400MW 蒸發(fā)冷卻水輪發(fā)電機(jī)定子帶繞組整體吊裝技術(shù)應(yīng)用

藺旭東，張 振，徐騰蛟

（青海黃河上游水電開發(fā)有限責(zé)任公司工程建設(shè)分公司，青海省青海市 811700）

0 引言

李家峽水電站位于青海省尖扎縣和化隆縣交界的黃河干流李家峽河谷中段，是黃河上游龍羊峽至青銅峽河段中緊接龍羊峽水電站的第三座大型梯級(jí)電站，水庫(kù)庫(kù)容16.5 億m3，為日、周調(diào)節(jié)。李家峽水電站安裝5 臺(tái)混流式水輪發(fā)電機(jī)組（一期4 臺(tái)，二期1 臺(tái)），單機(jī)容量400MW，總裝機(jī)2000MW，年均發(fā)電量59 億kW·h，是中國(guó)首次采用雙排機(jī)布置的水電站，也是世界上最大的雙排機(jī)水電站（電站一期4 臺(tái)機(jī)組已于1999 年全部建成發(fā)電）。

李家峽水電站5 號(hào)機(jī)組裝機(jī)容量為400MW，采用了蒸發(fā)冷卻技術(shù)實(shí)現(xiàn)定子繞組高效冷卻。蒸發(fā)冷卻技術(shù)利用沸點(diǎn)適宜的液態(tài)冷卻介質(zhì)氣液相變過程吸收、帶走熱量，憑借冷卻工質(zhì)的高絕緣性、可直接與定子繞組接觸，達(dá)到快速、高效的散熱效果；5 號(hào)機(jī)采用新型國(guó)產(chǎn)蒸發(fā)冷卻介質(zhì)，具有節(jié)材、節(jié)能、高可靠、運(yùn)維量小等特點(diǎn)。

1 定子及吊裝裝置結(jié)構(gòu)

為合理優(yōu)化工期，減輕機(jī)電安裝對(duì)土建工期的依賴，李家峽5 號(hào)機(jī)組定子采用整體式吊裝方案，即定子在安裝間完成線棒安裝后整體一次吊裝至基坑。5 號(hào)水輪發(fā)電機(jī)組主要參數(shù)如表1 所示。

表1 水輪發(fā)電機(jī)組主要參數(shù)Table 1 The main parameters of hydro-generator

1.1 定子結(jié)構(gòu)

定子機(jī)座由鋼板焊接而成，為運(yùn)輸方便而分成6 瓣，在工地組焊成整圓，定子在線棒安裝完成后整體起吊重量約550t，吊具重量為90t。定子鐵芯采用高導(dǎo)磁、低損耗、無(wú)時(shí)效優(yōu)質(zhì)硅鋼片50W250 疊裝而成[1]。定子機(jī)座通過新型分體式彈性鴿尾筋結(jié)構(gòu)與定子鐵芯連接，能適應(yīng)鐵芯熱膨脹，還能削弱定子鐵芯的振動(dòng)。定子線棒絕緣采用高場(chǎng)強(qiáng)F 級(jí)VPI絕緣系統(tǒng)，采用全防暈措施。定子繞組采用蒸發(fā)冷卻自循環(huán)系統(tǒng)，包括：內(nèi)冷式定子線棒、均壓排汽管路系統(tǒng)、蒸發(fā)冷卻供排液系統(tǒng)、冷凝器供排水管路系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、介質(zhì)泄漏監(jiān)測(cè)裝置、介質(zhì)排氣回收裝置等[2]。

1.2 定子起吊裝置

定子起吊裝置主要功能是通過周邊特制起吊螺桿與定子起吊孔固定，實(shí)現(xiàn)定子的水平起吊及旋轉(zhuǎn)。定子起吊裝置具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠、操作方便、受力均勻、起吊載荷大等特點(diǎn)[3]。定子吊具額定載荷550t（不含吊具自重），由直徑為φ5000mm 的中心體及長(zhǎng)度為4850mm 的12 個(gè)支臂組成，每個(gè)支臂共有2 個(gè)吊點(diǎn)，24 個(gè)吊點(diǎn)兩兩一組，分為12 組，每組的兩個(gè)吊點(diǎn)間距固定為200mm，12 組吊點(diǎn)均勻分布在直徑14240mm 圓上，吊點(diǎn)均勻受力。定子吊具如圖1、圖2 所示。

圖1 定子起吊吊具結(jié)構(gòu)示意圖（主視圖）Figure 1 Structure diagram of stator lifting sling-front view

圖2 定子起吊吊具結(jié)構(gòu)示意圖（俯視圖）Figure 2 Structure diagram of stator lifting sling-vertical view

2 定子機(jī)座起吊計(jì)算

2.1 材料參數(shù)

李家峽電站水輪發(fā)電機(jī)項(xiàng)目的定子材料力學(xué)參數(shù)見表2。

表2 材料力學(xué)參數(shù)表Table 2 Mechanical parameters of materials

2.2 機(jī)組參數(shù)及載荷

李家峽電站定子整體主要載荷參數(shù)見表3。

表3 定子整體起吊所對(duì)應(yīng)的載荷參數(shù)Table 3 Load parameters corresponding to the integral hoisting of the stator

