抽水蓄能電站發(fā)電電動機國產(chǎn)化

趙 政

（中國水電顧問集團華東勘測設(shè)計研究院，杭州 310014）

抽水蓄能電站發(fā)電電動機國產(chǎn)化

趙 政

（中國水電顧問集團華東勘測設(shè)計研究院，杭州 310014）

本文基于發(fā)電電動機國產(chǎn)化的基本要求，從電機設(shè)計的特殊性出發(fā)，對推力軸承、通風(fēng)設(shè)計等進行了論述，并針對發(fā)電電動機的特殊問題，進行了深刻的剖析。

發(fā)電電動機；國產(chǎn)化；參數(shù)；結(jié)構(gòu)

1 前言

隨著我國上世紀(jì)80年代開始大力興建抽水蓄能電站，近20年以來，已建成百萬千瓦級抽水蓄能電站15座。根據(jù)水電裝機規(guī)劃發(fā)展目標(biāo)，2020年，我國蓄能電站裝機容量將達(dá) 50000 MW。屆時，我國所建的蓄能電站不論從數(shù)量或裝機容量，將超過日本，居世界第一位。我國已建、在建、擬建裝機容量為600MW及以上的抽水蓄能電站參照表1。

2020年蓄能電站裝機容量與現(xiàn)有蓄能電站裝機容量比較表明，今后 10年抽水蓄能電站新建裝機將達(dá)30000MW，其建設(shè)前景十分廣闊。

2 國產(chǎn)化進程

為解決抽水蓄能機組的國產(chǎn)化問題，2003年4月，國家發(fā)改委印發(fā)[2003]97號文件《關(guān)于寶泉和惠州抽水蓄能電站機組統(tǒng)一招標(biāo)及組織管理協(xié)調(diào)會議紀(jì)要的通知》指示，以河南寶泉和廣東惠州兩座抽水蓄能電站（后增補了白蓮河）為依托工程，通過統(tǒng)一招標(biāo)和技貿(mào)結(jié)合的方式，引進抽水蓄能電站機組設(shè)備設(shè)計和制造技術(shù)，逐步實現(xiàn)我國抽水蓄能電站機組設(shè)備制造的自主化。2004年，阿爾斯通公司中標(biāo)抽水蓄能電站依托工程。

2005年5月8日，國家發(fā)改委印發(fā)[2005]886號文件《關(guān)于抽水蓄能電站機組設(shè)備國產(chǎn)化后續(xù)工作安排會議紀(jì)要的通知》，為了支持技術(shù)轉(zhuǎn)讓受讓方哈電（哈爾濱電機廠有限責(zé)任公司）和東電（東方電機有限公司）全面掌握、吸收和應(yīng)用已經(jīng)引進的技術(shù)，鞏固技術(shù)引進的成果，實現(xiàn)抽水蓄能電站機組設(shè)備國產(chǎn)化目標(biāo)，決定將遼寧蒲石河、桓仁、廣東深圳、內(nèi)蒙古呼和浩特、福建仙游和湖南黑糜峰抽水蓄能電站作為抽水蓄能電站機組設(shè)備國產(chǎn)化后續(xù)工作的依托項目，機組設(shè)備采用招議標(biāo)方式在哈電和東電之間進行采購。

2006年12月，哈爾濱電機廠有限責(zé)任公司在北京簽訂了遼寧蒲石河電站4臺300MW抽水蓄能機組采購合同。蒲石河項目由哈電作為主包方，法國阿爾斯通水電公司作為技術(shù)支持方/分包方。該項目將使哈電更加全面地吸收和應(yīng)用已經(jīng)引進的技術(shù)，取得獨立承制巨型抽水蓄能機組的資質(zhì)，標(biāo)志著我國抽水蓄能機組國產(chǎn)化進程又邁出了重要一步。

2009年1月，哈爾濱電機廠有限責(zé)任公司在北京簽訂了安徽響水澗電站4臺250MW抽水蓄能機組采購合同。響水澗項目成為哈電獨立設(shè)計、制造大型抽水蓄能機組的第一個項目。

作為國內(nèi)水電制造核心企業(yè)之一的東方電機股份有限公司也分包制造了惠州、白蓮河各一整臺300MW的發(fā)電電動機，并作為技術(shù)轉(zhuǎn)讓受讓方，參與上述機組的聯(lián)合設(shè)計、分包制造。在黑糜峰、呼和浩特300MW發(fā)電電動機項目中，東電為主包方，ALSTOM為技術(shù)支持方。

3 技術(shù)儲備

哈電、東電為國家兩大發(fā)電設(shè)備支柱企業(yè)，研發(fā)能力強，水平高，裝備齊全、加工能力及技術(shù)儲備雄厚。特別是經(jīng)過三峽電站的工程實踐，在常規(guī)水電機組的設(shè)計、制造方面，哈電、東電已走在世界水電制造業(yè)的前列。

