龍灘水電站水輪發(fā)電機(jī)組全空冷技術(shù)

龍灘水電站水輪發(fā)電機(jī)組全空冷技術(shù)

龍灘水庫位于廣西天峨?yún)^(qū)紅水河支流。該項(xiàng)目主要用于發(fā)電，同時考慮防洪、交通運(yùn)輸?shù)?。在系統(tǒng)中，主要起到峰、頻率和事故儲備的作用。工程分兩期建設(shè),一期工程上游蓄水水位375m,裝機(jī)容量為7×700MW;二期工程按上游蓄水水位400m設(shè)計(jì),總裝機(jī)容量達(dá)到9×700MW。一期工程7臺機(jī)組已于2008年12月全部投產(chǎn)。龍灘水電站水輪發(fā)電機(jī)在三峽左岸電站經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,經(jīng)過認(rèn)真分析論證,采用了全空冷技術(shù)。龍灘水電站1號機(jī)組從2007年5月投產(chǎn)安全穩(wěn)定運(yùn)行至今,驗(yàn)證了選型、設(shè)計(jì)、制造的合理性,為水電建設(shè)和生產(chǎn)運(yùn)行管理的同行積累了一些經(jīng)驗(yàn)。1可靠性1.1發(fā)電機(jī)運(yùn)行環(huán)境條件發(fā)電機(jī)技術(shù)參數(shù):型號SF700-56/16090,型式立軸半傘式密閉空冷凸極同步發(fā)電機(jī),額定容量777.8MV·A,額定電壓18kV,額定電流24949A,額定功率因數(shù)0.9,相數(shù)3,額定頻率50Hz,額定轉(zhuǎn)速107.1r/min,飛逸轉(zhuǎn)速214r/min,飛輪力矩(GD2)220000t·m2,推力負(fù)荷30410kN,定子質(zhì)量760t,轉(zhuǎn)子質(zhì)量1618t,總質(zhì)量3028t。1.2技術(shù)特點(diǎn)1.2.1機(jī)組運(yùn)行可靠性和穩(wěn)定性與全水冷、半水冷機(jī)組相比,其優(yōu)勢為:沒有純水系統(tǒng),占地面積小;沒有定轉(zhuǎn)子冷卻水供水管接頭滲漏的可能,運(yùn)行可靠性更高;沒有純水冷卻控制系統(tǒng)的限制,機(jī)組起停時間短,更能適應(yīng)調(diào)峰、調(diào)頻和事故備用的要求;雖然GD2較大,但可使運(yùn)行更平穩(wěn),甩負(fù)荷轉(zhuǎn)速上升率可降低。1.2.2改善定子及鐵心溫度分布為實(shí)現(xiàn)通風(fēng)冷卻,全空冷發(fā)電機(jī)定子鐵心長度相對水冷機(jī)組要長(龍灘水電站機(jī)組鐵心高度達(dá)3300mm),需改善設(shè)計(jì)和定子鐵心壓緊工藝,加寬鐵心軛部寬度,增加壓指、壓板的高度以提高鐵心壓緊力。為改善因全空冷機(jī)組溫差大在徑向、軸向產(chǎn)生的熱應(yīng)力,定子機(jī)架主立筋、上機(jī)架輻臂、轉(zhuǎn)子輻臂采用斜元件,與徑向形成一定夾角,將徑向力部分轉(zhuǎn)移為切向力,減小熱形變;定子鐵心采用雙鴿尾結(jié)構(gòu),在鐵心與機(jī)座之間保持一定間隙,以防止鐵心翹曲變形。為使定子溫度分布均勻,需采取降低通風(fēng)溝高度、增加通風(fēng)溝數(shù)量的措施,以改善定子及鐵心溫度分布;采取降低定子端部風(fēng)道高度,增加風(fēng)速措施,改善匯流環(huán)及定子端部溫度分布。為降低推力軸承、下導(dǎo)瓦溫,將推力軸承、下導(dǎo)軸承分離布置在兩個油槽內(nèi),推力軸承采用外循環(huán)水冷方式,下導(dǎo)軸承采用自循環(huán)水冷方式,以改善各自冷卻效果。2機(jī)組運(yùn)行情況龍灘水電站1號機(jī)組于2007年5月投產(chǎn)發(fā)電。截至2009年3月,機(jī)組已連續(xù)安全運(yùn)行近700d,累計(jì)發(fā)電量近60億kW·h,累計(jì)運(yùn)行近10000h;總起停次數(shù)近230次。期間完成2次C級檢修,總體運(yùn)行性能良好。2.1發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子溫度分布龍灘水電站發(fā)電機(jī)相同部位,溫度分布基本一致。為便于分析,主要以1號機(jī)組有功700MW、無功85MW情況下各部位平均溫度或溫升進(jìn)行描述。發(fā)電機(jī)共布置16臺空氣冷卻器,單臺冷卻功率720kW,冷卻水設(shè)計(jì)壓力為0.2~0.6MPa,運(yùn)行中控制水壓在0.3~0.35MPa之間。各臺冷卻器溫度分布均勻,工作狀況穩(wěn)定,運(yùn)行數(shù)據(jù)見表1。16臺空冷器總風(fēng)量為303m3/s,下風(fēng)道平均風(fēng)速測得為3.8m/s,下風(fēng)道風(fēng)量為146m3/s;上風(fēng)道風(fēng)量為157m3/s。冷卻器總冷卻功率為9093.6kW,尚小于16臺空冷器總額定冷卻功率,已能滿足正常機(jī)組運(yùn)行的要求。