葛洲壩二江水電站發(fā)電機(jī)增容改造可行性研究

范吉松，于 濤

(1.哈爾濱理工大學(xué)水力發(fā)電設(shè)備國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150040;2.哈爾濱大電機(jī)研究所，哈爾濱 150040)

葛洲壩水利樞紐位于中國(guó)湖北省宜昌市境內(nèi)的長(zhǎng)江三峽末端河段上，距上游的三峽水電站38 km，是長(zhǎng)江上第一座大型水電站，也是世界上最大的低水頭大流量、軸流式水電站。葛洲壩二江水電站安裝7臺(tái)機(jī)組，其中5臺(tái)125 MW機(jī)組為哈電公司生產(chǎn)。三峽公司計(jì)劃在不改變機(jī)組結(jié)構(gòu)的情況下，更換定子鐵心及線棒，將功率增加到150 MW。為了對(duì)葛洲壩機(jī)組進(jìn)行增容改造，本文計(jì)算分析了機(jī)組的通風(fēng)及定子溫升情況，并在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)5號(hào)機(jī)進(jìn)行通風(fēng)實(shí)驗(yàn)，收集了運(yùn)行數(shù)據(jù)。

1 通風(fēng)系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)及尺寸

葛洲壩二江水輪發(fā)電機(jī)采用雙路徑向無(wú)風(fēng)扇的通風(fēng)結(jié)構(gòu)，冷卻空氣由轉(zhuǎn)子支架入口進(jìn)入電機(jī)，在轉(zhuǎn)子支架、磁軛、磁極旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的風(fēng)扇作用下，流經(jīng)磁軛風(fēng)溝、磁軛風(fēng)隙、磁極極間后一部分空氣經(jīng)過(guò)氣隙和定子徑向風(fēng)溝，另一部分經(jīng)定子線圈端部、機(jī)座回風(fēng)孔，兩部分空氣在定子背部匯集進(jìn)入冷卻器，在與冷卻水熱交換散去熱量后，重新分上、下兩路進(jìn)入轉(zhuǎn)子支架，構(gòu)成密閉自循環(huán)。

葛洲壩二江水輪發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸如表1所示。轉(zhuǎn)子支架采取了盒式支臂結(jié)構(gòu)，開(kāi)設(shè)了8個(gè)支架入口。磁軛風(fēng)溝數(shù)6，磁軛沖片采取一片一疊，層間相錯(cuò)一個(gè)極距，每片掛4極的方式。

表1 葛洲壩二江水輪發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸 mm

2 計(jì)算分析

2．1 通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)及計(jì)算結(jié)果

根據(jù)機(jī)組的結(jié)構(gòu)尺寸確定了計(jì)算網(wǎng)絡(luò)，其中包括轉(zhuǎn)子支架、磁軛、磁極的壓力元件及風(fēng)阻元件，定子入口、出口風(fēng)阻元件，冷卻器風(fēng)阻元件等[1-3]。應(yīng)用FLOWMASTER軟件進(jìn)行計(jì)算分析，計(jì)算網(wǎng)絡(luò)如圖1所示。計(jì)算得出該機(jī)組的總風(fēng)量為90.49 m3/s。

圖1 通風(fēng)計(jì)算網(wǎng)絡(luò)

2．2 定子溫度場(chǎng)計(jì)算

針對(duì)該機(jī)組通風(fēng)系統(tǒng)的特點(diǎn)，考慮到結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，定子溫度場(chǎng)模型取半齒半槽進(jìn)行分析計(jì)算，軸向取包括上下端部線圈在內(nèi)的整個(gè)區(qū)域。把電磁分析的各部分損耗作為模型的熱源，結(jié)合電機(jī)的冷卻方式，選擇合理的邊界條件，對(duì)電機(jī)定子溫度分布進(jìn)行計(jì)算[4]，得出該機(jī)組損耗分配數(shù)據(jù)，如表2所示。

表2 損耗分配 kW

2.2.1 基本假設(shè)

