2024年5月7日发(作者：千富)
第43卷 第S2期
2020年12月
水 电 站 机 电 技 术
Mechanical & Electrical Technique of Hydropower Station
Vol.43 No.S2
Dec.2020
1
浙江仙居抽水蓄能电站水泵水轮机性能与结构特点介绍
赵志文，朱思多
（浙江仙居抽水蓄能有限公司，浙江 台州 317300）
摘 要： 浙江仙居抽水蓄能电站安装4台单机容量为375 MW的混流可逆式水轮发电机组，是目前我国抽水蓄能行
业第一个完全采用国产化设计、制造和建设管理的单机容量最大的抽水蓄能机组，是抽水蓄能机组国产化发展过
程中的一个重要里程碑。该电站水泵水轮机设备由哈尔滨电机厂制造，导轴承采用稀油润滑分块瓦结构，主轴密
封采用径向弹簧式结构等。本文详细介绍了浙江仙居抽水蓄能电站水泵水轮机的性能与结构特点。
关键词： 水泵水轮机； 性能； 结构特点
中图分类号：TV743 文献标识码：B 文章编号：1672-5387（2020）S2-0001-05
DOI：10.13599/.11-5130.2020.S2.001
1 概述
浙江仙居抽水蓄能电站位于浙江省仙居县湫山
乡境内，电站处在浙东南负荷中心地带，属日调节
纯抽水蓄能电站。电站枢纽由上水库、下水库、输水
系统、地下厂房、地面开关站和中控楼等组成。输水
系统采用一洞两机的布置方式，上、下库进/出水口
高差464 m，上、下库进/出水口之间输水管道总长
度为2 216.1 m，其中引水系统长1 215.5 m，尾水系
统长1 000.6 m。电站安装4台单机容量为375 MW
的混流可逆式水轮发电机组，水轮机额定水头为
447 m。电站年平均发电量25.125亿kW·h，年平均
抽水电量32.63亿kW·h，年发电利用小时1 675 h，
年抽水利用小时2 175 h。上、下水库正常蓄水位分
别为675.0 m、208.0 m。电站以两回500 kV一级电
压等级接入浙江电网，在电网中承担调峰、填谷、调
频、调相和事故备用等任务。
大流量为81.90 m
3
/s，最小流量为62.5 m
3
/s，水泵最
大入力为400.0 MW。转轮标称直径2 540 mm，吸
出高度-71.0 m。转动方向为：水轮机工况俯视顺时
针方向旋转，水泵工况俯视逆时针方向旋转。
3 水泵水轮机性能
3.1 出力和入力保证
3.1.1 在额定水头447 m下，额定转速为375 r/min
时，水轮机工况额定出力不小于382.7 MW。
水轮机工况输出功率保证值见下页表1：
3.1.2 在极限最小扬程437.31 m，50 Hz时，水泵工况
最大入力不小于384.9 MW。
水泵工况入力保证值见下页表2：
3.2 效率保证
3.2.1 水轮机工况加权平均效率保证值不低于
90.86 %。
3.2.2 水轮机工况在额定水头447 m，额定出力
382.7 MW时的效率保证值为90.81 %。
3.2.3 在电站全部运行水头和出力范围内，水轮机工
况最高效率不低于92.85 %。
3.2.4 水泵工况加权平均效率保证值不低于93.44 %，
水泵工况最高效率不低于93.64 %。
收稿日期： 2020-09-30
作者简介： 赵志文（1972-），男，高级工程师，从事抽水蓄能电站的
建设、运行、维护及检修管理工作。
2 水泵水轮机技术参数
水泵水轮机型式为立轴、单级混流可逆式，型号
为HLNA1131-LJ-485，机组额定水头为447 m，额
定转速为375 r/min,飞逸转速为555 r/min。水轮机
工况：最大水头为492.27 m，最小水头为420.96 m，
额定流量96.34 m
3
/s，额定出力为382.7 MW。水泵
工况：最大扬程为502.9 m，最小扬程为437.31 m，最
2
水 电 站 机 电 技 术
第43卷
3.2.5 水泵最小扬程
H
pmin 437.31 m，效率不低于
93.24 %。
表 1 水轮机工况输出功率保证值
净水头
输出功率/MW
/m
参 数
50%
Pr
60%
Pr
70%
Pr
80%
Pr
90%
Pr
100%
Pr
421
流量/m
3
/.A
导叶开度/.A
429
流量/m
3
/s52.76 61.38 70.24 79.54 90.14N.A
导叶开度/mm175.2 199.5 233.6 269.3 311.5 N.A
3
437
流量/m/s51.66 60.20 68.95 77.93 87.88 N.A
导叶开度/mm170.3 191.4 223.9 256.3 298.5 N.A
447
流量/m
3
/s50.49 58.95 67.39 76.06 85.58 96.34
导叶开度/mm163.8 184.9 214.1 246.6 283.9 324.5
458
流量/m
3
/s49.17 57.50 65.80 74.16 83.28 93.43
导叶开度/mm155.7 178.4 202.8 235.2 267.7 308.2
469
流量/m
3
/s48.05 56.14 64.31 72.41 81.10 90.62
导叶开度/mm146.0 173.6 193.0 222.3 253.1 292.0
480
流量/m
3
/s47.01 54.91 62.92 70.73 79.10 88.16
导叶开度/mm141.1 168.7 186.6 210.9 240.1 274.2
493
流量/m
3
/s46.07 53.76 61.42 69.08 77.04 85.66
导叶开度/mm134.6 159.0 180.1 201.2 230.4 257.9
说明：
Pr
为水轮机额定出力382.7 MW。