定子鐵心軸向布置70個高6mm的通風(fēng)溝,自上而下各通風(fēng)溝風(fēng)速及對應(yīng)位置鐵心溫度分布情況見圖1?？梢悦黠@看出,鐵心端部風(fēng)速較低,中部基本均勻。這是因?yàn)殍F心上下兩端因定轉(zhuǎn)子氣隙漏風(fēng),減小了通風(fēng)壓頭,降低了風(fēng)速。因發(fā)電機(jī)上風(fēng)道較下風(fēng)道寬大,上部氣隙漏風(fēng)相對較大,所以上部通風(fēng)溝較下部通風(fēng)溝風(fēng)速低。從定子鐵心軸向溫度分布來看,上端部高于下端部,與風(fēng)速分布耦合非常明顯。定子繞組、定子鐵心、上下壓指溫度及溫升情況見表2。發(fā)電機(jī)鐵心、繞組溫度在合格范圍內(nèi),在圓周方向分布均勻,溫度及溫升均在較低水平,未有發(fā)現(xiàn)明顯局部過熱情況。轉(zhuǎn)子繞組在靜態(tài)26.3℃下,直流電阻為94.99mΩ;在轉(zhuǎn)子電壓為321.04V,轉(zhuǎn)子電流為2870.62A的情況下,考慮滑環(huán)壓降等影響因素,計(jì)算轉(zhuǎn)子溫度為62.4℃,轉(zhuǎn)子溫升為38.7K。換算到額定勵磁電流下的轉(zhuǎn)子溫度為89.6℃,溫升為55.7K,可見,該值在合格范圍內(nèi),且有較大的余度。2.2力、下導(dǎo)軸承龍灘水電站發(fā)電機(jī)軸承包括上導(dǎo)軸承、推力軸承和下導(dǎo)軸承。額定負(fù)荷下各部軸承溫度見表3,由表3可知,最大、最小溫差符合要求,瓦溫分布基本均勻,溫度穩(wěn)定。2.3u3000從轉(zhuǎn)子高度發(fā)電機(jī)上導(dǎo)、下導(dǎo)、上機(jī)架、下機(jī)架和定子機(jī)座X、Y方向的振動,定子鐵心圓周120°角3等分位置的水平和垂直方向振動情況見表4。除定子機(jī)座水平振動超過安裝規(guī)范GB/T8564—2003要求的30μm,其他各部均正常。定子機(jī)座水平振動隨電壓的上升而增大,變化規(guī)律見圖2,但隨負(fù)荷的增加沒有明顯變化。定子機(jī)座水平振動主要振動分量為1倍、2倍、3倍轉(zhuǎn)頻下幅值較高,且隨定子電壓的上升而增大。其中,2倍轉(zhuǎn)頻振動分量最大,在額定電壓下超過30μm。通過兩次機(jī)組小修檢查,并未發(fā)現(xiàn)定子機(jī)座及鐵心異常情況,該振動幅值、頻率特性亦沒有明顯變化。初步可以判斷未造成器質(zhì)性損害,需要進(jìn)一步研究該振動產(chǎn)生原因。GB/T8564—2003要求立式水輪發(fā)電機(jī)定子機(jī)座水平振動不應(yīng)超過30μm,但并未說明所適用定子高度。對于定子鐵心高度達(dá)3.3m的發(fā)電機(jī)是否適用還需要進(jìn)一步商榷。2.4穩(wěn)定運(yùn)行極限發(fā)電機(jī)在空載工況和負(fù)載工況下的勵磁參數(shù)見表5,空載、負(fù)載情況下的勵磁電流、勵磁電壓均小于設(shè)計(jì)值。龍灘水電站1號發(fā)電機(jī)在投產(chǎn)之初按規(guī)范要求進(jìn)行了短路特性和空載特性試驗(yàn),額定定子電流時勵磁電流為1758A,額定定子電壓時勵磁電流為1909A,發(fā)電機(jī)同步電抗為0.921(標(biāo)幺值),短路比為1.086,略小于合同要求的1.11。在忽略定子電阻的情況下,根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)(同步電抗除外)計(jì)算穩(wěn)定運(yùn)行極限(數(shù)據(jù)見表6)。從計(jì)算結(jié)果可看出,發(fā)電機(jī)仍有較高的靜態(tài)穩(wěn)定性能,過載能力較強(qiáng)。3發(fā)電機(jī)使用建議(1)龍灘水電站1號發(fā)電機(jī)投產(chǎn)至今一直安全穩(wěn)定運(yùn)行,各部通風(fēng)、溫升狀況良好,各部軸承運(yùn)行瓦溫分布均勻穩(wěn)定,擺度、振動情況總體良好。發(fā)電機(jī)電氣性能優(yōu)良,各電氣指標(biāo)滿足技術(shù)要求,靜態(tài)穩(wěn)定極限及過載能力余度較大。(2)龍灘水電站水輪發(fā)電機(jī)的選型、設(shè)計(jì)、制造所采取的措施得當(dāng),解決了選用全空冷發(fā)電機(jī)的技術(shù)難點(diǎn),為安全穩(wěn)定運(yùn)行提供了保障。(3)盡管定子機(jī)座振動較大,但尚未發(fā)現(xiàn)明顯損害,需要進(jìn)一步研究分析。對于巨型發(fā)電機(jī)定子機(jī)座的振動考核標(biāo)準(zhǔn),建議考慮機(jī)組的具體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。(4)發(fā)電機(jī)在理論狀態(tài)下有較好的靜態(tài)穩(wěn)定性能和過載能力,但需要進(jìn)行實(shí)際參數(shù)測試,分析實(shí)際情況,需要進(jìn)一步分析發(fā)電機(jī)的其他電氣性