抽水蓄能电站机组结构特点及其主要技术指标
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摘要：本文主要介绍了抽水蓄能电站一般较常采用的大中型立轴混流式水泵水轮机—电动发电机结构型式和特点以及相应构造尺寸及技术指标，提出了在安装和启动调试过程中可能遇到的一些问题，对此提供部分理论与实践的一些借鉴和启示，企望能够对实际调试结果作评估参考。
关键词：水泵水轮机；电动发电机；结构型式；水轮机工况；水泵工况；稳定运行；功率调节；压力脉动；振动与摆度
Pumped Storage Power Plant structural features and its main technical indicators
Cai Peng 1, Liu Jinghui 2
(Beijing corporation of China water resources ＆ Hydropower construction engineeringBeijing 100024)
Abstract: This paper introduces the pumped storage power stations are generally more often used in medium and large vertical shaft Francis pump-turbine - electric generator structure type and characteristics of the corresponding size of the structure and technical specifications presented in the installation and startup may be encountered during commissioning some of the problems, which provide part of the theory and practice some reference and inspiration, hope for debugging results can be assessed on the actual reference.
Key words: pump-turbine；electric generator；structure type； turbine operating conditions；the pump working conditions；stable operation； power regulation；pressure pulsation；vibration and swing changes
中图分类号：U464.138+.1文献标识码： A
0 引言
可逆式大中型抽水蓄能机组型式，一般常采用的水泵水轮机多为较高水头（190～550M）、大容量（250～375MW）、立轴、单级、离心混流式，电动发电机多为半伞式或悬吊式同步交流电机。根据水泵水轮机—电动发电机机组应具备之功能和在电网中提供担负调峰、填谷、调频、调相、事故备用等任务和运行方式，这就决定了机组之结构特点及主要技术性能指标必须满足相应要求。
1 水泵水轮机
立轴、单级、混流式水泵水轮机，较优适用水头为60m～500m，大型机组（250～375MW）趋于采用较高水头，最高达700M或更高些。工作水头高，上、下水库水位波动而引起的工作水头变化相对值减小，水泵水轮机可经常运行在较优效率区。同样出力下，水头增高则引用流量相应减小，输水道尺寸相对减小，可降低输水系统工程造价；高水头水泵水轮机，相对转速则高，有利于提高电机效率和减小其尺寸，不仅降低电机造价且有利厂房布置；以HD2表征的水泵水轮机同样的制造加工难度，水头的提高可以产生更大容量之机组。此外，高水头纯抽水蓄能电站，更有条件选址在接近电网负荷中心而少受或不受河流与地形的限制。以下为混流式水泵水轮机主要部件特征。
