黄 健 张玉平

(山东泰山抽水蓄能电站有限责任公司，山东 泰安 271000)

大力发展抽水蓄能产业，设备选型设计是龙头。目前，设计领域采用了智慧型方案，并取得了一定的进步。但在设计后评价和再提升方面与抽水蓄能行业高质量发展的要求还存在一定差距。主要体现在：各抽蓄电站之间的设计同类化特征明显，未能充分体现各电站现场实际情况；设计—基建—生产—再设计的全寿命周期管理条块分割特征明显，未能充分实现各个环节之间的融通对耦和再提升再优化；设计标准和规范更新与国家和行业最新要求(如反事故措施等)方面还有一定的时滞效应，未能充分体现设计是本质安全的基础。本文总结了一座已投产15年的抽蓄电站在日常运维过程中发现的设备隐患和缺陷等，依据设备系统分类，选取了部分重要设备在设备选型方面的要点和优化方案，为在建和在运的抽蓄电站在设备选型设计和技术改造等提供参考。

1 工程概况

山东泰山抽水蓄能电站位于山东省泰安市西郊的泰山西南麓，距泰安市5km，距济南市约70km，电站装有4台250MW可逆式水泵水轮机/发电电动机组，总装机容量为1000MW，年设计发电量13.38亿kW·h，年抽水用电量17.843亿kW·h，年发电利用小时1338h，年抽水利用小时1784h。电站为日调节纯抽水蓄能电站，主要建筑物有上水库、引水系统、地下厂房、尾水系统、下水库、地面开关站等；机电设备主要包括发电电动机、水泵水轮机等主机设备以及静止变频器等公用系统设备。电站于2002年2月正式开工建设，2007年4台机组全部投运。电站投产后主要为电网提供调峰填谷、调频调相和紧急事故备用服务，对改善山东电网的供电质量，保障电网安全、稳定、经济运行起着重要作用。

2 发电电动机及其辅助设备选型设计优化

2.1 发电电动机定子端部绝缘方式

a.发电电动机定子端部绝缘设计分开口式和填充式。电站原发电电动机定子绕组线棒端部电接头绝缘采用在异相之间装设开口式的绝缘盒的方式，并且绝缘盒内未使用环氧材料填充(见图1)。开口式绝缘盒设计利于散热，但绝缘能力相对较低。

图1 原发电电动机端部绝缘设计

b.2015年电站4号机组在抽水调相启动过程中，发电电动机定子线棒接地故障。经分析，原因为气隙监测线缆因振动脱落，搭接定子下层线棒下端部，引发发电电动机接地故障(见图2)。事故造成发电电动机定子线棒损坏9根，部分线棒端头变形，并造成1个转子磁极故障。

图2 事故线棒烧损情况

c.绝缘优化方案。为彻底解决发电电动机定子端部绝缘方式的设计缺陷，决定将端部绝缘方式改为手包绝缘(见图3)。该方案对定子端部线棒并接头绝缘工艺进行改进，将部分定子线棒并接头绝缘盒改为手包绝缘。如将所有绝缘盒改为手包绝缘，将缩短异相间线棒并头绝缘距离，造成安全隐患,因此将两相邻的绝缘盒中的一个改为手包绝缘，另一个仍使用绝缘盒，该绝缘盒灌注环氧材料填充。这样可以彻底解决爬电、相间短路问题。

图3 定子端部手包绝缘改造后情况

2.2 发电电动机风洞内设备选型设计和优化方案

抽蓄机组发电电动机普遍采用空冷器进行冷却，其风洞内部应采取多重可靠的防漏水、反水措施：发电电动机磁轭盖板和挡风板适当位置开检查孔，避免因频繁拆装磁轭盖板和挡风板造成螺栓损坏；发电电动机风洞内水管路采用不锈钢材质，并取消管路中的阀门，尽量减少连接部件；发电电动机风洞内水管路采用保温材料包裹，提高冷却效果的同时，也可防止故障情况下水喷射到发电电动机上；发电电动机风洞内空冷器接水盒处设置漏水检测仪器，发现漏水及时处理；发电电动机风洞内空冷器接水盒排水管单独排水，不与其他设备排水管路连接，防止反水。

