高海拔、大、中容量水輪發(fā)電機的開發(fā)設(shè)計

付佩賢， 張 翀， 祁臘梅

(東方電氣集團東風電機有限公司，四川樂山 614000)

高海拔、大、中容量水輪發(fā)電機的開發(fā)設(shè)計

付佩賢， 張 翀， 祁臘梅

(東方電氣集團東風電機有限公司，四川樂山 614000)

為保證水輪發(fā)電機組在高海拔條件下運行時的安全可靠性，降低發(fā)電機設(shè)計制造成本，東風電機公司通過大量的研究分析并結(jié)合西藏旁多水電站的實際情況，成功開發(fā)出了經(jīng)濟、實用、安全、可靠的新技術(shù)。這些技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用，有效地解決了高海拔條件下水輪發(fā)電機材料的選取、通風冷卻計算、絕緣防暈及電氣性能等技術(shù)難題。

旁多水電站；高海拔；結(jié)構(gòu)設(shè)計；彈簧束支撐

1 概述

西藏旁多水利樞紐工程是國家西部大開發(fā)10周年確定的23個重點建設(shè)項目之一，也是西藏地區(qū)和平解放以來投資規(guī)模最大的水利樞紐工程，被譽為西藏三峽。目前，該項目創(chuàng)造了多個行業(yè)之最:防滲墻世界最深、高海拔地區(qū)庫容最大、高海拔地區(qū)單機容量最大、高海拔地區(qū)輸水隧洞最長、水頭變幅亞洲第一。工程地處海拔高度4 000 m以上的拉薩河流域中游，壩址位于西藏自治區(qū)林周縣旁多鄉(xiāng)下游1．5 km，距拉薩市直線距離63 km，是拉薩河流域的骨干性控制工程，也是拉薩河干流水電梯級開發(fā)的龍頭水庫。工程以灌溉、發(fā)電為主，兼顧防洪及供水。由國家水利部、西藏自治區(qū)水利廳及西藏自治區(qū)旁多水利樞紐管理局開發(fā)，工程總投資45．69億元，水庫總庫容11．74億m3。工程安裝4臺總裝機容量16萬千瓦的水輪發(fā)電機組，其發(fā)電機組在高海拔地區(qū)單機容量居世界第一，年發(fā)電量可達6億kW·h。

2 發(fā)電機主要參數(shù)

主要參數(shù)見表1。

表1 發(fā)電機主要參數(shù)表

3 發(fā)電機結(jié)構(gòu)及設(shè)計要點

本發(fā)電機為立軸半傘式結(jié)構(gòu)，設(shè)有兩個導(dǎo)軸承。上導(dǎo)軸承在上機架中心體內(nèi)；下導(dǎo)軸承與推力軸承合用一個油槽，布置在下機架的推力油槽內(nèi)。發(fā)電機采用密閉自循環(huán)雙路進風的固定引風板端部回風通風結(jié)構(gòu)，主要由定子、轉(zhuǎn)子、上機架、下機架及推力軸承、油水管路、輔助接線、滅火管路、制動器管路、空氣冷卻器裝置等組成。發(fā)電機結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1

該電站海拔高度達4 023 m，高海拔地區(qū)單機容量居世界第一，發(fā)電機的設(shè)計存在結(jié)構(gòu)型式、材料選取、通風冷卻方式、絕緣電氣性能等一系列難題。作為東風電機公司上臺階的項目，在整個設(shè)計過程中，設(shè)計人員學習借鑒了國內(nèi)外先進技術(shù)，結(jié)合公司實際工藝水平，在保證機組性能的前提下，開發(fā)運用了大量先進技術(shù)，使得該機組具有結(jié)構(gòu)合理、性能優(yōu)越、經(jīng)濟效益高等特點。目前，旁多電站4臺機組均已成功投運，運行狀況良好，機組振動、噪音、溫升等各項性能指標均顯著優(yōu)于國家標準及協(xié)議要求。事實充分說明該電站發(fā)電機所采用的一系列新技術(shù)是成功的，并極具向后續(xù)電站推廣使用的價值。現(xiàn)將發(fā)電機各部套結(jié)構(gòu)及設(shè)計過程中所開發(fā)應(yīng)用的新技術(shù)介紹于后。

