葛洲壩二江水電站發電機增容改造可行性研究

范吉松，于 濤

(1.哈爾濱理工大學水力發電設備國家重點實驗室，哈爾濱 150040;2.哈爾濱大電機研究所，哈爾濱 150040)

葛洲壩水利樞紐位于中國湖北省宜昌市境內的長江三峽末端河段上，距上游的三峽水電站38 km，是長江上第一座大型水電站，也是世界上最大的低水頭大流量、軸流式水電站。葛洲壩二江水電站安裝7臺機組，其中5臺125 MW機組為哈電公司生產。三峽公司計劃在不改變機組結構的情況下，更換定子鐵心及線棒，將功率增加到150 MW。為了對葛洲壩機組進行增容改造，本文計算分析了機組的通風及定子溫升情況，并在現場對5號機進行通風實驗，收集了運行數據。

1 通風系統基本結構及尺寸

葛洲壩二江水輪發電機采用雙路徑向無風扇的通風結構，冷卻空氣由轉子支架入口進入電機，在轉子支架、磁軛、磁極旋轉產生的風扇作用下，流經磁軛風溝、磁軛風隙、磁極極間后一部分空氣經過氣隙和定子徑向風溝，另一部分經定子線圈端部、機座回風孔，兩部分空氣在定子背部匯集進入冷卻器，在與冷卻水熱交換散去熱量后，重新分上、下兩路進入轉子支架，構成密閉自循環。

葛洲壩二江水輪發電機結構尺寸如表1所示。轉子支架采取了盒式支臂結構，開設了8個支架入口。磁軛風溝數6，磁軛沖片采取一片一疊，層間相錯一個極距，每片掛4極的方式。

表1 葛洲壩二江水輪發電機結構尺寸 mm

2 計算分析

2．1 通風網絡及計算結果

根據機組的結構尺寸確定了計算網絡，其中包括轉子支架、磁軛、磁極的壓力元件及風阻元件，定子入口、出口風阻元件，冷卻器風阻元件等[1-3]。應用FLOWMASTER軟件進行計算分析，計算網絡如圖1所示。計算得出該機組的總風量為90.49 m3/s。

圖1 通風計算網絡

2．2 定子溫度場計算

針對該機組通風系統的特點，考慮到結構的對稱性，定子溫度場模型取半齒半槽進行分析計算，軸向取包括上下端部線圈在內的整個區域。把電磁分析的各部分損耗作為模型的熱源，結合電機的冷卻方式，選擇合理的邊界條件，對電機定子溫度分布進行計算[4]，得出該機組損耗分配數據，如表2所示。

表2 損耗分配 kW

2.2.1 基本假設

1)考慮定子繞組銅耗時，認為渦流效應對每根股線的影響相同，即取其平均值。

2)把槽楔及導線外的絕緣認為是同一種物質。

3)端部繞組在鼻端嚙合處認為沒有熱交換，可做絕熱面處理。

4)端部只考慮繞組部分。

5)考慮到定子徑向通風溝中的風與定子鐵心和線圈產生熱交換，假定風溫沿徑向是線性遞增的。

6)定子繞組股線都有絕緣漆膜，但由于漆太薄，若對其進行剖分將會出現單元形狀差，或是單元數巨增而使程序運行困難或無法正常工作。故假定股線之間不存在絕緣，其影響歸算到繞組的導熱系數中。

7)不計熱輻射作用[5-6]。

2.2.2 邊界條件

本文計算中，對定子通風溝、定子鐵心內外圓及定子線圈端部施加第三類邊界條件，即流體的溫度和流體與邊界面的對流換熱系數[7]。另外，由于鐵心疊片、線圈股線絕緣等因素的影響，計算中考慮了材料的三維各向異性[8]。

應用上述方法進行分析計算，得出了定子半齒半槽沿軸向溫度分布云圖2、線棒溫度分布云圖3和定子鐵心溫度分布云圖4。

從圖2—圖4中可看出，最高溫度點為114.331℃，軸向位于中間鐵心段處，徑向位于上層線棒的直線段靠層間絕緣處，最熱點溫度為82.11℃，處在中間鐵心段的齒根部，軛背部及齒頂處溫度較低。需要特別說明的是冷風溫度按40℃進行計算。

3 通風實驗

風量測量的目的是判斷電機各部分風量是否滿足冷卻的需要，從而使電機各部分溫升維持在規定的限度內。風量測量根據其不同位置有多種測量方法，本試驗用“中速風表”測量冷卻器的平均出風速度，此風速值與冷卻器面積及個數相乘即是機組的總風量，測量結果如表3所示。該機組共12臺冷卻器，寬度為1.47 m，高度為1.8 m，計算得出總風量為94.6 m3/s。

表3 冷卻器風速測量

4 線棒溫升折算

在電站現場收集到機組3個工況的運行參數，由于是在不改變機組結構尺寸的條件下進行改造，即改造后機組的通風情況與改造前相同，因此可以利用這3個工況的運行數據折算出機組在功率150 MW時的線棒溫升，如表4所示。

表4 各工況運行參數

通過各工況運行參數和定子額定電壓13 800 V，可以計算得出各工況的定子電流。在工程上近似認為溫升與電流的平方成線性關系，通過這3個工況的溫升與電流平方可以擬合出該直線，再代入額定電流7 172.06 A，即可折算出功率為150 MW時的線棒平均溫升和最高溫升。經計算得出平均溫升為64.49 K，最高溫升為70.53 K。

5 結論

1)通過網絡法計算得出葛洲壩二江機組的總風量為90.49 m3/s，實驗值為94.6 m3/s。

2)應用溫度場計算線棒的平均溫升為70.02 K，最高溫升為74.331 K，機組實際運行參數折算出的平均溫升為64.49 K，最高溫升為70.53 K。

3)計算值與實驗值比較吻合，線棒溫升在安全范圍內，葛洲壩二江水電站發電機可以由125 MW增容至150 MW。

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