白蓮河抽水蓄能電站機(jī)電設(shè)計(jì)綜述

孫成章

（中國(guó)水電顧問集團(tuán)中南勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，湖南 長(zhǎng)沙 410014）

白蓮河抽水蓄能電站位于湖北省黃岡市羅田縣白蓮河鄉(xiāng)境內(nèi)，是一座日調(diào)節(jié)純抽水蓄能電站，距武漢市143 km。電站共安裝4臺(tái)單機(jī)容量300 MW的立軸單級(jí)混流可逆式水泵水輪電動(dòng)發(fā)電機(jī)組，以一回500 kV輸電線路接入黃岡大吉變，輸送距離約40 km。在電網(wǎng)中承擔(dān)調(diào)峰、填谷、調(diào)頻、調(diào)相及事故備用等任務(wù)。電站樞紐建筑物包括上水庫(kù)、輸水系統(tǒng)、地下廠房系統(tǒng)、下水庫(kù)、地面開關(guān)站、中控樓副廠房及柴油機(jī)房等。

電動(dòng)發(fā)電機(jī)與主變壓器連接采用聯(lián)合單元接線，500 kV側(cè)為單母線接線，以變頻啟動(dòng)為主，背靠背同步啟動(dòng)為輔的啟動(dòng)方式。每臺(tái)電動(dòng)發(fā)電機(jī)出口均裝設(shè)SF6發(fā)電機(jī)斷路器。

1 主要機(jī)電設(shè)備及其特點(diǎn)

1.1 水泵水輪電動(dòng)發(fā)電機(jī)組

本電站4臺(tái)機(jī)組與寶泉、惠州電站實(shí)行統(tǒng)一招標(biāo)。招標(biāo)范圍包括機(jī)組、球閥、調(diào)速器、勵(lì)磁系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、電動(dòng)發(fā)電機(jī)電壓配電裝置、靜止變頻起動(dòng)裝置等設(shè)備組合成1個(gè)標(biāo)，由法國(guó)阿爾斯通公司 （ALSTOM）中標(biāo)。就主機(jī)本體而言，ALSTOM負(fù)責(zé)前3臺(tái)機(jī)組的供貨，哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司負(fù)責(zé)第4臺(tái)機(jī)組 （①機(jī)組）的水泵水輪機(jī)供貨，東方電機(jī)股份有限公司負(fù)責(zé)①機(jī)組的發(fā)電電動(dòng)機(jī)供貨。

1.1.1 水泵水輪機(jī)

機(jī)組采用上拆結(jié)構(gòu)；轉(zhuǎn)輪采用鑄焊結(jié)構(gòu)；葉片、上冠及下環(huán)均采用真空吹氧脫碳精煉法 （VOD）精煉，葉片整體鑄造，數(shù)控加工。轉(zhuǎn)輪及泄水錐采用不銹鋼材料 （ASTM A743GrCA6NM）制造，泄水錐在工廠直接焊接到轉(zhuǎn)輪上冠上。水導(dǎo)軸承采用稀油潤(rùn)滑的巴氏合金瓦襯的自潤(rùn)滑軸承，采用外加泵外循環(huán)冷卻方式。主軸密封分為工作密封和檢修密封。工作密封采用端面軸向密封，密封副采用PEHD材料制造。檢修密封設(shè)置在工作密封下部，采用空氣圍帶型式，在停機(jī)而不排除尾水管存水的情況下可正常投入。蝸殼采用S500Q EN10137-2高強(qiáng)度鋼板制作，分21塊。其中，鼻端5塊與座環(huán)在工廠內(nèi)焊接，與座環(huán)一起運(yùn)輸，剩余16塊在工地現(xiàn)場(chǎng)焊接。水泵水輪機(jī)主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 水泵水輪機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

1.1.2 電動(dòng)發(fā)電機(jī)

