變速機組轉子繞組金屬護環熱套施工淺析

杜 鵬，陳 勇

（浙江華東工程咨詢有限公司，浙江 杭州 310000）

1 引言

加快發展抽水蓄能，對于加快構建新型電力系統、保障電力系統安全穩定運行、提高能源安全保障水平具有重要作用。相比常規抽水蓄能機組具有水泵工況時輸入功率可調、有功/無功功率快速調節、較好的轉速適應能力、良好的穩定運行能力等優點[1]，可變速抽水蓄能機組可成為電網負荷頻率控制、平衡可再生能源發電出力波動的有效手段。隨著抽水蓄能電站在新型能源體系的功能作用日益凸顯，我國變速抽水蓄能技術研發與應用大幅提速。

2 工程簡介

河北豐寧抽水蓄能電站是在建世界最大容量抽水蓄能電站，也是首次在國內采用大型變速抽水蓄能機組技術。可變轉速發電電動機轉子繞組采用三相對稱雙層繞組，與傳統水輪發電機或抽水蓄能發電電動機轉子繞組具有很大的不同，由凸極式轉子磁極變為條式線圈，承受很高的交流運行電壓與變頻器產生的高電壓梯度，同時承受較強的電磁振動和旋轉離心力。轉子繞組端部的支撐具有承受離心力的作用，同時必須確保繞組端部的充分冷卻，國外機組已經應用的繞組端部固定方式主要有4種：繞組端部徑向螺栓固定、繞組端部U型螺栓固定、繞組端部金屬護環固定、繞組端部高強纖維帶綁扎固定[2]。該電站采用繞組端部金屬護環固定方式。

3 轉子繞組金屬護環熱套施工工藝

采用金屬護環固定繞組端部時，轉子繞組的端部被固定到內外支承環之間，由通過線棒之間的空氣引導部件來進行繞組端部的冷卻，最大優點是減少了用于固定繞組端部以抵抗徑向力的必要零件數量，選擇的材料也確保不會因離心力而對轉子線棒施加額外的力，裝配時間也被限制在最短時間內，檢修維護時可以通過拉開護環來接近轉子繞組[3]。轉子繞組金屬護環熱套施工流程如下：

（1）轉子工位設有金屬護環預留坑，下端護環在轉子中心體就位前完成預存，在轉子下線工序結束后進行護環上端、下端的熱套施工。

（2）上端護環采用專用吊具吊裝至轉子上部。專用吊具由吊裝軸、井字吊裝梁、卡爪（1、2）、調整螺桿等組成。在安裝間完成吊具與護環的安裝，調整螺桿高度與同步液壓千斤頂（4個）頂起高度一致且護環處于水平狀態后，將上端護環吊裝至轉子上部，調整護環與轉子同心度、與繞組徑向間隙、卡爪下部梳齒與轉子上齒壓板齒槽對應位置后，將吊具連同護環放置在同步升降液壓千斤頂上。采用帶保溫和外殼的履帶式加熱板并用帶有耐高溫高強度彈簧的螺栓固定，緩慢加熱護環（最高溫度約190℃），加熱期間定時用模具檢查護環熱膨脹后的尺寸（直徑方向脹量為10 mm），一旦發現圓度偏差，通過間斷電源、小范圍加熱等方式進行調整。采用同步液壓千斤頂將護環緩慢同步下降至最終位置，過程中隨時調整護環水平，防止磕碰轉子繞組。自然降溫后護環收縮緊固在轉子繞組外圍。

（3）下端護環采用兩組液壓千斤頂墊木方的方式提升至轉子下端繞組下方，最終放置在同步升降液壓千斤頂上，采用與上端護環相同的加熱措施進行加熱，達到設計膨脹量后同步升起液壓千斤頂，完成下端護環的熱套。

4 施工工藝難點淺析

（1）護環吊裝就位是重點、難點。護環專用吊具設有4個卡爪用來起吊護環，卡爪的下方設有與轉子上齒壓板齒槽對應梳齒。要求卡爪必須按照設計圖紙要求（過吊具橫梁中心的對稱軸與廠房X軸線夾角為68.5°）調整分布位置，誤差不得超過1 mm。轉子上部設置4個千斤頂，千斤頂與上支撐環把合固定，用來支撐護環與吊具。由于千斤頂位置已固定，故需提前完成護環與吊具中心、水平方位調整，確保卡爪梳齒必須與齒壓板齒槽垂直對應，方可將護環與吊具放置在千斤頂上，以便護環熱套時順利降落至設計位置。在實際施工過程中，花費了大量的時間進行護環吊具及卡爪安裝位置調整、護環卡爪與轉子上齒壓板齒槽位置調整、護環與轉子中心體同心度調整、護環水平調整。施工過程中出現了因未能區分兩組卡爪而返工、因卡爪安裝位置與圖紙不符而返工的情況。

