高海拔、大、中容量水輪發(fā)電機的開發(fā)設計

付佩賢， 張 翀， 祁臘梅

(東方電氣集團東風電機有限公司，四川樂山 614000)

高海拔、大、中容量水輪發(fā)電機的開發(fā)設計

付佩賢， 張 翀， 祁臘梅

(東方電氣集團東風電機有限公司，四川樂山 614000)

為保證水輪發(fā)電機組在高海拔條件下運行時的安全可靠性，降低發(fā)電機設計制造成本，東風電機公司通過大量的研究分析并結合西藏旁多水電站的實際情況，成功開發(fā)出了經(jīng)濟、實用、安全、可靠的新技術。這些技術的開發(fā)應用，有效地解決了高海拔條件下水輪發(fā)電機材料的選取、通風冷卻計算、絕緣防暈及電氣性能等技術難題。

旁多水電站；高海拔；結構設計；彈簧束支撐

1 概述

西藏旁多水利樞紐工程是國家西部大開發(fā)10周年確定的23個重點建設項目之一，也是西藏地區(qū)和平解放以來投資規(guī)模最大的水利樞紐工程，被譽為西藏三峽。目前，該項目創(chuàng)造了多個行業(yè)之最:防滲墻世界最深、高海拔地區(qū)庫容最大、高海拔地區(qū)單機容量最大、高海拔地區(qū)輸水隧洞最長、水頭變幅亞洲第一。工程地處海拔高度4 000 m以上的拉薩河流域中游，壩址位于西藏自治區(qū)林周縣旁多鄉(xiāng)下游1．5 km，距拉薩市直線距離63 km，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。工程以灌溉、發(fā)電為主，兼顧防洪及供水。由國家水利部、西藏自治區(qū)水利廳及西藏自治區(qū)旁多水利樞紐管理局開發(fā)，工程總投資45．69億元，水庫總庫容11．74億m3。工程安裝4臺總裝機容量16萬千瓦的水輪發(fā)電機組，其發(fā)電機組在高海拔地區(qū)單機容量居世界第一，年發(fā)電量可達6億kW·h。

2 發(fā)電機主要參數(shù)

主要參數(shù)見表1。

表1 發(fā)電機主要參數(shù)表

3 發(fā)電機結構及設計要點

本發(fā)電機為立軸半傘式結構，設有兩個導軸承。上導軸承在上機架中心體內(nèi)；下導軸承與推力軸承合用一個油槽，布置在下機架的推力油槽內(nèi)。發(fā)電機采用密閉自循環(huán)雙路進風的固定引風板端部回風通風結構，主要由定子、轉(zhuǎn)子、上機架、下機架及推力軸承、油水管路、輔助接線、滅火管路、制動器管路、空氣冷卻器裝置等組成。發(fā)電機結構見圖1。

圖1

該電站海拔高度達4 023 m，高海拔地區(qū)單機容量居世界第一，發(fā)電機的設計存在結構型式、材料選取、通風冷卻方式、絕緣電氣性能等一系列難題。作為東風電機公司上臺階的項目，在整個設計過程中，設計人員學習借鑒了國內(nèi)外先進技術，結合公司實際工藝水平，在保證機組性能的前提下，開發(fā)運用了大量先進技術，使得該機組具有結構合理、性能優(yōu)越、經(jīng)濟效益高等特點。目前，旁多電站4臺機組均已成功投運，運行狀況良好，機組振動、噪音、溫升等各項性能指標均顯著優(yōu)于國家標準及協(xié)議要求。事實充分說明該電站發(fā)電機所采用的一系列新技術是成功的，并極具向后續(xù)電站推廣使用的價值。現(xiàn)將發(fā)電機各部套結構及設計過程中所開發(fā)應用的新技術介紹于后。

3．1 定子設計

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。為保證機座剛度強度，設計時，通過結構設計及有限元計算結合進行的設計模式，定量計算機座三相短路時的受力，找出機座受力的弱點(如起吊點、鴿尾筋，空冷器口處機座壁)加以補強。在滿足機座強度的同時最大程度地節(jié)約了材料，(圖2)。

