探究大型抽水蓄能机组的设计要点

李子为

摘要：大型抽水蓄能电站在智能电网建设中起着至关重要的作用，它不仅要完成调峰填谷和调频调相的工作，还对蓄洪抗旱和事故备用起到重要作用，具有反应迅速、运行方便灵活的特点。本文主要对水泵水轮机、发电的电动机进行选型设计和参数选择进行总结，为未来大型抽水蓄能机组的发展提供参考。

关键词：抽水蓄电机组；水泵水轮机；参数；发电电动机

前言

随着我国社会经济的不断发展，抽水蓄能机组在我国电力事业的建设中发挥着越来越重要的作用。新型材料的运用和计算机技术的发展，也使得抽水蓄能电站机组的设计技术有了很大进步。通过对一些大型抽水蓄能电站的设计研究，探讨出对机组的能量、可靠性指标及稳定性平衡的方法，为未来电站建设提供一定经验。

1、水泵水轮机的结构选择和参数

1.1机型和单机容量的选择

水泵水轮机的机型选择通常为三种：单级式、多级式以及组合式机组这三种。在这些机型中，单级混流式的水泵水轮机的应用范围最为广泛，它的结构简单、造价低、适用范围宽泛，通常100到800米的扬程范围之内都适用，并且技术比较成熟，逐渐成为我国抽水蓄能机组发展的重点内容。

单机容量的选择往往要结合装机的台数来确定，需要考虑的因素有很多，例如：对电力系统的技术要求、电站在电网中起到的作用、枢纽的布置、建设电站的条件、大型设备的运输、机组设计和制造的现实性、电气设备的选择、电气的主接线、施工的周期、整个工程的经济性和调度的灵活性、便利性。这些问题都是制约单机容量选择的重要因素。

1.2水轮机水头选择

水轮机的额定水头选择需要综合考虑的因素也很多：①电站整体运行的条件，例如水头的变化幅度和库容曲线；②根据电站运行的实际条件和实际工作中电网对电站的运行调度的要求来确定水头，进而确定机组的运行范围；③根据电网的要求和设计水平的典型性负荷分析，得出最佳的出力受阻容量值；④要考虑到不同额定的水头下机组的造价和水头受损时带来的影响及水泵水轮机在正常运行范围内的效率问题；⑤水泵水轮机的稳定运行和水泵的工况参数的合理匹配等问题。

水泵水轮机在运行时是双向运行，所以在设计的过程中要兼顾到这两种情况。由于水泵的工况不能根据导叶开度的情况来调节输入的功率和流量变化，很多区域的工作效率不高，因此。在一般的水力设计中优先考虑水泵工况，然后再根据水轮机的工况进行核对。这样一来往往会产生水轮机工况偏离最佳运行区域的情况，即在最佳的区域范围以下运行。通常情况下，选择的额定水头越高，水轮机的工况运行范围就越接近最佳的效率区域，对机组的运行稳定和优化机组参数越有利。但是要注意，过高的额定水头也会出现输出功率受到阻碍的问题。受阻容量的影响和电站的工作容量在整个电网中所占的比例成正比，所以偏高的额定水头的效果更好一些，综合输出功率的考虑，可以通过预先的计算来确定受阻容量，进而选择合适的额定水头。

2、水泵水轮机的选型设计中需要注意的问题

2.1稳定性指标

结合国内一些抽水蓄能电站的建设经验，特别是大容量的水轮机，不仅要确保高效率的运行，更要保证机组运行的可靠性、稳定性和有效性。抽水蓄能机组的稳定性指标通常包括以下几个方面：机组的振动、噪音及摇摆的幅度、压力脉动、空化能力、水轮机在低水头空载的情况下启动的稳定性、水泵在高扬程区域范围内运行的稳定状况等。结合多年的实践经验，机组的运行稳定性逐渐得到提高，并在实际施工中采取了有效的处理措施：①把稳定性指标放在和能量指标同等重要的地位，并在相应的合同中做出具体的规定；②机组的运行质量将作为考核的主要因素和付款的参考依据；③由于模拟实验无法准确界定稳定性指标，因此考核真机的实际运行状况为标准；④运行过程中可能出现的影响工况稳定性的问题提前进行实验模拟和计算机进行模拟分析。