3 水泵水轮机及其辅助设备选型设计优化

3.1 水泵水轮机外顶盖选材方案

a.水泵水轮机顶盖采用钢板焊接结构，分内顶盖和外顶盖。其中根据水轮机转动部分上拆要求和机墩布置，外顶盖为分半结构，在机坑内拆装(见图4)。

图4 水泵水轮机外顶盖

b.原设计方案存在的问题。原外顶盖的材质采用S235碳素结构钢，其在实际运行过程中，与水接触的迷宫环装配区密封沟槽、导叶套筒密封装配配合面以及顶盖与座环密封配合面均存在严重锈蚀和汽蚀现象(见图5)。不但会影响抽蓄机组迷宫环冷却效果，严重时还会导致迷宫环烧损；长期漏水将加重结合面锈蚀，造成水车室内大量漏水。而抽蓄电站厂房为地下厂房，将可能引发水淹厂房的严重事故。

图5 迷宫环装配区、导叶套筒密封装配配合面锈蚀严重

c.设计方案优化。该缺陷在机组检修期间被发现，综合考虑机组检修工期等因素，制定了在各涉水面铺焊不锈钢涂层的方案(见图6)。该方案要求铺焊的不锈钢涂层厚度不小于1mm。

图6 铺焊不锈钢涂层后的外顶盖各断面

d.新设计方案优点。经改造后外顶盖各接触面均为不锈钢材质，大大降低了锈蚀和汽蚀造成的影响。实际运行过程中，水车室内各部位密封良好，几乎无漏水现象，后续检修中发现各涉水面基本无锈蚀和汽蚀现象。本方案因现场检修工期限制，采用了各涉水面铺焊不锈钢涂层的方式。

e.新建电站的水泵水轮机组，建议其外顶盖、内顶盖、导叶套筒、泄流环、冷却器端盖以及供排水管路等重要涉水部件全部采用不锈钢材料，彻底解决锈蚀带来的安全隐患。已投运机组可根据现场实际分步进行改造，不断提高水泵水轮机组抗锈蚀能力，降低因漏水造成的设备损坏和水淹厂房等风险。

3.2 其他水泵水轮机及其辅助设备优化方案

a.抗磨板采用整体焊接方式与顶盖和座环连接，保证抗磨板平整度，避免其长期运行后变形并与活动导叶发生碰撞，引发事故。

b.活动导叶设置机械限位装置，防止在甩负荷等情况下，因过大的水力矩造成导叶与转轮相撞；设置纯机械过速装置，避免电气回路在失电情况下，过速保护失效；主进水阀宜采用双接力器加装重锤的液压操作机构。在油压失去无法关闭阀门时，可利用重锤关闭主进水阀，避免极端情况下的水淹厂房事故；推力油冷却器等大负荷换热设备，采用板式不锈钢冷却器，可有效降低轴瓦的温度；主进水阀枢轴采用铜基镶嵌自润滑、双金属自润滑等可靠和长寿命型式的轴瓦，减轻轴封磨损；设置水力自激振荡监测系统，监视主进水阀压力、位移等数据，防止发生水力自激振荡，引发严重设备事故；机组调速器液压回路对油质要求很高，一旦油质出现问题将影响机组运行，设置高效的在线滤油装置，可大大提高调速器系统的可靠性；机组油槽、油浸式变压器等设备需在室外等部位设置事故排油阀，防止火灾事故扩大和确保人员安全。

c.尾水事故闸门吊轴监测装置设计要采用不锈钢材质整体铸造，其在闸门密封压盖受力点处必须有足够的强度，防止吊轴监测装置脱落造成水淹厂房。

4 静止变频启动器系统优化方案

4.1 静止变频启动器冗余配置方案

a.原设计方案。电站抽蓄机组抽水方向启动采用一台静止变频启动器主用、机组间背靠背拖动作为备用的方案。静止变频启动器启动过程中低速和高速阶段切换采用旁路刀闸切换的方式。

b.原方案存在的问题。只配备了一套静止变频器，其设备选型方案和控制系统均老旧，启动成功率较低；旁路刀闸不具备灭弧能力，在启动过程中如刀闸切换与可控硅触发逻辑配合不好，将造成刀闸烧毁，甚至引发火灾(见图7)。