圖2

定子鐵芯由導磁性能好，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，段間用通風槽板隔開以形成通風溝。定子鐵芯采用穿心式螺桿+碟形彈簧的壓緊方式，該結構不僅能有效防止鐵芯松動，始終給予定子鐵芯恒定、足夠的壓力，而且還能降低壓指、壓板材料用量及性能要求(圖3)。

圖3

4 000 m以上高海拔水輪發(fā)電機定子線棒VPI工藝的開發(fā)。目前，我國中小型機組以多膠模壓為主，大型機組雖采用VPI制作，但均應用于低海拔地區(qū)，在此之前，東風電機公司在水輪發(fā)電機上沒有VPI技術儲備。研究表明，4 100m海拔高度下，定子線棒絕緣、防暈能力較低海拔下降超過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)不能滿足機組安全運行的要求。針對上述情況，設計人員通過多個電磁方案比較、計算，并結合分廠各階段試驗數(shù)據(jù)，開發(fā)出了針對4 000 m以上高海拔定子線棒的專用少膠VPI工藝，攻克了高海拔條件下線棒絕緣、防暈能力不足的技術難題。見圖4。

圖4

3．2 轉(zhuǎn)子設計

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構。支架在工地熱套在主軸上，它是支撐磁極、磁軛重量，傳遞力矩的主要部件。

3．3 上機架設計

上機架為輻射型組焊結構。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。上導軸承位于上機架中心體內(nèi)，上導軸承瓦為分瓣剛性支承結構，共8塊導瓦，上導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。上導瓦油膜間隙均可通過調(diào)整支柱螺釘與導軸瓦之間的墊片獲得。

3．4 下機架設計(含推力軸承)

該電站發(fā)電機為立軸半傘式結構，推力軸承位于轉(zhuǎn)子下方，與下導軸承合用一個油槽。下機架為承重機架，主要承受水輪機的水推力、機組轉(zhuǎn)動部分的重量及機架自重。根據(jù)旁多電站業(yè)主要求，該電站推力軸承的支撐結構應具有彈性并能平衡瓦間不對稱負荷。彈簧束支撐結構的特點是一種多支點支撐，各支點剛度適中，高度相等。支撐彈簧束除承受推力負荷外，還具有均衡各塊瓦間的負荷和吸收振動的作用。彈簧束支撐結構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。該結構不僅性能可靠，而且成本適中。目前，彈簧束支撐結構已在后續(xù)多個項目上得到推廣使用。見圖5。

圖5

3．5 發(fā)電機風路設計

研究證明，海拔高度的上升將導致冷卻空氣密度下降，具體如下:

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)電機的通風損耗比例會相應下降，意味著發(fā)電機總發(fā)熱量的減少和需求風量的降低。

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)熱部件溫升相應提高。

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荷保持不變的情況下，其通風系統(tǒng)的設計必須考慮適當增加機內(nèi)空氣流量，通過適當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。

綜上分析得出，隨著海拔高度增加，發(fā)電機主要發(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荷保持不變的情況下，其通風系統(tǒng)的設計必須考慮適當增加機內(nèi)空氣流量，通過相應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。

該電站海拔高度為4 000多m，空氣稀薄(表2)(設計進水溫度:28℃)

表2 空氣參數(shù)表

由表2可知:旁多電站機組所在地的空氣密度較正常值下降了35%；空氣體積比熱僅為正常值的64%；機組額定運行時，所需風量增加了近60%。基于以上情況，為了提高通風冷卻效果，發(fā)電機風路采用雙路徑向無風扇端部回風結構。該結構的優(yōu)點是:縮短了風路，冷卻空氣直接進入定子繞組的上、下端部，先冷卻線棒端部，避免了由于風路死區(qū)而引起的端部溫升過高的情況；然后再進入轉(zhuǎn)子，利用轉(zhuǎn)子支架和轉(zhuǎn)子磁軛的風扇作用，將冷卻空氣打入發(fā)電機極間和氣隙，最后進入定子鐵芯通風溝進行冷卻，見圖6。此通風系統(tǒng)為了加強風扇效應，盡量減小入口損失，將轉(zhuǎn)子支架設計成弧形進風口，并通過增加轉(zhuǎn)子徑向通風溝及磁軛通風隙的數(shù)量來增加電機的風量，有效彌補了高海拔條件下空氣稀薄導致?lián)Q熱風量不足的情況。

