中國水輪發電機技術的進展

／哈爾濱大電機研究所 孫玉田／

中國水輪發電機技術的進展

／哈爾濱大電機研究所 孫玉田／

中國水輪發電機擁有廣闊的發展空間，立式水輪發電機的單機容量已經達到世界最大。從已運行的向家壩電站、到即將啟動的白鶴灘電站，中國的立式水輪發電機產品一直是處于世界領先水平。而貫流式水輪發電機產品也已經達到了世界領先行列。

水力發電是一種清潔的可再生能源發電途徑，是發電設備的首選方式。未來幾年，盡管中國整體經濟發展變緩，但中國水電市場的發展仍將走在世界前沿。

一、引言

水力發電是一種清潔的可再生能源發電途徑，是發電設備的首選方式。中國的水力資源蘊藏量十分豐富，加大水力開發力度可以極大地滿足國家能源增長的需求，并實現電力經濟的可持續發展。作為發展中的經濟大國，過去幾十年，中國水電市場經歷了高速發展的輝煌時期。圖1為中國水電近期總裝機容量統計和預測情況，圖中可以看出中國水電裝機容量穩步增長的態勢。

截至2010年，中國水電開發裝機容量達到216GW，居世界第一位。圖2為中國水電總裝機容量與世界的對比。從圖中可見，到2012年，中國水電總裝機容量已經達到世界總量的22.5%。

圖1 中國水電總裝機容量的發展（圖中，2013年以后數據為預測結果）

圖2 中國水電總裝機容量與世界的對比

二、立式水輪發電機

常規立式水輪發電機適用于混流式水輪機和軸流式水輪機發電情況，是水電市場應用最廣泛的設備。進入21世紀，常規立式水輪發電機發展飛快，表1給出了世界大型水電機組的一個統計。從表1中可見，中國大型水電機組的發展在世界上占據著十分重要的地位。

表1 世界上單機容量大于700MVA水電機組的電站

在中國單機容量700MW及以上的水電站中，中國發電設備制造商的市場份額也是占據主導地位的。從表2可見，在單機容量700MW及以上機組的79臺產品中，國產產品占66臺，這些產品的制造商包括哈爾濱電機廠有限責任公司、東方電機有限公司、阿爾斯通（天津）公司、福伊特（上海公司）等。

表2 中國制造廠商制造的發電機

（一） 電磁設計與結構優化

電磁參數決定電機的性能，因而水輪發電機電磁參數的設計是至關重要的。對大容量水輪發電機，電磁參數還決定了機網之間的相互作用情況。因而在設計開發階段，準確地設計電機的穩瞬態參數、合理地設計電機的阻尼繞組，對提高水輪發電機的負序承載能力，改善機網動態過程的響應具有重要的工程意義。目前，國內幾大電機制造商都已具備采用電磁場數值技術和瞬變過程的數值分析技術來準確進行電機參數的計算，并在設計階段對水輪發電機的各種運行性能和瞬態故障進行分析預測的能力。

在水輪發電機的結構方面，采用電磁場數值技術，針對大容量水輪發電機的開發可以對磁極極靴形狀、阻尼繞組分布及定子線棒換位結構等進行詳細的設計。同時，對端部復雜的繞組及固定結構，設計人員可以采用端部三維電磁場數值技術對端部繞組及結構件進行損耗、溫升及電動力的詳細分析。

（二）絕緣系統

隨著水輪發電機容量和電壓的提高，絕緣系統的制造難度越來越大。在某種程度上，發電機主絕緣承受電場強度的變化可以反映發電機絕緣水平的發展狀態。水輪發電機繞組主絕緣的平均電場強度由早期的1.2kV/mm已經發展到三峽電站發電機的2.8kV/mm。圖3為從水輪發電機定子繞組主絕緣厚度的變化反映的絕緣技術進步的過程。

