水輪發(fā)電機設(shè)計優(yōu)化方案

彭凌云

(哈爾濱電機廠有限責(zé)任公司，哈爾濱 150040)

水輪發(fā)電機的設(shè)計工作需要充分結(jié)合電力發(fā)電需求、使用目標(biāo)、技術(shù)應(yīng)用等，對部件架構(gòu)、尺寸、軸承、電荷等參數(shù)進(jìn)行確定，在保證方案可行性的基礎(chǔ)上，對發(fā)電機施工進(jìn)行科學(xué)指導(dǎo)。對設(shè)計方案進(jìn)行整體優(yōu)化，需要從電磁設(shè)計出發(fā)，加強各項計算參數(shù)的計算，做好技術(shù)設(shè)計優(yōu)化，從而有效提升水輪發(fā)電機的設(shè)計質(zhì)量。

1 水輪發(fā)電系統(tǒng)的整體設(shè)計特點

1.1 水輪發(fā)電機的運行原理

水輪發(fā)電系統(tǒng)的主要運行原理是依靠水輪機提供驅(qū)動力生產(chǎn)電力，因此，水輪機的尺寸、類型等決定發(fā)電機組整體結(jié)構(gòu)形式及安裝方式。電力生產(chǎn)單位存在環(huán)境條件、生產(chǎn)需求、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)等方面的差異性，發(fā)電機組的容量、轉(zhuǎn)速等也存在差異，容量較小的系統(tǒng)可以獨立供電，也能夠通過并聯(lián)形成供電網(wǎng)進(jìn)行供電，而中型與大型發(fā)電機組通常處于大型電網(wǎng)系統(tǒng)中。由于水輪發(fā)電機組要求快啟動和迅速地開停機，調(diào)速要求靈活，所以在電力系統(tǒng)中，水輪發(fā)電機在承擔(dān)基本任務(wù)的同時，還要具備調(diào)峰等方面控制功能。

1.2 水輪發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計特點

相較于其他形式的發(fā)電系統(tǒng)，水輪發(fā)電機組的特點表現(xiàn)為：一是飛輪轉(zhuǎn)矩GD2的設(shè)計要求較高，轉(zhuǎn)子直徑較大，外形尺寸需要進(jìn)行控制。二是需要鋪設(shè)一定的高壓線路，對動態(tài)與靜態(tài)穩(wěn)定技術(shù)有著專業(yè)化的要求，才能保證供電安全與電力輸送的效率。三是水輪發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)具備飛逸轉(zhuǎn)速控制功能，在設(shè)計的過程中，保證轉(zhuǎn)動的強度能夠保證飛逸轉(zhuǎn)速狀態(tài)下的正常運行。

2 水輪發(fā)電系統(tǒng)的主要設(shè)計流程

2.1 確定尺寸與性能

發(fā)電機組尺寸與類型的確定應(yīng)該合理考慮三方面的條件：第一，保證電磁設(shè)計的合理性與科學(xué)性，對參數(shù)直軸瞬變電抗Xa進(jìn)行測試，保證測試數(shù)值符合標(biāo)準(zhǔn)。第二，在允許應(yīng)力下，轉(zhuǎn)子磁軛應(yīng)符合GD2要求。第三，運輸條件與通風(fēng)冷卻性能應(yīng)滿足設(shè)計要求。通過發(fā)電、GD2數(shù)值的計算，能夠有效對發(fā)電機組的尺寸進(jìn)行估算。為達(dá)到實際運轉(zhuǎn)過程中水輪發(fā)電機可以有良好的通風(fēng)冷卻效果，鐵心長度和極矩的比值一定不能過大。

2.2 電負(fù)荷A的設(shè)計

電負(fù)荷A是設(shè)計水輪發(fā)電系統(tǒng)的重要參數(shù)，同時，也是方案設(shè)計的主要參考經(jīng)濟指標(biāo)，與電機尺寸確定、電抗計算與繞組溫度等方面有密切關(guān)系。A的大小是影響定子繞組銅損參數(shù)的直接因素，此外，對定子的溫升與運行效率有一定影響。A的取值要依照每極容量、電機絕緣等級以及絕緣方式確定。隨著冷卻技術(shù)的發(fā)展，A的取值精確性大幅度提高。

2.3 繞組模式

繞組形式屬于定子設(shè)計環(huán)節(jié)的重點，現(xiàn)階段，繞組設(shè)計的模式包括多匝圈式疊繞組以及單匝條式波繞組兩種。在大型、中型的水輪發(fā)電系統(tǒng)中，通常會選擇雙層圈式的定子疊繞組模式，低速的發(fā)電機組中大多采用雙層條式定子波繞組技術(shù)。采用圈式疊繞組可以降低銅的用量，焊接工藝簡單，在發(fā)電機組運行的過程中，能夠?qū)崿F(xiàn)對電負(fù)荷、槽電流的有效控制。但由于接線數(shù)量較多，絕緣故障發(fā)生的可能性較高。條式波繞組具備較高的絕緣性能，能夠控制環(huán)流的損耗程度，檢修便利，但在電負(fù)荷、槽電流控制方面存在隱患，焊接技術(shù)復(fù)雜。