發(fā)電機定子機座壁上圓周均布了8套單個容量為110 kW的空氣冷卻器，用于冷卻從機組內(nèi)部出來的熱空氣。

3．6 防油霧措施

該電站為中、低轉(zhuǎn)速機組，通常情況下，機組運行時的油槽內(nèi)外壓差不大，不會出現(xiàn)油霧外溢的問題。但考慮到旁多電站站址海拔高度達4 023 m，環(huán)境空氣密度僅為正常值的65%，若不采取恰當措施，機組運行時，油槽內(nèi)所產(chǎn)生的油霧將致使槽內(nèi)壓力顯著大于槽外壓力的情況，從而引發(fā)油霧外溢的事故。為此，設計過程中，技術人員針對性地采用了如下措施防止油霧外溢:①對油槽內(nèi)所有部件，包括油冷卻器、擋油板、導油板的位置進行合理的布置，使油流順暢，同時減小撞擊和攪動，從而減少油霧的產(chǎn)生；②采用接觸式密封蓋，防止由于接觸不實導致油霧外溢；③采用吸、排油霧裝置，將產(chǎn)生的過量油霧排出，避免油、氣混合影響軸承潤滑及冷卻；④每個軸承設置了兩臺液壓空氣濾清器，有效平衡了油槽內(nèi)、外壓差。從旁多電站發(fā)電機實際運行情況看，以上針對高海拔地區(qū)的防油霧措施是成功的。

圖6

3．7 材料選取及使用

旁多電站地處4 023 m的高海拔、高寒地區(qū)，溫度多變，極端氣溫低至－29．3℃。在此惡劣環(huán)境下，材料的選取不僅僅要計算機組運行時的最大受力，還需考慮極端低溫環(huán)境下，材料的酥脆性、低溫脆斷等因素。通過分析論證、計算，最終機組主要受力部件的材質(zhì)均采用了Q345E，使機組在極寒環(huán)境下具有足夠抗沖擊功能。

4 社會效益及經(jīng)濟效益

目前，世界各地河流梯級開發(fā)已趨于枯竭，行業(yè)內(nèi)產(chǎn)能過剩，競爭異常激烈，利潤空間很小，僅一些存在著很大開發(fā)難度的流域還有待開發(fā)，如青藏高原等高海拔地區(qū)。由于高海拔地區(qū)氣候條件相當惡劣，晝夜溫差大、氣溫低、空氣稀薄，從而對發(fā)電機組的結構型式、材料選取、通風冷卻方式、絕緣電氣性能等提出一系列新的課題。作為高海拔地區(qū)單機容量世界第一的已運行機組，西藏旁多電站發(fā)電機組的成功投運，標志著我公司完全掌握了高海拔地區(qū)發(fā)電機組設計、制造中的技術難點，為今后承接類似機組提供了大量的技術及經(jīng)驗儲備，提升了公司市場競爭力。

截至2011年11月底，藏中電網(wǎng)裝機容量僅87．3萬kW，電力供需矛盾嚴重。而旁多電站裝機容量達16萬kW，年平均發(fā)電量約5．99億kW ·h。電站成功并網(wǎng)運行后，大大緩減了西藏中部地區(qū)電力不足的情況。

作為央企，DEC很好地將“中央關心西藏，全國支援西藏”落到了實處，為邊疆地區(qū)社會穩(wěn)定、經(jīng)濟發(fā)展乃至國家的長治久安作出了巨大的貢獻。

(責任編輯:卓政昌)

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1001-2184(2015)05-0148-04

付佩賢(1984-)，男，漢族，云南昭通人，畢業(yè)于重慶大學電機專業(yè)，工程師，現(xiàn)為東方電氣集團東風電機有限公司技術部設計員；

張 翀(1974-)，男，漢族，湖南新邵人。畢業(yè)于重慶大學電機專業(yè)，高級工程師，現(xiàn)為東方電氣集團東風電機有限公司電機設計室主任；

祁臘梅(1985-)，女，漢族，內(nèi)蒙古赤峰人。畢業(yè)于哈爾濱理工大學電機專業(yè)，工程師，現(xiàn)為東方電氣集團東風電機有限公司電機設計員．

2015-09-23