抽水蓄能電站設(shè)備系統(tǒng)規(guī)劃和管理優(yōu)化策略研究

黃 健 張玉平

(山東泰山抽水蓄能電站有限責(zé)任公司，山東 泰安 271000)

大力發(fā)展抽水蓄能產(chǎn)業(yè)，設(shè)備選型設(shè)計(jì)是龍頭。目前，設(shè)計(jì)領(lǐng)域采用了智慧型方案，并取得了一定的進(jìn)步。但在設(shè)計(jì)后評(píng)價(jià)和再提升方面與抽水蓄能行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的要求還存在一定差距。主要體現(xiàn)在：各抽蓄電站之間的設(shè)計(jì)同類化特征明顯，未能充分體現(xiàn)各電站現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況；設(shè)計(jì)—基建—生產(chǎn)—再設(shè)計(jì)的全壽命周期管理?xiàng)l塊分割特征明顯，未能充分實(shí)現(xiàn)各個(gè)環(huán)節(jié)之間的融通對(duì)耦和再提升再優(yōu)化；設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范更新與國家和行業(yè)最新要求(如反事故措施等)方面還有一定的時(shí)滯效應(yīng)，未能充分體現(xiàn)設(shè)計(jì)是本質(zhì)安全的基礎(chǔ)。本文總結(jié)了一座已投產(chǎn)15年的抽蓄電站在日常運(yùn)維過程中發(fā)現(xiàn)的設(shè)備隱患和缺陷等，依據(jù)設(shè)備系統(tǒng)分類，選取了部分重要設(shè)備在設(shè)備選型方面的要點(diǎn)和優(yōu)化方案，為在建和在運(yùn)的抽蓄電站在設(shè)備選型設(shè)計(jì)和技術(shù)改造等提供參考。

1 工程概況

山東泰山抽水蓄能電站位于山東省泰安市西郊的泰山西南麓，距泰安市5km，距濟(jì)南市約70km，電站裝有4臺(tái)250MW可逆式水泵水輪機(jī)/發(fā)電電動(dòng)機(jī)組，總裝機(jī)容量為1000MW，年設(shè)計(jì)發(fā)電量13.38億kW·h，年抽水用電量17.843億kW·h，年發(fā)電利用小時(shí)1338h，年抽水利用小時(shí)1784h。電站為日調(diào)節(jié)純抽水蓄能電站，主要建筑物有上水庫、引水系統(tǒng)、地下廠房、尾水系統(tǒng)、下水庫、地面開關(guān)站等；機(jī)電設(shè)備主要包括發(fā)電電動(dòng)機(jī)、水泵水輪機(jī)等主機(jī)設(shè)備以及靜止變頻器等公用系統(tǒng)設(shè)備。電站于2002年2月正式開工建設(shè)，2007年4臺(tái)機(jī)組全部投運(yùn)。電站投產(chǎn)后主要為電網(wǎng)提供調(diào)峰填谷、調(diào)頻調(diào)相和緊急事故備用服務(wù)，對(duì)改善山東電網(wǎng)的供電質(zhì)量，保障電網(wǎng)安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行起著重要作用。

2 發(fā)電電動(dòng)機(jī)及其輔助設(shè)備選型設(shè)計(jì)優(yōu)化

2.1 發(fā)電電動(dòng)機(jī)定子端部絕緣方式

a.發(fā)電電動(dòng)機(jī)定子端部絕緣設(shè)計(jì)分開口式和填充式。電站原發(fā)電電動(dòng)機(jī)定子繞組線棒端部電接頭絕緣采用在異相之間裝設(shè)開口式的絕緣盒的方式，并且絕緣盒內(nèi)未使用環(huán)氧材料填充(見圖1)。開口式絕緣盒設(shè)計(jì)利于散熱，但絕緣能力相對(duì)較低。

圖1 原發(fā)電電動(dòng)機(jī)端部絕緣設(shè)計(jì)

b.2015年電站4號(hào)機(jī)組在抽水調(diào)相啟動(dòng)過程中，發(fā)電電動(dòng)機(jī)定子線棒接地故障。經(jīng)分析，原因?yàn)闅庀侗O(jiān)測(cè)線纜因振動(dòng)脫落，搭接定子下層線棒下端部，引發(fā)發(fā)電電動(dòng)機(jī)接地故障(見圖2)。事故造成發(fā)電電動(dòng)機(jī)定子線棒損壞9根，部分線棒端頭變形，并造成1個(gè)轉(zhuǎn)子磁極故障。

