Goldisthal抽水蓄能电站的创新设计 论文
作者：A.kristoff 时间：2007-11-25 12:04:00 来源：论文天下论文网
摘要：2003年9月30日，德国图林根州为1060MW的Goldisthal抽水蓄能电站举行了正式的落成典礼。本文着重对发电机组及其在线监测系统的创新设计做了总结回顾。
关键词：Goldisthal 抽水蓄能电站 创新设计
经过了六年多的施工建设，2003年2月3日，Vattenfall Europe Generation(VE-G) 1060MW的Goldisthal抽水蓄能电站第一台水泵-水轮机投入运行。
Goldisthal电站位于德国图林根州南部的Schwarza河上，是欧洲最大的抽水蓄能电站之一。最早的两个电站装机容量都是265MW，已经投入使用，并且成功地为Vattenfall的高压输电网送电。2004年伊始，另外两个变速机组也将投入运营。Goldisthal电站将会跻身于世界上最大的、最先进的抽水蓄能电站行列。
负责水泵-水轮机组（Konsortium Goldisthal水力发电站）的集团包括VA TECH Escher Wyss股份有限公司、Voith西门子水力发电站和CKD Blansko工程部门等等。发电机由ARGE AEV集团提供，包括Alstom Energietechnik股份有限公司和VA TECH ELIN股份有限公司。
土建工程包括发电主厂房、隧洞和上游水库，其承建者是ARGE PSW Goldisthal集团。
上游水库环形坝的沥青衬砌是由瑞士的Walo Bertschinger施工，下库主坝的沥青衬砌由Strabag完成。
1.创新与协作
Goldisthal是德国新近修建的唯一一座最大的水力发电设计方案，至少超前20年。由于它包括4个发电能力331MVA的机组，它不仅是世界上同类电站发电量最多的一座，最具能量的设备之一，而且还有一些创新点。
完全自动化环形焊接技术（TIG-Hot金属丝过程）首次应用于焊接钢制隧道内衬的环形接缝，达到了很高的安全性和焊接质量，其效率是手工焊接的两倍，而且证明对于高强度QT钢焊接是最好的。在点焊前，所有的焊接参数和程序都已经在VA TECH 水力发电站的林茨工厂按1∶1的比例原形展现。焊工的培训以及焊接程序的测试也将随后进行。
VA TECH Hydro对Goldisthal的提供范围包括变速异步发电机和同步发电机的详细设计，活动部分、轴承、轴和转动部分的生产，交流线圈的安装，所有装置安装和投入运营的监督管理，以及DIA Tech追踪诊断体系的安装。较大的水力发电设备，包括节制闸、叉管和所有的进、出口的水工钢结构都是由VA TECH Hydro和Linz提供的，电动机是由VA TECH Hydro和澳大利亚的Vienna/Weiz提供的。
2.提高效率
8400t钢隧道内衬是在一个临时的野外制造厂现场生产出来的。节制闸门和钢隧道内衬总共有320000t，其中160000t是在临时的施工现场生产的。
这种电动发电机的主要优点之一就是可以在分载涡轮运转方式（标准操作）下显著提高效率。为了实现变速运转，四台发动发电机其中两台是带有旋转炉双馈异步电机。
与正常的同步电机不同的是其转子是由三相交流电提供能量，这就可以通过用一个低频率变化的转动场传动转子来改变转动，而且是有计划地设计一套可确保高效运作的程序。在水泵运转中，为了高压输电网的稳定输出，可以控制输出量。这些机器额定电能331MVA、额定电压18KV和300347的转速（535转/分钟），另外的两台设计成常规的静态激振同步电机。
该级别的异步电机在欧洲是特有的。类似产品只有在日本生产过。在欧洲和美国使用的许多大电机都是VA TECH Hydro生产的。
