福建周宁抽水蓄能电站水泵水轮机结构设计特点

高 欣，马增军，魏显著

（1.哈尔滨电机厂有限责任公司，黑龙江 哈尔滨 150040；2.哈动国家水力发电设备工程技术研究中心有限公司，黑龙江 哈尔滨 150040；3.水力发电设备国家重点实验室（哈尔滨大电机研究所），黑龙江 哈尔滨 150040）

1 前言

周宁抽水蓄能电站位于福建省宁德市周宁县境内，地处福建沿海 500 kV主网架附近，为闽东沿海北部新兴能源基地和省网与华东区域电网连接处，距福州市、宁德市和南平市的公路里程分别为110 km、50 km和120 km，距宁德核电站、大唐宁德电厂分别约90 km、50 km，距宁德500 kV变电站约33 km，为日调节纯抽水蓄能电站，总装机容量1 200 MW，装机4台，单机容量300 MW，主要开发任务为发电，电站建成后承担福建电网的调峰、填谷、调频、调相及备用等任务。哈尔滨电机厂有限责任公司承担周宁抽水蓄能电站全部4台机组的水泵水轮机、发电电动机和球阀以及调速器和自动化元件的设计制造工作。

哈电的荒沟、丰宁和周宁抽水蓄能电站（水泵水轮机和发电电动机均为哈电制造）是哈电同水头段同转速（428.6 r/min）同时期设计的机组，对哈电来说均属首次运行，均具有挑战性。周宁抽水蓄能机组1号和2号机进入商业运行前，丰宁和荒沟也只有1台机刚刚数月前运行，周宁的安装调试部分借鉴了丰宁和荒沟项目的经验。

周宁抽水蓄能机组于2021年底已完成现场1号和2号机的各项调试试验工作，目前均已通过15 d试运行并已正式投入商业运行。

2 水泵水轮机的结构与分析[1-3]

2.1 基本参数

2.2 水泵水轮机的整体结构布置

周宁水泵水轮机采用立轴单级混流式水泵水轮机。机组采用上拆方式，水泵水轮机的转轮、主轴、顶盖等主要部件，均能在发电电动机转子拆走后，利用厂房吊车通过发电电动机定子内径将这些部件拆出和检修，轴系采用两段轴，由于高水头高转速发电电动机的结构尺寸的原因，顶盖采用分2瓣的结构从发电电动机定子移出。尾水锥管与底环全部埋设在混凝土中。活动导叶的操作形式采用双导叶接力器加控制环操作方式，即由2个导叶接力器驱动1个控制环，控制环通过连杆、导叶拐臂来操作活动导叶达到调节机组开度和开启关闭导叶的作用（见图1）。

蜗壳保压浇筑混凝土，在混凝土浇筑前，对蜗壳进行充水升压，达到浇筑压力后实施浇筑，当蜗壳四周混凝土凝固度达到一定程度后，泄去内水压力。

水泵水轮机结构总体划分为埋入部分、导水机构、转动部分、布置部分及辅助配套设备等。

图1 水泵水轮机总装图

2.2.1 埋入部分

（1）尾水管里衬由肘管装配和锥管装配两部分组成，尾水管流道截面尺寸与模型尾水管全模拟，采用全圆断面。尾水锥管进口至进人门下方640 mm位置采用不锈钢板制作，尾水管其余部分采用碳钢钢板。锥管上设有600 mm×800 mm进人门，门下部设有检查积水的小旋塞。进人门把合螺栓设置专业放松垫片，锥管还设有供安装尾水管检修平台所需的主梁支撑孔和副梁的悬挂吊盘座。

在锥管上设有充气压水管接口和充气压水辅助排气管。在尾水管的最低部分开设有排水孔，排水口设置拦污栅，并提供手动蜗轮蜗杆不锈钢球阀。在尾水管的上部开设技术供水排水口。

