探究大型抽水蓄能機(jī)組的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

探究大型抽水蓄能機(jī)組的設(shè)計(jì)要點(diǎn)摘要：大型抽水蓄能電站在智能電網(wǎng)建設(shè)中起著至關(guān)重要的作用，它不僅要完成調(diào)峰填谷和調(diào)頻調(diào)相的工作，還對蓄洪抗旱和事故備用起到重要作用，具有反應(yīng)迅速、運(yùn)行方便靈活的特點(diǎn)。本文主要對水泵水輪機(jī)、發(fā)電的電動(dòng)機(jī)進(jìn)行選型設(shè)計(jì)和參數(shù)選擇進(jìn)行總結(jié)，為未來大型抽水蓄能機(jī)組的發(fā)展提供參考。

關(guān)鍵詞：抽水蓄電機(jī)組；水泵水輪機(jī)；參數(shù)；發(fā)電電動(dòng)機(jī)

前言

隨著我國社會經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，抽水蓄能機(jī)組在我國電力事業(yè)的建設(shè)中發(fā)揮著越來越重要的作用。新型材料的運(yùn)用和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，也使得抽水蓄能電站機(jī)組的設(shè)計(jì)技術(shù)有了很大進(jìn)步。通過對一些大型抽水蓄能電站的設(shè)計(jì)研究，探討出對機(jī)組的能量、可靠性指標(biāo)及穩(wěn)定性平衡的方法，為未來電站建設(shè)提供一定經(jīng)驗(yàn)。

1、水泵水輪機(jī)的結(jié)構(gòu)選擇和參數(shù)

1.1機(jī)型和單機(jī)容量的選擇

水泵水輪機(jī)的機(jī)型選擇通常為三種：單級式、多級式以及組合式機(jī)組這三種。在這些機(jī)型中，單級混流式的水泵水輪機(jī)的應(yīng)用范圍最為廣泛，它的結(jié)構(gòu)簡單、造價(jià)低、適用范圍寬泛，通常100到800米的揚(yáng)程范圍之內(nèi)都適用，并且技術(shù)比較成熟，逐漸成為我國抽水蓄能機(jī)組發(fā)展的重點(diǎn)內(nèi)容。

單機(jī)容量的選擇往往要結(jié)合裝機(jī)的臺數(shù)來確定，需要考慮的因素有很多，例如：對電力系統(tǒng)的技術(shù)要求、電站在電網(wǎng)中起到的作用、樞紐的布置、建設(shè)電站的條件、大型設(shè)備的運(yùn)輸、機(jī)組設(shè)計(jì)和制造的現(xiàn)實(shí)性、電氣設(shè)備的選擇、電氣的主接線、施工的周期、整個(gè)工程的經(jīng)濟(jì)性和調(diào)度的靈活性、便利性。這些問題都是制約單機(jī)容量選擇的重要因素。

1.2水輪機(jī)水頭選擇

水輪機(jī)的額定水頭選擇需要綜合考慮的因素也很多：①電站整體運(yùn)行的條件，例如水頭的變化幅度和庫容曲線；②根據(jù)電站運(yùn)行的實(shí)際條件和實(shí)際工作中電網(wǎng)對電站的運(yùn)行調(diào)度的要求來確定水頭，進(jìn)而確定機(jī)組的運(yùn)行范圍；③根據(jù)電網(wǎng)的要求和設(shè)計(jì)水平的典型性負(fù)荷分析，得出最佳的出力受阻容量值；④要考慮到不同額定的水頭下機(jī)組的造價(jià)和水頭受損時(shí)帶來的影響及水泵水輪機(jī)在正常運(yùn)行范圍內(nèi)的效率問題；⑤水泵水輪機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行和水泵的工況參數(shù)的合理匹配等問題。

水泵水輪機(jī)在運(yùn)行時(shí)是雙向運(yùn)行，所以在設(shè)計(jì)的過程中要兼顧到這兩種情況。由于水泵的工況不能根據(jù)導(dǎo)葉開度的情況來調(diào)節(jié)輸入的功率和流量變化，很多區(qū)域的工作效率不高，因此。在一般的水力設(shè)計(jì)中優(yōu)先考慮水泵工況，然后再根據(jù)水輪機(jī)的工況進(jìn)行核對。這樣一來往往會產(chǎn)生水輪機(jī)工況偏離最佳運(yùn)行區(qū)域的情況，即在最佳的區(qū)域范圍以下運(yùn)行。通常情況下，選擇的額定水頭越高，水輪機(jī)的工況運(yùn)行范圍就越接近最佳的效率區(qū)域，對機(jī)組的運(yùn)行穩(wěn)定和優(yōu)化機(jī)組參數(shù)越有利。但是要注意，過高的額定水頭也會出現(xiàn)輸出功率受到阻礙的問題。受阻容量的影響和電站的工作容量在整個(gè)電網(wǎng)中所占的比例成正比，所以偏高的額定水頭的效果更好一些，綜合輸出功率的考慮，可以通過預(yù)先的計(jì)算來確定受阻容量，進(jìn)而選擇合適的額定水頭。

