中國水輪發(fā)電機(jī)技術(shù)的進(jìn)展

／哈爾濱大電機(jī)研究所 孫玉田／

中國水輪發(fā)電機(jī)技術(shù)的進(jìn)展

／哈爾濱大電機(jī)研究所 孫玉田／

中國水輪發(fā)電機(jī)擁有廣闊的發(fā)展空間，立式水輪發(fā)電機(jī)的單機(jī)容量已經(jīng)達(dá)到世界最大。從已運(yùn)行的向家壩電站、到即將啟動(dòng)的白鶴灘電站，中國的立式水輪發(fā)電機(jī)產(chǎn)品一直是處于世界領(lǐng)先水平。而貫流式水輪發(fā)電機(jī)產(chǎn)品也已經(jīng)達(dá)到了世界領(lǐng)先行列。

水力發(fā)電是一種清潔的可再生能源發(fā)電途徑，是發(fā)電設(shè)備的首選方式。未來幾年，盡管中國整體經(jīng)濟(jì)發(fā)展變緩，但中國水電市場的發(fā)展仍將走在世界前沿。

一、引言

水力發(fā)電是一種清潔的可再生能源發(fā)電途徑，是發(fā)電設(shè)備的首選方式。中國的水力資源蘊(yùn)藏量十分豐富，加大水力開發(fā)力度可以極大地滿足國家能源增長的需求，并實(shí)現(xiàn)電力經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。作為發(fā)展中的經(jīng)濟(jì)大國，過去幾十年，中國水電市場經(jīng)歷了高速發(fā)展的輝煌時(shí)期。圖1為中國水電近期總裝機(jī)容量統(tǒng)計(jì)和預(yù)測情況，圖中可以看出中國水電裝機(jī)容量穩(wěn)步增長的態(tài)勢。

截至2010年，中國水電開發(fā)裝機(jī)容量達(dá)到216GW，居世界第一位。圖2為中國水電總裝機(jī)容量與世界的對(duì)比。從圖中可見，到2012年，中國水電總裝機(jī)容量已經(jīng)達(dá)到世界總量的22.5%。

圖1 中國水電總裝機(jī)容量的發(fā)展（圖中，2013年以后數(shù)據(jù)為預(yù)測結(jié)果）

圖2 中國水電總裝機(jī)容量與世界的對(duì)比

二、立式水輪發(fā)電機(jī)

常規(guī)立式水輪發(fā)電機(jī)適用于混流式水輪機(jī)和軸流式水輪機(jī)發(fā)電情況，是水電市場應(yīng)用最廣泛的設(shè)備。進(jìn)入21世紀(jì)，常規(guī)立式水輪發(fā)電機(jī)發(fā)展飛快，表1給出了世界大型水電機(jī)組的一個(gè)統(tǒng)計(jì)。從表1中可見，中國大型水電機(jī)組的發(fā)展在世界上占據(jù)著十分重要的地位。

表1 世界上單機(jī)容量大于700MVA水電機(jī)組的電站

在中國單機(jī)容量700MW及以上的水電站中，中國發(fā)電設(shè)備制造商的市場份額也是占據(jù)主導(dǎo)地位的。從表2可見，在單機(jī)容量700MW及以上機(jī)組的79臺(tái)產(chǎn)品中，國產(chǎn)產(chǎn)品占66臺(tái)，這些產(chǎn)品的制造商包括哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司、東方電機(jī)有限公司、阿爾斯通（天津）公司、福伊特（上海公司）等。

表2 中國制造廠商制造的發(fā)電機(jī)

（一） 電磁設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)優(yōu)化

電磁參數(shù)決定電機(jī)的性能，因而水輪發(fā)電機(jī)電磁參數(shù)的設(shè)計(jì)是至關(guān)重要的。對(duì)大容量水輪發(fā)電機(jī)，電磁參數(shù)還決定了機(jī)網(wǎng)之間的相互作用情況。因而在設(shè)計(jì)開發(fā)階段，準(zhǔn)確地設(shè)計(jì)電機(jī)的穩(wěn)瞬態(tài)參數(shù)、合理地設(shè)計(jì)電機(jī)的阻尼繞組，對(duì)提高水輪發(fā)電機(jī)的負(fù)序承載能力，改善機(jī)網(wǎng)動(dòng)態(tài)過程的響應(yīng)具有重要的工程意義。目前，國內(nèi)幾大電機(jī)制造商都已具備采用電磁場數(shù)值技術(shù)和瞬變過程的數(shù)值分析技術(shù)來準(zhǔn)確進(jìn)行電機(jī)參數(shù)的計(jì)算，并在設(shè)計(jì)階段對(duì)水輪發(fā)電機(jī)的各種運(yùn)行性能和瞬態(tài)故障進(jìn)行分析預(yù)測的能力。