（2）蜗壳、座环

蜗壳座环的几何尺寸与水力模型全模拟,蜗壳包角约345°，采用全圆断面。蜗壳的设计压力为7.45 MPa。座环为钢板焊接结构，上下环板采用低合金抗撕裂钢板，20只固定导叶采用钢板制作，蜗壳选用低合金高强度性能优良的钢板。座环与蜗壳的全部焊缝进行100%无损探伤检查。蜗壳与座环在厂内整体预装并焊接，分2瓣发往工地。座环与底环采用螺栓把合联接，座环与顶盖之间采用下法兰螺栓把合联接结构。靠近蜗壳尾部的4个固定导叶开有自流排水孔。蜗壳进人门设置在球阀下游伸缩节上。

为保证导叶的端面间隙[4]，在座环与顶盖、底环的配合表面工地预留0.5 mm的工地配磨余量，在工地采用哈电提供的打磨设备进行配磨，配磨前需准确测量导叶瓣体高度、顶盖和底环以及座环浇筑后相应位置的高度，以便为打磨提供准确的数值。

在蜗壳上设有11个压力测点，其中4个蜗壳进口压力测点（兼与尾水管出口测点差压），1个进口压力脉动测点，2个水轮机工况流量差压测点，蜗壳末端2个压力测点，另设2个水轮机工况流量差压备用测点。所有压力检测均可现地显示并上传监控系统。

蜗壳进口段低点设有1个排水孔，排水管路接至尾水肘管进口。

蜗壳进口段高点设有1个平压管，此管路与尾水管连通，在充气压水工况与尾水进行平压。

水泵水轮机的轴向水推力、轴承的径向力均传递到座环环板，通过环板分别传递给座环地脚螺栓以及四周的混凝土。蜗壳采用混凝土支撑，钢丝绳绑缚的方式固定，与蜗壳之间无直接固定点。

蜗壳与座环工地进行水压试验，试验压力为1.5倍最大工作压力，持续30 min，降到最大工作压力，持续30 min。试验期间，蜗壳、座环等部件结合面上无任何漏水，并观察和测量座环和蜗壳等部件的变形和轴向位移，确保变形在弹性容许范围内且无任何损害。混凝土保压浇筑时，蜗壳内保压为3.75 MPa。

（3）机坑里衬

机坑里衬由钢板焊接而成，下平面与座环焊接，上部与发电机下机架基础相接。机坑里衬分上下两段。

机坑里衬带2个接力器坑衬。机坑里衬四周设置有8个照明灯盒，上部设有6个用于发电机下机架基础螺杆的坑盒，同时均布6-Φ140×4的钢管套管，用于检修、安装时机坑内起吊顶盖，另上部预留6-M64×6的吊环螺钉孔，供机组检修临时吊挂设备使用。

2.2.2 导水机构

导水机构部件主要通过导叶角度的变化调节流量以达到水能利用的最优化。主要包括：顶盖、底环、导叶、控制环以及导叶臂、连接板、连杆、偏心销和连接销等组成的传动机构系统。

（1）顶盖

顶盖是机组最重要的结构部件之一，对机组的安全运行起着至关重要的作用，必须具有足够的刚强度。顶盖采用性能优良的碳素钢板焊接而成，主法兰采用单厚下法兰结构，材料为锻钢材料，设有20个肋板。顶盖分2瓣加工制造，机坑内组圆，上平面设有4个进人孔，方便检修。顶盖与座环采用法兰螺栓联接方式，通过螺栓连接到座环上，顶盖与座环采用圆柱销定位，在工地同钻铰销孔。顶盖上设置有20个导叶孔，和底环上的导叶轴套孔均采用数控设备加工，保持严格的同心。

在顶盖内2套排水系统：机坑自留排水系统，在机坑上设置排水管，排至机坑自流排水总管；顶盖排水泵排水，设置2套潜水泵系统一主一备，同时设置液位监控系统，满足自动与手动控制及监控需要，将顶盖上导叶轴套等渗漏水排至顶盖泵排水总管。主轴密封润滑水排水连至机坑自流排水管。

顶盖过流表面设置螺栓把合式抗磨板，内、外圆采用封焊结构。设置把合式锻钢不锈钢梳齿式止漏环，沿止漏环圆周布置4-M30间隙检查孔。为减少转轮轴向水推力，顶盖上设有减压排水管，汇合后引至接至尾水管扩散段。设置有外平压管，联通转轮上冠止漏环前腔与下环止漏环前腔。同时，为满足水泵工况启动的需要，在顶盖上设有止漏环冷却水管以及排气管等。