2、水泵水輪機(jī)的選型設(shè)計(jì)中需要注意的問題

2.1穩(wěn)定性指標(biāo)

結(jié)合國內(nèi)一些抽水蓄能電站的建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，特別是大容量的水輪機(jī)，不僅要確保高效率的運(yùn)行，更要保證機(jī)組運(yùn)行的可靠性、穩(wěn)定性和有效性。抽水蓄能機(jī)組的穩(wěn)定性指標(biāo)通常包括以下幾個(gè)方面：機(jī)組的振動(dòng)、噪音及搖擺的幅度、壓力脈動(dòng)、空化能力、水輪機(jī)在低水頭空載的情況下啟動(dòng)的穩(wěn)定性、水泵在高揚(yáng)程區(qū)域范圍內(nèi)運(yùn)行的穩(wěn)定狀況等。結(jié)合多年的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，機(jī)組的運(yùn)行穩(wěn)定性逐漸得到提高，并在實(shí)際施工中采取了有效的處理措施：①把穩(wěn)定性指標(biāo)放在和能量指標(biāo)同等重要的地位，并在相應(yīng)的合同中做出具體的規(guī)定；②機(jī)組的運(yùn)行質(zhì)量將作為考核的主要因素和付款的參考依據(jù)；③由于模擬實(shí)驗(yàn)無法準(zhǔn)確界定穩(wěn)定性指標(biāo)，因此考核真機(jī)的實(shí)際運(yùn)行狀況為標(biāo)準(zhǔn)；④運(yùn)行過程中可能出現(xiàn)的影響工況穩(wěn)定性的問題提前進(jìn)行實(shí)驗(yàn)?zāi)M和計(jì)算機(jī)進(jìn)行模擬分析。

具體的部件設(shè)計(jì)分析：①轉(zhuǎn)輪，對轉(zhuǎn)輪的設(shè)計(jì)主要集中在結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度以及動(dòng)態(tài)的性能方面，另外，上下止漏環(huán)位置的選擇對于適當(dāng)減少水推力十分關(guān)鍵。這些問題可以通過建立子模型分析局部應(yīng)力來解決；②水導(dǎo)軸承及主軸密封，水泵的水輪機(jī)導(dǎo)軸承是稀油潤滑軸承，它的結(jié)構(gòu)有兩種：可調(diào)整的分塊瓦及筒式兩種。和一般的機(jī)組不同，它必須要有相當(dāng)大的剛度和強(qiáng)度且能夠承受運(yùn)行過程中出現(xiàn)的速度變化和最大的徑向作用力。筒式軸承要滿足雙向運(yùn)轉(zhuǎn)，它的軸瓦結(jié)構(gòu)就會有所不同，瓦面上沒有斜向的上油槽，利用畢托管上油進(jìn)行油的循環(huán)。分塊瓦軸承結(jié)構(gòu)的軸身通常有8到12塊浮動(dòng)軸瓦，軸瓦運(yùn)用中心支頂?shù)姆绞揭詽M足主軸的雙向旋轉(zhuǎn)。③導(dǎo)水結(jié)構(gòu)，它的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和一般的混流式水輪機(jī)接近，主要包括導(dǎo)葉、底環(huán)、頂蓋，以及操作機(jī)構(gòu)。但是它的工況比較復(fù)雜，需要考慮水輪機(jī)的工況、凈水關(guān)閉工況以及緊急停機(jī)、水泵及零流量造壓的工況。④尾水管和蝸殼座環(huán)，這兩個(gè)部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和剛強(qiáng)度分析與一般的混流式水輪機(jī)大體相似，尤其是尾水管承受的水壓最大能達(dá)到70米的水柱。另外，也要考慮到水輪機(jī)的運(yùn)行工況轉(zhuǎn)換和啟動(dòng)停止的頻率，運(yùn)用有限元的方法分析兩者的使用壽命。