表 2 水泵工况入力保证值
单位：MW
参 数
水 泵 扬 程 /m
439448457467476484493503
入力/MW375.1371.1367.8363.0 356.1351.9 345.1 337.7
流量/m
3
/s81.44 79.02 76.83 74.371.58 69.42 66.73 63.3
导叶开度/mm278.1 278.1 259.6 259.6 259.6 241.0 241.0 204.0
3.3 机组运行工况转换时间保证
静止→满载抽水（变频起动）时间不大于 450 s
静止→满载抽水（背靠背起动）时间不大于 330 s
静止→满载发电时间不大于 180 s
静止→发电调相（空气中）时间不大于 180 s
满载抽水→满载发电（正常）时间不大于 500 s
满载发电→静止时间不大于 410 s
满载抽水→静止时间不大于 430 s
发电调相→静止时间不大于 380 s
发电调相→发电空载时间不大于 70 s
发电空载→发电调相时间不大于 80 s
机组并网同期时间不大于 60 s
3.4 空蚀磨损量保证
水泵水轮机自投入商业运行之日算起，水泵工
况运行3 000 h或投入商业运行2年的保证期内，转
轮及过流部件(导叶、座环、底环、泄流环、尾水管)
允许的最大空蚀及泥沙破坏深度和重量不应超过
1.4 kg，其中，转轮的最大允许金属失重的保证值应
不超过0.93 kg；转轮及过流部件任何空蚀面积上最
大允许剥落深度的保证值不超过2.2 mm (从母材的
原始表面量起)。
3.5 水力过渡过程参数保证
3.5.1 过渡过程参数保证
a.蜗壳进口中心线处最大压力不大于7.31 MPa，
最小压力值不小于0.7 MPa。
b.尾水管进口(转轮出口)处最低压力值不小
于0.0 MPa，最大压力值不大于1.6 MPa。
c.尾水管出口中心线处最低压力值不小于
+0.08 MPa，最大压力值不大于+1.7 MPa。
3.5.2 飞逸转速保证
在所有过渡过程工况中机组产生的转速上升率
不大于45 %，瞬态飞逸转速不大于555 r/min，稳态
飞逸转速不大于513 r/min。
3.6 压力脉动保证
3.6.1 尾水管管壁压力脉动(峰峰值振幅
H
)Δ
H
/
H
水轮机最优工况运行时不大于2 %，额定工况运
行时不大于3%，部分负荷或空载运行时不大于4 %；
水泵工况运行时不大于2 %。
3.6.2 导叶与转轮之间的压力脉动(峰峰值振幅
H
)
Δ
H
/
H
水轮机额定工况运行时不大于7 %，部分负荷运
行时不大于9.5 %；水泵最优工况运行时不大于4 %，
在整个运行扬程范围内运行时最大值不大于6 %，零
流量运行时不大于15 %。
3.6.3 顶盖与转轮之间的压力脉动(峰峰值振幅
Δ
H
)Δ
H
/
H
水轮机额定工况运行时不大于2.6 %，部分负
荷或空载运行时不大于3.5 %；水泵工况在整个运
行扬程范围内运行时最大值不大于2.5 %。
3.6.4 蜗壳进口压力脉动(峰峰值振幅Δ
H
) Δ
H
/
H
水轮机额定工况运行时不大于2 %，部分负荷
运行时不大于2 %；水泵工况在整个运行扬程范围
内运行时最大值不大于2 %。
4 水泵水轮机结构
水泵水轮机型式为立轴、单级混流可逆式（见
图1），机组采用上拆检修方式。水泵水轮机有常规
水泵和水轮机的双重功能，起着水能和机械能相互
转换的作用。在水轮机工况运行时把水能转化为机
械能，在水泵工况运行时把发电电动机轴输出的机
第S2期
赵志文，等：浙江仙居抽水蓄能电站水泵水轮机性能与结构特点介绍
3
械能转化为水能。水泵水轮机在电力负荷低谷时
作水泵运行，用基荷核电和火电机组发出的多余电
能将下水库的水抽到上水库贮存起来；在电力负荷
高峰时作水轮机运行，将上水库中的水放下来发电
入网。
图1 水泵水轮机剖面图
4.1 转轮
转轮为不锈钢铸焊结构，由上冠、下环、叶片和
泄水锥组成，材质为ZG00Cr13Ni4Mo优质不锈钢材
料。转轮直接4 850 mm，公称直径2 540 mm，最大
外径4 940 mm，9个转轮叶片为模压结构与上冠、下
环、泄水锥拼装焊成一体进行加工。为了减少运行
时机组的流量损失，提高效率，在转轮上冠和下环设
有上、下转动迷宫环（止漏环）。上、下迷宫环分别
为梳齿迷宫型和阶梯迷宫型，在转轮上冠、下环本体
上直接加工出来。在机组充气压水时，由于转轮室
内充满空气，需另外提供冷却水来冷却转轮上、下迷
宫环（止漏环）。转轮与水机轴采用10只M100×4
螺栓连接，通过10只
Φ
165的柱销来传递扭矩。在
转轮上冠及泄水锥设置有排气孔。转轮拆卸方式采
用传统的上拆方式，吊出发电机转子并拆除顶盖后
由上方取出转轮。
4.2 主轴
主轴为中空结构，采用美标优质低合金锻钢
ASTM A668 ClassE整体锻造而成，直径为1 100 mm，
长5 670 mm，重约51.4 t。水泵水轮机主轴下端法兰
与转轮联接，上端法兰与发电电动机轴联接，采用销
传递扭矩的方式。在主轴密封转动环安装位置，设
置有环型凸台及凹槽，以便安装。主轴下端
Φ
300的
法兰孔采用0Cr18Ni9不锈钢板进行封堵。
4.3 导水机构
用来操作控制导叶活动的机构，包括：导叶、导
叶套筒、两个双作用液压直缸接力器、推拉杆、控制
环、连接板（带摩擦装置轴衬）、上下连杆、端盖、导叶
臂、限位装置、止推装置、剪断销、柱销等设备。
每台机组导水机构设有20个活动导叶，高
度425 mm，单个重量为1 800 kg，采用材质为
ZG06Cr13Ni4Mo不锈钢铸件制造。每个导叶设有3
个自润滑导轴承，1个布置在底环中，另2 个布置在
顶盖导叶套筒中。控制环采用钢板焊接结构，底面
装有抗磨板，抗磨板具有自润滑功能，不需要润滑