为保证充气压水工况安全，止漏环处对称设置2个RTD温度监测点。

（2）导叶

导叶共有20个，翼型按照模型成比例换算而来，导叶材料采用电渣熔铸不锈钢整铸而成，并采用有限元方法进行强度和振动分析，满足机组任何运行工况的需要。导叶采用三轴承支顶方式，轴承采用进口高强度双金属自润滑轴瓦。导叶与顶盖和底环间采用间隙密封。导叶轴颈密封采用进口“U”型密封圈，该密封良好的自调节自补偿性能，可以有效地保护导叶，减小漏水和磨损。

（3）底环

底环由碳素钢板焊接而成，为获得良好的刚度采用整体箱式结构。底环通过螺栓与座环连接，工地组装。底环在工地与座环把合封焊后埋设在混凝土中,导叶轴孔下方设置有导叶浇筑及灌浆孔。底环上过流表面设有螺栓把合式不锈钢抗磨板,内、外圆采用封焊结构。底环上设置把合式不锈钢台阶式止漏环。

底环上装有导叶下轴套，轴套孔与顶盖上的轴套孔通过数控加工的方法保证同心。

底环上设置有外平压管，联通转轮上冠止漏环前腔与下环止漏环前腔。为满足水泵工况启动的需要，在底环上设有止漏环冷却水管、排气管等。

为对机组的各个运行工况准确监视，在底环上设有6个测点，分别为底环与转轮下环间、底环与下环之间止漏环前和尾水锥管进口压力。

（4）导叶传动机构

控制环采用碳素钢板焊接结构，控制环放置于顶盖之上，通过顶盖上的导向块导向，且在顶盖上装有控制环压板，控制环位于导水叶节圆直径内。

在每个导叶的传动机构上设置可更换的剪断销，如果一个或几个导叶被卡住，剪断销可以在开启或关闭方向的力作用下破断，以保护传动机构的其它部件不致被破坏。为防止剪断销破断后导叶的自由转动，在导叶臂和连接板之间装设有摩擦装置，提高操作机构的可靠性，并通过顶盖外圆对导叶臂进行限位，控制剪断状态导叶摆动范围以防止连锁破坏现象的发生。在导叶连接板与导叶端盖之间安装有限位开关，当剪断销剪断后，发生相对移动，限位开关及时将信号反馈给监控系统。

采用长套筒分体结构，内部分别装有导叶中、上自润滑轴套，上平面设置有导叶止推轴承。

导叶臂与导叶间设置有锥销销套将通过连杆传来的接力器操作力传递给导叶，控制导叶的开关。

双连板装配时，在连板与控制环、连接板之间装有配车铜质材料制成的垫片，一个是配平双连板水平，另一个用以减轻机组运行后产生的磨损。

在控制环和每个导叶间都配有一个偏心销，可以通过它来调整装配的累积误差，保证导叶关闭时的正确位置。导水机构制作完毕后在厂内整体预装。

（5）接力器

（一）自我评价，善于反思。队员们在志愿活动后会收到一张自我评价表格，表格上要求队员完成填写此次活动的主题和目的等基本信息，然后附上自己参与活动后的一些感悟，包括自己的收获与自己做得还不够好的方面。这样一张简单的表格，却在无形中强化了队员参与志愿活动的重大意义以及锻炼了队员的自我评价与反思能力。

每台水泵水轮机20只导叶的同步控制由2只接力器操作控制环来实现。2只接力器分别固定在机坑里衬+Y侧上设置的2个接力器坑衬内，接力器通过上下连接板与控制环相连接，接力器推拉杆与控制环之间的水平度可以根据现场情况配车垫片进行调整。长度方向的调整可以通过推拉杆接头的螺纹进行调整。接力器结构上具有缓冲关闭功能。操作油采用中国GB11120-2011，L-TSA 46号汽轮机油。接力器为直缸式,额定油压6.3 MPa。

