巨型全空冷水輪發(fā)電機(jī)組在長(zhǎng)江三峽右岸定子吊裝
前運(yùn)行實(shí)踐表明，700兆瓦全空冷巨型水輪發(fā)電機(jī)實(shí)現(xiàn)了總風(fēng)量適宜、風(fēng)量分配合理、風(fēng)速均勻、冷卻效果良好的總體目標(biāo)，并且機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定，振動(dòng)、擺度及溫升等性能指標(biāo)達(dá)到優(yōu)良標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)志著空冷技術(shù)的重大突破。龍灘和三峽700兆瓦全空冷機(jī)組的運(yùn)行，打破了目前在500兆瓦級(jí)以上的大型水輪發(fā)電機(jī)中多采用半水冷的格局。
單機(jī)容量最大、結(jié)構(gòu)尺寸最大、推力負(fù)荷最大
在2010年1月份的國(guó)家科技獎(jiǎng)勵(lì)大會(huì)上，由哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司完成的巨型全空冷水輪發(fā)電機(jī)組關(guān)鍵技術(shù)突破及工程應(yīng)用獲得了國(guó)家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)。
時(shí)間再往前推兩年多，2007年9月，中國(guó)電器工業(yè)協(xié)會(huì)、中國(guó)電機(jī)工程學(xué)會(huì)和中國(guó)電工技術(shù)學(xué)會(huì)組織國(guó)內(nèi)發(fā)電行業(yè)的眾多資深專家匯聚北京，就剛剛研制成功的世界上單機(jī)容量最大的700兆瓦全空冷巨型水輪發(fā)電機(jī)成功并網(wǎng)發(fā)電進(jìn)行研討和交流。
會(huì)上，國(guó)內(nèi)發(fā)電行業(yè)的專家們經(jīng)過(guò)對(duì)大量數(shù)據(jù)的分析，專家們一致認(rèn)為世界上單機(jī)容量最大、結(jié)構(gòu)尺寸最大、推力負(fù)荷最大的700兆瓦級(jí)巨型全空冷水輪發(fā)電機(jī)的制造技術(shù)達(dá)到了世界領(lǐng)先水平，這無(wú)疑開創(chuàng)了世界上單機(jī)容量最大的全空冷水輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行的新時(shí)代。
——新聞背景——
半水冷回歸到空冷
水力資源屬清潔的可再生能源，是發(fā)電設(shè)備的首選資源。隨著世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展與能源需求的增加，建設(shè)大型水力發(fā)電廠仍是一個(gè)時(shí)期內(nèi)的主要方向。大型凸極水輪發(fā)電機(jī)作為水力發(fā)電的主要設(shè)備，也經(jīng)歷了長(zhǎng)期不斷的技術(shù)進(jìn)步和發(fā)展。
目前，中國(guó)55—75萬(wàn)千瓦水輪發(fā)電機(jī)機(jī)組有100多臺(tái)，70萬(wàn)千瓦以上容量的機(jī)組60多臺(tái)，從2005年到2020年,每年新增水電裝機(jī)達(dá)1000萬(wàn)千瓦以上，是以往5倍的規(guī)模。
對(duì)大容量水輪發(fā)電機(jī)，冷卻技術(shù)是設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵問(wèn)題。大型水輪發(fā)電機(jī)的冷卻方式主要有全空冷、半水冷和蒸發(fā)冷卻3種。
空氣冷卻方式在電機(jī)內(nèi)部只采用空氣作為冷卻介質(zhì)，通過(guò)空氣的流通實(shí)現(xiàn)電機(jī)整體的降溫冷卻。此時(shí)，所需要的輔助設(shè)備為空水冷卻器。半水冷冷卻方式定子線棒要采用部分內(nèi)部通水的空心股線導(dǎo)體，借助于水的流動(dòng)帶走定子的一部分損耗。輔助設(shè)備除常規(guī)的空水冷卻器外，尚需要一套復(fù)雜的水處理及循環(huán)系統(tǒng)，以降低冷卻水的導(dǎo)電性并驅(qū)動(dòng)水的運(yùn)動(dòng)。蒸發(fā)冷卻方式采用類似于水冷的定子線棒建立一套冷卻介質(zhì)的蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)以帶走定子的部分熱量。蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)的介質(zhì)不導(dǎo)電，同時(shí)無(wú)需借助泵類設(shè)備驅(qū)動(dòng)介質(zhì)的循環(huán)。