3 水輪發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計的優(yōu)化方向

3.1 設(shè)計流程的優(yōu)化

水輪發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計可分電磁設(shè)計、技術(shù)設(shè)計、施工設(shè)計三部分。其中技術(shù)設(shè)計是指對水輪發(fā)電機組的結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行改進(jìn)，提升系統(tǒng)運行的效率性、穩(wěn)定性等參數(shù)，通過方案優(yōu)化與改進(jìn)，解決技術(shù)問題。為此，技術(shù)設(shè)計工程師要對新問題進(jìn)行分類及特征分析，了解需要解決問題實質(zhì)后，通過電磁設(shè)定確定一些基本參數(shù)，依托于大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)等現(xiàn)代技術(shù)，提升設(shè)計數(shù)據(jù)的處理效率。同時，還可以利用數(shù)據(jù)模擬、三維建模等功能，對設(shè)計方案中不符合實際情況、施工標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)要求的部分進(jìn)行調(diào)整，對發(fā)電機組的運行轉(zhuǎn)速、電荷、承載力等進(jìn)行核算，提升方案的實效性與科學(xué)性。

3.2 注意設(shè)計環(huán)節(jié)的有效銜接

在發(fā)電機組的具體設(shè)計階段，包括尺寸設(shè)定、電負(fù)荷A設(shè)定、定子與轉(zhuǎn)子、軸承與機架設(shè)計等內(nèi)容，不同設(shè)計環(huán)節(jié)的關(guān)鍵點存在差別。在尺寸設(shè)定時，應(yīng)以可靠性為第一標(biāo)準(zhǔn)。以結(jié)構(gòu)設(shè)計為例，水輪發(fā)電機主要有懸式、半傘式、傘式的安裝模式，要針對不同水輪發(fā)電機特點進(jìn)行選取。而對于轉(zhuǎn)速要求較高且容量小的系統(tǒng)，要選擇懸式構(gòu)造，以保證機組平穩(wěn)、高效運行，為后期維護、檢測等工作提供便利。與此同時，在定子的設(shè)計過程中，先確定機座尺寸，確保機座的強度與剛度，在壓力測試的過程中，對定子機座的負(fù)荷、抗壓性能進(jìn)行檢驗，發(fā)現(xiàn)問題應(yīng)及時進(jìn)行改進(jìn)，對設(shè)計方案進(jìn)行合理優(yōu)化。

3.3 軸承與機架設(shè)計優(yōu)化

軸承設(shè)計。發(fā)電機軸承設(shè)計過程主要包括推力軸承、導(dǎo)軸承兩種方案，推力軸承設(shè)計的優(yōu)化方向分為技術(shù)類與大型系統(tǒng)兩類。其中，在大型發(fā)電系統(tǒng)中，需要對軸承的質(zhì)量、性能與相應(yīng)的成本價值等進(jìn)行分析，確定具體的應(yīng)用類型。在技術(shù)改進(jìn)方面，對軸承的負(fù)載參數(shù)、摩擦力、循環(huán)情況等進(jìn)行具體的計算，依托于計算機平臺的大數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)建模等相關(guān)技術(shù)，在保證數(shù)據(jù)核算與校對準(zhǔn)確性的基礎(chǔ)上，篩選優(yōu)化方案。在導(dǎo)軸承設(shè)計改進(jìn)的過程中，導(dǎo)軸承運行功能表現(xiàn)為將載荷機組轉(zhuǎn)動部分徑向的不平衡力與電磁不平衡力，將機組的軸承擺動控制在穩(wěn)定可控范圍內(nèi)。在設(shè)計階段，應(yīng)結(jié)合發(fā)電機的轉(zhuǎn)速、容量等條件，對軸承應(yīng)裝設(shè)的位置、數(shù)量等進(jìn)行計算，保證方案的有效執(zhí)行。

機架設(shè)計。機架在水輪發(fā)電系統(tǒng)中的主要功能是支撐，通過對軸承、大型構(gòu)建進(jìn)行支撐，保證系統(tǒng)的運行穩(wěn)定。根據(jù)設(shè)備運行需求與生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)等條件進(jìn)行部件設(shè)計，應(yīng)在掌握不同機架荷載力區(qū)別的基礎(chǔ)上，合理確定結(jié)構(gòu)類型，具體可以分為荷載與非荷載兩種。依照機架結(jié)構(gòu)不同，可分井字形、橋型等。在設(shè)計優(yōu)化改進(jìn)過程中，要根據(jù)水輪發(fā)電機組構(gòu)成、要求、安裝形式等方面的標(biāo)準(zhǔn)，對機架進(jìn)行具體的調(diào)整。

4 結(jié)語

水輪發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計是影響發(fā)電機組運行質(zhì)效的重要因素，在設(shè)計的過程中，不僅涉及各項技術(shù)參數(shù)、使用性能、標(biāo)準(zhǔn)尺寸等內(nèi)容，還需要對電機結(jié)構(gòu)進(jìn)行技術(shù)設(shè)計。發(fā)電機組的架構(gòu)較為復(fù)雜、結(jié)構(gòu)性能要求較高，需要設(shè)計人員在確定方案的基礎(chǔ)上，全面掌握定子、轉(zhuǎn)子、軸承與機架等環(huán)節(jié)涉及要點的同時，結(jié)合實際情況對設(shè)計規(guī)劃進(jìn)行優(yōu)化，保證電力生產(chǎn)系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性與效率性。