目前中國大型水輪發電機的電壓等級有13.8kV、15.75 kV、18 kV、20 kV。隨著1000MW級水輪發電機研制工作的啟動， 22 kV、24 kV和26 kV等高電壓等級絕緣系統的開發工作正在展開。

（三） 冷卻系統

對大容量水輪發電機，電機的冷卻方式是設計人員所重點關注的問題。大型水輪發電機所采用的冷卻技術目前大致有三種，即空氣冷卻方式、水內冷冷卻方式及蒸發冷卻方式。

圖3 水輪發電機定子繞組主絕緣材料工作電場強度的發展

空氣冷卻方式在電機內部只采用空氣作為冷卻介質，通過空氣的流通實現電機整體的降溫冷卻，結構簡單，可靠性高，因而是目前最受用戶歡迎的一種冷卻方式。2005年以前，中國最大的空冷水輪發電機是二灘電站550MW水輪發電機，550MW以上發電機全部為水冷電機。2006年，哈爾濱電機廠有限責任公司開發了首臺700MW全空冷水輪發電機，并成功地在三峽右岸電站投入運行。此后，幾乎所有700MW及以上量級的發電機都采用了全空冷技術。目前，世界最大的全空冷水輪發電機是向家壩水電站的800MW水輪發電機，2013年投運。

圖4 大型推力軸承制造技術的發展狀況

在某些應用場合，當空氣冷卻方式不能滿足實際運行要求時，需要采用內冷冷卻方式。內冷冷卻方式包括水冷冷卻方式和蒸發冷卻方式。水冷冷卻方式因結構復雜，安全性低，在中國市場趨于淘汰。此時，蒸發冷卻方式是最佳的解決方案。蒸發冷卻水輪發電機是中國具有自主知識產權的新產品發電機。這種電機的特點是通過冷卻介質的蒸發效應來實現定子繞組的內部循環冷卻。由于冷卻介質不導電，因而蒸發冷卻電機比水冷電機更安全，由于冷卻介質的循環是借助于蒸發效應進行，省去了提供動力的循環泵，其結構比水冷更簡單。目前，全世界采用蒸發冷卻的水輪發電機共有四個電站，分別是大寨電站10MW機組、安康電站50MW機組、李家峽電站400MW機組及三峽地下電站700MW機組。這些機組全部為東方電機有限公司制造。

（四）推力軸承

推力軸承是水輪發電機的重要支撐部件，在一定程度上決定著水輪發電機運行的成敗。多年來，中國水電大型推力軸承的制造水平不斷進步。在三峽電站發電機組中，大型推力軸承的負荷達到了近6000t的水平。圖4為推力軸承制造技術的發展狀況。

大型水輪發電機的推力軸承為滑動軸承，由扇形可傾瓦赫托瓦組成。推力瓦有巴氏合金瓦或彈性金屬塑料瓦兩種。軸承性能的準確研究一般需要進行軸承系統的熱彈性流體動力的數值分析。有時，在推力軸承試驗臺上的整體模擬試驗是非常重要的。圖5為哈爾濱的電機廠有限責任公司3000t推力軸承試驗臺的結構示意圖。

圖5 3000t推力軸承示意圖

三、抽水蓄能發電電動機

由于電力系統負荷調節的需要，抽水蓄能發電電動機迅速發展起來。抽水蓄能發電電動機的基本結構與常規水輪發電機相同，但工作條件更加復雜。抽水蓄能發電電動機需要適應發電與抽水兩種運行工況的運行及調相要求，而且要承受經常的起停機考驗。

在電磁方案和結構的設計上，抽水蓄能發電電動機重點考慮電機的起動過程和在不同運行工況之間轉換的瞬態響應，優化電機的結構和參數，加強電機轉子的剛強度。

由于抽水蓄能發電電動機的轉速較常規機組高，電機的鐵心軸向比較長，因而通風冷卻系統的設計難度略大，有時需要采用帶風扇的轉子結構。

在軸承設計方面，抽水蓄能發電電動機的軸承要適應雙向旋轉的要求，因而軸瓦通常采用中心支承結構。這種結構比常規水輪發電機的偏心支撐結構承載能力低，因而軸承系統的制造難度大，需要進行詳細的理論及實驗研究。圖6為東方電機有限公司的大型雙向推力軸承試驗臺。