圖2 事故線棒燒損情況

c.絕緣優(yōu)化方案。為徹底解決發(fā)電電動(dòng)機(jī)定子端部絕緣方式的設(shè)計(jì)缺陷，決定將端部絕緣方式改為手包絕緣(見圖3)。該方案對(duì)定子端部線棒并接頭絕緣工藝進(jìn)行改進(jìn)，將部分定子線棒并接頭絕緣盒改為手包絕緣。如將所有絕緣盒改為手包絕緣，將縮短異相間線棒并頭絕緣距離，造成安全隱患,因此將兩相鄰的絕緣盒中的一個(gè)改為手包絕緣，另一個(gè)仍使用絕緣盒，該絕緣盒灌注環(huán)氧材料填充。這樣可以徹底解決爬電、相間短路問題。

圖3 定子端部手包絕緣改造后情況

2.2 發(fā)電電動(dòng)機(jī)風(fēng)洞內(nèi)設(shè)備選型設(shè)計(jì)和優(yōu)化方案

抽蓄機(jī)組發(fā)電電動(dòng)機(jī)普遍采用空冷器進(jìn)行冷卻，其風(fēng)洞內(nèi)部應(yīng)采取多重可靠的防漏水、反水措施：發(fā)電電動(dòng)機(jī)磁軛蓋板和擋風(fēng)板適當(dāng)位置開檢查孔，避免因頻繁拆裝磁軛蓋板和擋風(fēng)板造成螺栓損壞；發(fā)電電動(dòng)機(jī)風(fēng)洞內(nèi)水管路采用不銹鋼材質(zhì)，并取消管路中的閥門，盡量減少連接部件；發(fā)電電動(dòng)機(jī)風(fēng)洞內(nèi)水管路采用保溫材料包裹，提高冷卻效果的同時(shí)，也可防止故障情況下水噴射到發(fā)電電動(dòng)機(jī)上；發(fā)電電動(dòng)機(jī)風(fēng)洞內(nèi)空冷器接水盒處設(shè)置漏水檢測(cè)儀器，發(fā)現(xiàn)漏水及時(shí)處理；發(fā)電電動(dòng)機(jī)風(fēng)洞內(nèi)空冷器接水盒排水管單獨(dú)排水，不與其他設(shè)備排水管路連接，防止反水。

3 水泵水輪機(jī)及其輔助設(shè)備選型設(shè)計(jì)優(yōu)化

3.1 水泵水輪機(jī)外頂蓋選材方案

a.水泵水輪機(jī)頂蓋采用鋼板焊接結(jié)構(gòu)，分內(nèi)頂蓋和外頂蓋。其中根據(jù)水輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)部分上拆要求和機(jī)墩布置，外頂蓋為分半結(jié)構(gòu)，在機(jī)坑內(nèi)拆裝(見圖4)。

圖4 水泵水輪機(jī)外頂蓋

b.原設(shè)計(jì)方案存在的問題。原外頂蓋的材質(zhì)采用S235碳素結(jié)構(gòu)鋼，其在實(shí)際運(yùn)行過程中，與水接觸的迷宮環(huán)裝配區(qū)密封溝槽、導(dǎo)葉套筒密封裝配配合面以及頂蓋與座環(huán)密封配合面均存在嚴(yán)重銹蝕和汽蝕現(xiàn)象(見圖5)。不但會(huì)影響抽蓄機(jī)組迷宮環(huán)冷卻效果，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)導(dǎo)致迷宮環(huán)燒損；長期漏水將加重結(jié)合面銹蝕，造成水車室內(nèi)大量漏水。而抽蓄電站廠房為地下廠房，將可能引發(fā)水淹廠房的嚴(yán)重事故。

圖5 迷宮環(huán)裝配區(qū)、導(dǎo)葉套筒密封裝配配合面銹蝕嚴(yán)重

c.設(shè)計(jì)方案優(yōu)化。該缺陷在機(jī)組檢修期間被發(fā)現(xiàn)，綜合考慮機(jī)組檢修工期等因素，制定了在各涉水面鋪焊不銹鋼涂層的方案(見圖6)。該方案要求鋪焊的不銹鋼涂層厚度不小于1mm。

圖6 鋪焊不銹鋼涂層后的外頂蓋各斷面

d.新設(shè)計(jì)方案優(yōu)點(diǎn)。經(jīng)改造后外頂蓋各接觸面均為不銹鋼材質(zhì)，大大降低了銹蝕和汽蝕造成的影響。實(shí)際運(yùn)行過程中，水車室內(nèi)各部位密封良好，幾乎無漏水現(xiàn)象，后續(xù)檢修中發(fā)現(xiàn)各涉水面基本無銹蝕和汽蝕現(xiàn)象。本方案因現(xiàn)場(chǎng)檢修工期限制，采用了各涉水面鋪焊不銹鋼涂層的方式。

e.新建電站的水泵水輪機(jī)組，建議其外頂蓋、內(nèi)頂蓋、導(dǎo)葉套筒、泄流環(huán)、冷卻器端蓋以及供排水管路等重要涉水部件全部采用不銹鋼材料，徹底解決銹蝕帶來的安全隱患。已投運(yùn)機(jī)組可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際分步進(jìn)行改造，不斷提高水泵水輪機(jī)組抗銹蝕能力，降低因漏水造成的設(shè)備損壞和水淹廠房等風(fēng)險(xiǎn)。

