吳 妍，谷振富，劉更海，尤莉莎，王瑞蘭

（河北張河灣蓄能發(fā)電有限責(zé)任公司，河北 石家莊 050300）

1 概述

張河灣抽水蓄能電站位于石家莊市井陘縣測(cè)魚鎮(zhèn)張河灣村附近，距石家莊市（負(fù)荷中心）僅53 km（直線距離），是一座日調(diào)節(jié)的純抽水蓄能電站。電站裝機(jī)容量為1 000 WM，即4臺(tái)250 WM的單級(jí)混流可逆式水泵水輪機(jī)組，設(shè)計(jì)發(fā)電水頭為305 m。建成投產(chǎn)后，電站將以2條500 kV線路接入冀南電網(wǎng)，承擔(dān)電網(wǎng)的調(diào)峰、填谷、調(diào)頻、調(diào)相、事故備用等任務(wù)，起到十分重要的作用。

由于機(jī)組的裝拆方式與機(jī)組參數(shù)和廠房布置有密切關(guān)系，設(shè)計(jì)方曾在可研階段向世界上有實(shí)力的水電設(shè)備制造商發(fā)出咨詢書，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了由各廠商和設(shè)計(jì)院、張河灣公司參加的技術(shù)交流。同時(shí)，張河灣公司的技術(shù)人員也利用各種機(jī)會(huì)向國(guó)內(nèi)外的水電專家進(jìn)行請(qǐng)教，并做了專題研究，下面就針對(duì)張河灣項(xiàng)目的具體特點(diǎn)進(jìn)行分析。

2 機(jī)組主要參數(shù)

2.1 水泵水輪機(jī)主要參數(shù)（表1）

表1 水泵水輪機(jī)主要參數(shù)

2.2 發(fā)電電動(dòng)機(jī)主要參數(shù)（表2）

表2 發(fā)電電動(dòng)機(jī)主要參數(shù)

2.3 其他資料

設(shè)計(jì)年發(fā)電量1 675 GW·h；

設(shè)計(jì)年抽水電量2 204 GW·h；

多年平均含沙量11.10 kg/m3；

設(shè)計(jì)日滿載抽水6.0 h；

設(shè)計(jì)日滿載發(fā)電4.6 h。

3 機(jī)組的裝拆方式

從國(guó)內(nèi)外已運(yùn)行的中高水頭的抽水蓄能電站機(jī)組來看，發(fā)電電動(dòng)機(jī)采用上拆方式，而水泵水輪機(jī)的安裝和拆卸可采用上拆、中拆和下拆3種方式[1]。

（1）上拆方式如水泵水輪機(jī)需要檢修時(shí)，先吊出發(fā)電電動(dòng)機(jī)的上下機(jī)架、轉(zhuǎn)子、導(dǎo)軸承、推力軸承等部件，然后再將水泵水輪機(jī)的部件（包括頂蓋、轉(zhuǎn)輪、水導(dǎo)軸承、導(dǎo)葉等部件）通過發(fā)電電動(dòng)機(jī)的定子內(nèi)孔中吊出。這種方式的優(yōu)點(diǎn)是能盡可能地縮短機(jī)組軸線，使得設(shè)備布置緊湊，軸系穩(wěn)定性好，廠房結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。缺點(diǎn)是每次進(jìn)行水泵水輪機(jī)大修都必須拆裝電機(jī)部分，致使大修時(shí)間長(zhǎng)。國(guó)內(nèi)已建的抽水蓄能電站中，北京十三陵電站、河北潘家口電站、浙江桐柏電站、山東泰安電站、安徽瑯琊山電站和江蘇宜興電站的機(jī)組均采用上拆方式。