油系统。接力器、控制环、连杆、导叶臂之间均采用
柱销连接，其中控制环与连杆为偏心销，偏心值为
3.5 mm。连接板与导叶臂之间采用摩擦与剪断销
双重连接方式,摩擦力来自拐臂上镶嵌的摩擦材料
及螺栓紧固力。
每台水泵水轮机设有2个油压操作双作用液压
直缸接力器，包括液压锁定接力器、机械锁定接力
器、导叶开度位移传感器等设备。接力器设置于水
泵水轮机室的机坑内，操作接力器的压力油由调速
器油压装置供给，额定工作油压6.3 MPa。
4.4 水导轴承
水导轴承为稀油自润滑、分块瓦结构，带有2个
内置式冷却器，它的作用是承受主轴传来的径向力，
保证机组的轴线位置，限制机组大轴的径向摆动。
主要由巴氏合金水导瓦、轴承体、斜楔板、抗压块、内
挡油圈、上油箱、下油箱、内置式油冷却器、油位计、
温度及油位测量元件、冷却系统附属管道及阀门等
设备（见下页图2）。
水导轴承共有10块均匀布置的巴氏合金水导
瓦，每块水导瓦与大轴之间有0.25（±0.02） mm的安
装间隙，在机组运行时，瓦面与大轴形成能满足发电
和抽水两个旋转方向的“油楔”，保证瓦面与大轴不
4
水 电 站 机 电 技 术
第43卷
直接接触，避免发生干摩擦而烧瓦。机组启动后，水
导油在大轴的带动下沿瓦面与轴之间的间隙向上盘
旋流动对水导瓦进行润滑冷却，油流通过挡油箱上
部均布的出油孔进入上油箱，上油箱内油流经过底
部的排油孔进入下油箱，经过冷却器冷却后通过大
轴上的进油孔对挡油箱内的油进行补充循环。
图2 水导轴承结构图
水导轴承设有一个完整、独立的润滑冷却系统，
设有2个内置式冷却器，通过自循环进行冷却，冷却
水由机组技术供水系统提供。
4.5 主轴密封
主轴密封系统由工作密封和检修密封两部分组
成。工作密封为三层径向自补偿（弹簧）机械密封，
密封材料为Cestidur （赛斯德尔），由水箱、密封座、密
封支架、不锈钢转动环、压盖、挡水环、密封块、弹簧
等组成（见图3）。密封块与马氏体材料的主轴护套
构成密封面形成水膜起到密封作用，密封块外部箍
有不锈钢弹簧，确保了密封面的良好配合和密封性
能，工作密封由三层径向密封块组成。第一层密封
块其主要作用是减小密封前压力波动、阻止泥沙杂
物进入第二层密封块。第二层密封块及第三层密封
块其主要作用是减小密封漏水量。工作时向第一、
二层密封块间通入清洁压力水，起支撑、润滑和冷却
作用，供水压力为1.6 MPa，高于主轴密封前水压。
采用水进行润滑和冷却，主水源取自机组技术供水
系统，备用水源取自压力钢管。
图3 主轴密封结构图
4.6 底环与顶盖
顶盖、底环均采用优质钢板(Q345C)焊接而成，
通过法兰螺栓与座环上/下的法兰紧固连接，具有
足够的强度和刚度。因机组检修上拆方式的需要，
顶盖分两瓣运输到工地，现场通过螺栓组合。顶盖
最大直径
Φ
7 030 m，高度1 790 mm，总重量123.5 t。
顶盖内装设布置有4根
Φ
168与尾水相通的均压管，
用来平衡转轮轴向水推力；2根
Φ
114 mm与底环相
通的平压管、2根
Φ
168 mm排气管、2根
Φ
60 mm上
迷宫环冷却水管等。
底环最大直径
Φ
6 524 m，高度1 117.5 mm，总
重量61 t，底环内装设布置2根
Φ
114 m与顶盖相通
的平压管、2根
Φ
60 m下迷宫环冷却水管等。
顶盖、底环与导叶安装位置各装设有30 mm厚
的抗磨板，通过螺钉紧固连接，在与转轮形成的过水
流道镶焊6 mm厚310 mm长的不锈钢板。
4.7 座环与蜗壳
座环为整体优质煅钢焊接结构，由上、下圆
环（材料为S500Q-Z35）和20个固定导叶(材料为
Q345C)组成，重量约91 t。 蜗壳为钢板卷制成型，进
口直径2 600 mm，材料为B610，板厚最大为80 mm，
最小厚度为30 mm，重量约90 t。其包括进口段及22
节瓦片，其中19节瓦片在工厂已经挂装在座环上。
由于整体座环蜗壳超出运输限制尺寸，在工厂将其
对称分成两瓣，共6件运输至现场，在工地现场焊接
成整体。蜗壳外表面不设置弹性层，现场焊接完成
后进行水压试验，进口段采用焊接闷头进行封堵，座
环采用封水环结构，按设计压力7.7 MPa的20 %、
（下转第10页）
10
水 电 站 机 电 技 术
第43卷
蓄能机组各种运行工况的要求，根据现场实际经验
提出以下几点建议：
（1）设计阶段应充分考虑高压注油泵运行性能
下降的影响，尽量提高油泵容量裕度，确保在油泵性
能下降的情况下，也能保证推力瓦和镜板间有足够
厚度的油膜。
（2）设计阶段应充分考虑运维阶段高压注油泵
前后滤芯的可重复利用性，尽量采用可清洗的滤芯
形式，避免频繁更换滤芯，降低经济效益。
（3）设计阶段应充分考虑高压油顶起系统对推
力瓦的作用，建议机组由运行转停机后，保持高压油
顶起系统继续运行一段时间，避免出现类似推力瓦
内移的问题。
（4）运维阶段应特别注意加强对高压油顶起系
统压力的跟踪分析，避免压力下降造成推力瓦受损，
同时，关注高压注油泵前后滤芯的运行情况，出现堵
塞报警应及时进行处理。
（5）运维阶段应注意对高压油顶起系统相关压
力表、压力开关、压力传感器等相关自动化元件的定
期校验工作，防止因校验不到位导致监控流程无法
正常执行。
5 结束语
在抽水蓄能电站不断发展过程中，各国内外厂
家对发电机、水轮机等主机设备的设计已比较成熟，
但往往忽视机组辅助设备的重要作用，对机组辅助
设备的设计考虑还不够全面。例如发电电动机高压
油顶起系统一方面与推力瓦寿命直接相关，另一方
面也对机组的启停成功率有着重要影响，因此在设
计阶段，必须充分考虑高压油顶起系统的出口压力、
运行容量、输出流量、启停逻辑等因素，避免在运行
阶段带来潜在的风险。
参考文献：
[1] GB/T7894-2009水轮发电机基本技术条件[S].
