溪口抽水蓄能电站工程特点与关键技术研究

1溪口抽水蓄能电站工程特点与关键技术研究水利部农村电气化研究所李志武八十年代末期，中国用电紧张的局面有所缓和，但电力供需矛盾并未根本缓解，不少电网电力供需矛盾由缺电量转为主要缺电力。特别是在东南沿海地带，由于经济高速发展，电网峰谷差越来越大，而电网调峰能力有限，难以满足电网日益增大的调峰要求，严重影响了沿海地区持续、稳定发展。在90年代初，中国已准备进行大型抽水蓄能电站建设，但由于一些地方电网所需调峰电量较小，技术经济比较后只需建设中小型抽水蓄能电站。中国第一座中型纯抽水蓄能电站——溪口抽水蓄能电站，于1994年2月开工建设，1997年12月首台机组并网发电，1998年5月全部机组并网发电并投入商业运行。电站充分发挥了调峰填谷的作用，在改善地方电网运行质量，提高电网运行安全、可靠性方面发挥了重要作用。溪口抽水蓄能电站建成之后，中国又建成5座中小型抽水蓄能电站，还有的正在建设和规划中。因此，溪口抽水蓄能电站对促进中国中小型抽水蓄能电站的开发起到了良好的示范作用。1.工程规模及效益宁波溪口抽水蓄能电站位于浙江省奉化市溪口镇，距负荷中心宁波市仅39km，距奉化市25km，距奉化至宁波110kV输电线路奉化变电所13km。溪口镇距上水库4km，距电站厂房及下水库2km。2电站总装机容量为80MW，由2台单机容量为40MW竖轴混流可逆式水泵水轮发电机组组成。电站发电最大、最小（净）水头分别为268m和229m，设计水头为240m，发电最大引用流量19.69m3/s,水泵最大、最小扬程分别为276m和242m。日发电量为40×104kW.h，日抽水用电量为54.8×104kW.h，日发电历时（折合满发）为5h，日抽水历时（折合满抽）为6.85h，年发电量为1.26×108kW.h，年抽水用电量1.72×108kW.h，总投资33500万元，每千瓦投资为4188元。2.枢纽布置及主要建筑物工程枢纽主要建筑物有上水库、输水系统、厂房、升压开关站和下水库五部分组成，电站输水道总长与水头比值（L/H）为4.7。1）上水库上水库坝型为钢筋混凝土面板石坝，最大坝高48.5m，坝顶长153.9m，坝顶宽6m。上游坝坡1:1.4，下游坝坡1:1.3--1:1.4。总库容103×104m3，正常发电调节库容67.05×104m3，备用库容9.95×104m3，用以特枯水年枯水期补充上下库的蒸发和渗漏损失。正常运行时水位日变幅为13.92m。2）下水库下水库坝型为钢筋混凝土面板堆石坝。为了扩大下水库的库容，根据地形、地质条件选取向库外弯曲的弧型坝轴线。结合库区清理和坝体填筑，库区开挖后，可增加有效库容15.4×104m3，其中发电调节库容10×104m3，死库容4.4×104m3，最大坝高44.2m，坝顶长度274m，上游坝坡1:1.4，下游坡1:1.5--1:1.6，总库容86.13×104m3。水库正常运行时水位日变幅14.5m。3）输水系统输水系统由进口、引水隧洞、调压室、压力钢管和尾水洞等部分组成。进水口形式为岸边竖井式钢筋混凝土箱形结构。进水口平、立面为伸向库内喇叭型扩散段。最大引用流量为2×19.96m3/s。引水隧洞平面布置为一直线，长425m，隧洞内径3.4m。隧洞采用钢筋混凝土衬砌，衬砌厚0.5m。在发电工况下洞内流速4.27m/s，抽水工况下，流速3.37m/s。调压室为双室式。根据地形布置为烟斗状，调压室竖井直径为3.4m，下室内径为3.5m，布置在隧洞一侧，其中心线在平面上与隧洞交角64°，立面上向隧洞方向设1%纵坡。