1.1 转轮
转轮是水泵水轮机的核心部件，应适应水轮机、水泵两种运行工况要求，其特征形状与离心泵轮相似，以离心泵叶轮为基础，转轮直径及通流部件（主要是叶片）尺寸，主要以水泵工况要求来确定，故而转轮外形扁平，转轮直径约比常规混流式水轮机转轮直径大40%。水轮机工况转轮进口高度b0，一般较高水头、大容量机组大多为0.4～0.6～0.8m，约为进口直径D1之10%，即b0/D1=0.9～10～13%。水轮机工况进口直径D1与出口直径D2之比约为D1/ D2=1.5～2.0,较常规混流式水轮机大。
水泵水轮机转轮叶片数较少（一般为6～9片），薄而长、包角较大趋于180°，故其过流量相对较小。叶片进口处（水轮机工况）安放角小，一般为10～12°，导叶出口角一般为20～30°。叶片出口边（水轮机工况）常为倾斜而不在轴面上，水泵工况泵轮出口水流有偏转、比叶片安放角还要小些，以适应和有利两种工况下运行稳定。
混流式水泵水轮机与混流式常规水轮机之比转速ns二者存在差异，就水泵水轮机水轮机工况及水泵工况下之比转速也不尽相同，ns之大小意味着水泵水轮机适应水头之高低，从能量角度分析，ns越高单位转速及流量即n11及Q11均可大些，对减小流道尺寸、减轻重量、减少投资有理，但受空化现象（空化系数б=（ns+3）1.8/20000）约束（一般≥0.35～0.38）、淹没深度（一般均按HS=HP×б-9.8计取并考虑适当裕度即足够之空化裕量）之考虑以及由于转速之增加对机械强度提出更高要求，因之水泵水轮机之比转速会有一合理之范围，一般ns=300～120～80，比转速越小，适应水头越高；不同比转速ns之水泵水轮机之转速特性也不同，低比转速之效率η对转速n之变化敏感，飞逸转速nR之飞逸系数nk=nR/nH则相对小些，混流式水泵水轮机一般nk=1.2～1.33～1.44；由于可逆转轮高压边上水流二速度三角形不相等也不相似而实际泵出口水流有偏转，因此即使在水头相等条件下，泵及水轮机工况下的最优转速及流量也不相同，一般建议取n11P/n11T=1.10～1.14，Q11P/ Q11T=0.8～0.9。
1.2 导叶及导水机构
水泵水轮机的活动导水叶叶型为机翼叶型，为适应双向水流，导叶头、尾均为对称之渐变圆头，对称型导叶更能承受水泵水流之较强冲击。导叶数（Z0）相对较少，一般大型机组多为20～22个，导叶长度不长、导叶相对高度b0/D1较小、导叶叶型弦长L与导叶栅距t之比即叶栅稠密度多为L/t=1.1，导叶之厚度按强度要求求取最小，其特点即尽可能以求减小静、动态水力矩。
导叶的出口角一般为20～30°，导叶的导叶转角不大，一般为30°，尤其高水头更是这样。导叶分布圆直径D0与常规混流式水轮机接近，一般为D0=1.16～1.20 D1，导叶与固定导叶最优位置角一般通过水力模型试验最终确定，导叶开度则为a0max=（D0-2L1）π/ Z0。（式中L1为导叶轴至导叶尾部长度，一般L1=0.06～0.08 D1）。
导叶的叶型和各导叶在关闭状态下的立面间隙、导叶与顶盖及底环上下抗磨板端面间隙是导叶加工制造精度和安装质量必须严格控制和保证的：导叶之立面间隙应均小于0.05mm，而端面间隙（一般上下端面总间隙为0.50～0.70mm）应按设计总间隙之2/3与1/3进行分配调整：即上端面间隙一般不小于0.30～0.35mm，下端面间隙不小于0.15mm，不大于0.25mm比较合适，避免导叶在操作过程中尤其在开、停机操作时导叶端面与抗磨板刮擦。