[2] 国网新源运维检修部.缺陷分析报告[Z].
（上接第4页）
10 %、40 %、20 %、80 %、40 %、125 %、60 %、150 %、
100 %、50 %的方式进行逐级升压逐级降压，每级稳
压5 min，稳压过程中对蜗壳焊缝及组合密封面进行
检查，直至压力升至试验11.5 MPa后，保压30 min，
对蜗壳焊缝及密封部位进行全面检查合格后将压力
降至3.7 MPa。蜗壳保压在3.7 MPa时进行外围浇
筑混凝土，采用常温分层保压浇筑的方式。
4.8 尾水管
尾水锥管分上、中、下三段钢板卷制焊接，其中
上、中段材料为00Cr13Ni5Mo，下段材料为Q345C，
通过焊接方式进行连接。中段锥管设有长方形
的进人孔，尺寸为600 mm×800 mm。锥管进口直
径2 565 mm，重约18 t。
尾水管采用22 mm厚的Q345C钢板卷制焊接，
共分9节，进口直径3 430 mm，出口直径5 200 mm，
重约69.2 t。出口段最后三段为分瓣节，在现场拼装
进行组圆焊接。尾水管装有排水管、钢管排水管、蜗
壳排水管等，并设有机组技术供水取、排水口，其出
口离机组中心线水平距离为22 m。
5 结语
仙居电站作为国内自主设计、制造单机容量
（375 MW）最大的抽水蓄能机组，其水泵水轮机采用
了近几年来国内外大型水泵水轮机较为先进而又
成熟的一系列技术，又借鉴了蒲石河、响水涧等电站
的一些成功设计和制造经验，故在水力开发、转轮设
计、制造工艺等方面都达到了世界先进水平，尤其是
机组性能指标方面均优于合同保证值的要求。
仙居电站水泵水轮机埋件（尾水肘管、扩散管、
蜗壳）均为现场组装焊接。蜗壳组装完成后现场进
行水压试验，采用逐级升压逐级降压的水压方式,
有效消除焊缝残余应力,并应用常温保压分层浇筑
混凝土的方式。
仙居电站机组设备外观设计、细部工艺设计等
方面较以往均有较大的提高，但与国外机组相比还
有一定的差距。
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Mechanical & Electrical Technique of Hydropower Station
(Vol. 43 No.S2)
ABSTRACTS
Introduction to performance and structure characteristics of pump turbine in Zhejiang Xianju Pumped
Storage Power Station
ZHAO Zhi-wen, ZHU Si-duo
(Zhejiang Xianju Pumped Storage Co., Ltd., Taizhou 317300, China)
Abstract:
Zhejiang Xianju Pumped Storage Power Station, equipped with four mixed-flow reversible hydroelectric
generating units with a single unit capacity of 375MW, is the first pumped storage unit with the largest single
unit capacity of pumped storage industry in China, which completely adopts domestic design, manufacture and
construction management. It is an important milestone in the development of pumped storage units in the process of
localization. The pump turbine equipment of the power station is manufactured by Harbin Electric Machinery Factory,
the guide bearing adopts thin oil lubricated block tile structure, and the spindle seal adopts radial spring structure
and so on. In this paper, the performance and structural characteristics of pump turbine in Zhejiang Xianju Pumped
Storage Power Station are introduced in detail.
Keywords:
pump turbine; performance; structural characteristics
nalysis and improvement of overload operation of Zhejiang Xianju pumped Storage Power Station
ZHU Xi
(Zhejiang Xianju pumped Storage Co., Ltd., Taizhou 317300, China)
Abstract:
The issue of overload operation of Zhejiang Xianju Pumped Storage Power Station is described, and the
rationality of overload protection is analyzed.
Keywords:
pumped storage; active power; reactive power; overload protection
Analysis and Optimization of Primary Frequency Modulation function of Zhejiang Xianju pumped Storage
Power Station
GUO Xiao-jing, LIU Bin, LONG Chang-bo, LIAO Zhao-hong.
(Zhejiang Xianju pumped Storage Co., Ltd., Taizhou 317300, China)
Abstract:
Analyzed the influence of the moment of inertia of the pumped storage unit on the power during a
frequency change of the power grid, by setting the moment of inertia compensation power, the timely output of the unit
power during the primary frequency regulation is effectively guaranteed to optimize the primary frequency regulation
function of the pumped storage unit, which ensures the safety of the power grid to a certain extent.
Keywords:
pumped storage unit; governor; primary frequency modulation; moment of inertia
Brief introduction of electrification Test method for 500kV Lightning arrester in Xianju Pumped Storage
Power Station
WANG Kui-gang
1
, SHI Yi-mei
2
, DU Wen-jun
1
, ZHANG Bo
1
(ng Xianju Pumped Storage Co., Ltd., Taizhou 317300, China;
ng Jinyun Pumped Storage Co., State Grid Xinyuan Company Ltd., Lishui 323000, China)
Abstract:
The scope, content, preparation and process of electrification test of zinc oxide arrester in Zhejiang Xianju
Pumped Storage Power Station are introduced in detail, which has valuable reference value for the electrification test
of zinc oxide arrester in other pumped storage power stations.
Keywords:
pumped storage; 500kV; zinc oxide arrester; live test; secondary voltage method; induction plate method;
harmonic method.