上室为开敞式圆型水池，衬砌后内径为9.0m。压力钢管内径3.2m，长639.4m，在平面上为一直线，立面上顺坡布置。沿程设5个镇墩，在第5个镇墩后以斜洞降至水轮机组安装高程与月牙型岔管连接。岔管后分为两支管，分别与两台机组的蜗壳进口相连。2台机组各设一尾水洞，两条尾水洞平行布置。采用钢筋混凝土衬砌，衬砌厚0.5m，洞内流速：发电工况3.95m/s，抽水工况3.06m/s。当电站最大引用流量2×19.69m3/s时，过栅流速为1.08m/s。4）厂房及开关站由于机组的吸出高度Hs=-23m，所以机坑的开挖深度大，选用4半地下竖井式厂房以满足机组的这一要求。本电站采用两机一井圆形竖井方案。竖井开挖直径27.2m，混凝土衬砌厚度1.0m。竖井内分为四层，分别为蜗壳层、水轮机层、中间层和发电机层。主厂房地面以上高度16.9m，地面以下高度31.5m。副厂房布置在主厂房的下游侧，分为地下层、地面层、电缆层、中控层、通信层和电梯机房层。110kV升压开关站布置在主厂房右侧，距副厂房右端10m。3.主要机电设备1）接入系统方式及电气主接线本电站以单回110kV线路接入220kV奉化变电所110kV侧。由于本电站仅2台发电电动机组及一回出线，电气主接线较为简单，采用发电电动机和主变压器组成的单元接线及110kV侧采用单母线的接线方案。发电机电压（10.5kV）侧选用两台真空断路器组成换相开关，用于抽水和发电工况的相序转换。大电流高压真空开关均采用进口主要部件，国内组装成套的方式。2）水力机械为获得较高的水力效率，并减少机组尺寸和减少投资，水泵水轮机转速经500r/min、600r/min和750r/min的三种方案比较后，采用机组额定转速为600r/min，转轮直径2.248m的方案。水轮机的设计水头为240m，额定出力41.5MW，水泵最大出力45.0MW，机组吸出高度为-23m。每台水泵水轮机前设一台直径为1.4m的双面止水球阀。厂内设有桥式起重机一台，供安装与检修期间吊装主机5设备及辅助设备用。厂内还设有技术供水泵、检修排水泵和渗漏排水泵。全厂设置低压空压机2台和高压空压机2台，供机组制动及维护检修用气、油压装置充气和水泵工况起动压水用气。3）电工本电站安装2台竖轴悬式空气冷却可逆发电电动机，发电工况额定出力47.85MV.A，电动机工况为46.0MV.A，额定电压10.5kV。励磁采用自并激可控硅静态励磁系统。2台主变压器为三相双绕组有载调压风冷式变压器，每台容量50MV.A。电站采用以计算机控制为主，简化常规控制设备为辅的监控方式，整个系统由电站主控级和现地单元组成，以完成机组开、停、工况转换等顺序控制；中央控制室设主控级计算机及简化返回屏，值班人员通过主控级计算机和简化返回屏完成对全厂机组和主要电气设备及辅助设备的控制和监视。4）金属结构及通风空调电站在上水库进水口设一扇事故检修闸门，采用定轮式平板闸门，由一台固定卷扬机单吊点起闭机操作。下水库每一条尾水设一扇平板事故检修闸门，每扇闸门配一套固定卷扬式启闭机操作。根据电站厂房布置的特点以及机电设备对环境标准要求的不同，全厂通风空调系统划分三部分：主厂房通风空调系统基本为直流式系统运行，主机室采用季节式空调，副厂房采用机械排风系统，控制值班室采用柜式空调风管送风方式。4.电站关键技术特点61）建立了独特思路的可逆式机组全特性曲线数学转化模型，使转化后的曲线分布均匀、平直，优化了输水系统水力设计。