電動(dòng)發(fā)電機(jī)為三相、立軸、半傘式 （具有上、下導(dǎo)軸承）、密閉循環(huán)空冷以及可逆式同步電機(jī)。定子機(jī)座采用軋制鋼板焊接而成，為斜立筋結(jié)構(gòu)。定子鐵心采用0.5 mm厚、M250-50A優(yōu)質(zhì)冷軋薄硅鋼沖片。定子繞組為整數(shù)槽雙層疊繞組，4支路并聯(lián)，“Y”形連接，采用Micadur真空壓力浸漬絕緣系統(tǒng)，360°羅貝爾換位，絕緣等級(jí)為F級(jí)。轉(zhuǎn)子采用無軸結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子中心體與圓盤支架組裝焊接成整體到貨，轉(zhuǎn)子中心體材料為S355J2G3鋼。位于轉(zhuǎn)子下方的下導(dǎo)軸承和推力軸承采用推力軸承與下導(dǎo)軸承在同一油槽內(nèi)的布置方案 （組合軸承）。導(dǎo)軸承為油浸式自潤(rùn)滑分塊瓦可調(diào)式結(jié)構(gòu)。推力軸承采用鋼性支柱螺桿結(jié)構(gòu)。推力軸瓦共12塊，推力瓦采用巴氏合金瓦。采用推力頭、鏡板與主軸合一結(jié)構(gòu)。軸承油冷卻系統(tǒng)采用導(dǎo)瓦泵外循環(huán)方式。電動(dòng)發(fā)電機(jī)主要技術(shù)參數(shù)見表2。

1.2 進(jìn)水閥

進(jìn)水閥為橫軸雙面密封、雙接力器球閥，公稱直徑3.5 m，為目前國(guó)內(nèi)已建抽水蓄能電站中尺寸最大的球閥。進(jìn)水閥下游側(cè)設(shè)一長(zhǎng)1 975 mm伸縮節(jié)與壓力鋼管進(jìn)口段采用法蘭連接；上游側(cè)設(shè)一長(zhǎng)4 200 mm延伸段與壓力鋼管現(xiàn)場(chǎng)焊接。進(jìn)水閥上游側(cè)設(shè)一道檢修密封，下游側(cè)設(shè)一道工作密封。工作密封和檢修密封由一個(gè)帶D型密封圈的不銹鋼精加工動(dòng)密封環(huán)和一個(gè)不銹鋼固定密封環(huán)組成。檢修密封為手動(dòng)操作，并設(shè)有防腐蝕機(jī)械鎖定裝置。工作密封采用液壓鎖定裝置鎖定。球閥閥體為鋼板焊接結(jié)構(gòu)，在廠內(nèi)焊接成整體后，運(yùn)到工地。進(jìn)水球閥由ALSTOM分包韓國(guó)斗山 （DOOSAN）重工業(yè)制造。

表2 電動(dòng)發(fā)電機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

1.3 靜止變頻起動(dòng)裝置

電站設(shè)有一套可控硅變頻起動(dòng)裝置 （SFC），型號(hào)為SD7000，由ALSTOM供貨。包括輸入/輸出變壓器、輸入/輸出電抗器、輸入/輸出開關(guān)柜、起動(dòng)母線、起動(dòng)母線分段隔離開關(guān)、變頻裝置、冷卻系統(tǒng)、控制、保護(hù)和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等。

1.4 主變壓器

電站共設(shè)有4臺(tái)型號(hào)為SSP10-360000/500的三相雙圈強(qiáng)油循環(huán)水冷、高壓側(cè)帶無勵(lì)磁分接開關(guān)的銅繞組升/降壓電力變壓器，由常州東芝變壓器有限公司供貨。主變壓器低壓側(cè)經(jīng)油/空氣套管與15.75 kV離相封閉母線相連，高壓側(cè)通過油/SF6套管與GIS相連。主變壓器中性點(diǎn)采用油/空氣套管引出直接接地。4臺(tái)冷卻器緊靠每臺(tái)主變壓器的高壓側(cè) （C相）靠東端布置。4臺(tái)主變壓器布置在地下廠房高程56.500 m主變洞室內(nèi)，呈一字排列布置。

1.5 500 kV GIS和擠包絕緣電纜

550 kV GIS分為地面與地下兩部分，地面戶內(nèi)GIS包括2串進(jìn)線間隔、1串出線間隔、1串母線PT間隔及SF6管線等。地下GIS采用2組聯(lián)合單元接線，每組聯(lián)合單元包括2串隔離開關(guān)及電流互感器間隔、1串避雷器間隔及SF6管線。GIS型號(hào)為ELK-SP3，額定電流2 500 A，額定短時(shí)耐受電流63 kA，為瑞士ABB公司產(chǎn)品。

