西藏旁多電站水輪發(fā)電機設(shè)計

胡祥甫 胡金秀

(東方電氣集團 東風(fēng)電機有限公司，四川 樂山614000)

1 電站簡介

西藏旁多水利樞紐工程（簡稱旁多電站）是目前亞洲海拔最高的已運行機組。壩址地處拉薩河中游，位于西藏自治區(qū)林周縣旁多鄉(xiāng)下游，距拉薩市直線距離63km，是拉薩河流域的骨干性控制工程，也是拉薩河干流水電梯級開發(fā)的龍頭水庫。該電站以灌溉、發(fā)電為主，兼顧防洪及供水。

2 發(fā)電機主要參數(shù)

發(fā)電機機型 SF40-32/6800

額定容量 47.06 MVA

額定功率 40 MW

額定電壓 10.5 kV

額定電流 2587.6 A

額定頻率 50 Hz

額定功率因數(shù) 0.85（滯后）

額定轉(zhuǎn)速 187.5 r/min

飛逸轉(zhuǎn)速 348 r/min

旋轉(zhuǎn)方向 俯視順時針

轉(zhuǎn)動慣量 4200 t.m2

推力軸承負(fù)荷470 t

勵磁方式 靜止可控硅勵磁

冷卻方式 密閉自循環(huán)空氣冷卻

定子繞組絕緣等級F級

轉(zhuǎn)子繞組絕緣等級F級

3 發(fā)電機結(jié)構(gòu)設(shè)計

旁多電站發(fā)電機為半傘式結(jié)構(gòu)，設(shè)有上導(dǎo)、推力及下導(dǎo)軸承如圖1所示。

圖1 半傘式結(jié)構(gòu)

3.1 定子

定子主要由機座、定子鐵芯、定子繞組、銅環(huán)引線及端箍等組成。

定子機座由優(yōu)質(zhì)鋼板焊接而成，主要作用是固定鐵芯。設(shè)計過程中，強度是關(guān)鍵，因此本文對其進(jìn)行了有限元分析，如圖2所示。

定子鐵芯由導(dǎo)磁性能好，損耗較小的硅鋼片交錯疊制而成，為了減小渦流損耗，在扇形片的兩面涂以絕緣漆（F級）。在軸向方向把鐵芯分成多段，段間用通風(fēng)槽板隔開，以形成通風(fēng)溝。鐵芯兩端設(shè)有齒壓片和壓板，通過穿心螺桿及碟形彈簧將鐵芯拉緊；穿心螺桿及蝶形彈簧結(jié)構(gòu)可有效防止鐵芯松動，始終給予定子鐵芯恒定的壓力。每根螺桿上裝有固定片，并焊于機座筋板上，使定子機座和鐵芯成一整體。鐵芯的固定采用雙浮動式鴿尾結(jié)構(gòu)，以適應(yīng)鐵芯熱膨脹。

定子繞組為雙層條式波繞組，繞組絕緣可靠，機械強度、散熱條件好。采用360度完全換位，可有效降低定子繞組溫升，確保機組長期安全穩(wěn)定運行。

圖2 定子機座有限元分析應(yīng)力分布圖

3.2 轉(zhuǎn)子

轉(zhuǎn)子主要由磁極、磁軛、轉(zhuǎn)子支架、主軸等組成。

磁極主要由磁極鐵芯、磁極線圈及阻尼繞組組成。磁極鐵芯由優(yōu)質(zhì)鋼板沖制的沖片疊壓而成。疊壓后，兩端用磁極壓板通過拉緊螺桿將鐵芯固定成一整體。磁極線圈由異形銅排繞成，每匝匝間墊耐高溫環(huán)氧玻璃坯布作為匝間絕緣。阻尼繞組由阻尼條與阻尼環(huán)組成。磁軛由優(yōu)質(zhì)鋼板沖制的沖片疊壓而成。磁軛全長分為多段，中間有多條環(huán)形通風(fēng)道，用拉緊螺桿把緊成整體，然后用磁軛斜鍵通過熱打?qū)⒋跑椌o固在轉(zhuǎn)子支架上。

轉(zhuǎn)子支架采用圓盤式組焊結(jié)構(gòu)。支架在工地?zé)崽自谥鬏S上，它是支撐磁極、磁軛重量，傳遞力矩的主要部件。

3.3 上機架

上機架為輻射型組焊結(jié)構(gòu)。在電站現(xiàn)場將上機架中心體與各支臂焊為一體。支臂底板處設(shè)有墊板，在現(xiàn)場調(diào)整好上機架高程、水平后將墊板焊在機座頂環(huán)上。上導(dǎo)軸承位于上機架中心體內(nèi)，上導(dǎo)軸承瓦為分瓣剛性支承結(jié)構(gòu)，共8塊導(dǎo)瓦，上導(dǎo)軸承瓦座背面墊有絕緣板，以防止軸電流產(chǎn)生從而燒壞軸瓦。上導(dǎo)瓦油膜間隙均可通過調(diào)整支柱螺釘與導(dǎo)軸瓦之間的墊片獲得。

3.4 下機架（含推力軸承）

下機架為負(fù)荷機架，主要承受水輪機的水推力和整個機組轉(zhuǎn)動部分的全部重量及機架自重等。下機架主要由下機架中心體及支臂等組成。下機架的中心體內(nèi)裝有推力軸承、下導(dǎo)軸承和油冷卻器等。推力軸承采用自循環(huán)油浸式、彈簧束支撐的分塊扇形瓦結(jié)構(gòu)。推力瓦為EMP推力軸瓦，共10塊，油槽內(nèi)的油被浸在其中的冷卻器冷卻。下導(dǎo)軸承位于推力軸承上方，下導(dǎo)軸瓦為分瓣剛性支撐結(jié)構(gòu)，共16塊瓦。