3．1 定子設(shè)計

定子主要由機座、定子鐵芯、定子繞組、銅環(huán)引線及端箍等組成。

定子機座由優(yōu)質(zhì)鋼板焊接而成，主要作用是固定鐵芯。為保證機座剛度強度，設(shè)計時，通過結(jié)構(gòu)設(shè)計及有限元計算結(jié)合進行的設(shè)計模式，定量計算機座三相短路時的受力，找出機座受力的弱點(如起吊點、鴿尾筋，空冷器口處機座壁)加以補強。在滿足機座強度的同時最大程度地節(jié)約了材料，(圖2)。

圖2

定子鐵芯由導(dǎo)磁性能好，損耗較小的硅鋼片交錯疊制而成，為了減小渦流損耗，在扇形片的兩面涂以絕緣漆(F級)。在軸向方向把鐵芯分成多段，段間用通風槽板隔開以形成通風溝。定子鐵芯采用穿心式螺桿+碟形彈簧的壓緊方式，該結(jié)構(gòu)不僅能有效防止鐵芯松動，始終給予定子鐵芯恒定、足夠的壓力，而且還能降低壓指、壓板材料用量及性能要求(圖3)。

圖3

4 000 m以上高海拔水輪發(fā)電機定子線棒VPI工藝的開發(fā)。目前，我國中小型機組以多膠模壓為主，大型機組雖采用VPI制作，但均應(yīng)用于低海拔地區(qū)，在此之前，東風電機公司在水輪發(fā)電機上沒有VPI技術(shù)儲備。研究表明，4 100m海拔高度下，定子線棒絕緣、防暈?zāi)芰^低海拔下降超過30%，若仍采用傳統(tǒng)的多膠模壓工藝，定子線棒的絕緣、防暈等多項電氣參數(shù)不能滿足機組安全運行的要求。針對上述情況，設(shè)計人員通過多個電磁方案比較、計算，并結(jié)合分廠各階段試驗數(shù)據(jù)，開發(fā)出了針對4 000 m以上高海拔定子線棒的專用少膠VPI工藝，攻克了高海拔條件下線棒絕緣、防暈?zāi)芰Σ蛔愕募夹g(shù)難題。見圖4。

圖4

3．2 轉(zhuǎn)子設(shè)計

轉(zhuǎn)子主要由磁極、磁軛、轉(zhuǎn)子支架、主軸等組成。

磁極主要由磁極鐵芯、磁極線圈及阻尼繞組組成。磁極鐵芯由優(yōu)質(zhì)鋼板沖制的沖片疊壓而成。疊壓后，兩端用磁極壓板通過拉緊螺桿將鐵芯固定成一整體。磁極線圈由異形銅排繞成，每匝匝間墊耐高溫環(huán)氧玻璃坯布作為匝間絕緣。阻尼繞組由阻尼條與阻尼環(huán)組成。磁軛由優(yōu)質(zhì)鋼板沖制的沖片疊壓而成。磁軛全長分為多段，中間有多條環(huán)形通風道，用拉緊螺桿把緊成整體，然后用磁軛斜鍵通過熱打?qū)⒋跑椌o固在轉(zhuǎn)子支架上。

轉(zhuǎn)子支架采用圓盤式組焊結(jié)構(gòu)。支架在工地熱套在主軸上，它是支撐磁極、磁軛重量，傳遞力矩的主要部件。

3．3 上機架設(shè)計

上機架為輻射型組焊結(jié)構(gòu)。在電站現(xiàn)場將上機架中心體與各支臂焊為一體。支臂底板處設(shè)有墊板，在現(xiàn)場調(diào)整好上機架高程、水平后將墊板焊在機座頂環(huán)上。上導(dǎo)軸承位于上機架中心體內(nèi)，上導(dǎo)軸承瓦為分瓣剛性支承結(jié)構(gòu)，共8塊導(dǎo)瓦，上導(dǎo)軸承瓦座背面墊有絕緣板，以防止軸電流產(chǎn)生從而燒壞軸瓦。上導(dǎo)瓦油膜間隙均可通過調(diào)整支柱螺釘與導(dǎo)軸瓦之間的墊片獲得。

3．4 下機架設(shè)計(含推力軸承)