電站500kV高壓引出設(shè)備采用500 kV高壓電纜，2個(gè)回路總長(zhǎng)約2 229 m（單相），最長(zhǎng)一根電纜約400 m （單相）。與地下GIS相連的電纜終端采用外置充油式水平電纜終端，與地面戶內(nèi)GIS相連的電纜終端采用外置充油式垂直電纜終端。

500 kV高壓電纜選用XLPE-800mm2、單相、銅芯、交聯(lián)聚乙烯擠包絕緣電纜，額定電流1 220 A，導(dǎo)體短時(shí)耐受電流50 kA/2s，由日本J-Power Systems公司 （JPS）供貨。電纜在電纜豎井、電纜平洞內(nèi)采用蛇形敷設(shè)，撓性固定方式，敷設(shè)和安裝用的所有支架、吊架、托架均采用膨脹螺栓固定。

1.6 主廠房橋機(jī)

主廠房選用2×3 000 kN/500 kN的雙小車橋式起重機(jī)，橋機(jī)跨度為20.5 m。球閥室選用1臺(tái)2 500 kN/500 kN的單小車橋式起重機(jī)。2臺(tái)橋機(jī)的主、副鉤起升機(jī)構(gòu)及小車行走機(jī)構(gòu)均采用全數(shù)字式變頻調(diào)速方式，具有1∶10無級(jí)調(diào)速性能。橋機(jī)由大連重工起重機(jī)集團(tuán)供貨。

2 控制保護(hù)系統(tǒng)

2.1 計(jì)算機(jī)監(jiān)控

本電站接受湖北省中調(diào)的直接調(diào)度，遙測(cè)、遙信量同時(shí)送華中網(wǎng)調(diào)。計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)按 “無人值班 （少人值守）”的原則進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用全開放、分層分布式結(jié)構(gòu)。

計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)由主控級(jí)和單元控制級(jí)等設(shè)備組成。主控級(jí)包括2臺(tái)冗余系統(tǒng)工作站、3臺(tái)操作員工作站、1臺(tái)工程師工作站、1臺(tái)維護(hù)工作站、1臺(tái)機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測(cè)工作站、1套培訓(xùn)仿真系統(tǒng)、1臺(tái)報(bào)表計(jì)算機(jī)、1臺(tái)廠內(nèi)通訊工作站、2臺(tái)遠(yuǎn)程通訊工作站、1臺(tái)語音報(bào)警工作站、1套GPS時(shí)鐘系統(tǒng)、2套UPS、4臺(tái)打印機(jī)以及網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、網(wǎng)絡(luò)附件等外圍設(shè)備組成。監(jiān)控系統(tǒng)單元控制級(jí)設(shè)有8套現(xiàn)地控制單元 （LCU）。

2.2 繼電保護(hù)

每臺(tái)機(jī)組、主變壓器均配置雙套微機(jī)型保護(hù)裝置，由ALSTOM配套提供。500 kV線路配有雙套保護(hù)，500 kV母線保護(hù)采用北京四方公司和南京南瑞公司母線保護(hù)各一套，按雙重化方式配置。500 kV開關(guān)站設(shè)置1面斷路器失靈保護(hù)柜、2面GIS進(jìn)線斷路器保護(hù)柜、1面故障錄波及GPS柜及4面500 kV高壓電纜保護(hù)柜。

3 廠用電系統(tǒng)

電站廠用電電源由每臺(tái)主變壓器低壓側(cè)引接一回，并從白蓮河水電廠引接一回10 kV作廠用電備用電源。同時(shí)，增設(shè)1臺(tái)10 kV柴油發(fā)電機(jī)組作為電站的保安電源。

電站設(shè)2臺(tái)6 300 kV·A高壓廠用變壓器，從每臺(tái)主變壓器低壓側(cè)的廠用分支母線經(jīng)限流電抗器引接。10.5 kV母線共分3段，正常運(yùn)行時(shí)，Ⅰ、Ⅱ段母線單獨(dú)運(yùn)行。當(dāng)Ⅰ段母線 （或Ⅱ段母線）失電時(shí)，Ⅲ段母線上相應(yīng)的母聯(lián)開關(guān)自動(dòng)投入；當(dāng)Ⅰ、Ⅱ段母線全部失電時(shí)，Ⅲ段母線上的外來10kV備用電源自動(dòng)投入。當(dāng)10.5 kV廠用母線Ⅰ、Ⅱ段和外來10 kV備用電源全部失電時(shí)，柴油發(fā)電機(jī)啟動(dòng)，通過10 kV柴油機(jī)提供事故保安電源。