3.2 其他水泵水輪機(jī)及其輔助設(shè)備優(yōu)化方案

a.抗磨板采用整體焊接方式與頂蓋和座環(huán)連接，保證抗磨板平整度，避免其長期運(yùn)行后變形并與活動(dòng)導(dǎo)葉發(fā)生碰撞，引發(fā)事故。

b.活動(dòng)導(dǎo)葉設(shè)置機(jī)械限位裝置，防止在甩負(fù)荷等情況下，因過大的水力矩造成導(dǎo)葉與轉(zhuǎn)輪相撞；設(shè)置純機(jī)械過速裝置，避免電氣回路在失電情況下，過速保護(hù)失效；主進(jìn)水閥宜采用雙接力器加裝重錘的液壓操作機(jī)構(gòu)。在油壓失去無法關(guān)閉閥門時(shí)，可利用重錘關(guān)閉主進(jìn)水閥，避免極端情況下的水淹廠房事故；推力油冷卻器等大負(fù)荷換熱設(shè)備，采用板式不銹鋼冷卻器，可有效降低軸瓦的溫度；主進(jìn)水閥樞軸采用銅基鑲嵌自潤滑、雙金屬自潤滑等可靠和長壽命型式的軸瓦，減輕軸封磨損；設(shè)置水力自激振蕩監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，監(jiān)視主進(jìn)水閥壓力、位移等數(shù)據(jù)，防止發(fā)生水力自激振蕩，引發(fā)嚴(yán)重設(shè)備事故；機(jī)組調(diào)速器液壓回路對(duì)油質(zhì)要求很高，一旦油質(zhì)出現(xiàn)問題將影響機(jī)組運(yùn)行，設(shè)置高效的在線濾油裝置，可大大提高調(diào)速器系統(tǒng)的可靠性；機(jī)組油槽、油浸式變壓器等設(shè)備需在室外等部位設(shè)置事故排油閥，防止火災(zāi)事故擴(kuò)大和確保人員安全。

c.尾水事故閘門吊軸監(jiān)測(cè)裝置設(shè)計(jì)要采用不銹鋼材質(zhì)整體鑄造，其在閘門密封壓蓋受力點(diǎn)處必須有足夠的強(qiáng)度，防止吊軸監(jiān)測(cè)裝置脫落造成水淹廠房。

4 靜止變頻啟動(dòng)器系統(tǒng)優(yōu)化方案

4.1 靜止變頻啟動(dòng)器冗余配置方案

a.原設(shè)計(jì)方案。電站抽蓄機(jī)組抽水方向啟動(dòng)采用一臺(tái)靜止變頻啟動(dòng)器主用、機(jī)組間背靠背拖動(dòng)作為備用的方案。靜止變頻啟動(dòng)器啟動(dòng)過程中低速和高速階段切換采用旁路刀閘切換的方式。

b.原方案存在的問題。只配備了一套靜止變頻器，其設(shè)備選型方案和控制系統(tǒng)均老舊，啟動(dòng)成功率較低；旁路刀閘不具備滅弧能力，在啟動(dòng)過程中如刀閘切換與可控硅觸發(fā)邏輯配合不好，將造成刀閘燒毀，甚至引發(fā)火災(zāi)(見圖7)。

圖7 靜止變頻器控制系統(tǒng)故障導(dǎo)致旁路刀閘燒損

c.設(shè)計(jì)方案優(yōu)化。對(duì)原靜止變頻器控制系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)，同時(shí)增設(shè)一套全國產(chǎn)的靜止變頻啟動(dòng)器。配置兩套啟動(dòng)器之間自動(dòng)切換系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)兩套啟動(dòng)器之間的遠(yuǎn)方一鍵切換。靜止變頻器具備無旁路刀閘啟動(dòng)方式。

d.新設(shè)計(jì)方案優(yōu)點(diǎn)及應(yīng)用。雙套靜止變頻器的配置方案為機(jī)組抽水方向啟動(dòng)提供了更多的啟動(dòng)方式，提高了系統(tǒng)的可靠性和機(jī)組抽水啟動(dòng)成功率。自系統(tǒng)改造以來，連續(xù)兩年抽水方向啟動(dòng)成功率均保持100%。兩套靜止變頻器配置，也為設(shè)備日常運(yùn)維提供了便利，在需要進(jìn)行檢查時(shí)，可直接切換主備用啟動(dòng)器，不會(huì)對(duì)機(jī)組抽水啟動(dòng)造成任何影響。