2.3 判定標(biāo)準(zhǔn)和計(jì)算輸出

根據(jù) ASME 標(biāo)準(zhǔn)給出的基于有限元法計(jì)算法的應(yīng)力限制，并將應(yīng)力分類如下[4]：

Pm——一次薄膜應(yīng)力；

Pl——一次局部應(yīng)力；

Pb——一次彎曲應(yīng)力；

Q——一次薄膜應(yīng)力+不連續(xù)的彎曲應(yīng)力。

設(shè)計(jì)的參考許用應(yīng)力為：

不同應(yīng)力類型的許用應(yīng)力：

2.4 計(jì)算結(jié)果

2.4.1 許用應(yīng)力

按ASME 標(biāo)準(zhǔn)確定許用應(yīng)力如表4 所示。

表4 按ASME 標(biāo)準(zhǔn)確定許用應(yīng)力Table 4 Determination of allowable stress according to ASME standards

2.4.2 鐵芯齒變形

從表5 可見，定子整體起吊時(shí)，鐵芯齒部最大徑向相對(duì)變形為0.969μm，齒部最大切向相對(duì)變形為0.159μm，相對(duì)變形較小，起吊安全（見圖3、圖4，表5 ～表7）。

圖3 定子整體起吊鐵芯齒部徑向變形Figure 3 Radial deformation of the core teeth of the integral hoisting of the stator

表5 鐵芯齒相對(duì)變形Table 5 Relative deformation of core teeth

表6 定子整體起吊經(jīng)典計(jì)算應(yīng)力與合同許用應(yīng)力對(duì)比表Table 6 Comparison of classical calculated stresses and contractual permissible stresses for integral hoisting of stator

表7 定子整體起吊計(jì)算應(yīng)力與 ASME 許用應(yīng)力對(duì)比表Table 7 Comparison of calculated stator lifting stresses with ASME allowable stresses

2.4.3 計(jì)算應(yīng)力與許用應(yīng)力對(duì)比

從表6 和表7 可見機(jī)座、起吊梁及起吊梁插板在起吊狀態(tài)下最大等效應(yīng)力滿足ASME 標(biāo)準(zhǔn)，低于材料的屈服極限，定子整體在起吊狀態(tài)下應(yīng)力滿足剛強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。

3 工藝流程及技術(shù)措施

3.1 工藝流程

定子吊裝工藝流程見圖5。

圖5 定子吊裝工藝流程圖Figure 5 Stator hoisting flow chart

3.2 吊裝檢測(cè)

在定子試吊時(shí)，檢查橋機(jī)主梁撓度，檢查撓度值是否符合設(shè)計(jì)要求[5]。

（1）使用全站儀測(cè)量并記錄橋機(jī)主梁原始狀態(tài)撓度值。

（2）監(jiān)測(cè)過程：定子試吊懸停時(shí)，使用全站儀測(cè)量橋機(jī)撓度值并記錄測(cè)量結(jié)果；試吊完成，定子重量全部轉(zhuǎn)換到組裝工位支墩后，使用全站儀測(cè)量橋機(jī)撓度值并記錄測(cè)量結(jié)果；對(duì)比檢查撓度變化和承重釋放后的恢復(fù)情況。

（3）根據(jù)GB/T 14405《通用橋式起重機(jī)規(guī)范》，由起重量和小車自重在主梁跨中引起的垂直靜撓度應(yīng)不大于S/1000，即不大于24mm。

3.3 技術(shù)措施

（1）定子吊入機(jī)坑下落過程中注意調(diào)整、控制定子的水平，平衡梁指針保持垂直，避免因定子傾斜與其他設(shè)備發(fā)生碰撞[6]。

（2）定子試吊前后，監(jiān)測(cè)定子吊具橋機(jī)主梁的撓度。

（3）施工中所使用的橋機(jī)及其他電動(dòng)工具均須檢查合格后方可使用，電氣設(shè)備使用中應(yīng)有良好接地裝置。

（4）在試吊過程中用于質(zhì)量檢測(cè)的設(shè)備、設(shè)施均須在合格使用期限內(nèi)。

（5）定子起吊桿裝好，組合螺栓受力均勻，平衡梁及天車檢查完好，連接就緒，并車試驗(yàn)良好[7]。

（6）在橋機(jī)上平面所放置的各種工具，零部件應(yīng)安放牢固，以防墜落傷人。

（7）定子吊裝過程中，天車上應(yīng)設(shè)專責(zé)機(jī)電監(jiān)護(hù)人員，負(fù)責(zé)對(duì)制動(dòng)器、減速器、卷筒鋼絲繩及繩夾和電氣設(shè)備的監(jiān)視檢查[8-9]。

（8）整個(gè)吊裝過程中，所有工作人員必須聽從吊裝指揮人員的指揮。

（9）天車司機(jī)必須聽從指揮，協(xié)調(diào)一致。在吊裝過程中所聽到任何停車信號(hào)必須停車，副司機(jī)應(yīng)監(jiān)護(hù)副車操作手柄始終在零擋位。

（10）定子吊起200mm 停車，做慢起、慢落試驗(yàn)，并檢查各部正常后再進(jìn)行吊裝。

（11）確認(rèn)定子安全落位后，方能分解、拆除平衡梁。

4 結(jié)論

400MW 蒸發(fā)冷卻水輪發(fā)電機(jī)定子帶繞組整體吊裝技術(shù)應(yīng)用在國(guó)內(nèi)尚屬首例。經(jīng)比較定子整體吊裝前后的測(cè)量數(shù)據(jù)，定子撓度變形未超過1mm，圓度變形未超過0.64mm，滿足廠家技術(shù)要求。

李家峽水電站擴(kuò)機(jī)（5 號(hào)機(jī)組）工程定子帶繞組整體吊裝方案采用了專用吊具，并順利完成吊裝，為其他同類型機(jī)組安裝的類似情況積累了經(jīng)驗(yàn)，提供了良好的應(yīng)用實(shí)例，對(duì)優(yōu)化施工工序、減輕對(duì)直線工期的壓力、減少機(jī)電安裝過程對(duì)土建的依賴等具有較強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義，值得推廣。