在水輪發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)方面，采用電磁場數(shù)值技術(shù)，針對(duì)大容量水輪發(fā)電機(jī)的開發(fā)可以對(duì)磁極極靴形狀、阻尼繞組分布及定子線棒換位結(jié)構(gòu)等進(jìn)行詳細(xì)的設(shè)計(jì)。同時(shí)，對(duì)端部復(fù)雜的繞組及固定結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)人員可以采用端部三維電磁場數(shù)值技術(shù)對(duì)端部繞組及結(jié)構(gòu)件進(jìn)行損耗、溫升及電動(dòng)力的詳細(xì)分析。

（二）絕緣系統(tǒng)

隨著水輪發(fā)電機(jī)容量和電壓的提高，絕緣系統(tǒng)的制造難度越來越大。在某種程度上，發(fā)電機(jī)主絕緣承受電場強(qiáng)度的變化可以反映發(fā)電機(jī)絕緣水平的發(fā)展?fàn)顟B(tài)。水輪發(fā)電機(jī)繞組主絕緣的平均電場強(qiáng)度由早期的1.2kV/mm已經(jīng)發(fā)展到三峽電站發(fā)電機(jī)的2.8kV/mm。圖3為從水輪發(fā)電機(jī)定子繞組主絕緣厚度的變化反映的絕緣技術(shù)進(jìn)步的過程。

目前中國大型水輪發(fā)電機(jī)的電壓等級(jí)有13.8kV、15.75 kV、18 kV、20 kV。隨著1000MW級(jí)水輪發(fā)電機(jī)研制工作的啟動(dòng)， 22 kV、24 kV和26 kV等高電壓等級(jí)絕緣系統(tǒng)的開發(fā)工作正在展開。

（三） 冷卻系統(tǒng)

對(duì)大容量水輪發(fā)電機(jī)，電機(jī)的冷卻方式是設(shè)計(jì)人員所重點(diǎn)關(guān)注的問題。大型水輪發(fā)電機(jī)所采用的冷卻技術(shù)目前大致有三種，即空氣冷卻方式、水內(nèi)冷冷卻方式及蒸發(fā)冷卻方式。

圖3 水輪發(fā)電機(jī)定子繞組主絕緣材料工作電場強(qiáng)度的發(fā)展

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)，通過空氣的流通實(shí)現(xiàn)電機(jī)整體的降溫冷卻，結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高，因而是目前最受用戶歡迎的一種冷卻方式。2005年以前，中國最大的空冷水輪發(fā)電機(jī)是二灘電站550MW水輪發(fā)電機(jī)，550MW以上發(fā)電機(jī)全部為水冷電機(jī)。2006年，哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司開發(fā)了首臺(tái)700MW全空冷水輪發(fā)電機(jī)，并成功地在三峽右岸電站投入運(yùn)行。此后，幾乎所有700MW及以上量級(jí)的發(fā)電機(jī)都采用了全空冷技術(shù)。目前，世界最大的全空冷水輪發(fā)電機(jī)是向家壩水電站的800MW水輪發(fā)電機(jī)，2013年投運(yùn)。

圖4 大型推力軸承制造技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r

在某些應(yīng)用場合，當(dāng)空氣冷卻方式不能滿足實(shí)際運(yùn)行要求時(shí)，需要采用內(nèi)冷冷卻方式。內(nèi)冷冷卻方式包括水冷冷卻方式和蒸發(fā)冷卻方式。水冷冷卻方式因結(jié)構(gòu)復(fù)雜，安全性低，在中國市場趨于淘汰。此時(shí)，蒸發(fā)冷卻方式是最佳的解決方案。蒸發(fā)冷卻水輪發(fā)電機(jī)是中國具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新產(chǎn)品發(fā)電機(jī)。這種電機(jī)的特點(diǎn)是通過冷卻介質(zhì)的蒸發(fā)效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)定子繞組的內(nèi)部循環(huán)冷卻。由于冷卻介質(zhì)不導(dǎo)電，因而蒸發(fā)冷卻電機(jī)比水冷電機(jī)更安全，由于冷卻介質(zhì)的循環(huán)是借助于蒸發(fā)效應(yīng)進(jìn)行，省去了提供動(dòng)力的循環(huán)泵，其結(jié)構(gòu)比水冷更簡單。目前，全世界采用蒸發(fā)冷卻的水輪發(fā)電機(jī)共有四個(gè)電站，分別是大寨電站10MW機(jī)組、安康電站50MW機(jī)組、李家峽電站400MW機(jī)組及三峽地下電站700MW機(jī)組。這些機(jī)組全部為東方電機(jī)有限公司制造。