（2）中拆方式在不拆發(fā)電電動(dòng)機(jī)部件的情況下，將水泵水輪機(jī)部件通過位于水輪機(jī)室一側(cè)的水泵水輪機(jī)機(jī)墩通道，利用專用車或/和吊規(guī)運(yùn)到主閥吊物孔，然后由廠房橋機(jī)吊運(yùn)到安裝場(chǎng)進(jìn)行修理。這種方式的優(yōu)點(diǎn)是水泵水輪大修時(shí)無須拆裝發(fā)電電動(dòng)機(jī)，檢修時(shí)間較短。缺點(diǎn)是需在發(fā)電電動(dòng)機(jī)與水泵水輪機(jī)之間增加一段中間軸，并配備相應(yīng)的起吊設(shè)備；水機(jī)室的機(jī)墩混凝土要開較大的通道，增加了土建的設(shè)計(jì)難度。國(guó)內(nèi)已建的抽水蓄能電站中，廣東的廣蓄I(lǐng)I期電站、浙江天荒坪電站的機(jī)組均采用中拆方式。

（3）下拆方式在尾水管直錐段設(shè)一可拆卸段，在設(shè)備大修時(shí)，水泵水輪機(jī)部件如轉(zhuǎn)輪、底環(huán)等可從堝殼下方的已拆除的尾水管直錐段拆卸拉出，并運(yùn)輸?shù)綄Ｓ玫跷锟桌脧S房的橋機(jī)吊運(yùn)到安裝場(chǎng)進(jìn)行修理。這種方式的優(yōu)點(diǎn)是水泵水輪機(jī)大修時(shí)無須拆裝發(fā)電電動(dòng)機(jī)，也無連接發(fā)電電動(dòng)機(jī)和水泵水輪的中間軸，設(shè)備檢修時(shí)間最短。缺點(diǎn)是尾水管直錐段為裸露的可拆卸部件，在設(shè)備運(yùn)行時(shí)，廠房?jī)?nèi)的噪音會(huì)很大；另外，廠房的土建結(jié)構(gòu)也會(huì)很復(fù)雜。這種方式在國(guó)內(nèi)基本上不受歡迎，在國(guó)內(nèi)已建 的抽水蓄能電站中，廣東的廣蓄I(lǐng)期電站的機(jī)組采用下拆方式。

對(duì)于一個(gè)電站具體采用上述3種方式中的哪一種，應(yīng)取決于該電站的設(shè)計(jì)水頭及轉(zhuǎn)速、運(yùn)行工況、水質(zhì)條件，也取決于設(shè)備制造廠的偏好和機(jī)組的結(jié)構(gòu)尺寸。

一般說來，對(duì)于低水頭、低轉(zhuǎn)速的機(jī)組，因其轉(zhuǎn)輪、頂蓋直徑較大，采用中、下拆的基建投資也相應(yīng)增大，但其發(fā)電電動(dòng)機(jī)定子的內(nèi)徑也較大，上拆方式是天然具備的拆裝方式，所以多采用上拆方式；對(duì)于高水頭、高轉(zhuǎn)速的的機(jī)組，其轉(zhuǎn)輪、頂蓋直徑較小，采用中、下拆的基建投資也相應(yīng)減少，同時(shí)因其發(fā)電電動(dòng)機(jī)定子的內(nèi)徑較小，有時(shí)可能導(dǎo)致許多水力機(jī)械部件不能直接從發(fā)電電動(dòng)機(jī)定子中間吊出，這時(shí)采用中拆或下拆可能比較經(jīng)濟(jì)；但是對(duì)于超高水頭、超高轉(zhuǎn)速的機(jī)組，考慮到機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性，有時(shí)必須采用上拆方式[2]。

在中高水頭和中高轉(zhuǎn)速段的抽水蓄能機(jī)組中，采用上述3種方式的都有，還有一些將2種方式結(jié)合起來的混合拆裝方式。通常，歐洲廠家多推薦中拆或下拆方式，日本廠家多推薦上拆方式，但所有廠家都聲稱，上述3種方式的機(jī)組都能設(shè)計(jì)、制造。

4 張河灣項(xiàng)目發(fā)電機(jī)組的裝拆方式比較

4.1 各制造廠家對(duì)張河灣項(xiàng)目的建議

在各廠家提供的技術(shù)建議書中，都提到了水泵水輪機(jī)的裝拆方式，在與業(yè)主和設(shè)計(jì)院的技術(shù)交流中也展開過多次討論，各家推薦的拆裝方式和理由簡(jiǎn)述如下：