在大容量抽水蓄能發電電動機的開發方面，2005年起，哈爾濱電機廠有限責任公司和東方電機有限公司聯合進行了寶泉、白蓮河和惠州三個電站的打捆招標技術引進工作。在技術引進基礎上，合作制造的產品分別于2009～2011年在三座電站投入運行。繼三個電站之后，哈爾濱電機廠有限責任公司又開發了250MW大容量抽水蓄能發電電動機組，于2012年在安徽響水澗電站投入運行。這是首臺國內完全自主生產的大容量國產化抽水蓄能發電電動機組。表3給出了近年投入運行的大型抽水蓄能發電電動機組情況。

圖6 大型雙向推力軸承試驗臺

四、燈泡貫流式水輪發電機

圖7 中國燈泡貫流式水輪發電機制造業的發展情況

燈泡貫流式水輪發電機適合于低水頭流域發電，其特點為電機的直徑小、鐵心長。電磁設計難度大，定子繞組的選擇和阻尼繞組的設計特別重要，需重點防止阻尼繞組的電蝕現象。由于電機的機構呈細長型，因而通風冷卻的設計難度也很大，有時需要考慮強迫通風方式。在軸承設計方面，重點工作主要是徑向軸承和正反推力軸承的結構設計。

貫流式水輪發電機在中國發展很快。圖7 給出了中國燈泡貫流式水輪發電機制造業的發展情況，其中，由東方電機有限公司制造的巴西杰瑞電站貫流式水輪發電機組是世界最大的貫流式水輪發電機組。

表3 國內已投運的大型抽水蓄能發電電動機組參數

五、變速水輪發電機

除常規的凸極同步式水輪發電機外，一種可變速的雙饋式水輪發電機正在引起人們的關注。2010年，由哈電集團開發的6500kW可變速水輪發電機組在新疆人民電站投入運行，如圖8所示。這是國內首臺變速水輪發電機組產品。盡管距離國外先進制造商的水平尚有一定差距，但這標志著國內變速水輪發電機組的良好開端。

圖8 人民電站的變速機組

六、前景展望

中國水輪發電機擁有廣闊的發展空間，立式水輪發電機的單機容量已經達到世界最大。從已運行的向家壩電站、到即將啟動的白鶴灘電站，中國的立式水輪發電機產品一直是處于世界領先水平。而貫流式水輪發電機產品也已經達到了世界領先行列。

在技術方面，中國水輪發電機的產品是多樣化的。空冷產品處于世界領先地位，蒸發冷卻產品是世界唯一具備生產業績的國家。因為有了前二項技術，水冷產品在中國趨于淘汰。

未來幾年，盡管中國整體經濟發展變緩，但中國水電市場的發展仍將走在世界前沿。在常規水輪發電機方面，世界最大的1000MW水輪發電機組，白鶴灘電站水輪發電機組建設項目已經啟動，預計這將鑄就世界空冷水輪發電機發展的一個新的里程碑。

在抽水蓄能發電電動機方面，陽江電站工程即將啟動，為400MW，428.6r/min的大型抽水蓄能機組，由此將使中國的抽水蓄能發電電動機制造水平邁向一個新的臺階。

隨著國網新源科技股份公司等單位抽水蓄能變速機組工程前期研究工作的啟動，抽水蓄能變速機組也將得到快速的發展。

由哈爾濱大電機研究所牽頭承擔的水電機組遠程服務與診斷系統正在開發中。未來水電產品的全生命周期服務將系統展開，水電產品的運行與維護將進入到一種新的信息化階段。