（四）推力軸承

推力軸承是水輪發(fā)電機(jī)的重要支撐部件，在一定程度上決定著水輪發(fā)電機(jī)運(yùn)行的成敗。多年來，中國水電大型推力軸承的制造水平不斷進(jìn)步。在三峽電站發(fā)電機(jī)組中，大型推力軸承的負(fù)荷達(dá)到了近6000t的水平。圖4為推力軸承制造技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r。

大型水輪發(fā)電機(jī)的推力軸承為滑動(dòng)軸承，由扇形可傾瓦赫托瓦組成。推力瓦有巴氏合金瓦或彈性金屬塑料瓦兩種。軸承性能的準(zhǔn)確研究一般需要進(jìn)行軸承系統(tǒng)的熱彈性流體動(dòng)力的數(shù)值分析。有時(shí)，在推力軸承試驗(yàn)臺(tái)上的整體模擬試驗(yàn)是非常重要的。圖5為哈爾濱的電機(jī)廠有限責(zé)任公司3000t推力軸承試驗(yàn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5 3000t推力軸承示意圖

三、抽水蓄能發(fā)電電動(dòng)機(jī)

由于電力系統(tǒng)負(fù)荷調(diào)節(jié)的需要，抽水蓄能發(fā)電電動(dòng)機(jī)迅速發(fā)展起來。抽水蓄能發(fā)電電動(dòng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)與常規(guī)水輪發(fā)電機(jī)相同，但工作條件更加復(fù)雜。抽水蓄能發(fā)電電動(dòng)機(jī)需要適應(yīng)發(fā)電與抽水兩種運(yùn)行工況的運(yùn)行及調(diào)相要求，而且要承受經(jīng)常的起停機(jī)考驗(yàn)。

在電磁方案和結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)上，抽水蓄能發(fā)電電動(dòng)機(jī)重點(diǎn)考慮電機(jī)的起動(dòng)過程和在不同運(yùn)行工況之間轉(zhuǎn)換的瞬態(tài)響應(yīng)，優(yōu)化電機(jī)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，加強(qiáng)電機(jī)轉(zhuǎn)子的剛強(qiáng)度。

由于抽水蓄能發(fā)電電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速較常規(guī)機(jī)組高，電機(jī)的鐵心軸向比較長，因而通風(fēng)冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難度略大，有時(shí)需要采用帶風(fēng)扇的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。

在軸承設(shè)計(jì)方面，抽水蓄能發(fā)電電動(dòng)機(jī)的軸承要適應(yīng)雙向旋轉(zhuǎn)的要求，因而軸瓦通常采用中心支承結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)比常規(guī)水輪發(fā)電機(jī)的偏心支撐結(jié)構(gòu)承載能力低，因而軸承系統(tǒng)的制造難度大，需要進(jìn)行詳細(xì)的理論及實(shí)驗(yàn)研究。圖6為東方電機(jī)有限公司的大型雙向推力軸承試驗(yàn)臺(tái)。

在大容量抽水蓄能發(fā)電電動(dòng)機(jī)的開發(fā)方面，2005年起，哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司和東方電機(jī)有限公司聯(lián)合進(jìn)行了寶泉、白蓮河和惠州三個(gè)電站的打捆招標(biāo)技術(shù)引進(jìn)工作。在技術(shù)引進(jìn)基礎(chǔ)上，合作制造的產(chǎn)品分別于2009～2011年在三座電站投入運(yùn)行。繼三個(gè)電站之后，哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司又開發(fā)了250MW大容量抽水蓄能發(fā)電電動(dòng)機(jī)組，于2012年在安徽響水澗電站投入運(yùn)行。這是首臺(tái)國內(nèi)完全自主生產(chǎn)的大容量國產(chǎn)化抽水蓄能發(fā)電電動(dòng)機(jī)組。表3給出了近年投入運(yùn)行的大型抽水蓄能發(fā)電電動(dòng)機(jī)組情況。