抽水蓄能电站之水泵水轮机，一般在运行水头变幅较大时，特别在低水头下、尤其在上库初蓄水阶段，混流式水泵水轮机工况空载运转时，由于机组转速较高、转轮直径较大，在转轮离心力和流动水体惯性作用下，在导叶开度线和单位转矩M11=0转矩线交汇处，可能存在并形成一个“S”型不稳定特性区。在“S”型区域内，机组在同一个单位转速n11下，可能处在2～3个不同的单位流量Q11点上，其中一个Q11点还是负流量。因此，机组水轮机工况空载运行时往往存在并实际进入“S”型不稳定区，转速难以控制造成并网困难，不能实现空载稳定运行。目前，大型可逆式水泵水轮机之导水机构的控制方式有二：一是导叶接力器采用两个接力器通过控制环一连杆一拐臂操作导叶，这在常规立轴混流式水轮机上都有应用，且在设计及制造方面均较成熟；另一种则有采用一对一之单导叶液压接力器（如西门子或阿尔斯通），其优点即不论水轮机或水泵两种工况的空载位置，尤其在开启力矩或交替力矩作用在导叶上时之位置较易整定且控制比较稳定，减轻了振动和同期难度，体现出较优良之调节性能：接力器按编程控制，智能化数据控制替代剪断销装置，导叶被卡后无另部件损坏，卡物移去后重新开机，同步装置重新自动存贮，无需重新调整。不论何种控制方式，消除水泵水轮机水轮机工况空载运行“S”型不稳定区的影响行之有效的措施乃是采用所谓“非同步导叶”的方法（一般取导叶中对称之两对）。“非同步导叶”的开启及关闭规律均需经过水力过渡过程计算出并在现场根据工况实际通过试验具体确定，为更好地提高水泵水轮机的调节稳定性和可靠性，应当藉助调速器“PID”控制技术的提高采用不同工况进行分别编程控制接力器及导叶的控制和反馈，以求得到比较符合目的要求的协联操作与控制。然而，从不断发展趋势和先进的角度出发，从开始设计、模型试验、制造及具体投运时不再存在和出现水轮机工况空载运行时的所谓“S”型不稳定区，那么“非同步导叶”的设置即可取消，这不仅简化了导叶水轮机构的结构，而且提高了导叶控制的稳定性及可靠性，这是必须的。
1.3 座环及蜗壳
水泵水轮机座环广泛采用平板式（上、下环板）铸焊结构，由热压成型之固定导叶与上、下环板焊接而成。蜗壳（大多采用S550Q材料）各段开口（原称蝶形边）直接焊在座环上、下环板边缘上。按水轮机工况座环进出口直径Da及Db与转轮进口直径D1之比一般为Da/D1=1.55～1.64、Db/D1=1.33～1.37，当D1＜3.2m可取上限；蜗壳其断面介于水轮机与水泵二者最优要求之间，水轮机宜采用较大断面以利水流能形成均匀环流均匀地进入转轮进口四周，水泵则要求蜗壳之扩散度即断面及蜗旋半径（R0及R1）不过大，以免脱流。
1.4 尾水管
立轴混流式水泵水轮机的尾水管由锥管一肘管一水平扩散段组成，水轮机工况要求尾水管断面为缓慢扩散型，水泵工况则希望为收缩型，二者要求尾管流道断面规律基本是一致的，但水泵工况应在叶轮进口前有更大程度的收缩，以保证进口水流流速场分布均匀，故而直锥管口横截面应与转轮下环锥角相配合，为此增加锥管高度、平缓增加收缩角与转轮下环锥角相吻合。
为综合二种工况要求并兼顾之，所以水泵水轮机锥管段高度及水平扩散段长度均较常规混流式水轮机相对较大；从空化约束考虑（与导叶、叶轮一并考虑，一般希望空化系数为0.3、最小扬程临界值为0.37以上），增加锥管高度及扩散段长度保证尾水管恢复系数也是必要的。
1.5 顶盖及底环——泄流环
高水头顶盖及底环——泄流环（底环和泄流环有的是分开制造而后组合，有的二者合二为一做成整体）要承受较大之水压力，为保证转轮室密封和水导轴承的稳定性，其强度设计不仅大且刚度也要求很高，以保证其在水压特别是脉动压力作用下之振动及变形甚小，故此部件现今都采用高强厚钢板焊接成厚度甚大刚度很高之整体箱形结构，其厚度可达导叶高度之4～5倍。底环及顶盖结构对称，除转轮（包括轴）之轴向外力，均承受相同之水压力。
顶盖因水泵水轮机结构形式及拆装方式不同，设计为整体或分瓣结构。一般半伞式（或悬吊式）机组上拆方式受机坑尺寸限制则设计为：系单导叶接力器者可由内顶盖（整体）及外顶盖（分瓣）组成（如泰安），内顶盖设上止漏环及主轴密封，外顶盖上布置导叶控制机构；或内外顶盖合一为整体（分瓣），导叶控制环等控制机构均布置在顶盖上。采用中、下拆方式的，一般顶盖设计为一个不分瓣，不分内外顶盖的整体结构（如宝泉中拆及宜兴下拆方式均属此）。