图7 静止变频器控制系统故障导致旁路刀闸烧损

c.设计方案优化。对原静止变频器控制系统进行升级，同时增设一套全国产的静止变频启动器。配置两套启动器之间自动切换系统，可实现两套启动器之间的远方一键切换。静止变频器具备无旁路刀闸启动方式。

d.新设计方案优点及应用。双套静止变频器的配置方案为机组抽水方向启动提供了更多的启动方式，提高了系统的可靠性和机组抽水启动成功率。自系统改造以来，连续两年抽水方向启动成功率均保持100%。两套静止变频器配置，也为设备日常运维提供了便利，在需要进行检查时，可直接切换主备用启动器，不会对机组抽水启动造成任何影响。

4.2 静止变频启动器附属设备优化方案

a.静止变频器控制系统与监控系统的通信采用硬布线设计，避免出现通信不稳定造成启动失败或设备损坏。

b.静止变频器启动过程中低速和高速阶段切换设备取消刀闸形式，可采用断路器的方式。优先采用逻辑计算方案，不设置切换设备。

c.静止变频器的输入、输出变压器因经常承受冲击，采用干式变压器，更加便于维护。变压器冷却方式采用空冷。

5 其他设备设施优化方案

5.1 水工建筑物及其设备设施

a.水工建筑物的边坡不应采用高边坡，高边坡即使使用混泥土喷护，仍然可能因为暴雨、泥石流等极端天气造成坍塌。

b.上、下水库各处冲沟不能只修建拦渣坎或沉渣池，应设置拦污设施，防止遭遇较大降雨时，大量泥沙及山洪漂浮物堵塞冲沟，引发泥石流等地质灾害，破坏环库区域设备设施。

c.上、下库大坝防浪墙加装移动式检查平台，便于大坝面板日常检查维护。

d.进厂交通洞、通风兼安全洞等洞口应采取挡墙等防雨水倒灌的措施，防止水淹厂房。

e.山体边坡、水道等内部埋设的监测仪器运行环境恶劣，后期更换困难。应采用不同类型的且冗余配置的监测仪器，避免仪器损坏后，后续无监测手段。

5.2 安全环保等设备设施

a.抽蓄电站地下厂房，空间有限，各类电缆规范布置困难，一旦发生电缆着火将造成重大事故。为最大程度降低电缆着火风险，电缆沟、电缆槽盒等要有规范的分层分类布置，将动力电缆和控制电缆分层敷设。其中重要的通信、信号电缆应使用屏蔽阻燃的电缆，重要监控、电调、球阀、保护、直流等系统电缆还应采用耐火电缆。

b.抽蓄电站厂房为地下厂房，一旦全厂失电，人员逃生疏散困难。地下厂房逃生指示、安全标示、设备标示牌应采用荧光材质，全厂失电时人员可跟随荧光指示牌逃生，应急处置人员可以准确地找到设备位置。

c.厂房桥机轨道、高处横梁等处加装防坠落生命线，防止人员坠落。

6 结 语

近年来，电站制定了设备更新改造计划，逐渐对各系统设备的选型和设计方案进行优化。随着改造计划的实施，机组健康水平大大提高。电站从2017年至2021年5月，未发生一起非计划停运事件。在近两年机组运行强度连创新高的情况下，仍然连续4年保持机组发电抽水启动成功率均为100%。随着以新能源为主体的新型电力系统的不断发展，可以预见，抽蓄机组运行强度将继续提高，需要各在建和在运抽蓄电站从设备的选型设计方面不断优化，消除设备隐患，提升系统配置，全面提高设备可靠性和本质安全水平。