhuǎn)輪直徑設(shè)計(jì)得更小，從而提高水輪機(jī)運(yùn)行范圍內(nèi)的效率并改善葉片進(jìn)口的空化特性。同時(shí)，長短葉片方案低壓側(cè)葉片數(shù)較少，可以減少低壓側(cè)葉片的排擠，改善水輪機(jī)出口邊空化性能。5+5長短葉片還可以提高水輪機(jī)工況進(jìn)口剛度，改善轉(zhuǎn)輪的動、靜應(yīng)力特性。

圖2是各方案水泵和水輪機(jī)能量試驗(yàn)結(jié)果對比圖。圖中效率均為相對效率，以轉(zhuǎn)輪A為基準(zhǔn)轉(zhuǎn)輪，其中圖2（a）以水泵工況協(xié)聯(lián)曲線中的最優(yōu)工況點(diǎn)為基準(zhǔn)點(diǎn)，圖2（b）以水輪機(jī)工況額定水頭最優(yōu)效率為基準(zhǔn)點(diǎn)。圖3是各方案水輪機(jī)額定水頭壓力脈動試驗(yàn)結(jié)果對比圖。從模型試驗(yàn)結(jié)果可以看出：長短葉片方案在能量性能、部分負(fù)荷和空載壓力脈動方面要優(yōu)于常規(guī)葉片方案。

3.2 發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)部件結(jié)構(gòu)

發(fā)電電動機(jī)采用“一根軸+整體磁軛圈”的結(jié)構(gòu)方式，屬于創(chuàng)新設(shè)計(jì)?！耙桓S”可消除多段軸因加工和安裝誤差導(dǎo)致的擺度過大的弱點(diǎn);同時(shí)，上下導(dǎo)軸承距離轉(zhuǎn)子中心線更近，臨界轉(zhuǎn)速顯著提高，這對于500 r/min的高速機(jī)組有利?！罢w磁軛圈”采用高強(qiáng)度鋼板制成，在制造廠內(nèi)分小段把合、整體精加工。與普通疊片磁軛相比，“整體磁軛圈”能消除應(yīng)力增大系數(shù)，顯著增強(qiáng)磁軛的整體剛度，提高磁軛的安全、穩(wěn)定和可靠性。此外，與傳統(tǒng)疊片磁軛比，采用“一根軸+整體磁軛圈”結(jié)構(gòu)可以明顯減少工期。

3.3 新型推力軸承設(shè)計(jì)

為降低甚至消除高轉(zhuǎn)速電機(jī)推力軸承的攪拌損耗和攪拌油霧，績溪電站機(jī)組推力軸承設(shè)計(jì)首創(chuàng)開發(fā)了全新的低液位低損耗噴淋式軸承。相較于傳統(tǒng)的推力軸承，該技術(shù)將原油箱內(nèi)較高的油位降低至鏡板工作面附近甚至以下運(yùn)行，通過供油環(huán)管向瓦間鏡板面噴油，由于油位的降低能夠極大地減少油槽潤滑油攪拌，使油槽油面更加平穩(wěn)，由此從根源上減少了油霧的產(chǎn)生，使整個機(jī)組運(yùn)行環(huán)境更加清潔。同時(shí)，由于油槽攪拌減小，大大降低軸承損耗，對高速機(jī)組而言，幾乎能夠降低整個軸承損耗的30%～50%?？兿娬緳C(jī)組低液位低損耗噴淋式軸承的成功運(yùn)用，為后續(xù)眾多大容量高轉(zhuǎn)速抽水蓄能發(fā)電電動機(jī)以及超大容量水輪發(fā)電機(jī)的軸承設(shè)計(jì)開辟了一條新途徑。

4 現(xiàn)場試驗(yàn)

目前績溪電站6臺機(jī)組均已投入商業(yè)運(yùn)行。從機(jī)組實(shí)際運(yùn)行情況來看，機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性較好。下文以具有代表性的1號機(jī)組為例，介紹機(jī)組的運(yùn)行情況（主要穩(wěn)定性指標(biāo)），其余已投運(yùn)機(jī)組的運(yùn)行情況基本與1號機(jī)相近。

4.1 機(jī)組振動擺度數(shù)據(jù)

績溪電站1號機(jī)組調(diào)試過程中，機(jī)組各部位穩(wěn)態(tài)工況下的振動擺度值如表3所列。從表3中可以看出：機(jī)組穩(wěn)態(tài)振動、擺度指標(biāo)均滿足合同要求，尤其是滿抽、滿發(fā)工況振擺指標(biāo)較為優(yōu)越。

4.2 機(jī)組軸承熱穩(wěn)定數(shù)據(jù)

績溪電站1號機(jī)組調(diào)試過程中，機(jī)組各軸承穩(wěn)態(tài)工況下的相關(guān)油溫瓦溫?cái)?shù)據(jù)列于表4。從表4中可以看出該電站1號機(jī)組在各工況穩(wěn)定運(yùn)行條件下，軸承的油溫瓦溫都可以滿足合同保證值的要求。