2 电动发电机
2.1 电机的结构型式
同步电动发电机结构型式就立轴而言有悬吊式、半伞式及伞式三种。伞式推力轴承及机架布置在座环/顶盖之上，即推力轴承、水导轴承、主轴密封、导水机构等均集中布置在水车室，对安装、检修、座环/顶盖受力弹变及基础设计等，矛盾及制约因素较多，实不多用；额定转速在250～500r/min、水头在190～300m、单机容量在250～300MW时，电机定子直径相对较大时（定子铁心高与其内径之比为0.25～0.35），考虑到定子机架推力轴承机架等结构荷重承载能力，多采用半伞式（推力轴承在电机转子下部，如泰安、响水涧等电站）；机组额定转速在500r/min、水头在500m、单机容量在300MW及以上时，电机设计一般采取适当减小定子直径、增加定子铁心高度（定子铁心高度与其内径之比大于0.35）而采用悬吊式（如宝泉电站机组）；全伞式在定子铁心高与其内径之比小于0.25时有可能采用。
2.2 电机安拆方式
电机安拆方式必须与水泵水轮机（主要为转轮）的安拆方式同时兼顾考虑，鉴于机组特别是水泵水轮机转轮无故障运行时间较长及大修间隔时间也很长一般在10年左右，那么采用上拆方式则更安全、顺便，无特殊情况及需要则一般不采用中拆，采用中拆则要增加中间轴、机组轴系增长，对轴线调整和振摆保证是不利的，更不采用下拆（厂房结构及基础设计趋于复杂）。
2.3 电动发电机结构特点
电机难度系数（视在功率MVA×飞逸转速r/min×10-4）一般为11.34～24.5，这在设计时其电磁计算和机械设计组合除应满足各种运行工况的要求外（如机组过速及电压自动调整AVR一般应满足89～111%），在结构上的明显特点即电机所有部件及结构正反转下，均应能承受转子半数磁极短路时的不平衡磁拉力的作用；转子磁极线圈在高转速离心力作用下，为防止线圈周向变位匝间绝缘破坏引发事故设计有限位块，限位块为绝缘块，与磁极线圈侧向间隙一般为0.15～0.30mm；电机转子风扇、转子支架及轮环、磁极线圈、定子铁心等散热通风沟槽和流道形线必须满足其双向运行要求（一般电动机方式运行为俯视顺时针、发电机运行方式为逆时针方向）；电机转子转动惯量GD2决定其稳态及瞬态飞逸转速nR值，一般多按飞逸系数nk=nR/nN=1.2～1.4设计（如响水涧nk =350/250≤1.4，泰安nk =460/300=1.2），以保证转子磁轭断面上飞逸时应力，不大于材料屈服强度之2/3、转子结构在飞逸5min钟内不产生永久变形，一般希望甩负荷时机组转速升高≤140%～145%、流道压力升高＜130～135%为好。
2.4 推力轴承
常规水轮发电机机组为单一转向，其推力轴承为自调整式偏心支撑，偏心值随单位荷载增加而有所增大，运转时形成楔型油膜；可逆式水泵水轮机——电动发电机机组为双向运转，故瓦托只能为对称支撑，推力瓦旋转方向，两侧瓦面进出油边导角及楔面均为5～10mm宽、0.10mm楔形过渡，如果将瓦面进/出油边楔面宽增加为10～20mm，楔角增加为0.5～1.0mm楔形过渡，温变场高点刮低0.01～0.02mm，将改善推力荷载分布、瓦温及瓦间温差。尽管如此，推力头镜版面与瓦面件形成油膜较薄（一般在0.05～0.07mm），摩阻系数较大（钨金瓦面为0.15～0.20），故单位荷载只能控制在4～5MPa，为此推力瓦数就要相对增加，常为常规水轮发电机组的1.5～2倍，轴承发热量较大，能够采用弹性塑料瓦估计会得到改善。
为此，机组的设计制造和安装调试结果，最终应该符合客观情况要求，保证机组安全可靠、稳定运行，结合当前实际技术水平，可以依下列一些主要安全技术指标进行考量：
A、尾水管管壁压力脉动 ΔH/H（ΔH为混频峰值）
水轮机额定出力运行时 ≤3%
水轮机部分（40%及以下）出力时≤5%
水泵工况运行时 ≤2%
B、导叶与转轮间压力脉动 ΔH/H（ΔH为混频峰值）
水轮机额定出力运行时 ≤9%
水轮机部分（40%及以下）出力时≤10%