2024年5月7日发(作者：千富)
第43卷 第S2期
2020年12月
水 电 站 机 电 技 术
Mechanical & Electrical Technique of Hydropower Station
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Dec.2020
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浙江仙居抽水蓄能电站水泵水轮机性能与结构特点介绍
赵志文，朱思多
（浙江仙居抽水蓄能有限公司，浙江 台州 317300）
摘 要： 浙江仙居抽水蓄能电站安装4台单机容量为375 MW的混流可逆式水轮发电机组，是目前我国抽水蓄能行
业第一个完全采用国产化设计、制造和建设管理的单机容量最大的抽水蓄能机组，是抽水蓄能机组国产化发展过
程中的一个重要里程碑。该电站水泵水轮机设备由哈尔滨电机厂制造，导轴承采用稀油润滑分块瓦结构，主轴密
封采用径向弹簧式结构等。本文详细介绍了浙江仙居抽水蓄能电站水泵水轮机的性能与结构特点。
关键词： 水泵水轮机； 性能； 结构特点
中图分类号：TV743 文献标识码：B 文章编号：1672-5387（2020）S2-0001-05
DOI：10.13599/.11-5130.2020.S2.001
1 概述
浙江仙居抽水蓄能电站位于浙江省仙居县湫山
乡境内，电站处在浙东南负荷中心地带，属日调节
纯抽水蓄能电站。电站枢纽由上水库、下水库、输水
系统、地下厂房、地面开关站和中控楼等组成。输水
系统采用一洞两机的布置方式，上、下库进/出水口
高差464 m，上、下库进/出水口之间输水管道总长
度为2 216.1 m，其中引水系统长1 215.5 m，尾水系
统长1 000.6 m。电站安装4台单机容量为375 MW
的混流可逆式水轮发电机组，水轮机额定水头为
447 m。电站年平均发电量25.125亿kW·h，年平均
抽水电量32.63亿kW·h，年发电利用小时1 675 h，
年抽水利用小时2 175 h。上、下水库正常蓄水位分
别为675.0 m、208.0 m。电站以两回500 kV一级电
压等级接入浙江电网，在电网中承担调峰、填谷、调
频、调相和事故备用等任务。
大流量为81.90 m
3
/s，最小流量为62.5 m
3
/s，水泵最
大入力为400.0 MW。转轮标称直径2 540 mm，吸
出高度-71.0 m。转动方向为：水轮机工况俯视顺时
针方向旋转，水泵工况俯视逆时针方向旋转。
3 水泵水轮机性能
3.1 出力和入力保证
3.1.1 在额定水头447 m下，额定转速为375 r/min
时，水轮机工况额定出力不小于382.7 MW。
水轮机工况输出功率保证值见下页表1：
3.1.2 在极限最小扬程437.31 m，50 Hz时，水泵工况
最大入力不小于384.9 MW。
水泵工况入力保证值见下页表2：
3.2 效率保证
3.2.1 水轮机工况加权平均效率保证值不低于
90.86 %。
3.2.2 水轮机工况在额定水头447 m，额定出力
382.7 MW时的效率保证值为90.81 %。
3.2.3 在电站全部运行水头和出力范围内，水轮机工
况最高效率不低于92.85 %。
3.2.4 水泵工况加权平均效率保证值不低于93.44 %，
水泵工况最高效率不低于93.64 %。
收稿日期： 2020-09-30
作者简介： 赵志文（1972-），男，高级工程师，从事抽水蓄能电站的
建设、运行、维护及检修管理工作。
2 水泵水轮机技术参数
水泵水轮机型式为立轴、单级混流可逆式，型号
为HLNA1131-LJ-485，机组额定水头为447 m，额
定转速为375 r/min,飞逸转速为555 r/min。水轮机
工况：最大水头为492.27 m，最小水头为420.96 m，
额定流量96.34 m
3
/s，额定出力为382.7 MW。水泵
工况：最大扬程为502.9 m，最小扬程为437.31 m，最
2
水 电 站 机 电 技 术
第43卷
3.2.5 水泵最小扬程
H
pmin 437.31 m，效率不低于
93.24 %。
表 1 水轮机工况输出功率保证值
净水头
输出功率/MW
/m
参 数
50%
Pr
60%
Pr
70%
Pr
80%
Pr
90%
Pr
100%
Pr
421
流量/m
3
/.A
导叶开度/.A
429
流量/m
3
/s52.76 61.38 70.24 79.54 90.14N.A
导叶开度/mm175.2 199.5 233.6 269.3 311.5 N.A
3
437
流量/m/s51.66 60.20 68.95 77.93 87.88 N.A
导叶开度/mm170.3 191.4 223.9 256.3 298.5 N.A
447
流量/m
3
/s50.49 58.95 67.39 76.06 85.58 96.34
导叶开度/mm163.8 184.9 214.1 246.6 283.9 324.5
458
流量/m
3
/s49.17 57.50 65.80 74.16 83.28 93.43
导叶开度/mm155.7 178.4 202.8 235.2 267.7 308.2
469
流量/m
3
/s48.05 56.14 64.31 72.41 81.10 90.62
导叶开度/mm146.0 173.6 193.0 222.3 253.1 292.0
480
流量/m
3
/s47.01 54.91 62.92 70.73 79.10 88.16
导叶开度/mm141.1 168.7 186.6 210.9 240.1 274.2
493
流量/m
3
/s46.07 53.76 61.42 69.08 77.04 85.66