日本的3家廠商三菱、東芝和日立都推薦上拆方式，主要是認(rèn)為本項(xiàng)目的水頭和轉(zhuǎn)速都不高，設(shè)計(jì)運(yùn)行點(diǎn)在經(jīng)驗(yàn)穩(wěn)定區(qū)域內(nèi)，水泵水輪機(jī)運(yùn)行良好，而且目前水泵水輪機(jī)過流表面的材料和水力設(shè)計(jì)的研究都有很大進(jìn)展，大修周期應(yīng)能保證在10年以上，沒必要采用中、下拆方式從而增加土建設(shè)計(jì)難度并增加基建投資。日本廠商所制造的水電機(jī)組幾乎都采用此種方式，在制造上有豐富的經(jīng)驗(yàn)。

Vatech公司和Voith公司也推薦了上拆方式，主要理由是本項(xiàng)目的水頭和轉(zhuǎn)速不高，轉(zhuǎn)輪直徑較大，采用其他方式的基建費(fèi)用較高；但在與我們的技術(shù)交流中發(fā)現(xiàn)，本項(xiàng)目所在水庫(kù)的泥沙含量較大，認(rèn)為有必要引起重視，并推薦中拆方案為另一推薦方案。

Alstom公司推薦了下拆方案，主要理由為：①本項(xiàng)目的水頭和轉(zhuǎn)速適中，而且現(xiàn)在許多廠家在設(shè)備制造上都采用了數(shù)控機(jī)床技術(shù)，加工精度大大提高，不必?fù)?dān)心機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性的問題，而本項(xiàng)目的水質(zhì)條件較差，用下拆方案可以避免不必要地拆裝發(fā)電電動(dòng)機(jī)部件，迅速對(duì)轉(zhuǎn)輪、導(dǎo)葉等設(shè)備進(jìn)行檢修；②一次性投資和長(zhǎng)期收益的比較，因?yàn)楸卷?xiàng)目所在電力系統(tǒng)幾乎為一個(gè)純火電系統(tǒng)，投入運(yùn)行后將成為系統(tǒng)的主力調(diào)峰點(diǎn)和緊急備用電源，安排長(zhǎng)時(shí)間檢修的代價(jià)相對(duì)較大，采用檢修時(shí)間最短的下拆方案應(yīng)是最經(jīng)濟(jì)的方案。

GE公司推薦了中、下拆結(jié)合的方案，主要理由是水泵水輪機(jī)檢修快捷方便，而且尾水管直錐段裸露在空氣中不會(huì)增加設(shè)備運(yùn)行噪音，還會(huì)有利于減輕機(jī)組振動(dòng)。

綜上所述，這3種拆裝方案對(duì)于本項(xiàng)目都可行，各廠家也各有自己的設(shè)計(jì)制造特長(zhǎng)。根據(jù)其他國(guó)內(nèi)抽水蓄能項(xiàng)目的招標(biāo)采購(gòu)經(jīng)驗(yàn)和向各廠家咨詢結(jié)果，各種裝拆方案中的設(shè)備價(jià)相差不多（暫不考慮土建投資），主要是有的方案需要一些專用工具。