其中，全空冷方式采用不需要任何成本投入的空氣作為介質(zhì)，同時(shí)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝簡(jiǎn)便、維護(hù)方便、可靠性高、事故率低、啟停機(jī)方便快速等特點(diǎn)。但該種冷卻方式一直只能在單機(jī)容量400兆瓦以下的水輪發(fā)電機(jī)中使用，而對(duì)于600兆瓦以上的大型水輪發(fā)電機(jī)，國(guó)際上普遍認(rèn)為使用全空冷存在很多技術(shù)障礙。隨著發(fā)電機(jī)的容量越做越大，電機(jī)界逐漸用半水冷的冷卻方式替代了空氣冷卻。
但隨著時(shí)間的推移，采用半水冷的水輪發(fā)電機(jī)又暴露出很多的弊病，如接頭漏水容易將電機(jī)燒毀等。
通過(guò)對(duì)多家采用水冷卻的電站進(jìn)行跟蹤，哈電的研究人員認(rèn)為半水冷的冷卻方式不是最好的。于是哈電的專家們開始考慮，如何將結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于維護(hù)的空氣冷卻系統(tǒng)應(yīng)用到大容量的機(jī)組上。
從上個(gè)世紀(jì)70年代劉家峽的建設(shè)，到巖灘機(jī)組的投運(yùn)，哈電對(duì)300兆瓦以內(nèi)的全空冷機(jī)組進(jìn)行了比較深入細(xì)致的研究。但那時(shí)哈電在通風(fēng)冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方面還沿襲了前蘇聯(lián)的模式，認(rèn)為風(fēng)量越大越好，在很小的機(jī)組中也加有很多的風(fēng)扇，用以降溫。但機(jī)組制造出來(lái)后，存在著通風(fēng)損耗大、效率低、風(fēng)量不均勻等缺點(diǎn)。上個(gè)世紀(jì)70年代后期，該公司與世界先進(jìn)的電機(jī)制造公司進(jìn)行合作和交流時(shí)發(fā)現(xiàn)，他們?cè)谠O(shè)計(jì)全空冷機(jī)組時(shí)，不是片面地追求大風(fēng)量，而是追求合理適宜的總風(fēng)量，并且風(fēng)量分配和風(fēng)速都要均勻。這時(shí)，哈電人對(duì)空冷水輪發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)理念漸漸改變了。
——創(chuàng)新點(diǎn)——
提出全新設(shè)計(jì)思想
全空冷巨型水輪發(fā)電機(jī)主要技術(shù)難點(diǎn)是空氣對(duì)電機(jī)的冷卻效果和冷卻均勻性，如何避免不均勻冷卻導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)部件熱脹變形，以及由于冷卻效果差引發(fā)的溫升超標(biāo)，這是世界性的難題。為了解決這一難題，必須對(duì)全空冷電機(jī)的電磁計(jì)算、結(jié)構(gòu)、通風(fēng)冷卻系統(tǒng)及絕緣系統(tǒng)等進(jìn)行整體協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)和優(yōu)化創(chuàng)新。
在三峽、龍灘工程中，哈電首先打破過(guò)去空冷按每極容量設(shè)計(jì)的技術(shù)界限，提出了全新設(shè)計(jì)思想：無(wú)論是水冷、空冷，最根本的是要控制機(jī)組溫度。
研究人員認(rèn)為，每極容量不能全面地反映電機(jī)內(nèi)部熱交換的機(jī)理，其概念相對(duì)模糊，在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)更注重對(duì)電機(jī)的電壓、定子繞組支路數(shù)與槽電流的匹配及熱流密度分析計(jì)算和溫升控制。
三峽右岸全空冷水輪發(fā)電機(jī)采用了密閉自循環(huán)徑向雙路端部回風(fēng)的無(wú)風(fēng)扇通風(fēng)系統(tǒng)，這種通風(fēng)系統(tǒng)沒(méi)有風(fēng)扇。沒(méi)有風(fēng)扇的通風(fēng)系統(tǒng)冷卻效果更好，定子線棒全部測(cè)點(diǎn)的最高溫度與最低溫度之差約為6℃，同
一高程測(cè)點(diǎn)的溫差不大于4℃，同一根線棒軸向溫差不大于3℃，而鐵心最高溫度與最低溫度之差不大于2℃，溫度分布非常均勻。這些指標(biāo)絕不亞于半水冷卻技術(shù)。
通過(guò)多年的自主研發(fā)和技術(shù)引進(jìn)，哈電還形成了一套自己的通風(fēng)設(shè)計(jì)及計(jì)算方法，對(duì)長(zhǎng)鐵心大容量水輪發(fā)電機(jī)極間流場(chǎng)、鐵心表面散熱系數(shù)等進(jìn)行模擬試驗(yàn)，采用先進(jìn)的計(jì)算軟件對(duì)電機(jī)的軸、徑向三維溫度場(chǎng)進(jìn)行分析和精確計(jì)算。