导叶开度/mm134.6 159.0 180.1 201.2 230.4 257.9
说明：
Pr
为水轮机额定出力382.7 MW。
表 2 水泵工况入力保证值
单位：MW
参 数
水 泵 扬 程 /m
439448457467476484493503
入力/MW375.1371.1367.8363.0 356.1351.9 345.1 337.7
流量/m
3
/s81.44 79.02 76.83 74.371.58 69.42 66.73 63.3
导叶开度/mm278.1 278.1 259.6 259.6 259.6 241.0 241.0 204.0
3.3 机组运行工况转换时间保证
静止→满载抽水（变频起动）时间不大于 450 s
静止→满载抽水（背靠背起动）时间不大于 330 s
静止→满载发电时间不大于 180 s
静止→发电调相（空气中）时间不大于 180 s
满载抽水→满载发电（正常）时间不大于 500 s
满载发电→静止时间不大于 410 s
满载抽水→静止时间不大于 430 s
发电调相→静止时间不大于 380 s
发电调相→发电空载时间不大于 70 s
发电空载→发电调相时间不大于 80 s
机组并网同期时间不大于 60 s
3.4 空蚀磨损量保证
水泵水轮机自投入商业运行之日算起，水泵工
况运行3 000 h或投入商业运行2年的保证期内，转
轮及过流部件(导叶、座环、底环、泄流环、尾水管)
允许的最大空蚀及泥沙破坏深度和重量不应超过
1.4 kg，其中，转轮的最大允许金属失重的保证值应
不超过0.93 kg；转轮及过流部件任何空蚀面积上最
大允许剥落深度的保证值不超过2.2 mm (从母材的
原始表面量起)。
3.5 水力过渡过程参数保证
3.5.1 过渡过程参数保证
a.蜗壳进口中心线处最大压力不大于7.31 MPa，
最小压力值不小于0.7 MPa。
b.尾水管进口(转轮出口)处最低压力值不小
于0.0 MPa，最大压力值不大于1.6 MPa。
c.尾水管出口中心线处最低压力值不小于
+0.08 MPa，最大压力值不大于+1.7 MPa。
3.5.2 飞逸转速保证
在所有过渡过程工况中机组产生的转速上升率
不大于45 %，瞬态飞逸转速不大于555 r/min，稳态
飞逸转速不大于513 r/min。
3.6 压力脉动保证
3.6.1 尾水管管壁压力脉动(峰峰值振幅
H
)Δ
H
/
H
水轮机最优工况运行时不大于2 %，额定工况运
行时不大于3%，部分负荷或空载运行时不大于4 %；
水泵工况运行时不大于2 %。
3.6.2 导叶与转轮之间的压力脉动(峰峰值振幅
H
)
Δ
H
/
H
水轮机额定工况运行时不大于7 %，部分负荷运
行时不大于9.5 %；水泵最优工况运行时不大于4 %，
在整个运行扬程范围内运行时最大值不大于6 %，零
流量运行时不大于15 %。
3.6.3 顶盖与转轮之间的压力脉动(峰峰值振幅
Δ
H
)Δ
H
/
H
水轮机额定工况运行时不大于2.6 %，部分负
荷或空载运行时不大于3.5 %；水泵工况在整个运
行扬程范围内运行时最大值不大于2.5 %。
3.6.4 蜗壳进口压力脉动(峰峰值振幅Δ
H
) Δ
H
/
H
水轮机额定工况运行时不大于2 %，部分负荷
运行时不大于2 %；水泵工况在整个运行扬程范围
内运行时最大值不大于2 %。
4 水泵水轮机结构
水泵水轮机型式为立轴、单级混流可逆式（见
图1），机组采用上拆检修方式。水泵水轮机有常规
水泵和水轮机的双重功能，起着水能和机械能相互
转换的作用。在水轮机工况运行时把水能转化为机
械能，在水泵工况运行时把发电电动机轴输出的机
第S2期
赵志文，等：浙江仙居抽水蓄能电站水泵水轮机性能与结构特点介绍
3
械能转化为水能。水泵水轮机在电力负荷低谷时
作水泵运行，用基荷核电和火电机组发出的多余电
能将下水库的水抽到上水库贮存起来；在电力负荷
高峰时作水轮机运行，将上水库中的水放下来发电
入网。
图1 水泵水轮机剖面图
4.1 转轮
转轮为不锈钢铸焊结构，由上冠、下环、叶片和
泄水锥组成，材质为ZG00Cr13Ni4Mo优质不锈钢材
料。转轮直接4 850 mm，公称直径2 540 mm，最大
外径4 940 mm，9个转轮叶片为模压结构与上冠、下
环、泄水锥拼装焊成一体进行加工。为了减少运行
时机组的流量损失，提高效率，在转轮上冠和下环设
有上、下转动迷宫环（止漏环）。上、下迷宫环分别
为梳齿迷宫型和阶梯迷宫型，在转轮上冠、下环本体
上直接加工出来。在机组充气压水时，由于转轮室
内充满空气，需另外提供冷却水来冷却转轮上、下迷
宫环（止漏环）。转轮与水机轴采用10只M100×4
螺栓连接，通过10只
Φ
165的柱销来传递扭矩。在
转轮上冠及泄水锥设置有排气孔。转轮拆卸方式采
用传统的上拆方式，吊出发电机转子并拆除顶盖后
由上方取出转轮。
4.2 主轴
主轴为中空结构，采用美标优质低合金锻钢
ASTM A668 ClassE整体锻造而成，直径为1 100 mm，
长5 670 mm，重约51.4 t。水泵水轮机主轴下端法兰
与转轮联接，上端法兰与发电电动机轴联接，采用销
传递扭矩的方式。在主轴密封转动环安装位置，设
置有环型凸台及凹槽，以便安装。主轴下端
Φ
300的
法兰孔采用0Cr18Ni9不锈钢板进行封堵。
4.3 导水机构
用来操作控制导叶活动的机构，包括：导叶、导
叶套筒、两个双作用液压直缸接力器、推拉杆、控制
环、连接板（带摩擦装置轴衬）、上下连杆、端盖、导叶
臂、限位装置、止推装置、剪断销、柱销等设备。
每台机组导水机构设有20个活动导叶，高
度425 mm，单个重量为1 800 kg，采用材质为
ZG06Cr13Ni4Mo不锈钢铸件制造。每个导叶设有3
个自润滑导轴承，1个布置在底环中，另2 个布置在
顶盖导叶套筒中。控制环采用钢板焊接结构，底面