4 接地系統(tǒng)

電站接地網(wǎng)除充分利用自然接地體外，主要設(shè)置了以上下庫(kù)水庫(kù)、引水系統(tǒng)、球閥室、尾水閘門室、主廠房、母線洞、主變洞、電纜平洞與電纜豎井、出線平臺(tái)接地網(wǎng)等為主的人工接地網(wǎng)。按規(guī)范的要求，本電站工頻接地電阻R≤0.36 Ω （相應(yīng)接地網(wǎng)電位為2 000 V）。由于電站土壤電阻率高達(dá)1 000～3 000 Ω·m，局部地方巖石電阻率可高達(dá)7 000 Ω·m；下庫(kù)為已建的水庫(kù)，電站樞紐接地裝置敷設(shè)面積受到限制；上水庫(kù)進(jìn)、出水口接地裝置距離地下廠房系統(tǒng)接地裝置較遠(yuǎn)，要滿足工頻接地電阻小于0.36Ω是比較困難的。通過與相關(guān)科研院所技術(shù)協(xié)作，對(duì)接地進(jìn)行專題研究，解決了電站接地設(shè)計(jì)條件相對(duì)困難的難題，將地網(wǎng)電位抬高至4 000 V，電站工頻接地電阻不大于0.72 Ω。接地電阻測(cè)量值為0.615 Ω，開關(guān)站、主變室等處的跨步電勢(shì)和接觸電勢(shì)為63 V，滿足設(shè)計(jì)要求，為首臺(tái)機(jī)組發(fā)電創(chuàng)造了條件。

5 油、氣、水系統(tǒng)

5.1 油系統(tǒng)

電站油系統(tǒng)分為透平油系統(tǒng)和絕緣油系統(tǒng)。透平油系統(tǒng)的主要用油設(shè)備為機(jī)組各軸承、調(diào)速系統(tǒng)及球閥油壓裝置。牌號(hào)為國(guó)產(chǎn)46號(hào)透平油。電站絕緣油系統(tǒng)不設(shè)置單獨(dú)的絕緣油庫(kù)，僅設(shè)置必要的絕緣油處理設(shè)備，在現(xiàn)地向主變充油及真空注油。絕緣油的牌號(hào)為NYNAS10GBX。

5.2 壓縮空氣系統(tǒng)

電站壓縮空氣系統(tǒng)分為中壓和低壓。其中，中壓壓縮空氣系統(tǒng)包括工作壓力為8.4 MPa的水泵工況啟動(dòng)和調(diào)相壓水用氣、調(diào)速器油壓裝置用氣、球閥油壓裝置用氣和工作壓力為1.2 MPa的主軸檢修密封用氣；低壓氣系統(tǒng)工作壓力為0.7 MPa，包括機(jī)組制動(dòng)、檢修吹掃用氣等。

5.3 技術(shù)供水系統(tǒng)

機(jī)組技術(shù)供水系統(tǒng)采用單元供水方式，每臺(tái)機(jī)組從尾水管取水經(jīng)水泵加壓供水，在每臺(tái)機(jī)尾水管設(shè)一個(gè)取水口，并設(shè)兩套獨(dú)立的水泵加壓供水管路，每套供水管路主要由1臺(tái)全自動(dòng)濾水器、1臺(tái)水泵、1臺(tái)泵控閥和其他操作閥門和管路等組成。兩套供水管路互為備用，在濾水器后合并成一條主供水管向機(jī)組及主變冷卻器供水。全廠設(shè)有1根DN400技術(shù)供水聯(lián)絡(luò)總管，可實(shí)現(xiàn)4臺(tái)機(jī)組技術(shù)供水的互為備用。

5.4 排水系統(tǒng)