在德国，VA TECH Hydro与他的合作伙伴Voith Siemens Hydro和CKD Blansk已经协作完成设计、供货并将完成安装、委托代理这四台水泵-水轮机，包括附件。在机械上，已经实现了水泵-水轮机组设计上的创新。最显著的设计特性包括一个带有轻型调速环导叶运行装置设计理念、FEM计算、最优化的蜗壳设计和在没有水压力的情况下埋置蜗壳。用于Goldisthal水泵-水轮机预应力导叶轴承证实了VA TECH Hydro的技术在一些年前已经有所发展，尤其应用于水泵-水轮机组。
VA TECH Hydro作为水泵-水轮机协会的领导者，应对水泵-水轮机的基础工程技术负责，提供一套座环的蜗壳、两套完整的带有导叶的导叶装置、上下机盖、两套转轮、专门为安装水泵-水轮机建起的成套工具等等，还有发电站的高低压系统。
3.监测和故障早发现
鉴于生产最大化和成本最小化的重要性，先进的监测和诊断系统对环境改变下的监测指示，对于分析趋势和超越警戒水面提供警告是十分重要的。它们应该提供在发生严重破坏之前非正常老化和故障变异原因的快速诊断，这些分析和诊断结果可以帮助电站操作员、技术专家和电站业主作出明智的选择，这样就可以降低维修费用和提高发电效率。
硬件和软件的利用是根据现代系统概念面向未来的发展和补充，也应支持溶合现有的监测部件要素和一定用户的扩充。
早期故障诊断、减少不定期的运转中断和缩短修理时间是将来运作过程的主要目的。此外，长时间的电子存储精确的结果能够更容易地了解历史数据，不仅在数据分析时具备巨大的优势，而且还可以帮助改善电站经营。达到峰值能量供应表明提高了效率。
为了完成这些目标，在Goldisthal的抽水蓄能电站上装备了DIA TECH监测和诊断系统。
4.在线智能监测系统
在一定程度上DIA TECH系统和国际供电公用公司合作发展。软件和硬件是由微软公司生产的“视窗”操作系统的技术发展而来的。它的模数体系结构使得对单个操作者的专用方案增强和补充发展成为可能。这种开放式的系统体系结构允许三方成果的简单综合。
各种诊断模块（已知模块）对于机械、绝缘和热力问题的鉴定是有用的，验证和监测不同的运转方式（停止、启动、稳定状态、关闭）和模型（例如发电、同步电容器运转、水泵作用运转）。
使用这种在线智能监测系统，能够较早发现主要机器部件的状态改变，而且更容易判断应力的大小，从而事先提供一个基本可靠的维修策略。这使得监控机器管理简化，与此同时改进电站的实用高效。
5.气候和地貌
旱季水库将提供2.9 106m3的水量并在雨季水库能起到控制增大洪水的作用。由于上下库水位差很大，因此，两库的水都允许使用。
在站点，特殊的气候条件要求所有的安装制作必须在抗寒的条件下完成。必须严格地遵从许多的环境规律，尤其是对于野外装配工作。与土木承包商的密切合作对隧洞工程的完成也是至关重要的。
上库坐落在Farmdenkopf山上，是一座沥青混凝土密封、填石环形水坝。上库蓄水能力为12 106m3，经由钟形入口，连接两个920m长直径为6.2m的钢纹压力隧洞，通往发电站的洞室。
主要的洞室长137m，宽26m，高49m。该发电站由水泵-水轮机、发电机、球形阀和附属设备四部分组成。两条380m长直径为8.2m的尾水渠通向下库的出口，下库由Schwarza河上67m高的填石水坝构成，也组建了一个小型的电力设备。
6.环境保护
Goldisthal工程的目的是为了开发可靠并且环保的水电能源。通过建造地下发电站，让庄稼继续在地面上生长，业主和建筑队都能够保护环境，则可避免主要的环境变化。地下洞室式发电站的运转也将是比较经济的。
电站除了提供1060MW的能量外，还将带来其它方面的利益，包括调节高压输电网和其他后备电站的主次功率。另外，在工程建设时期将用到近1000多个工人，还将有50个永久性工作岗位。另外将为当地的服务和维修部门创造80个工作岗位。
精密的规划设计和施工上库占地55公顷，包括截流，钻4.74 km长的隧洞进入山脉，开挖大量的石头。为了避免地质上的断层，涡流洞窟干线的位置不得不改变。不管工程多么巨大，采用简单易行的方式。