該電站發(fā)電機為立軸半傘式結(jié)構(gòu)，推力軸承位于轉(zhuǎn)子下方，與下導(dǎo)軸承合用一個油槽。下機架為承重機架，主要承受水輪機的水推力、機組轉(zhuǎn)動部分的重量及機架自重。根據(jù)旁多電站業(yè)主要求，該電站推力軸承的支撐結(jié)構(gòu)應(yīng)具有彈性并能平衡瓦間不對稱負荷。彈簧束支撐結(jié)構(gòu)的特點是一種多支點支撐，各支點剛度適中，高度相等。支撐彈簧束除承受推力負荷外，還具有均衡各塊瓦間的負荷和吸收振動的作用。彈簧束支撐結(jié)構(gòu)具有較大的承載能力，較低的軸瓦溫度和運行穩(wěn)定等優(yōu)點。該結(jié)構(gòu)不僅性能可靠，而且成本適中。目前，彈簧束支撐結(jié)構(gòu)已在后續(xù)多個項目上得到推廣使用。見圖5。

圖5

3．5 發(fā)電機風路設(shè)計

研究證明，海拔高度的上升將導(dǎo)致冷卻空氣密度下降，具體如下:

發(fā)電機冷卻空氣密度下降，若機內(nèi)空氣流量保持不變，則發(fā)電機的通風損耗比例會相應(yīng)下降，意味著發(fā)電機總發(fā)熱量的減少和需求風量的降低。

冷卻空氣密度下降后，氣(換熱空氣)―固(鐵芯、線圈)兩相間的對流換熱強度隨之減弱，表面散熱系數(shù)降低，氣―固兩相間溫差上升；同時，發(fā)電機冷卻空氣密度下降會降低其體積比熱，若保持冷卻空氣的流量不變，則冷卻空氣的溫升相應(yīng)增加，故發(fā)電機冷卻空氣密度下降后，發(fā)電機內(nèi)主要發(fā)熱部件溫升相應(yīng)提高。

發(fā)電機海拔高度增加后，其主要發(fā)熱部件的溫升均會提高。在發(fā)電機內(nèi)各部位散熱面積和熱負荷保持不變的情況下，其通風系統(tǒng)的設(shè)計必須考慮適當增加機內(nèi)空氣流量，通過適當增加空氣流量來降低冷卻空氣的溫升從而弱化高海拔對發(fā)電機內(nèi)各部件溫度的提升作用。

綜上分析得出，隨著海拔高度增加，發(fā)電機主要發(fā)熱部件的溫升均會提高。在發(fā)電機內(nèi)各部位散熱面積和熱負荷保持不變的情況下，其通風系統(tǒng)的設(shè)計必須考慮適當增加機內(nèi)空氣流量，通過相應(yīng)增加空氣流量來降低冷卻空氣的溫升從而弱化高海拔對發(fā)電機內(nèi)各部件溫度的提升作用。

該電站海拔高度為4 000多m，空氣稀薄(表2)(設(shè)計進水溫度:28℃)

表2 空氣參數(shù)表

由表2可知:旁多電站機組所在地的空氣密度較正常值下降了35%；空氣體積比熱僅為正常值的64%；機組額定運行時，所需風量增加了近60%。基于以上情況，為了提高通風冷卻效果，發(fā)電機風路采用雙路徑向無風扇端部回風結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是:縮短了風路，冷卻空氣直接進入定子繞組的上、下端部，先冷卻線棒端部，避免了由于風路死區(qū)而引起的端部溫升過高的情況；然后再進入轉(zhuǎn)子，利用轉(zhuǎn)子支架和轉(zhuǎn)子磁軛的風扇作用，將冷卻空氣打入發(fā)電機極間和氣隙，最后進入定子鐵芯通風溝進行冷卻，見圖6。此通風系統(tǒng)為了加強風扇效應(yīng)，盡量減小入口損失，將轉(zhuǎn)子支架設(shè)計成弧形進風口，并通過增加轉(zhuǎn)子徑向通風溝及磁軛通風隙的數(shù)量來增加電機的風量，有效彌補了高海拔條件下空氣稀薄導(dǎo)致?lián)Q熱風量不足的情況。