機(jī)組檢修排水系統(tǒng)由ALSTOM負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)并供貨，系統(tǒng)采用間接排水，每臺(tái)機(jī)均設(shè)有一個(gè)DN400的液壓盤形閥，檢修時(shí)將尾水管中積水經(jīng)檢修排水廊道排入集水井，再通過深井泵排至廠外。排水管路沿①機(jī)組尾水流道底板布置，直排入電站下庫(kù)即白蓮河水庫(kù)，排水管單管總長(zhǎng)約400 m。檢修排水泵揚(yáng)程約需105 m，滲漏排水泵揚(yáng)程約115 m。由于下游水庫(kù)水位高于廠房最高點(diǎn)，檢修集水井通氣孔設(shè)置難度較大；為便于流道放空時(shí)檢修集水井內(nèi)的空氣排出，在檢修集水井泵房?jī)?nèi)設(shè)置2個(gè)排氣閥，排氣閥由ALSTOM供貨。在審查排氣閥資料時(shí)，發(fā)現(xiàn)該排氣閥為普通閥，沒有用于大埋深地下廠房及抽水蓄能電站的業(yè)績(jī)。最后，由原采用排氣閥方案修改為接排管，直接排至主廠房周圍高程72.00 m處一條2.5 m×3.2 m （寬×高）排水廊道后自流至白蓮河水庫(kù)下游。

在主廠房上游側(cè)高程約35.40 m設(shè)有一DN600滲漏排水總管貫穿全廠，一端與滲漏集水井相通，另一端至④機(jī)組端頭。生產(chǎn)生活排水均通過埋設(shè)管路排至滲漏排水總管至滲漏集水井，經(jīng)深井泵排至高程72.00 m處一條排水廊道后自流至白蓮河水庫(kù)下游。

6 機(jī)電設(shè)計(jì)的優(yōu)化

（1）首臺(tái)機(jī)組首次啟動(dòng)方式。首臺(tái)機(jī)組于2009年8月7日采用水泵工況一次啟動(dòng)抽水成功，穩(wěn)定運(yùn)行約2 h。本電站首臺(tái)機(jī)組首次采用水泵工況啟動(dòng)，具有國(guó)內(nèi)先進(jìn)水平，不但保證了機(jī)組及水工建筑物等運(yùn)行的安全性、穩(wěn)定性和可靠性，而且減少抽水系統(tǒng)投資，縮短蓄水工期，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

（2)設(shè)置單獨(dú)的球閥洞室。通過方案比選，將球閥移到主廠房上游側(cè)20.00 m，利用上游③施工支洞擴(kuò)挖后單獨(dú)布置球閥室，廠房開挖跨度可減小3.50 m，以利于洞室圍巖的穩(wěn)定與機(jī)電設(shè)備的布置，提高廠房結(jié)構(gòu)的整體性及結(jié)構(gòu)整體剛度。同時(shí)，縮短施工直線工期2個(gè)多月，經(jīng)濟(jì)效益較顯著。

（3)SFC輸出電抗器布置。根據(jù)其他水電站地下GIS單元的現(xiàn)場(chǎng)高壓試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，采用從500 kV出線套管加電壓，取消了主變洞高程62.90 m中部的GIS高壓試驗(yàn)場(chǎng)。優(yōu)化后的位置用來布置SFC輸出電抗器，使得高程62.90 m上游側(cè)啟動(dòng)母線廊道的布置簡(jiǎn)單、美觀，減少啟動(dòng)母線長(zhǎng)度約200 m（單相m），節(jié)約工程投資，減少導(dǎo)體損耗。

（4）電站檢修與滲漏排水。由原采用排氣閥方案修改為接排管的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，充分利用了本電站布置特點(diǎn)，有效減少了排水管路長(zhǎng)度，降低了排水泵揚(yáng)程35%～40%，運(yùn)行費(fèi)用可降低35%～40%，檢修費(fèi)用也相對(duì)較低。本方案有效解決了檢修集水井通氣孔的可靠性問題，消除了檢修集水井的安全隱患。

7 結(jié) 語

目前，電站4臺(tái)機(jī)組已全部投產(chǎn)，機(jī)電各專業(yè)設(shè)計(jì)將受到運(yùn)行實(shí)踐的檢驗(yàn)。從目前的運(yùn)行情況來看，設(shè)計(jì)對(duì)機(jī)電設(shè)備布置、機(jī)電設(shè)備選型論證較為充分、合理，工程設(shè)計(jì)總體上滿足規(guī)程、規(guī)范及有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求，機(jī)電設(shè)備運(yùn)行正常。