4 關(guān)鍵技術(shù)及創(chuàng)新點

西藏旁多電站地處4100米的高海拔、高寒地區(qū)。高海拔地區(qū)氣候環(huán)境條件相當(dāng)惡劣，晝夜溫差極大、氣溫低、空氣稀薄，從而對發(fā)電機的結(jié)構(gòu)型式、材料選擇、通風(fēng)冷卻方式、絕緣防暈及電氣性能等提出挑戰(zhàn)。現(xiàn)將發(fā)電機設(shè)計過程中所開發(fā)應(yīng)用的新技術(shù)簡述如下：

4.1 （高海拔地區(qū)）水輪發(fā)電機定子線棒少膠VPI技術(shù)

目前，歐洲、日本等國外制造企業(yè)通常采用少膠VPI制作定子線棒或采取整機浸漬方式；而我國中小型機組以多膠模壓方式為主，大型機組雖采用VPI制造技術(shù)，但均應(yīng)用于較低海拔地區(qū)。國內(nèi)外，適用于高海拔地區(qū)的水輪發(fā)電機定子線棒VPI技術(shù)有待研發(fā)應(yīng)用。研究表明，在海拔高度4100m時，定子線棒絕緣、防暈?zāi)芰^低海拔地區(qū)下降約30%，若仍采用傳統(tǒng)的多膠模壓工藝，定子線棒的絕緣、防暈等多項電氣參數(shù)均不能滿足機組安全運行。針對上述情況，通過多個電磁方案計算分析，選擇合適的線規(guī)、槽型尺寸，并結(jié)合車間各階段試驗數(shù)據(jù)，開發(fā)出了針對旁多電站定子線棒的專用少膠VPI技術(shù)。

4.2 推力軸承彈簧束支撐結(jié)構(gòu)

推力軸承主要承受水推力及整個機組轉(zhuǎn)動部分的重量。其工作性能的好壞直接影響機組能否長期安全穩(wěn)定運行。因此，推力軸承支撐方式的選擇尤為重要，針對旁多電站的特殊性，成功開發(fā)出了行業(yè)內(nèi)僅少數(shù)廠家掌握的彈簧束支撐結(jié)構(gòu)。

彈簧束支撐結(jié)構(gòu)的特點是多支點支撐。將推力瓦放置在一簇具有一定剛度，高度又相等的支撐彈簧束上。支撐彈簧束除承受推力負(fù)荷外，還具有均衡各塊瓦間的負(fù)荷和吸收振動的作用。彈簧束支撐結(jié)構(gòu)具有較大的承載能力，較低的軸瓦溫度和運行穩(wěn)定等優(yōu)點。該結(jié)構(gòu)屬于浮動式支撐，其合力作用點可隨負(fù)荷、線速度的不同而有所不同。因而，此種支撐結(jié)構(gòu)可適應(yīng)的工況范圍極廣。

圖3 彈簧束支撐車間預(yù)裝配

4.3 （掌握了）高海拔低氣壓對發(fā)電機通風(fēng)冷卻系統(tǒng)的影響

研究證明，海拔高度的上升將導(dǎo)致冷卻空氣密度下降，具體如下：

a）發(fā)電機冷卻空氣密度下降，若機內(nèi)空氣流量保持不變，則發(fā)電機的通風(fēng)損耗比例會相應(yīng)下降，意味著發(fā)電機總發(fā)熱量的減少和需求風(fēng)量的降低。

b）冷卻空氣密度下降后，氣（換熱空氣）-固（鐵芯、線圈）兩相間的對流換熱強度隨之減弱，表面散熱系數(shù)降低，氣-固兩相間溫差上升；同時，發(fā)電機冷卻空氣密度下降會降低其體積比熱，若保持冷卻空氣的流量不變，則冷卻空氣的溫升相應(yīng)增加，故發(fā)電機冷卻空氣密度下降后，發(fā)電機內(nèi)主要發(fā)熱部件溫升相應(yīng)提高。

c）發(fā)電機海拔高度增加后，其主要發(fā)熱部件的溫升均會提高。在發(fā)電機內(nèi)各部位散熱面積和熱負(fù)荷保持不變的情況下，其通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計必須考慮適當(dāng)增加機內(nèi)空氣流量，通過適當(dāng)增加空氣流量來降低冷卻空氣的溫升從而弱化高海拔對發(fā)電機內(nèi)各部件溫度的提升作用。

旁多電站水輪發(fā)電機通風(fēng)系統(tǒng)基于此設(shè)計，通過1#機并網(wǎng)運行證明，通風(fēng)冷卻系統(tǒng)設(shè)計是成功的，達(dá)到預(yù)期效果。

5 結(jié)論

旁多電站1#水輪發(fā)電機組于2013年10月成功投運，運行工況良好，機組振動、噪音、溫升等各項性能指標(biāo)均顯著優(yōu)于國家標(biāo)準(zhǔn)。它的成功并網(wǎng)發(fā)電證明發(fā)電機所采用的一系列結(jié)構(gòu)、新技術(shù)、新材料是相當(dāng)成功的，具有極大的推廣使用價值。

［1］白延年，主編.水輪發(fā)電機設(shè)計與計算[M].北京：機械工業(yè)出版社，1982.

［2］陳錫芳，主編.水輪發(fā)電機結(jié)構(gòu)運行監(jiān)測與維修[M].北京：中國水利水電出版社，2008.