表1 已建、在建、擬建抽水蓄能電站

對于蓄能機組技術(shù)，經(jīng)“打捆招標(biāo)”的工程實踐，已在人才儲備、技術(shù)裝備、計算程序、部分應(yīng)用實例（打捆招標(biāo)的后幾臺機）等方面取得了長足的進步。對于發(fā)電電動機，打捆招標(biāo)引進的程序共7大項，39個子項。引進的程序內(nèi)容如下：

1) 推力軸承和導(dǎo)軸承潤滑、軸瓦及支撐件變形和循環(huán)冷卻系統(tǒng)計算程序

2) 發(fā)電電動機通風(fēng)系統(tǒng)和發(fā)熱計算程序

3) 發(fā)電電動機電磁設(shè)計程序

4) 發(fā)電電動機主要結(jié)構(gòu)件強度、剛度和振動計算程序

5) 發(fā)電電動機起動性能計算程序

6) 發(fā)電電動機運行工況轉(zhuǎn)換分析計算程序

7) 二維電磁場計算

上述程序及技術(shù)已在惠州、寶泉、白蓮河等電站機組設(shè)計、制造中應(yīng)用。哈電、東電已基本掌握阿爾斯通的設(shè)計。

4 發(fā)電電動機的特殊問題

以下特點：

1）雙向旋轉(zhuǎn)，其通風(fēng)設(shè)計、軸承設(shè)計獨特；

2）起停頻繁，產(chǎn)生交變熱應(yīng)力、機械應(yīng)力。應(yīng)注意絕緣、機械材料選取；

3）負(fù)荷陡增；

4）需有專用的起動設(shè)備。現(xiàn)大、中型發(fā)電電動機常用靜止變頻起動裝置；

5）過渡過程復(fù)雜。

4.1 推力軸承設(shè)計

發(fā)電電動機采用的中心支撐推力軸承與常規(guī)水輪發(fā)電機采用的偏心支撐推力軸承相比在以下幾方面存在特殊性：軸瓦傾斜度、最小油膜厚度、承載能力、瓦變形及變形度、壓力比等。因此，發(fā)電電動機推力軸承設(shè)計中應(yīng)考慮其獨特性，并針對不同容量-轉(zhuǎn)速機組，合理選擇推力軸承的支撐結(jié)構(gòu)、冷卻方式以及減小攪拌損耗的措施等。方案設(shè)計時還應(yīng)考慮傘式、懸式結(jié)構(gòu)的不同對推力軸承設(shè)計的影響。表2、表3分別為典型常規(guī)大容量水輪發(fā)電機及典型大容量發(fā)電電動機推力軸承主要技術(shù)數(shù)據(jù)。

對于發(fā)電電動機，與常規(guī)水輪發(fā)電機相比，具有

表2 常規(guī)大容量水輪發(fā)電機推力軸承主要技術(shù)數(shù)據(jù)

表3 典型大容量發(fā)電電動機推力軸承主要技術(shù)數(shù)據(jù)

4.2 通風(fēng)設(shè)計

由于雙向旋轉(zhuǎn)，發(fā)電電動機通風(fēng)設(shè)計獨特。一方面應(yīng)考慮雙向設(shè)計的協(xié)調(diào)性，同時還應(yīng)考慮轉(zhuǎn)子自身的風(fēng)扇作用產(chǎn)生必須的風(fēng)量帶走相應(yīng)的損耗（注：美國巴德溪電站原采用磁軛徑向通風(fēng)后改為外加風(fēng)機）。大容量高轉(zhuǎn)速及特高轉(zhuǎn)速發(fā)電電動機通風(fēng)設(shè)計中還應(yīng)考慮外加風(fēng)機或磁軛徑向通風(fēng)方式對風(fēng)摩損耗等的影響。表4、表5分別為典型常規(guī)大容量水輪發(fā)電機定子內(nèi)圓表面單位損耗及典型大容量發(fā)電電動機定子內(nèi)圓表面單位損耗。