抽水蓄能电站过渡过程计算需利用可逆式机组的全特性曲线。可逆式机组的全特性曲线有两个形状特殊、不利于插值计算的区域：曲线密集、交叉的水泵工况区和曲线呈“S”形的水轮机飞逸和制动工况区。为此，许多年来，国内外学者已先后提出了若干特性曲线的转化方法，但都还存在一些有待改进之处。通过多年的实践，并结合工程，我们提出了一种较为有效的方法，建立数学模型，使转化后的曲线分布均匀、平直，优化了输水系统水力设计。2）合理采用多节锥管组成的非对称型钢叉管,改善了电站运行水力条件。通常认为月牙肋钢岔管是较适合于双向水流条件的钢岔管之一。经过三维有限元分析计算，我们合理采用多节锥管组成的非对称型钢岔管，并通过模型试验和数值模拟，确定了岔管的分岔角和锥管的锥角，改善电站运行水力条件。3）在国内抽水蓄能电站中首次采用半地下竖井式厂房，与地下式厂房相比,有利于改善电站的运行条件,方便施工,节省投资。由于抽水蓄能电站可逆式水泵水轮机机组要求的吸出高度较大，大型抽水蓄能电站一般都采用地下式厂房布置，地勘工作量大、洞室开挖工期长、投资大，建成后运行条件也比较差。对中小型抽水蓄能电站，如果地形地质条件允许，半地下式竖井厂房是较为经济的布置形式。4）研究解决了水泵工况半压异步启动方式技术难点，缩短了启动7时间，节省了投资。抽水蓄能电站的机组启动方式一般有同轴电动机启动、“背靠背”同步启动、变频器启动和异步启动几种。对中小型抽水蓄能电站，因单机容量不大，有条件采用半压异步启动，这样既缩短了启动时间，又节省了投资。采用半压异步启动，关键要解决对电网的冲击和机组发热。经过研究我们提出了采用两个低压绕组轴向分裂排列的特殊变压器技术，使半压绕组阻抗电压从13%提高到38%以上，有效限制了启动电流。同时在电机设计及制造工艺上采用了一系列先进技术，例如采用实心磁极的转子，相比鼠笼阻尼绕组的转子，热容量大大提高。半压异步启动对机组继电保护、电站控制系统都有特殊要求，进行了专门研究。溪口抽水蓄能电站采用半压异步启动方式，取得了成功，水泵启动时间不到2分钟（其它方式都要7、8分钟以上），电网冲击和谐波都满足国家规范要求，与其它启动方式相比节约投资500万元以上。溪口抽水蓄能电站半压异步起动是成功的，它主要体现在：起动时间短（从起动指令发出到全压开关合上仅需2分钟）；起动安全可靠；对电网影响较小（经浙江省电力试验研究所测试，机组起动不影响电网安全运行，电网谐波均符合国家标准）。5）根据地形条件，采用了反弧型坝轴线面板堆石坝，增大了水库库容，减少了水库库盆开挖，这在全国众多已建成的混凝土面板堆石坝中尚属独创，为类似工程提供了可借鉴的经验。8溪口蓄能电站为了减少耕地淹没、缩短坝长、减少坝基开挖，结合库盆的清理、扩挖，坝线采用了反拱弧形。对于钢筋砼面板堆石坝而言，一般宜采用直线坝轴线，反拱弧形坝轴线应用于砼面板堆石坝在国内尚属首次。坝体反向拱承受水压力后将增大面板间垂直缝，特别是面板与两岸间周边缝的变位。在通过对坝体二维有限元应力分析计算的基础上，下水库大坝采用曲率半径为100m的反拱单弧轴线。经计算：竣工期最大位移为0.155m，运行期为0.19m，面板的最大法向位移为0.048m，底部周边缝的位移小于1mm。考虑了最大坝高只有44.2m，属中偏低坝，只要进行合理分块、妥然基础处理、加强止水、精心施工是可以满足变位的需要。溪口下水库大坝中间缝及周边缝止水均采用二道，表层用“SR”填料覆盖，并在上游死水位高程以下铺设粘土铺盖作为第三道止水。运行表明：下水库砼面板堆石坝未发现严重裂缝，漏水量几乎为零。