發(fā)電機定子機座壁上圓周均布了8套單個容量為110 kW的空氣冷卻器，用于冷卻從機組內(nèi)部出來的熱空氣。

3．6 防油霧措施

該電站為中、低轉(zhuǎn)速機組，通常情況下，機組運行時的油槽內(nèi)外壓差不大，不會出現(xiàn)油霧外溢的問題。但考慮到旁多電站站址海拔高度達4 023 m，環(huán)境空氣密度僅為正常值的65%，若不采取恰當措施，機組運行時，油槽內(nèi)所產(chǎn)生的油霧將致使槽內(nèi)壓力顯著大于槽外壓力的情況，從而引發(fā)油霧外溢的事故。為此，設(shè)計過程中，技術(shù)人員針對性地采用了如下措施防止油霧外溢:①對油槽內(nèi)所有部件，包括油冷卻器、擋油板、導(dǎo)油板的位置進行合理的布置，使油流順暢，同時減小撞擊和攪動，從而減少油霧的產(chǎn)生；②采用接觸式密封蓋，防止由于接觸不實導(dǎo)致油霧外溢；③采用吸、排油霧裝置，將產(chǎn)生的過量油霧排出，避免油、氣混合影響軸承潤滑及冷卻；④每個軸承設(shè)置了兩臺液壓空氣濾清器，有效平衡了油槽內(nèi)、外壓差。從旁多電站發(fā)電機實際運行情況看，以上針對高海拔地區(qū)的防油霧措施是成功的。

圖6

3．7 材料選取及使用

旁多電站地處4 023 m的高海拔、高寒地區(qū)，溫度多變，極端氣溫低至－29．3℃。在此惡劣環(huán)境下，材料的選取不僅僅要計算機組運行時的最大受力，還需考慮極端低溫環(huán)境下，材料的酥脆性、低溫脆斷等因素。通過分析論證、計算，最終機組主要受力部件的材質(zhì)均采用了Q345E，使機組在極寒環(huán)境下具有足夠抗沖擊功能。

4 社會效益及經(jīng)濟效益

目前，世界各地河流梯級開發(fā)已趨于枯竭，行業(yè)內(nèi)產(chǎn)能過剩，競爭異常激烈，利潤空間很小，僅一些存在著很大開發(fā)難度的流域還有待開發(fā)，如青藏高原等高海拔地區(qū)。由于高海拔地區(qū)氣候條件相當惡劣，晝夜溫差大、氣溫低、空氣稀薄，從而對發(fā)電機組的結(jié)構(gòu)型式、材料選取、通風冷卻方式、絕緣電氣性能等提出一系列新的課題。作為高海拔地區(qū)單機容量世界第一的已運行機組，西藏旁多電站發(fā)電機組的成功投運，標志著我公司完全掌握了高海拔地區(qū)發(fā)電機組設(shè)計、制造中的技術(shù)難點，為今后承接類似機組提供了大量的技術(shù)及經(jīng)驗儲備，提升了公司市場競爭力。

截至2011年11月底，藏中電網(wǎng)裝機容量僅87．3萬kW，電力供需矛盾嚴重。而旁多電站裝機容量達16萬kW，年平均發(fā)電量約5．99億kW ·h。電站成功并網(wǎng)運行后，大大緩減了西藏中部地區(qū)電力不足的情況。

作為央企，DEC很好地將“中央關(guān)心西藏，全國支援西藏”落到了實處，為邊疆地區(qū)社會穩(wěn)定、經(jīng)濟發(fā)展乃至國家的長治久安作出了巨大的貢獻。

(責任編輯:卓政昌)

TK73;TB857+．3

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1001-2184(2015)05-0148-04

付佩賢(1984-)，男，漢族，云南昭通人，畢業(yè)于重慶大學電機專業(yè)，工程師，現(xiàn)為東方電氣集團東風電機有限公司技術(shù)部設(shè)計員；

張 翀(1974-)，男，漢族，湖南新邵人。畢業(yè)于重慶大學電機專業(yè)，高級工程師，現(xiàn)為東方電氣集團東風電機有限公司電機設(shè)計室主任；

祁臘梅(1985-)，女，漢族，內(nèi)蒙古赤峰人。畢業(yè)于哈爾濱理工大學電機專業(yè)，工程師，現(xiàn)為東方電氣集團東風電機有限公司電機設(shè)計員．

2015-09-23