為了掌握第一手技術(shù)數(shù)據(jù)，哈電還設(shè)計(jì)制造了三峽水輪發(fā)電機(jī)真機(jī)通風(fēng)模型，并進(jìn)行了模擬試驗(yàn)，根據(jù)模型試驗(yàn)結(jié)果對(duì)真機(jī)的通風(fēng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了完善和優(yōu)化。
——過(guò)程——
全空冷與半水冷的博弈
在三峽和龍灘的電站建設(shè)中，應(yīng)用空氣冷卻系統(tǒng)并不是一帆風(fēng)順的。
三峽的左岸為國(guó)際招標(biāo)，冷卻方式采用半水冷。通過(guò)與國(guó)外某公司的合作，哈電順利完成了三峽左岸機(jī)組的制造，但是制造大容量等級(jí)的水輪發(fā)電機(jī)組的腳步卻從未停下。
龍灘700兆瓦機(jī)組在國(guó)內(nèi)招標(biāo)，在選擇冷卻方式時(shí)，一部分專家支持全空冷，一部分支持采用半水冷。哈電詳實(shí)的論證方案最終得到認(rèn)可。另外，龍灘是地下廠房，采用全空冷機(jī)組可以減少地下廠房的挖掘，而且從立足于國(guó)內(nèi)制造的角度來(lái)說(shuō)，采用全空冷方式較為安全可靠，因此選擇了全空冷方式。
為了更好地驗(yàn)證全空冷機(jī)組的可行性，哈電做了1臺(tái)和真機(jī)比例為1∶5的通風(fēng)模型，進(jìn)行模擬試驗(yàn)。模型的運(yùn)轉(zhuǎn)證明了哈電的實(shí)力，國(guó)外的專家非常認(rèn)可其通風(fēng)冷卻模型，認(rèn)為該技術(shù)已經(jīng)達(dá)到了世界先進(jìn)水平。
在三峽右岸12臺(tái)機(jī)組投標(biāo)過(guò)程中，專家們進(jìn)行了很多論證工作，在冷卻方式上依然有分歧，一部分專家認(rèn)可水冷卻，一部分專家贊成空氣冷卻。最終，三峽總公司選定哈電在三峽右岸4臺(tái)840兆伏安發(fā)電機(jī)上采用全空冷冷卻方式，而東電公司承制的4臺(tái)水輪發(fā)電機(jī)和ALSTOM公司承制的4臺(tái)水輪發(fā)電機(jī)依然采用半水冷的冷卻方式。
■延伸閱讀
小硬幣檢驗(yàn)大機(jī)組
一個(gè)經(jīng)典試驗(yàn)最能說(shuō)明機(jī)組卓越的性能。長(zhǎng)江三峽工程開發(fā)總公司副總經(jīng)理?xiàng)钋逶鴮⒁粋€(gè)硬幣立在發(fā)電機(jī)的蓋板上，機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，硬幣能夠站住，不但如此，機(jī)組甩負(fù)荷的時(shí)候，轉(zhuǎn)速上升，硬幣仍然能站住，這說(shuō)明機(jī)組的穩(wěn)定性很好，機(jī)組在滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)振動(dòng)非常小。三峽機(jī)組是世界上容量、尺寸最大的水輪發(fā)電機(jī)組，整個(gè)機(jī)組的重量達(dá)到5500噸，上下高度超過(guò)50米，相當(dāng)于一座10多層樓的高度。如此巨大的設(shè)備不停運(yùn)轉(zhuǎn)，而上面硬幣居然能夠站立，著實(shí)讓人嘆服。
能夠做到這一點(diǎn)，主要得益于轉(zhuǎn)輪的水力穩(wěn)定性和制造精度。在三峽工程以前，我國(guó)十幾個(gè)大電站引進(jìn)的國(guó)外水輪發(fā)電機(jī)組，大部分在運(yùn)行時(shí)水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪出現(xiàn)振動(dòng)，嚴(yán)重的導(dǎo)致轉(zhuǎn)輪產(chǎn)生裂紋甚至被迫停機(jī)，給電站帶來(lái)巨大損失。哈機(jī)副總工陶星明說(shuō)，三峽左岸引進(jìn)的國(guó)外轉(zhuǎn)輪在運(yùn)行范圍內(nèi)存在振動(dòng)帶，不能滿足合同的要求。哈電機(jī)通過(guò)設(shè)計(jì)理論創(chuàng)新和多輪優(yōu)化設(shè)計(jì)與試驗(yàn)，開發(fā)出了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的混流式L型葉片轉(zhuǎn)輪，完全消除了運(yùn)行范圍內(nèi)存在振動(dòng)帶的問(wèn)題，成為三峽工程中穩(wěn)定性最好的機(jī)組。
轉(zhuǎn)型的最終目的 -提質(zhì)降本增效
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