接力器整体采用焊接、把合结构，接力器活塞外圆设2条导向带，2条导向带中间设置活塞组合密封，以防止活塞移动及在任何位置时油的渗漏。前后缸盖均设有活塞杆导向轴承，以使活塞不承受侧向力，轴承采用双金属自润滑型。轴承与导向带形成双支点结构，使接力器运行时更为稳定。后缸盖用螺杆固定在接力器坑衬内的基础板上，每个接力器设定位销，工地与坑衬基础板同钻铰。

一个接力器在全关位置设置液压锁定装置，并配置开启和关闭位置限位开关，另一个接力器在全开位置设置手动锁定装置，该装置仅在维护工作时使用，以保证人员安全。

液压锁定接力器上设有接力器行程位置和导叶开度指示刻度板。设有位移传感器，安装工地现地布置。

2.2.3 转动部分

转动部分主要包括转轮、主轴、主轴密封、水导轴承以及主轴与转轮、发电机主轴的联接件。

（1）转轮

转轮（见图2）流道几何尺寸与水力模型全模拟。转轮为整体铸焊结构，上冠、下环及叶片均采用VOD精炼铸造的ZG04Cr13Ni5Mo材料，采用同材质的焊材进行焊接。在厂内按CCH70-3标准进行检查验收。转轮设计采用有限元方法进行刚强度及疲劳计算，其计算分析结果满足合同要求的任何工况运行的需求。

转轮的上冠和下环外缘对称位置处设有止漏环。转轮上冠法兰上，开有排气孔,在叶片下部、泄水锥上部也开有排气孔，水泵工况造压启动结束后排出空气。

图2 水泵水轮机转轮三维图

（2）主轴

主轴为两端带有联接法兰、带轴领中空结构，主轴上、下法兰设不锈钢焊接封板进行封堵。主轴采用厚壁轴设计，具有足够的刚强度承受转轮轴向水推力、转轮径向水力不平衡力和机组转动的扭矩等。

水泵水轮机主轴采用整锻结构，材料为锻钢。

转轮与主轴间采用螺栓连接，销子传递力矩。转轮与主轴的螺栓预紧采用电加热方式。水泵水轮机和电动发电机2根主轴采用销钉螺栓连接。

轴法兰厚度、法兰直径和法兰把合螺栓布置等，按ANSI/IEEE810《水轮发电机整锻轴联接和形位公差》执行，关键尺寸、形位公差也按此标准执行。

2.2.4 布置部分

布置部分主要包括充气压水管路布置、水气管路布置和油系统管路布置。重要管路的设计通常采用比其设计压力高一等级，埋入管和明管采用等径设计，且适当增加管路的壁厚和使管路的固定更为可靠的固定方式来选取，以避免出现管路的损坏[6]。

（1）充气压水管路系统

水泵调相或发电调相工况，其启动过程采用变频器（SFC）启动方式，为减小启动力矩，需要将转轮室内的水压至转轮以下，在机组达到额定转速后，可进入水泵调相或发电调相工况，再将气体排掉，完成水泵造压过程，最后机组进入水泵抽水工况。

在设计中为实现水泵启动中的充气压水和排气造压的过程，管路系统做了特别的考虑。在电站试运行阶段，主要是对参与该过程的管路进行调节和控制，以满足机组总体启动规律的要求。

充气压水进气管：该管引自高压气罐，与尾水锥管相连，在水泵工况启动时，向转轮室内充入空气，将水面压下，以减小启动时的阻力矩。该管路上设置有大和小2个并联的液压操作球阀，用以将压水水位控制在高位报警接点以下。

排气管：在水泵通过变频器（SFC）启动充气压水成功后，排出空气,以完成转轮室的造压，该管接至排气总管。在顶盖上设置排气管，2排气管在机墩内汇总为排气总管，管路上设置有2个液压操作弹簧复位球阀。在锥管进口处，设置辅助排气管，管路上设置有2个液压操作弹簧复位球阀。

蜗壳平压管：为保证机组在充气压水调相运行或水泵启动时，蜗壳与尾水管之间的压力平衡和排出从导叶间隙进入蜗壳的水和少量气体，采用1个液压操作球阀平压控制阀将蜗壳顶部与尾水管连接起来做为平压管，实现压力平衡和将上部的少量气体带入尾水管。