4.3 調(diào)節(jié)保證反演計(jì)算結(jié)果

高水頭抽水蓄能機(jī)組水力過渡過程關(guān)系到電站的安全運(yùn)行[14～16]。在機(jī)組調(diào)試期間，開展了機(jī)組甩負(fù)荷試驗(yàn)（包括雙機(jī)甩負(fù)荷試驗(yàn)），針對各試驗(yàn)工況展開了模擬計(jì)算，并將計(jì)算值與實(shí)測值進(jìn)行了對比，得出修正值后，進(jìn)一步推算得出了如下極值工況（修正后）結(jié)果。

（1） 蝸殼進(jìn)口最大壓力值發(fā)生在SJT2工況（上庫正常蓄水位，下庫死水位，2臺機(jī)組額定出力運(yùn)行，突甩負(fù)荷，導(dǎo)葉正常關(guān)閉），其值為985.82 m，小于合同保證值1 000.00 m。

（2） 尾水管進(jìn)口最小壓力值發(fā)生在JHT6工況（上游正常蓄水位，下游死水位，2臺機(jī)組正常運(yùn)行，其中一臺機(jī)組突甩全負(fù)荷，在最不利時(shí)刻，另一臺機(jī)組也突甩負(fù)荷，導(dǎo)葉正常關(guān)閉），其值為1.26 m，大于合同保證值0 m。

（3） 機(jī)組轉(zhuǎn)速最大上升率發(fā)生在JHT4工況（下庫正常運(yùn)行水位，額定水頭，2臺機(jī)組額定出力運(yùn)行，突甩負(fù)荷，導(dǎo)葉一關(guān)一拒），其值為42.02%，小于合同保證值45.00%。

（4） 尾水管進(jìn)口最大壓力值發(fā)生在SJP2（最大揚(yáng)程，2臺機(jī)組抽水?dāng)嚯?，?dǎo)葉全拒）工況，其值為164.60 m，小于合同保證值190.00 m。

從試驗(yàn)結(jié)果和計(jì)算分析可以看出：機(jī)組甩負(fù)荷后的各項(xiàng)參數(shù)滿足合同要求，可以確保電站及機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

5 結(jié) 語

績溪抽水蓄能電站機(jī)組的順利投產(chǎn)，標(biāo)志著中國已經(jīng)掌握了600 m以上高水頭、高轉(zhuǎn)速的抽水蓄能機(jī)組自主研發(fā)、設(shè)計(jì)及制造能力。機(jī)組現(xiàn)場運(yùn)行數(shù)據(jù)表明：機(jī)組的主要性能指標(biāo)均優(yōu)于技術(shù)規(guī)范要求，尤其是機(jī)組的穩(wěn)定性指標(biāo)較為突出。同時(shí)也證明了通過制定合理的技術(shù)規(guī)范，引入有序的競爭機(jī)制，可以促進(jìn)國產(chǎn)化抽水蓄能機(jī)組取得技術(shù)突破，為中國后續(xù)更高水頭、更大容量機(jī)組的國產(chǎn)化之路打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

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（編輯：趙秋云）

引用本文：

路振剛，陳順義，鄭小康，等.國產(chǎn)化高水頭抽水蓄能機(jī)組研發(fā)與現(xiàn)場試驗(yàn)驗(yàn)證

[J].人民長江，2021，52（7）：129-134.

Independent development and field test verification of high head pumped storage units

LU Zhengang1，CHEN Shunyi2，ZHENG Xiaokang3，QIU Shaoping2，LIANG Quanwei3，ZHENG Yingxia2

（1.State Grid Xinyuan Company Ltd.，Beijing 100761，China; 2.PowerChina Huadong Engineering Corporation Limited，Hangzhou 311122，China; 3.DEC Dongfang Electric Machinery Co.，Ltd.，Deyang 618000，China）

Abstract：

Through the localization and independent research on pumped storage units，China has mastered the technology of pumped storage units of water head below 500 meters and rotating speed of 500 r/min.In order to make a breakthrough in the independent design and manufacturing technology of pumped storage units with high water head over 600 meters and high speed of 500 r/min，we illustrate the development and engineering application of Jixi Pumped Storage Unit，the first homebred developed unitswith high head and high speed over 600 meters in China，introducing the reasonable technical specifications for domestic units with high head.During the developing process，we adopted the mode of comparative test on the same platform to promote the hydraulics research and technology of the domestic units，and adopted innovative technologies such as “5+5” long and short blades of the unit.The test results show that the main performance indices of the unit are superior to the technical specifications.The research results can provide reference for the construction of other high head and high speed pumped storage power stations in China，and play an important role in promoting the technical progress of pumped storage units in China.

Key words：

pumped storage units development;comparison on the same test platform;prototype verification;domestication of products