3、發(fā)電電動(dòng)機(jī)的選型設(shè)計(jì)

3.1機(jī)組的最大容量設(shè)置

對常規(guī)的水輪發(fā)電機(jī)進(jìn)行最大容量設(shè)置能夠增加季節(jié)性發(fā)電的能力，對抽水蓄能電站機(jī)組進(jìn)行最大容量設(shè)置，可以在電力系統(tǒng)發(fā)生事故時(shí)增大備用容量，特別是某些有徑流的上水庫電站，能夠充分發(fā)揮上游水量的優(yōu)勢來提升發(fā)電量。當(dāng)然，機(jī)組在設(shè)置最大容量時(shí)，首先要考慮到系統(tǒng)穩(wěn)定性運(yùn)行的問題，在超負(fù)荷容量的選擇下還要綜合考慮變壓器的容量、超負(fù)荷情況下的機(jī)組功率因數(shù)、發(fā)電機(jī)的電壓設(shè)備和機(jī)組的溫升參數(shù)等的選擇，還要考慮到相關(guān)的電動(dòng)容量的匹配問題。

在低揚(yáng)程的情況下，水泵的輸入功率通常比發(fā)電工況的額定輸出功率要大，所以，一般電動(dòng)工況控制著發(fā)電電動(dòng)機(jī)的絕緣和溫升情況，對最大容量的控制顯得不那么重要。功率因數(shù)的提高可以幫助發(fā)電功率的提高。對于某些上水庫區(qū)域徑流量比較大的電站來說，通常有以下兩種方案：其一，根據(jù)以上原則設(shè)置出最佳的最大容量限度，充分發(fā)揮水量的優(yōu)勢；其二，調(diào)整抽水和發(fā)電的時(shí)間，以提高電站的整體經(jīng)濟(jì)效益。在必要情況下，也可以通過功率因數(shù)的提高來增強(qiáng)有用功率滿足系統(tǒng)備用和頂峰需求。

以某大型抽水蓄能機(jī)組發(fā)電電動(dòng)機(jī)上、下機(jī)架、導(dǎo)軸承和輔助系統(tǒng)來具體分析。發(fā)電機(jī)的上、下機(jī)架是焊接的結(jié)構(gòu)。上支架是由八條支臂構(gòu)成的斜支臂結(jié)構(gòu)，利用盒支臂的方式，把支臂橫向固定在機(jī)座的上墊板，可以有效避免支臂和水輪機(jī)的轉(zhuǎn)輪葉片的共振。下支架是由十二條輻射型的支臂和中心體構(gòu)成的承重機(jī)架。徑向固定在下機(jī)架上，把在下機(jī)架上產(chǎn)生的徑向力分散傳遞給混凝土基礎(chǔ)。

發(fā)電機(jī)上的上下導(dǎo)軸承都是分塊扇形鎢金瓦結(jié)構(gòu)，運(yùn)用支柱螺釘調(diào)節(jié)軸承間隙，從而起到調(diào)整軸承受力的作用。導(dǎo)軸承瓦便于單個(gè)的替換和修理。上導(dǎo)軸承產(chǎn)生的損耗可以被中心體油槽中的油冷卻器消耗帶走。

輔助系統(tǒng)在下機(jī)架的上環(huán)板上設(shè)有12個(gè)制動(dòng)器，方便機(jī)組的安裝和檢修。安裝時(shí)整個(gè)機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)部件能夠被頂起，安裝修復(fù)后可以采用壓縮空氣和彈簧的方式進(jìn)行復(fù)位。機(jī)坑的蓋板是分瓣式的鋼框架，框架內(nèi)部是隔音材料，下方安裝有減震單元，另外，每一塊蓋板都能夠進(jìn)行獨(dú)立拆卸。

結(jié)束語

隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展和電網(wǎng)行業(yè)服務(wù)質(zhì)量的提高，居民對供電要求不斷提高。大型抽水蓄能機(jī)組運(yùn)用到電網(wǎng)系統(tǒng)中具有一定的優(yōu)勢性，可以保證電網(wǎng)運(yùn)行的安全和穩(wěn)定，降低電網(wǎng)運(yùn)行的風(fēng)險(xiǎn)，確保用電的可靠性。對大型抽水蓄能機(jī)組設(shè)計(jì)的研究，可以推動(dòng)我國電網(wǎng)事業(yè)的不斷完善。

參考文獻(xiàn)：

［1］劉鵬龍，付東成，師敬民.大型抽水蓄能