1)考慮定子繞組銅耗時(shí)，認(rèn)為渦流效應(yīng)對(duì)每根股線的影響相同，即取其平均值。

2)把槽楔及導(dǎo)線外的絕緣認(rèn)為是同一種物質(zhì)。

3)端部繞組在鼻端嚙合處認(rèn)為沒(méi)有熱交換，可做絕熱面處理。

4)端部只考慮繞組部分。

5)考慮到定子徑向通風(fēng)溝中的風(fēng)與定子鐵心和線圈產(chǎn)生熱交換，假定風(fēng)溫沿徑向是線性遞增的。

6)定子繞組股線都有絕緣漆膜，但由于漆太薄，若對(duì)其進(jìn)行剖分將會(huì)出現(xiàn)單元形狀差，或是單元數(shù)巨增而使程序運(yùn)行困難或無(wú)法正常工作。故假定股線之間不存在絕緣，其影響歸算到繞組的導(dǎo)熱系數(shù)中。

7)不計(jì)熱輻射作用[5-6]。

2.2.2 邊界條件

本文計(jì)算中，對(duì)定子通風(fēng)溝、定子鐵心內(nèi)外圓及定子線圈端部施加第三類邊界條件，即流體的溫度和流體與邊界面的對(duì)流換熱系數(shù)[7]。另外，由于鐵心疊片、線圈股線絕緣等因素的影響，計(jì)算中考慮了材料的三維各向異性[8]。

應(yīng)用上述方法進(jìn)行分析計(jì)算，得出了定子半齒半槽沿軸向溫度分布云圖2、線棒溫度分布云圖3和定子鐵心溫度分布云圖4。

從圖2—圖4中可看出，最高溫度點(diǎn)為114.331℃，軸向位于中間鐵心段處，徑向位于上層線棒的直線段靠層間絕緣處，最熱點(diǎn)溫度為82.11℃，處在中間鐵心段的齒根部，軛背部及齒頂處溫度較低。需要特別說(shuō)明的是冷風(fēng)溫度按40℃進(jìn)行計(jì)算。

3 通風(fēng)實(shí)驗(yàn)

風(fēng)量測(cè)量的目的是判斷電機(jī)各部分風(fēng)量是否滿足冷卻的需要，從而使電機(jī)各部分溫升維持在規(guī)定的限度內(nèi)。風(fēng)量測(cè)量根據(jù)其不同位置有多種測(cè)量方法，本試驗(yàn)用“中速風(fēng)表”測(cè)量冷卻器的平均出風(fēng)速度，此風(fēng)速值與冷卻器面積及個(gè)數(shù)相乘即是機(jī)組的總風(fēng)量，測(cè)量結(jié)果如表3所示。該機(jī)組共12臺(tái)冷卻器，寬度為1.47 m，高度為1.8 m，計(jì)算得出總風(fēng)量為94.6 m3/s。

表3 冷卻器風(fēng)速測(cè)量

4 線棒溫升折算

在電站現(xiàn)場(chǎng)收集到機(jī)組3個(gè)工況的運(yùn)行參數(shù)，由于是在不改變機(jī)組結(jié)構(gòu)尺寸的條件下進(jìn)行改造，即改造后機(jī)組的通風(fēng)情況與改造前相同，因此可以利用這3個(gè)工況的運(yùn)行數(shù)據(jù)折算出機(jī)組在功率150 MW時(shí)的線棒溫升，如表4所示。

表4 各工況運(yùn)行參數(shù)

通過(guò)各工況運(yùn)行參數(shù)和定子額定電壓13 800 V，可以計(jì)算得出各工況的定子電流。在工程上近似認(rèn)為溫升與電流的平方成線性關(guān)系，通過(guò)這3個(gè)工況的溫升與電流平方可以擬合出該直線，再代入額定電流7 172.06 A，即可折算出功率為150 MW時(shí)的線棒平均溫升和最高溫升。經(jīng)計(jì)算得出平均溫升為64.49 K，最高溫升為70.53 K。

5 結(jié)論

1)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)法計(jì)算得出葛洲壩二江機(jī)組的總風(fēng)量為90.49 m3/s，實(shí)驗(yàn)值為94.6 m3/s。

2)應(yīng)用溫度場(chǎng)計(jì)算線棒的平均溫升為70.02 K，最高溫升為74.331 K，機(jī)組實(shí)際運(yùn)行參數(shù)折算出的平均溫升為64.49 K，最高溫升為70.53 K。

3)計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值比較吻合，線棒溫升在安全范圍內(nèi)，葛洲壩二江水電站發(fā)電機(jī)可以由125 MW增容至150 MW。

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