水泵工况最优扬程运行时 ≤7%
水泵工程允许扬程范围内时 ≤8%
水泵工况零流量时 ≤15～20%
C、机械振动（双幅）
顶盖垂直及水平振动（稳态时） ≤0.15mm
顶盖垂直及水平振动（过渡态） ≤0.20～0.25mm
上、下机架垂直及水平振动（稳态时） ≤0.07mm
上、下机架垂直及水平振动（过渡态） ≤0.10～0.15mm
上、下大轴相对机架水平分量 ≤0.07mm
定子机座垂直及水平振动 ≤0.03mm
定子铁心对称负载时振动（50～130HZ）≤0.03mm
D、轴领摆度（双幅）
水导轴领（稳态时） ≤70% 轴瓦单边间隙
水导轴领（过渡态） ≤100～300% 轴瓦单边间隙
下导轴领（稳态时） ≤70% 轴瓦单边间隙
下导轴领（过渡态） ≤100% 轴瓦单边间隙
上导轴领（稳态时） ≤70% 轴瓦单边间隙
上导轴领（过渡态） ≤100～150% 轴瓦单边间隙
E、轴承瓦温
推力瓦瓦温≤28℃+50～55K≈78～83℃
下导瓦瓦温≤28℃+40K≈68℃
上导瓦瓦温≤28℃+40K≈68℃
水导瓦瓦温≤28℃+40～45K≈68～73℃
4.3 电动发电机主要运行性能指标
4.3.1 调相能力
无论发电工况或抽水工况调相能力——输出无功功率，一般均为0.55～0.75倍电机额定视在功率，即当转子励磁电流为额定或过励、零功率因数、持续输出无功功率一般以不小于0.60～0.65倍电机视在功率为指标；发电工况在额定电压、转速及欠励磁对空载线路充电，电机不能产生自激和运行不稳定现象，其持续充电容量不小于70%电机视在功率。
4.3.2 进相深度
电动发电机的进相深度，一般不超0.95，是由定子铁心端部温升控制的，进相时因机组视在功率按电机功率园图限制确定，欠励磁运行励磁电流不能低于计算限制值；作电动工况运行时也不例外，cosφ的调整范围一般在滞后0.7～超前0.7范围内。
4.3.3 发电及抽水工况运行功率调节及效率
发电工况的有功功率调节通过调速器控制导叶开度而实现，靠励磁调节实现无功功率的调节；抽水工况电动机运行，有功功率一般由扬程（变化甚小）和流量来确定和控制，由于电机与电网同步连接，转速不变，故而要靠改变电机的主磁通φm之大小来增减电机之转矩，但φm之最大值不能导致磁路饱和为限（cosφ超前0.975）。因之励磁调节无论系统电压或是按功率因数控制（即cosφ≤1一般机端维持滞后0.9以上，主变高压侧在0.95以上），必须在电机功率曲线限制线内。电动发电机额定效率，发电工况≥98.5%，电动工况≥98.7%。
5 结语
高水头、大容量、立轴单级混流式水泵水轮机—电动发电机，根据其结构型式特点和性能技术指标，应当正常运行在效率较高水头和扬程范围内，下水库低水位必须顾及机组吸出高度（淹没深度）应大于设计值并留有余度；鉴于水轮机空载运行稳定性较差、压力脉动、机械振动及机组振摆均较负载下稳定运行偏大，故而应尽量避免或取消。水轮机工况发电旋转态备用，况且由静止（ST）到暂态备用（TS）再到旋转态（SR）也不过90s左右；抽水转发电快速转换即从水泵旋转方向转速尚在15%nH左右即行开导叶转换为水轮机方向旋转，对水泵水轮机冲击及机组大轴扭矩剧增，对机组安全实为不利，而正常转换从抽水停机至零，再开始从静止（ST）到暂态备用（TS）、再到旋转态（SR）、最后到并网发电（G）其时间也不过在420s左右，故而不宜采用或者取消快速转换；较低扬程水泵工况抽水运行，应关注水泵工况扬程特性曲线小流量范围内驼峰区的扬程波动问题，一般情况在导叶开启和抽水流量调节阶段，调节流量较小时，扬程波动较小，不会对抽水工况稳定运行有所影响，但也不可忽视；水泵调相转抽水、抽水轴停机过程中导叶小开度区（0～5°开度），压力脉动即ΔH值较高，相应ΔH/H一般可达35%左右。因此，导叶开始开启能以较快速度（0.5°/s）快速越过0°～5°小开度区而抽水停机时最好采取导叶关至5%以下甚至全关、负荷降至30MW以下跳开断路器值得参照。