装有抗磨板，抗磨板具有自润滑功能，不需要润滑
油系统。接力器、控制环、连杆、导叶臂之间均采用
柱销连接，其中控制环与连杆为偏心销，偏心值为
3.5 mm。连接板与导叶臂之间采用摩擦与剪断销
双重连接方式,摩擦力来自拐臂上镶嵌的摩擦材料
及螺栓紧固力。
每台水泵水轮机设有2个油压操作双作用液压
直缸接力器，包括液压锁定接力器、机械锁定接力
器、导叶开度位移传感器等设备。接力器设置于水
泵水轮机室的机坑内，操作接力器的压力油由调速
器油压装置供给，额定工作油压6.3 MPa。
4.4 水导轴承
水导轴承为稀油自润滑、分块瓦结构，带有2个
内置式冷却器，它的作用是承受主轴传来的径向力，
保证机组的轴线位置，限制机组大轴的径向摆动。
主要由巴氏合金水导瓦、轴承体、斜楔板、抗压块、内
挡油圈、上油箱、下油箱、内置式油冷却器、油位计、
温度及油位测量元件、冷却系统附属管道及阀门等
设备（见下页图2）。
水导轴承共有10块均匀布置的巴氏合金水导
瓦，每块水导瓦与大轴之间有0.25（±0.02） mm的安
装间隙，在机组运行时，瓦面与大轴形成能满足发电
和抽水两个旋转方向的“油楔”，保证瓦面与大轴不
4
水 电 站 机 电 技 术
第43卷
直接接触，避免发生干摩擦而烧瓦。机组启动后，水
导油在大轴的带动下沿瓦面与轴之间的间隙向上盘
旋流动对水导瓦进行润滑冷却，油流通过挡油箱上
部均布的出油孔进入上油箱，上油箱内油流经过底
部的排油孔进入下油箱，经过冷却器冷却后通过大
轴上的进油孔对挡油箱内的油进行补充循环。
图2 水导轴承结构图
水导轴承设有一个完整、独立的润滑冷却系统，
设有2个内置式冷却器，通过自循环进行冷却，冷却
水由机组技术供水系统提供。
4.5 主轴密封
主轴密封系统由工作密封和检修密封两部分组
成。工作密封为三层径向自补偿（弹簧）机械密封，
密封材料为Cestidur （赛斯德尔），由水箱、密封座、密
封支架、不锈钢转动环、压盖、挡水环、密封块、弹簧
等组成（见图3）。密封块与马氏体材料的主轴护套
构成密封面形成水膜起到密封作用，密封块外部箍
有不锈钢弹簧，确保了密封面的良好配合和密封性
能，工作密封由三层径向密封块组成。第一层密封
块其主要作用是减小密封前压力波动、阻止泥沙杂
物进入第二层密封块。第二层密封块及第三层密封
块其主要作用是减小密封漏水量。工作时向第一、
二层密封块间通入清洁压力水，起支撑、润滑和冷却
作用，供水压力为1.6 MPa，高于主轴密封前水压。
采用水进行润滑和冷却，主水源取自机组技术供水
系统，备用水源取自压力钢管。
图3 主轴密封结构图
4.6 底环与顶盖
顶盖、底环均采用优质钢板(Q345C)焊接而成，
通过法兰螺栓与座环上/下的法兰紧固连接，具有
足够的强度和刚度。因机组检修上拆方式的需要，
顶盖分两瓣运输到工地，现场通过螺栓组合。顶盖
最大直径
Φ
7 030 m，高度1 790 mm，总重量123.5 t。
顶盖内装设布置有4根
Φ
168与尾水相通的均压管，
用来平衡转轮轴向水推力；2根
Φ
114 mm与底环相
通的平压管、2根
Φ
168 mm排气管、2根
Φ
60 mm上
迷宫环冷却水管等。
底环最大直径
Φ
6 524 m，高度1 117.5 mm，总
重量61 t，底环内装设布置2根
Φ
114 m与顶盖相通
的平压管、2根
Φ
60 m下迷宫环冷却水管等。
顶盖、底环与导叶安装位置各装设有30 mm厚
的抗磨板，通过螺钉紧固连接，在与转轮形成的过水
流道镶焊6 mm厚310 mm长的不锈钢板。
4.7 座环与蜗壳
座环为整体优质煅钢焊接结构，由上、下圆
环（材料为S500Q-Z35）和20个固定导叶(材料为
Q345C)组成，重量约91 t。 蜗壳为钢板卷制成型，进
口直径2 600 mm，材料为B610，板厚最大为80 mm，
最小厚度为30 mm，重量约90 t。其包括进口段及22
节瓦片，其中19节瓦片在工厂已经挂装在座环上。
由于整体座环蜗壳超出运输限制尺寸，在工厂将其
对称分成两瓣，共6件运输至现场，在工地现场焊接
成整体。蜗壳外表面不设置弹性层，现场焊接完成
后进行水压试验，进口段采用焊接闷头进行封堵，座
环采用封水环结构，按设计压力7.7 MPa的20 %、
（下转第10页）
10
水 电 站 机 电 技 术
第43卷
蓄能机组各种运行工况的要求，根据现场实际经验
提出以下几点建议：
（1）设计阶段应充分考虑高压注油泵运行性能
下降的影响，尽量提高油泵容量裕度，确保在油泵性
能下降的情况下，也能保证推力瓦和镜板间有足够
厚度的油膜。
（2）设计阶段应充分考虑运维阶段高压注油泵
前后滤芯的可重复利用性，尽量采用可清洗的滤芯
形式，避免频繁更换滤芯，降低经济效益。
（3）设计阶段应充分考虑高压油顶起系统对推
力瓦的作用，建议机组由运行转停机后，保持高压油
顶起系统继续运行一段时间，避免出现类似推力瓦
内移的问题。
（4）运维阶段应特别注意加强对高压油顶起系
统压力的跟踪分析，避免压力下降造成推力瓦受损，
同时，关注高压注油泵前后滤芯的运行情况，出现堵
塞报警应及时进行处理。
（5）运维阶段应注意对高压油顶起系统相关压
力表、压力开关、压力传感器等相关自动化元件的定
期校验工作，防止因校验不到位导致监控流程无法
正常执行。
5 结束语
在抽水蓄能电站不断发展过程中，各国内外厂
家对发电机、水轮机等主机设备的设计已比较成熟，
但往往忽视机组辅助设备的重要作用，对机组辅助
设备的设计考虑还不够全面。例如发电电动机高压
油顶起系统一方面与推力瓦寿命直接相关，另一方
面也对机组的启停成功率有着重要影响，因此在设
计阶段，必须充分考虑高压油顶起系统的出口压力、
运行容量、输出流量、启停逻辑等因素，避免在运行
阶段带来潜在的风险。
参考文献：
[1] GB/T7894-2009水轮发电机基本技术条件[S].