蜗壳排气管：在蜗壳平压管上接排气管，以排除在导叶前球阀后的蜗壳腔的空气，保证该腔没有气体聚集，管路上设置1个手动操作球阀及1个液压操作弹簧复位球阀。管路接至1号或2号排气总管。

止漏环冷却水管：为防止转轮在空气中旋转时，在止漏环小间隙处因空气摩擦导致止漏环过热，在上、下止漏环处分别设有冷却水管。在排气阀打开同时关闭该管路进水阀。

水位信号计的水位控制接点：在尾水锥管上设有水位信号计，信号计设置有4个报警接点。自上而下分别是：高位报警、压气、补气液位和停止补气接点。上部的高位报警接点是压水失败接点，水位高于此报警接点，意味着充气压水没有成功，机组不可以启动。压气接点是充气压水大小进气阀切换接点，水位在此接点之上，由大进气阀开启供气，水位在此接点之下，大进气阀关闭。最下面的接点是停止补气接点，因为可能的泄漏，水位会慢慢浮上来，至补气液位接点时，小进气阀再次开启。

（2）水气管路

水管路有：轴承冷却进水管、轴承冷却排水管、主轴密封润滑水管、主轴密封排水管、顶盖减压排水管、顶盖底环外平压管、顶盖泵排水管、固定导叶排水管、座环与底环密封腔检漏管、导叶漏水排水管以及压力钢管、蜗壳排水管和尾水管排水管。

气管路有：检修密封进气管。

（3）油管路系统

油管路系统包括主接力器调速油管路系统、机械过速保护油管路系统以及水导轴承供、排油管路。

主接力器调速油管路系统

该部分包括接力器与调速器、回油箱、压力油罐等的开关腔管路和接力器液压锁定操作管路以及管路阀门的控制油管路。系统额定工作压力6.3 MPa，工作介质为L-TSA 46号透平油和压缩空气。

该系统是一个封闭的循环油路。正常工作时压力罐的上半部为压缩空气，下半部为压力油，罐内压力油通过压力油管路引出送到用油设备，通过回油管路送回到回油箱。系统还配备了事故配压阀和分段关闭装置。

2.2.5 辅助配套设备

环形吊车：环形吊车采用井字梁型式，环形轨道焊接在机坑里衬上方，两主梁与中间滑轨对称布置，主梁与中间滑轨距离1.05 m。环形吊车驱动采用电动方式驱动，驱动电源等级AC 380 V。当主梁转到机坑廊道平行时，滑轨可以和廊道轨道对接，并将所吊部件沿廊道运出机坑。吊车用于水导轴承及导水零件等机坑内小型零部件拆装起吊。起吊设备中间滑轨设置2台电动葫芦和2组配套电动单轨行车；两侧主梁分别设置2台手拉葫芦和手拉单轨行车。电动葫芦及手拉葫芦最大重量5.5 t，起升最大高度为5 m。

照明设备：用于机坑内照明，每机1套，共设置8个LED节能照明灯，布于机坑里衬内。采用嵌入式安装方式，沿圆周均布，该灯具设置有防护罩，具备防水防潮功能。机坑照明系统为正常及事故复用系统，照明系统的电源引自电站正常或应急电源，电源等级AC220 V，照明系统的控制由电站统一考虑。

检修平台：用于不拆卸顶盖时能从尾水管部位观察和检修水泵水轮机转轮，采用铝合金材料制造，检修时布置在转轮下方，分为两层。检修平台的设计均布载荷均不少于3 kN/m2，且有3倍以上安全系数。

电缆桥架：机坑内设置电缆桥架，将水轮机部件的自动化元件用电线、电缆连接至水轮机端子箱。每台机组1套。

2.3 调试、运行及思考

周宁抽水蓄能电站机组的设计单位为中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司（华东院），机组安装单位为中国水利水电第十六工程局有限公司，其中1号机的调试工作由福建电科院完成，2号机由华电电科院调试完成。哈电在周宁水泵水轮机设备的调试中，充分借鉴了哈电在敦化、阳江、丰宁等设备首台机调试经验的基础上，在周宁抽蓄机组调试前进行了及时的调整，如各导瓦间隙的调整，特别是水导轴承间隙的调整等，为调试的成功取得了较好的效果。在电站参建各单位的大力配合下，周宁抽蓄以前所未有的速度已基本完成1号和2号机的各项安装调试试验工作。