过去通常采用大块岩石锚固，再喷混凝土和钢啮合以保护桥墩和一些内部通道。开挖出的大约155000m3的原料作为水坝的填石。为了不影响风景，下游主坝的迎水面斜坡和环形水坝的外坡用草皮覆盖并且管理部门的建筑按照当地的建筑风格建造。
在整个工程中，Vattenfall不断地监测当地的动植物群落并采取积极的措施预防和纠正由工程引起的失衡和破坏。在德国的东部，为了保护自然环境和促进环境与工程相适应，已经和德国协会建立了合作基金会。[
1.测量节蜗壳的尺寸，确保尺寸精度。
2.检查键槽、螺纹和孔的尺寸，确保尺寸精度。
3.检查螺钉、螺母、垫圈等细节，以确保精度和质量。
4.检查节蜗壳的表面粗糙度，确保表面光洁度。
5.检查节蜗壳的外形，确保外形精度。
6.检查节蜗壳的夹紧孔和螺纹，确保夹紧孔和螺纹的尺寸和位置精度。
7.检查节蜗壳的螺纹，确保螺纹的尺寸和形状精度。
8.检查节蜗壳的孔，确保孔的尺寸和位置精度。
9.检查节蜗壳的焊接，确保焊接的质量。
10.检查节蜗壳的防护层，确保防护层的质量。
水轮机蜗壳可分为金属蜗壳和混凝土蜗壳。 蜗壳自鼻端至进口断面所包围的角度称为蜗壳的包角。高水头水轮机多采用金属蜗壳.金属蜗壳按其制造方法有焊接、铸焊和铸造三种类型。金属蜗壳的结构类型与水轮机的水头及尺寸关系密切。铸焊和铸造蜗壳一般用于直径D1<3m的高水头混流式水轮机。金属蜗壳的断面采用圆形为节约钢材，钢板厚度应根据蜗壳断面受力不同而异，通常蜗壳进口断面厚度较大，愈接近鼻端则厚度愈小。金属蜗壳的受力情况较复杂，除了由内水压力所引起的薄壁应力外，还有蜗壳与座环联接处及同一轴截面内不同厚度钢板联接处因刚度不同而引起的局部应力。蜗壳必须根据内水压力进行强度计算，并假定蜗壳内部的水压力全部由蜗壳本身承受，以决定蜗壳钢板的厚度从而保证其正常工作。除薄壁应力外，由于座环碟形边（座环上、下环的外缘）的刚度很大、变形很小，蜗壳可认为是被刚性地连到座环上的，这种连接在蜗壳钢板中要产生附加的局部应力。此外，在同一轴截面不同厚度钢板连接处，由于钢板的厚度不同则刚度也不同，因此在连接处也将产生附加的局部应力，此情况与蜗壳和座环连接处的情况相类似，这一部分的强度计算可参照有关资料进行。尺寸较大的中、低水头混流式水轮机一般都应用钢板焊接结构。蜗壳和座环之间也靠焊接联接。焊接蜗壳的节数不应太少，否则将影响蜗壳的水力性能。但为使蜗壳线型尽量光滑及改善其水力性能而采用过多的节数，则又会给制造和安装带来困难而且也是不经济的。铸造蜗壳刚度较大能承受一定的外压力，常作为水轮机的支承点并在它上面直接布置导水机构及其传动装置。铸造蜗壳一般都不全部埋入混凝土。根据应用水头不同铸造蜗壳可采用不同的材料，水头小于120m的小型机组一般用铸铁；当水头大于120m时则多用铸钢；当水头很高而水中含有较多的固体颗粒时，也可用不锈钢铸造蜗壳。铸焊蜗壳与铸造蜗壳一样适用于尺寸不大的高水头混流式水轮机。铸焊蜗壳的外壳用钢板压制而成，固定导叶和座环一般是铸造然后用焊接的方法把它们联成整体。焊接后需进行必要的热处理以消除焊接应力。 一般用于大、中型水头在40m以下的低水头电站，它实际上是直接在厂房水下部分大体积混凝土中做成的蜗形空腔。浇筑厂房水下部分时预先装好蜗形的模板，模板拆除后即成蜗壳。为加强蜗壳的强度在混凝土中加了很多钢筋，所以有时也称为钢筋混凝土蜗壳。
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焊接应符合《水轮发电机组安装技术规范》。焊接应符合《水轮发电机组安装技术规范》规定。各节间、蜗壳和座环连接的对接焊缝间隙一般为2~4mm，过流面错牙不应超过板厚的10%，但纵缝最大错牙不应大于2mm，环缝最大错牙不应大于3mm。坡口局部间隙超过5mm处，其长度不超过焊缝长度10%，允许在坡口处做堆焊处理。在拼装中的允许偏差需符合表⒉53的要求，其中L最大不超过±9mm，另外管口平面度允许偏差为3mmE在钢平台上拼装或拉线检查管口，应在同一平面上。