[2] 国网新源运维检修部.缺陷分析报告[Z].
（上接第4页）
10 %、40 %、20 %、80 %、40 %、125 %、60 %、150 %、
100 %、50 %的方式进行逐级升压逐级降压，每级稳
压5 min，稳压过程中对蜗壳焊缝及组合密封面进行
检查，直至压力升至试验11.5 MPa后，保压30 min，
对蜗壳焊缝及密封部位进行全面检查合格后将压力
降至3.7 MPa。蜗壳保压在3.7 MPa时进行外围浇
筑混凝土，采用常温分层保压浇筑的方式。
4.8 尾水管
尾水锥管分上、中、下三段钢板卷制焊接，其中
上、中段材料为00Cr13Ni5Mo，下段材料为Q345C，
通过焊接方式进行连接。中段锥管设有长方形
的进人孔，尺寸为600 mm×800 mm。锥管进口直
径2 565 mm，重约18 t。
尾水管采用22 mm厚的Q345C钢板卷制焊接，
共分9节，进口直径3 430 mm，出口直径5 200 mm，
重约69.2 t。出口段最后三段为分瓣节，在现场拼装
进行组圆焊接。尾水管装有排水管、钢管排水管、蜗
壳排水管等，并设有机组技术供水取、排水口，其出
口离机组中心线水平距离为22 m。
5 结语
仙居电站作为国内自主设计、制造单机容量
（375 MW）最大的抽水蓄能机组，其水泵水轮机采用
了近几年来国内外大型水泵水轮机较为先进而又
成熟的一系列技术，又借鉴了蒲石河、响水涧等电站
的一些成功设计和制造经验，故在水力开发、转轮设
计、制造工艺等方面都达到了世界先进水平，尤其是
机组性能指标方面均优于合同保证值的要求。
仙居电站水泵水轮机埋件（尾水肘管、扩散管、
蜗壳）均为现场组装焊接。蜗壳组装完成后现场进
行水压试验，采用逐级升压逐级降压的水压方式,
有效消除焊缝残余应力,并应用常温保压分层浇筑
混凝土的方式。
仙居电站机组设备外观设计、细部工艺设计等
方面较以往均有较大的提高，但与国外机组相比还
有一定的差距。
108
Mechanical & Electrical Technique of Hydropower Station
(Vol. 43 No.S2)
ABSTRACTS
Introduction to performance and structure characteristics of pump turbine in Zhejiang Xianju Pumped
Storage Power Station
ZHAO Zhi-wen, ZHU Si-duo
(Zhejiang Xianju Pumped Storage Co., Ltd., Taizhou 317300, China)
Abstract:
Zhejiang Xianju Pumped Storage Power Station, equipped with four mixed-flow reversible hydroelectric
generating units with a single unit capacity of 375MW, is the first pumped storage unit with the largest single
unit capacity of pumped storage industry in China, which completely adopts domestic design, manufacture and
construction management. It is an important milestone in the development of pumped storage units in the process of
localization. The pump turbine equipment of the power station is manufactured by Harbin Electric Machinery Factory,
the guide bearing adopts thin oil lubricated block tile structure, and the spindle seal adopts radial spring structure
and so on. In this paper, the performance and structural characteristics of pump turbine in Zhejiang Xianju Pumped
Storage Power Station are introduced in detail.
Keywords:
pump turbine; performance; structural characteristics
nalysis and improvement of overload operation of Zhejiang Xianju pumped Storage Power Station
ZHU Xi
(Zhejiang Xianju pumped Storage Co., Ltd., Taizhou 317300, China)
Abstract:
The issue of overload operation of Zhejiang Xianju Pumped Storage Power Station is described, and the
rationality of overload protection is analyzed.
Keywords:
pumped storage; active power; reactive power; overload protection
Analysis and Optimization of Primary Frequency Modulation function of Zhejiang Xianju pumped Storage
Power Station
GUO Xiao-jing, LIU Bin, LONG Chang-bo, LIAO Zhao-hong.
(Zhejiang Xianju pumped Storage Co., Ltd., Taizhou 317300, China)
Abstract:
Analyzed the influence of the moment of inertia of the pumped storage unit on the power during a
frequency change of the power grid, by setting the moment of inertia compensation power, the timely output of the unit
power during the primary frequency regulation is effectively guaranteed to optimize the primary frequency regulation
function of the pumped storage unit, which ensures the safety of the power grid to a certain extent.
Keywords:
pumped storage unit; governor; primary frequency modulation; moment of inertia
Brief introduction of electrification Test method for 500kV Lightning arrester in Xianju Pumped Storage
Power Station
WANG Kui-gang
1
, SHI Yi-mei
2
, DU Wen-jun
1
, ZHANG Bo
1
(ng Xianju Pumped Storage Co., Ltd., Taizhou 317300, China;
ng Jinyun Pumped Storage Co., State Grid Xinyuan Company Ltd., Lishui 323000, China)
Abstract:
The scope, content, preparation and process of electrification test of zinc oxide arrester in Zhejiang Xianju
Pumped Storage Power Station are introduced in detail, which has valuable reference value for the electrification test
of zinc oxide arrester in other pumped storage power stations.
Keywords:
pumped storage; 500kV; zinc oxide arrester; live test; secondary voltage method; induction plate method;
harmonic method.