4.2 靜止變頻啟動(dòng)器附屬設(shè)備優(yōu)化方案

a.靜止變頻器控制系統(tǒng)與監(jiān)控系統(tǒng)的通信采用硬布線設(shè)計(jì)，避免出現(xiàn)通信不穩(wěn)定造成啟動(dòng)失敗或設(shè)備損壞。

b.靜止變頻器啟動(dòng)過程中低速和高速階段切換設(shè)備取消刀閘形式，可采用斷路器的方式。優(yōu)先采用邏輯計(jì)算方案，不設(shè)置切換設(shè)備。

c.靜止變頻器的輸入、輸出變壓器因經(jīng)常承受沖擊，采用干式變壓器，更加便于維護(hù)。變壓器冷卻方式采用空冷。

5 其他設(shè)備設(shè)施優(yōu)化方案

5.1 水工建筑物及其設(shè)備設(shè)施

a.水工建筑物的邊坡不應(yīng)采用高邊坡，高邊坡即使使用混泥土噴護(hù)，仍然可能因?yàn)楸┯?、泥石流等極端天氣造成坍塌。

b.上、下水庫各處沖溝不能只修建攔渣坎或沉渣池，應(yīng)設(shè)置攔污設(shè)施，防止遭遇較大降雨時(shí)，大量泥沙及山洪漂浮物堵塞沖溝，引發(fā)泥石流等地質(zhì)災(zāi)害，破壞環(huán)庫區(qū)域設(shè)備設(shè)施。

c.上、下庫大壩防浪墻加裝移動(dòng)式檢查平臺(tái)，便于大壩面板日常檢查維護(hù)。

d.進(jìn)廠交通洞、通風(fēng)兼安全洞等洞口應(yīng)采取擋墻等防雨水倒灌的措施，防止水淹廠房。

e.山體邊坡、水道等內(nèi)部埋設(shè)的監(jiān)測(cè)儀器運(yùn)行環(huán)境惡劣，后期更換困難。應(yīng)采用不同類型的且冗余配置的監(jiān)測(cè)儀器，避免儀器損壞后，后續(xù)無監(jiān)測(cè)手段。

5.2 安全環(huán)保等設(shè)備設(shè)施

a.抽蓄電站地下廠房，空間有限，各類電纜規(guī)范布置困難，一旦發(fā)生電纜著火將造成重大事故。為最大程度降低電纜著火風(fēng)險(xiǎn)，電纜溝、電纜槽盒等要有規(guī)范的分層分類布置，將動(dòng)力電纜和控制電纜分層敷設(shè)。其中重要的通信、信號(hào)電纜應(yīng)使用屏蔽阻燃的電纜，重要監(jiān)控、電調(diào)、球閥、保護(hù)、直流等系統(tǒng)電纜還應(yīng)采用耐火電纜。

b.抽蓄電站廠房為地下廠房，一旦全廠失電，人員逃生疏散困難。地下廠房逃生指示、安全標(biāo)示、設(shè)備標(biāo)示牌應(yīng)采用熒光材質(zhì)，全廠失電時(shí)人員可跟隨熒光指示牌逃生，應(yīng)急處置人員可以準(zhǔn)確地找到設(shè)備位置。

c.廠房橋機(jī)軌道、高處橫梁等處加裝防墜落生命線，防止人員墜落。

6 結(jié) 語

近年來，電站制定了設(shè)備更新改造計(jì)劃，逐漸對(duì)各系統(tǒng)設(shè)備的選型和設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化。隨著改造計(jì)劃的實(shí)施，機(jī)組健康水平大大提高。電站從2017年至2021年5月，未發(fā)生一起非計(jì)劃停運(yùn)事件。在近兩年機(jī)組運(yùn)行強(qiáng)度連創(chuàng)新高的情況下，仍然連續(xù)4年保持機(jī)組發(fā)電抽水啟動(dòng)成功率均為100%。隨著以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)的不斷發(fā)展，可以預(yù)見，抽蓄機(jī)組運(yùn)行強(qiáng)度將繼續(xù)提高，需要各在建和在運(yùn)抽蓄電站從設(shè)備的選型設(shè)計(jì)方面不斷優(yōu)化，消除設(shè)備隱患，提升系統(tǒng)配置，全面提高設(shè)備可靠性和本質(zhì)安全水平。