770 MW水輪發(fā)電機齒壓板溫度偏高的電磁和冷卻分析

冉 帥，楊樹鋒，何雪芳，劉平超

（1.中國長江電力股份有限公司溪洛渡水力發(fā)電廠，云南 昭通657300；2.哈爾濱電機廠有限責(zé)任公司，黑龍江 哈爾濱150040）

0 前言

國內(nèi)某巨型水電站安裝有6臺型號為SF770-48/15300的立軸半傘式密閉自循環(huán)全空冷水輪發(fā)電機組。在夏季發(fā)電高峰時期，6臺機組的定子下端所有齒壓板出現(xiàn)溫度偏高現(xiàn)象（最高達104℃），較制造廠原設(shè)計最高溫度超出約20℃。

針對溫度普遍偏高的情況，技術(shù)人員重點分析端部電磁場和通風(fēng)冷卻兩個方面的原因。通過運行實測計算不同工況下齒壓板區(qū)域局部磁感應(yīng)強度、齒壓板溫度、環(huán)境風(fēng)溫，優(yōu)化有限元建模分析時齒壓板近表層的分層處理，對比原設(shè)計階段的磁感應(yīng)強度及損耗，找出下齒壓板溫度普遍偏高的原因。

1 電磁和溫度測量原理

1.1 磁感應(yīng)強度測量原理

依據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，通過線圈切割磁力線產(chǎn)生感應(yīng)電壓，感應(yīng)電壓的大小與線圈匝數(shù)、穿過線圈的磁通變化率成線性關(guān)系。

1.2 溫度測量原理

依據(jù)塞貝克效應(yīng)原理，兩種不同成分的導(dǎo)體兩端接合成閉合回路，當(dāng)接合點的溫度不同時，回路中就會產(chǎn)生電動勢。利用萬用表測得自由端電勢差為Δu1，環(huán)境溫度由溫度計測得，依據(jù)該型號熱電偶查出此溫度對應(yīng)電勢差Δu2，根據(jù)Δu1+Δu2查得測點實際溫度。

2 齒壓板運行參數(shù)測量過程

2.1 測點類型及分布

在靠近下齒壓板拉緊螺桿附近布置2組（位置1和位置2成60°夾角布置）共10個磁感應(yīng)強度和溫度測點（圖1），在端箍支撐絕緣塊上設(shè)風(fēng)溫測點（測點 6，圖 2）。

圖1 磁場和溫度單組測點布置

2.2 測量數(shù)據(jù)

2.2.1 線圈和熱電偶測量計算數(shù)據(jù)

發(fā)電機端部磁感應(yīng)強度、溫度與機組的運行狀態(tài)密切相關(guān)[1]，選取如下3種典型工況。工況一：有功功率700 MW，無功功率0 MVar；工況二：有功功率700 MW，無功功率100 MVar；工況三：有功功率700 MW，無功功率200 MVar。3種工況下各測點測試結(jié)果見表1。

圖2 風(fēng)溫測點布置

表1 3種工況下齒壓板磁感應(yīng)強度和溫度測量計算結(jié)果

2.2.2 紅外成像測溫數(shù)據(jù)

為驗證熱電偶的測量計算溫度，同時采用紅外成像儀對試驗局部進行測溫，見圖3、圖4。

圖3 工況二下，位置1紅外成像

圖4 工況三下，位置1紅外成像

3 齒壓板溫度偏高原因分析

3.1 有限元模型計算分析

研究表明，定子齒壓板的磁密與渦流損耗在內(nèi)徑處較為集中[2]。和原設(shè)計建模比較，現(xiàn)階段電磁和溫度計算有限元建模時，網(wǎng)格劃分更加細致，對齒壓板近表層進行了分層處理，考慮了齒壓板的集膚效應(yīng)，從而得出更加準(zhǔn)確的計算磁密和損耗。優(yōu)化建模和原設(shè)計建模得到的額定工況下齒壓板附近磁密云圖見圖5、圖6。

圖5 原設(shè)計的磁密云圖

圖6 現(xiàn)階段建模優(yōu)化后的磁密云圖

測點6測得溫度為56℃，將此溫度作為現(xiàn)階段建模的對流換熱邊界條件。利用優(yōu)化的有限元模型，根據(jù)機組額定工況及3種試驗工況電氣運行參數(shù)，計算得出齒壓板的損耗和最高溫度見表2。對比可見，現(xiàn)階段優(yōu)化建模后，損耗值為設(shè)計階段的1.55倍，壓指最高溫度增加了6.18℃。

表2 額定工況及優(yōu)化設(shè)計后3種試驗工況下齒壓板損耗和溫度

經(jīng)分析，原設(shè)計階段建模精度不夠，導(dǎo)致原設(shè)計計算的機組運行溫度偏低。機組投運后，出現(xiàn)實際運行溫度較預(yù)期偏高的情況。

3.2 通風(fēng)回路分析

如表2所示，和優(yōu)化建模后得出的計算最高溫相比，紅外成像測得實際溫度仍偏高約10℃。該機型需冷卻損耗為8 834 kW，所需冷卻風(fēng)量為287 m3/s，考慮計算誤差和安全裕度，設(shè)計有效風(fēng)量為319.3 m3/s，流道風(fēng)量分布見圖7。

圖7 機組通風(fēng)冷卻系統(tǒng)風(fēng)量分布圖

在實際安裝過程中，旋轉(zhuǎn)擋風(fēng)板與定子內(nèi)徑間隙約為20 mm，設(shè)計值為10 mm。理論設(shè)計漏風(fēng)量約為35 m3/s，約占總風(fēng)量的10%。實際安裝的計算漏風(fēng)量約為66 m3/s，約占總風(fēng)量的18%。

安裝尺寸的偏差，引起通風(fēng)冷卻回路漏風(fēng)量的增加，導(dǎo)致了齒壓板溫度進一步升高。

4 結(jié)束語

從運行測量數(shù)據(jù)和優(yōu)化建模理論計算分析，與原設(shè)計計算相比，機組下齒壓板附近磁感應(yīng)強度和損耗較大、溫度偏高，主要原因包括：

（1）齒壓板結(jié)構(gòu)件為金屬非導(dǎo)磁材料，導(dǎo)熱性能良好。原設(shè)計模型劃分不夠細致，導(dǎo)致原設(shè)計理論計算溫度偏低。

（2）機組安裝時，擋風(fēng)板與定子間隙較設(shè)計值偏大，漏風(fēng)量增加。漏出熱風(fēng)和冷風(fēng)在定子齒壓板附近交匯，減弱了齒壓板附件的冷卻效果。

機組齒壓板為金屬材料，無絕緣材料。針對其溫度偏高實際情況及原因，運行最高溫升未超出設(shè)計技術(shù)要求的59 K，并不會影響機組的安全運行。同時，結(jié)合目前運行狀況，研究在磁極下方加裝固定擋風(fēng)板、在轉(zhuǎn)子側(cè)和定子側(cè)增加圓弧過渡[3]板以減少漏風(fēng)的方案。該方案可適當(dāng)改善端部冷卻效果，但會增加機組旋轉(zhuǎn)部位的安全運行風(fēng)險和設(shè)備維護工作量，故保持現(xiàn)結(jié)構(gòu)不變。在機組運行中，特別是進相運行時，定子端部結(jié)構(gòu)件的磁密明顯上升，高于額定工況下的磁密值[2]，應(yīng)重點關(guān)注端部結(jié)構(gòu)件的溫度，防止過熱。