為配合廠房布置，各廠家提供了與拆裝方式有關(guān)的機(jī)組尺寸，經(jīng)過整理如表3。

表3 各廠家提供的相關(guān)機(jī)組尺寸

4.2 張河灣項(xiàng)目機(jī)組的裝拆方式分析

4.2.1 上拆方式

在機(jī)組大修時(shí)，水力機(jī)械各部件需要從發(fā)電電動(dòng)機(jī)定子內(nèi)孔中吊出，而從表3數(shù)據(jù)來看頂蓋需要分辨才能滿足要求。從抽水蓄能機(jī)組的運(yùn)行特點(diǎn)來看，頂蓋應(yīng)盡可能地減少分辨數(shù)目，因?yàn)榉直鏀?shù)目多，螺栓的把合量就大，就越容易出現(xiàn)漏水等問題，一旦連接螺栓松動(dòng)還會(huì)造成局部應(yīng)力集中，損壞受力部件，發(fā)生運(yùn)行事故；另外，使得檢修工期也會(huì)加長(zhǎng)，對(duì)于本項(xiàng)目的機(jī)組，頂蓋分兩辨比不分辨的機(jī)組每次檢修時(shí)間要多15 d左右，頂蓋分四辨的機(jī)組比不分辨要多檢修30 d左右，但分辨多時(shí)水機(jī)室的高度會(huì)降低一些，土建工作量減少一些。根據(jù)已建抽水蓄能電站的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和張河灣項(xiàng)目的具體特點(diǎn)，頂蓋分二瓣較為適宜。

4.2.2 中拆方式

采用中拆方式時(shí)，下機(jī)架直徑可減小，但機(jī)墩高度有所加大，機(jī)組中心線到發(fā)電機(jī)層的高度比上拆分二瓣方案約高0.7 m，做經(jīng)濟(jì)比較時(shí)該高差取1 m。

如果運(yùn)輸條件沒有限制，頂蓋可整體運(yùn)輸?shù)焦さ兀斏w外形尺寸取建方中拆方案的GE公司的尺寸，為φ6.29 m，則機(jī)墩開孔平面尺寸需6.7 m，為目前在國(guó)內(nèi)已建的抽水蓄能電站中是最大的。如頂蓋分二瓣，轉(zhuǎn)輪為最大吊出設(shè)備，其直徑為4.8 m，則開孔尺寸應(yīng)為5.2 m，與天荒坪的尺寸相近。另外，多數(shù)廠家和咨詢專家建議，頂蓋應(yīng)盡量少分瓣，少裝拆，因此以分二瓣較為適宜。

4.2.3 下拆方式

下拆方案因?yàn)椴辉O(shè)中間軸，廠房高度與上拆方案相差不多，基建投資比上拆多一些但相差不多，但本方案的水泵水輪機(jī)尾水管直錐段需設(shè)計(jì)成活動(dòng)部件并用螺栓聯(lián)接，在土建上還要考慮設(shè)置運(yùn)輸通道，水力發(fā)電設(shè)備的支撐相對(duì)較弱，可能對(duì)機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性有些影響。雖然本項(xiàng)目發(fā)電用水泥沙情況較為嚴(yán)重，但水頭和轉(zhuǎn)速較為適中，而且泥沙影響的季節(jié)性較明顯，水泵水輪的檢修應(yīng)不是太大的問題，所以下拆方案在此不做比較。

4.3 本電站的裝拆方式比較

根據(jù)上面的分析結(jié)果，主要對(duì)頂蓋分二瓣時(shí)的上拆方案和中拆方案進(jìn)行比較。

4.3.1 技術(shù)比較

水泵水輪機(jī)的中拆方案與上拆方案的差別主要在于軸系穩(wěn)定問題，但根據(jù)有關(guān)廠家專家的意見，認(rèn)為中拆方式的主軸雖然比上拆方式長(zhǎng)1.2～1.5 m，但只會(huì)對(duì)第一階臨界轉(zhuǎn)速略有影響。根據(jù)設(shè)計(jì)院對(duì)制造廠家的詢價(jià)結(jié)果，對(duì)于發(fā)電電動(dòng)機(jī)型式絕大多數(shù)廠家推薦半傘結(jié)構(gòu)，因該結(jié)構(gòu)在軸系上設(shè)置有3組軸承，而且目前所有廠家的設(shè)備加工能力都很強(qiáng)，大多采用數(shù)控機(jī)床，設(shè)備的加工沒有問題，所以對(duì)設(shè)備軸系的穩(wěn)定性幾乎沒有影響。因此，中拆方案的問題不在機(jī)電設(shè)備的制造上，而是在電站廠房的土建結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)上。特別是對(duì)于張河灣電站這種低水頭、大容量的機(jī)組（相應(yīng)地頂蓋、轉(zhuǎn)輪等可拆卸部件的外形尺寸要加大），不但加大土建投資，還增加結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的風(fēng)險(xiǎn)[3]。