表4 典型常規(guī)大容量水輪發(fā)電機定子內(nèi)圓表面單位損耗值統(tǒng)計

表5 典型大容量發(fā)電電動機定子內(nèi)圓表面單位損耗值統(tǒng)計

5 總結(jié)經(jīng)驗、博采眾長

我國在蓄能機組設(shè)計制造方面起步較晚，尚缺獨立設(shè)計、制造經(jīng)驗，特別是各類機型設(shè)計與實際的比對，實測數(shù)據(jù)及工程實例較少。發(fā)電電動機有不少特殊的問題，如轉(zhuǎn)速（如 272.7 r/min、 428.6r/min）的一些特殊問題、機組電氣自振頻率與尾水管壓力脈動頻率（DTPP）共振問題、大容量高轉(zhuǎn)速機組推力軸承設(shè)計、通風(fēng)設(shè)計、不對稱繞組設(shè)計、低電壓機組設(shè)計、半傘式機組使用范圍拓寬、緊急工況轉(zhuǎn)換、高轉(zhuǎn)速機組軸系穩(wěn)定和經(jīng)濟功率因數(shù)的選擇等問題。我們應(yīng)在已有經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，注意綜合調(diào)試經(jīng)驗的積累、網(wǎng)機聯(lián)系、首臺機首次不同起動方式（發(fā)電或電動）的調(diào)試程序及經(jīng)驗積累，并注意與水泵水輪機設(shè)計、調(diào)試等的協(xié)調(diào)，統(tǒng)籌考慮機組的參數(shù)、結(jié)構(gòu)設(shè)計，使之成為一個和諧體。

由于蓄能電站建設(shè)存在獨特性及差異性，同一容量機組由于轉(zhuǎn)速不同，機組設(shè)計差別很大。不同制造商基于其經(jīng)驗及設(shè)計慣例均有各自的設(shè)計特點。因此，對于后續(xù)電站的建設(shè)，應(yīng)加強對國內(nèi)已建、在建蓄能機組的分析研究，除了打捆招標(biāo)的電站外，還應(yīng)研究天荒坪和宜興（GE設(shè)計）；十三陵、桐柏和瑯琊山（VA TECH設(shè)計）、張河灣、泰安（Fuji- Siemens設(shè)計）、廣蓄I(lǐng)I（西門子設(shè)計）、西龍池（三菱-東芝設(shè)計）等電站的發(fā)電電動機。對于上述電站發(fā)電電動機制造廠家（如GE、東芝、西門子、富士、VA TECH）的技術(shù)，應(yīng)對其參數(shù)選擇、結(jié)構(gòu)選擇、電磁計算、結(jié)構(gòu)計算等進行歸納總結(jié)，分析其設(shè)計理念、材料選擇、疲勞評估、安裝及調(diào)試標(biāo)準(zhǔn)等，博采眾長，為我所用（注：寶泉發(fā)電電動機定子已采用高等級的35H210矽鋼片；泰安機組投標(biāo)時有的廠家熱負(fù)荷已取至4434.5 A2/cm mm2；天荒坪II電站發(fā)電電動機技術(shù)交流時有的廠家提供機組的出力系數(shù)已達(dá)14（水冷）），并對已投運電站進行調(diào)研，了解發(fā)電電動機運行情況，對已建電站機組資料匯總、分析、整理，有針對性地解決實際問題。

6 相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)修訂

經(jīng)過多個蓄能電站的工程實踐，我們已在設(shè)計理念、設(shè)計原則、設(shè)計方法和調(diào)試等方面具有開拓性的進展，已為電機標(biāo)準(zhǔn)的修訂打下了堅實的基礎(chǔ)。應(yīng)注意有限元法的采用對應(yīng)力取值范圍、疲勞評估標(biāo)準(zhǔn)、振動標(biāo)準(zhǔn)、鏡板硬度、試驗標(biāo)準(zhǔn)、冷卻水溫等的修訂。

7 前景與展望

隨著機組設(shè)備國產(chǎn)化進程的進一步加速，想必在不久的將來，相繼投運的抽水蓄能電站中將有許多我國獨立開發(fā)和設(shè)計制造的發(fā)電電動機。從表1可以看出，今后10年，基本為300MW級的蓄能機組。有一些電站機組單機容量已達(dá) 350MW、375 MW 或400MW，發(fā)電電動機設(shè)計及制造具有一定挑戰(zhàn)性。隨著電網(wǎng)結(jié)構(gòu)及需求的變化，必將出現(xiàn)我國獨立開發(fā)和設(shè)計制造的可變速機組，500MVA-500r/min級發(fā)電電動機的出現(xiàn)也不再遙遠(yuǎn)。

Home-made Motor-generator for Pumped Storage Power Station

ZHAO Zheng
(Huadong Engineering Corporation, Hydrochina, Hangzhou 310014, China)

Based on the basic requirements of domestic production of motor-generator and beginning with the speciality of generator design, this paper describes the design of thrust bearing and ventilation, and analyzes deeply the special issues of motor-generator.

motor-generator; home-made; parameter; structure

TM312

B

1000-3983(2010)01-0005-05

2009-07-09

趙政（1960－），1984年畢業(yè)于華南工學(xué)院電力系電機制造專業(yè)，一直從事水電站電氣設(shè)計和研究工作，教授級高級工程師。