在调试过程中也发现了一些现象和问题，为后续蓄能机组水泵水轮机的设计提供了一些有益的帮助。

2.3.1 异常低扬程

周宁抽蓄机组1号机是采用水泵工况做为首次启动工况，且首次启动工况的上下库水位还没有达到哈电水力设计要求的异常低扬程水位的要求，虽然水泵工况也顺利启动成功，但机组的瞬间震动还是较大的。

2.3.2 充气压水试验

周宁充气压水试验通常进行静态和动态两项试验，在周宁水泵水轮机进行充气压水静态试验时，压气到停止压气液位至补气液位所需时间1号机只有5 min左右，2号机也只有15 min左右。这样对于工况转换的时间已足够，但对于长时间的抽水调相或发电调相，气罐有不断进行补气的可能，对空压机的寿命可能造成影响。但在动态试验过程中特别是2号机压气到停止压气液位至补气液位所需时间大约近1 h，应是动态时水环能起到很好的封气效果。

2.3.2 上下止漏环的压力

转轮在空气中旋转时，上下止漏环分别设有冷却水管，以降低其温度。其冷却水管的压力一定高于转轮室内的空气压力（即高于尾水压力）时冷却水才能流动，也才能起到冷却的效果。周宁电厂止漏环冷却水管是采用主供水泵+主滤水器经过管路（管道滤水器+电动阀）到达上下止漏环的。止漏环水压应按经主供水泵+主滤水器后的压力减去管道滤水器的压降须高于转轮室内的空气压力（即高于尾水压力）来进行计算更为合理。

2.3.3 上下止漏环的本体温度设定的停机条件

由于北方某蓄能电站因泄水环板脱落的原因，曾参加新源公司组织的会议，会议中召集了其旗下的多个电站讨论下止漏环取消测温的可能性，上述多个电站均反馈了下止漏环没发生过温度异常升高的现象，因此会议决定取消了下止漏环测温的要求。周宁电厂就是按新源反错要求只设置上止漏环测温的要求。

周宁水泵水轮机的上止漏环最终采用流量过低+上止漏环本体温度60℃联合作为判断停机判断条件。

2.3.4 水泵水轮机孔板的设置和调试

因阿尔斯通的机组在大部分的管路的设计中均设置了节流孔板，但在国内水泵水轮机的实际安装过程中由于工期的原因，大部分管路实际是无法做到逐个管路进行调试的。建议在机组调试过程中，重要的管路是需要进行孔板的调试的，如充气压水充气和排气管路、主轴密封润滑水管路、球阀和主机接力器供排油管路等需要现场调试。

2.3.5 水泵工况启动球阀预开启

在水泵工况启动时，为缩短零流量的维持时间，也为缩短机组的振动时间，球阀预开启40%做为开导叶的一个必要条件。虽周宁1号和2号机均已成功投运，但40%的球阀开启是否为最合理的状态值得进一步商榷。

2.3.6 尾水锥管压水液位计

周宁1号和2号机压水水位的磁翻板液位计开关量经常出现误报，后改为模拟量来反馈信号。

2.3.7 导水接力器锁定

受阳江球阀接力器的启发（阳江球阀接力器只设置手动锁定而无液压锁定），导水接力器实际的油压始终作用在接力器活塞上，实际上为机组的快速转换而不设置自动液压锁定，而只设置手动机械锁定，不参与自动流程。

2.3.8 调相过程中的漏气

调试期间，尾水事故闸门处的空气阀偶尔有排气现象，但不明显，是否表明尾水管的形状或压气的深度限有关联，值得今后的设计过程中有所考虑[7]。

3 结论

周宁抽水蓄能机组于2021年底已完成现场1号和2号机的各项调试试验工作，如经过现场的水轮机旋转方向和水泵旋转方向的多次动平衡配重工作[8]，机组振摆已达到精品的要求（各导振摆10道以内，在某些工况已达5道以内），水泵水轮机主要部件的振动指标如顶盖等满足合同要求，各部位的噪声指标满足合同要求，目前均已通过15 d试运行并已正式投入商业运行，得到华电福建公司的高度评价。