具体的部件设计分析：①转轮，对转轮的设计主要集中在结构的强度、刚度以及动态的性能方面，另外，上下止漏环位置的选择对于适当减少水推力十分关键。这些问题可以通过建立子模型分析局部应力来解决；②水导轴承及主轴密封，水泵的水轮机导轴承是稀油润滑轴承，它的结构有两种：可调整的分块瓦及筒式两种。和一般的机组不同，它必须要有相当大的刚度和强度且能够承受运行过程中出现的速度变化和最大的径向作用力。筒式轴承要满足双向运转，它的轴瓦结构就会有所不同，瓦面上没有斜向的上油槽，利用毕托管上油进行油的循环。分块瓦轴承结构的轴身通常有8到12块浮动轴瓦，轴瓦运用中心支顶的方式以满足主轴的双向旋转。③导水结构，它的结构设计和一般的混流式水轮机接近，主要包括导叶、底环、顶盖，以及操作机构。但是它的工况比较复杂，需要考虑水轮机的工况、净水关闭工况以及紧急停机、水泵及零流量造压的工况。④尾水管和蜗壳座环，这两个部件的结构设计和刚强度分析与一般的混流式水轮机大体相似，尤其是尾水管承受的水压最大能达到70米的水柱。另外，也要考虑到水轮机的运行工况转换和启动停止的频率，运用有限元的方法分析两者的使用寿命。

3、发电电动机的选型设计

3.1机组的最大容量设置

对常规的水轮发电机进行最大容量设置能够增加季节性发电的能力，对抽水蓄能电站机组进行最大容量设置，可以在电力系统发生事故时增大备用容量，特别是某些有径流的上水库电站，能够充分发挥上游水量的优势来提升发电量。当然，机组在设置最大容量时，首先要考虑到系统稳定性运行的问题，在超负荷容量的选择下还要综合考虑变压器的容量、超负荷情况下的机组功率因数、发电机的电压设备和机组的温升参数等的选择，还要考虑到相关的电动容量的匹配问题。

在低扬程的情况下，水泵的输入功率通常比发电工况的额定输出功率要大，所以，一般电动工况控制着发电电动机的绝缘和温升情况，对最大容量的控制显得不那么重要。功率因数的提高可以帮助发电功率的提高。对于某些上水库区域径流量比较大的电站来说，通常有以下两种方案：其一，根据以上原则设置出最佳的最大容量限度，充分发挥水量的优势；其二，调整抽水和发电的时间，以提高电站的整体经济效益。在必要情况下，也可以通过功率因数的提高来增强有用功率满足系统备用和顶峰需求。

以某大型抽水蓄能机组发电电动机上、下机架、导轴承和辅助系统来具体分析。发电机的上、下机架是焊接的结构。上支架是由八条支臂构成的斜支臂结构，利用盒支臂的方式，把支臂横向固定在机座的上垫板，可以有效避免支臂和水轮机的转轮叶片的共振。下支架是由十二条辐射型的支臂和中心体构成的承重机架。径向固定在下机架上，把在下机架上产生的径向力分散传递给混凝土基础。

发电机上的上下导轴承都是分块扇形钨金瓦结构，运用支柱螺钉调节轴承间隙，从而起到调整轴承受力的作用。导轴承瓦便于单个的替换和修理。上导轴承产生的损耗可以被中心体油槽中的油冷却器消耗带走。

辅助系统在下机架的上环板上设有12个制动器，方便机组的安装和检修。安装时整个机组转动部件能够被顶起，安装修复后可以采用压缩空气和弹簧的方式进行复位。机坑的盖板是分瓣式的钢框架，框架内部是隔音材料，下方安装有减震单元，另外，每一块盖板都能够进行独立拆卸。

结束语

随着经济的不断发展和电网行业服务质量的提高，居民对供电要求不断提高。大型抽水蓄能机组运用到电网系统中具有一定的优势性，可以保证电网运行的安全和稳定，降低电网运行的风险，确保用电的可靠性。对大型抽水蓄能机组设计的研究，可以推动我国电网事业的不断完善。

参考文献：

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