4.3.2 經(jīng)濟(jì)比較

當(dāng)采用上拆方案時(shí)，檢修工期有所增加，相差約為15 d。根據(jù)電站的年發(fā)電量和年抽水電量可以計(jì)算出停機(jī)損失。發(fā)電電價(jià)按0.6元/kW·h，抽水電價(jià)按0.15元/kW·h計(jì)算，則每停機(jī)1天4臺(tái)機(jī)共損失184.76萬元。

根據(jù)設(shè)計(jì)院的計(jì)算結(jié)果，張河灣電站的上拆方案機(jī)墩開孔尺寸為2.2 m×2.3 m，中拆方案的機(jī)墩高度比上拆方案高1 m，根據(jù)土建專業(yè)提供的數(shù)據(jù)，4臺(tái)機(jī)組的機(jī)墩每增加1 m，開挖量增加2 250 m3，鋼筋用量增加30.5 t，混凝土用量增加380 m3；如果開挖方量按單價(jià)100元/m3，鋼筋單價(jià)4 450元/t，混凝土單價(jià)800元/ m3計(jì)， 則中拆方案比上拆方案增加土建費(fèi)用約78.4萬元。

水泵水輪機(jī)的裝拆方式對(duì)機(jī)組的造價(jià)影響有的公司認(rèn)為沒什么差別，但多數(shù)公司認(rèn)為中拆方式比上拆方式要高1%左右，參照泰安抽水蓄能項(xiàng)目主機(jī)設(shè)備招標(biāo)的報(bào)價(jià)，4臺(tái)機(jī)組約增加180萬元，中拆方案和下拆方案經(jīng)濟(jì)比較詳細(xì)結(jié)果如表4。

表4 中拆方案和下拆方案經(jīng)濟(jì)比較詳細(xì)結(jié)果

從表4可以看出，中拆方案和上拆相比，增加土建投資不多，即使扣除必要的費(fèi)用，如水費(fèi)、基建中多投資金的利息和各種稅費(fèi)，一次大修節(jié)約的費(fèi)用就可將全部投資收回還有余。如考慮到機(jī)組在50年壽命期內(nèi)大修4次的話，中拆方案的經(jīng)濟(jì)性明顯要好。中拆-頂蓋不分瓣方案雖然設(shè)備的機(jī)械性能要好些，但因機(jī)墩開孔尺寸過大，對(duì)土建設(shè)計(jì)的要求過于苛刻，中拆-頂蓋分二瓣方案綜合性能較好些。

但是中拆方案技術(shù)性能要差一些，除發(fā)電機(jī)組軸系加長(zhǎng)后增大的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)外，還增加了土建結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的風(fēng)險(xiǎn)，特別是對(duì)于張河灣電站這種低水頭、大容量的機(jī)組（相應(yīng)的頂蓋、轉(zhuǎn)輪等可拆卸部件的外形尺寸要加大）。同時(shí)，張河灣機(jī)組的發(fā)電機(jī)定子中孔直徑相對(duì)較大，上拆方式在技術(shù)上可以說是天然具備各種條件，在幾種拆卸方式中是最簡(jiǎn)單、方便的一種方式。

5 結(jié)論

綜上所述，水泵水輪機(jī)裝拆方式采用上拆方案時(shí)，機(jī)組軸線短，布置緊湊，軸系穩(wěn)定性好，土建結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難度小；中拆方案明顯的好處在于縮短檢修周期，經(jīng)濟(jì)性好；而下拆方案在廠房下部開孔，雖然經(jīng)濟(jì)性好，但基礎(chǔ)支撐較弱，運(yùn)行噪音大，不宜采用。出于考慮發(fā)揮各廠商的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，建議在招標(biāo)文件中保留采用上拆和中拆兩種方案由投標(biāo)商自行選擇，但是不對(duì)任何一種方式做出經(jīng)濟(jì)上的優(yōu)惠條件。