抽水蓄能電站發(fā)電電動機國產化

趙 政

（中國水電顧問集團華東勘測設計研究院，杭州 310014）

抽水蓄能電站發(fā)電電動機國產化

趙 政

（中國水電顧問集團華東勘測設計研究院，杭州 310014）

本文基于發(fā)電電動機國產化的基本要求，從電機設計的特殊性出發(fā)，對推力軸承、通風設計等進行了論述，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；國產化；參數(shù)；結構

1 前言

隨著我國上世紀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，2020年，我國蓄能電站裝機容量將達 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30000MW，其建設前景十分廣闊。

2 國產化進程

為解決抽水蓄能機組的國產化問題，2003年4月，國家發(fā)改委印發(fā)[2003]97號文件《關于寶泉和惠州抽水蓄能電站機組統(tǒng)一招標及組織管理協(xié)調會議紀要的通知》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)一招標和技貿結合的方式，引進抽水蓄能電站機組設備設計和制造技術，逐步實現(xiàn)我國抽水蓄能電站機組設備制造的自主化。2004年，阿爾斯通公司中標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《關于抽水蓄能電站機組設備國產化后續(xù)工作安排會議紀要的通知》，為了支持技術轉讓受讓方哈電（哈爾濱電機廠有限責任公司）和東電（東方電機有限公司）全面掌握、吸收和應用已經引進的技術，鞏固技術引進的成果，實現(xiàn)抽水蓄能電站機組設備國產化目標，決定將遼寧蒲石河、桓仁、廣東深圳、內蒙古呼和浩特、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備國產化后續(xù)工作的依托項目，機組設備采用招議標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支持方/分包方。該項目將使哈電更加全面地吸收和應用已經引進的技術，取得獨立承制巨型抽水蓄能機組的資質，標志著我國抽水蓄能機組國產化進程又邁出了重要一步。

2009年1月，哈爾濱電機廠有限責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計、制造大型抽水蓄能機組的第一個項目。

作為國內水電制造核心企業(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，并作為技術轉讓受讓方，參與上述機組的聯(lián)合設計、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為技術支持方。

3 技術儲備

哈電、東電為國家兩大發(fā)電設備支柱企業(yè)，研發(fā)能力強，水平高，裝備齊全、加工能力及技術儲備雄厚。特別是經過三峽電站的工程實踐，在常規(guī)水電機組的設計、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，經“打捆招標”的工程實踐，已在人才儲備、技術裝備、計算程序、部分應用實例（打捆招標的后幾臺機）等方面取得了長足的進步。對于發(fā)電電動機，打捆招標引進的程序共7大項，39個子項。引進的程序內容如下：

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

2) 發(fā)電電動機通風系統(tǒng)和發(fā)熱計算程序

3) 發(fā)電電動機電磁設計程序

4) 發(fā)電電動機主要結構件強度、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換分析計算程序

7) 二維電磁場計算

上述程序及技術已在惠州、寶泉、白蓮河等電站機組設計、制造中應用。哈電、東電已基本掌握阿爾斯通的設計。

4 發(fā)電電動機的特殊問題

以下特點：

1）雙向旋轉，其通風設計、軸承設計獨特；

2）起停頻繁，產生交變熱應力、機械應力。應注意絕緣、機械材料選取；

3）負荷陡增；

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

5）過渡過程復雜。

4.1 推力軸承設計

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計中應考慮其獨特性，并針對不同容量-轉速機組，合理選擇推力軸承的支撐結構、冷卻方式以及減小攪拌損耗的措施等。方案設計時還應考慮傘式、懸式結構的不同對推力軸承設計的影響。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數(shù)據(jù)

4.2 通風設計

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

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)電電動機定子內圓表面單位損耗值統(tǒng)計

5 總結經驗、博采眾長

我國在蓄能機組設計制造方面起步較晚，尚缺獨立設計、制造經驗，特別是各類機型設計與實際的比對，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、大容量高轉速機組推力軸承設計、通風設計、不對稱繞組設計、低電壓機組設計、半傘式機組使用范圍拓寬、緊急工況轉換、高轉速機組軸系穩(wěn)定和經濟功率因數(shù)的選擇等問題。我們應在已有經驗的基礎上，注意綜合調試經驗的積累、網機聯(lián)系、首臺機首次不同起動方式（發(fā)電或電動）的調試程序及經驗積累，并注意與水泵水輪機設計、調試等的協(xié)調，統(tǒng)籌考慮機組的參數(shù)、結構設計，使之成為一個和諧體。

由于蓄能電站建設存在獨特性及差異性，同一容量機組由于轉速不同，機組設計差別很大。不同制造商基于其經驗及設計慣例均有各自的設計特點。因此，對于后續(xù)電站的建設，應加強對國內已建、在建蓄能機組的分析研究，除了打捆招標的電站外，還應研究天荒坪和宜興（GE設計）；十三陵、桐柏和瑯琊山（VA TECH設計）、張河灣、泰安（Fuji- Siemens設計）、廣蓄II（西門子設計）、西龍池（三菱-東芝設計）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，應對其參數(shù)選擇、結構選擇、電磁計算、結構計算等進行歸納總結，分析其設計理念、材料選擇、疲勞評估、安裝及調試標準等，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；泰安機組投標時有的廠家熱負荷已取至4434.5 A2/cm mm2；天荒坪II電站發(fā)電電動機技術交流時有的廠家提供機組的出力系數(shù)已達14（水冷）），并對已投運電站進行調研，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 相應標準修訂

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

7 前景與展望

隨著機組設備國產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 350MW、375 MW 或400MW，發(fā)電電動機設計及制造具有一定挑戰(zhàn)性。隨著電網結構及需求的變化，必將出現(xiàn)我國獨立開發(fā)和設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。

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)于華南工學院電力系電機制造專業(yè)，一直從事水電站電氣設計和研究工作，教授級高級工程師。