（2）護環加熱溫度控制是重點、難點。加熱過程中必須控制護環整體受熱均勻，一方面要求加熱設備的設計必須合理，從而保證加熱均勻、溫度控制準確；另一方面要求環境穩定，加熱過程應盡可能選擇封閉工棚，尤其避免單側冷風對熱套過程產生不利影響。實際施工過程中，加熱板均勻布置在護環外側，并采用帶有壓縮彈簧的螺桿連接加熱板并在加熱過程中調整加熱板，確保加熱板與護環緊密貼合的同時，不因護環膨脹導致螺桿受力過大。護環加熱過程受加熱溫度、溫升速率、環境溫度等各種因素影響，且由于工棚天窗未關閉導致前期護環溫升較慢，實際加熱過程約18 h且需不定時對各加熱板溫度進行調節。

（3）護環熱脹偏差控制是重點、難點。護環內徑小于轉子繞組端部外徑，通過加熱護環使其熱脹，熱脹量達到設計要求進行熱套作業。施工過程中，需要定時采用專用模具測量護環外徑與轉子繞組外側絕緣板的差值，間接測量護環熱脹量，并根據周向膨脹量適時調整各加熱板溫度，以達到護環周向均勻膨脹的目的。

（4）護環熱套就位過程控制是重點、難點。護環熱套就位過程中，需保持護環與轉子同心度及護環與轉子繞組的均勻間隙。通過同步緩慢降低4個液壓千斤頂，使護環緩慢下降至設計位置，下降速度約2 mm/s。在此過程中，液壓千斤頂的同步控制尤為重要，必要時需單獨控制某個千斤頂來調整護環水平。施工過程中因廠家供貨的千斤頂升降不同步且下降速度過快，不得不更換電站自有的液壓泵站及控制裝置。

5 轉子護環熱套施工優化建議

（1）上端護環在套入轉子上端軸時，轉子上端軸頂面高度加上吊具高度后的總高度已超過橋機吊裝高度，不得不拆除橋機副鉤吊裝限位以實現上端護環吊裝工作。故可采取優化吊具的措施減小現場施工難度和安全風險，在吊具設計時根據主廠房橋機允許吊裝高度優化吊具結構型式，降低吊具高度。

（2）鑒于在吊具卡爪安裝過程中，在保證上端護環水平、與轉子繞組徑向間隙均勻的前提下調整卡爪分布位置花費大量時間和精力，且護環本身對安裝方位并無技術要求。故可考慮在上端護環頂部設置吊耳安裝孔或吊具把合孔，以減少卡爪調整工序。

（3）同步液壓千斤頂組是護環熱套作業的關鍵設備之一[4]。設備采購時應充分考慮工作需求，千斤頂應能在實現同步升降功能的同時，具備單臺千斤頂單獨調整的能力，且千斤頂的上升或下降速度不宜過快，盡量控制在5 mm/s以內，以便糾正護環熱套過程中的水平偏差。護環加熱前應提前完成千斤頂的功能調試，避免返工。

（4）工棚的設置應提前考慮轉子護環熱套期間的環境需求。工棚尺寸應考慮液壓千斤頂泵站、智能程序溫度控制箱等設備的空間需求，同時工棚宜設置在環境風速穩定的部位，比如正對進廠交通洞末端位置。工棚天窗尺寸應能滿足轉子護環吊裝需求，且能在護環吊裝后封閉。

6 結語

雖然在護環熱套過程中，吊具安裝調整、護環吊裝、護環熱套等各工序均出現了意想不到的狀況，歸納總結為4個方面：施工準備不充分，不熟悉設計圖紙；工器具準備不合理，千斤頂升降不同步且下降速度過快；施工組織不完善，各工序檢查不到位；環境溫度考慮不周全，忽略了環境對護環加熱的影響，但在各參建單位的共同努力下，最終安全、順利實現了國內首臺大型變速抽水蓄能機組轉子繞組金屬護環熱套施工。本文謹對轉子繞組金屬護環熱套過程進行了總結，為后續電站提供借鑒與參考。