圖6 大型雙向推力軸承試驗(yàn)臺(tái)

四、燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)

圖7 中國燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)制造業(yè)的發(fā)展情況

燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)適合于低水頭流域發(fā)電，其特點(diǎn)為電機(jī)的直徑小、鐵心長。電磁設(shè)計(jì)難度大，定子繞組的選擇和阻尼繞組的設(shè)計(jì)特別重要，需重點(diǎn)防止阻尼繞組的電蝕現(xiàn)象。由于電機(jī)的機(jī)構(gòu)呈細(xì)長型，因而通風(fēng)冷卻的設(shè)計(jì)難度也很大，有時(shí)需要考慮強(qiáng)迫通風(fēng)方式。在軸承設(shè)計(jì)方面，重點(diǎn)工作主要是徑向軸承和正反推力軸承的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

貫流式水輪發(fā)電機(jī)在中國發(fā)展很快。圖7 給出了中國燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)制造業(yè)的發(fā)展情況，其中，由東方電機(jī)有限公司制造的巴西杰瑞電站貫流式水輪發(fā)電機(jī)組是世界最大的貫流式水輪發(fā)電機(jī)組。

表3 國內(nèi)已投運(yùn)的大型抽水蓄能發(fā)電電動(dòng)機(jī)組參數(shù)

五、變速水輪發(fā)電機(jī)

除常規(guī)的凸極同步式水輪發(fā)電機(jī)外，一種可變速的雙饋式水輪發(fā)電機(jī)正在引起人們的關(guān)注。2010年，由哈電集團(tuán)開發(fā)的6500kW可變速水輪發(fā)電機(jī)組在新疆人民電站投入運(yùn)行，如圖8所示。這是國內(nèi)首臺(tái)變速水輪發(fā)電機(jī)組產(chǎn)品。盡管距離國外先進(jìn)制造商的水平尚有一定差距，但這標(biāo)志著國內(nèi)變速水輪發(fā)電機(jī)組的良好開端。

圖8 人民電站的變速機(jī)組

六、前景展望

中國水輪發(fā)電機(jī)擁有廣闊的發(fā)展空間，立式水輪發(fā)電機(jī)的單機(jī)容量已經(jīng)達(dá)到世界最大。從已運(yùn)行的向家壩電站、到即將啟動(dòng)的白鶴灘電站，中國的立式水輪發(fā)電機(jī)產(chǎn)品一直是處于世界領(lǐng)先水平。而貫流式水輪發(fā)電機(jī)產(chǎn)品也已經(jīng)達(dá)到了世界領(lǐng)先行列。

在技術(shù)方面，中國水輪發(fā)電機(jī)的產(chǎn)品是多樣化的。空冷產(chǎn)品處于世界領(lǐng)先地位，蒸發(fā)冷卻產(chǎn)品是世界唯一具備生產(chǎn)業(yè)績的國家。因?yàn)橛辛饲岸?xiàng)技術(shù)，水冷產(chǎn)品在中國趨于淘汰。

未來幾年，盡管中國整體經(jīng)濟(jì)發(fā)展變緩，但中國水電市場的發(fā)展仍將走在世界前沿。在常規(guī)水輪發(fā)電機(jī)方面，世界最大的1000MW水輪發(fā)電機(jī)組，白鶴灘電站水輪發(fā)電機(jī)組建設(shè)項(xiàng)目已經(jīng)啟動(dòng)，預(yù)計(jì)這將鑄就世界空冷水輪發(fā)電機(jī)發(fā)展的一個(gè)新的里程碑。

在抽水蓄能發(fā)電電動(dòng)機(jī)方面，陽江電站工程即將啟動(dòng)，為400MW，428.6r/min的大型抽水蓄能機(jī)組，由此將使中國的抽水蓄能發(fā)電電動(dòng)機(jī)制造水平邁向一個(gè)新的臺(tái)階。

隨著國網(wǎng)新源科技股份公司等單位抽水蓄能變速機(jī)組工程前期研究工作的啟動(dòng)，抽水蓄能變速機(jī)組也將得到快速的發(fā)展。

由哈爾濱大電機(jī)研究所牽頭承擔(dān)的水電機(jī)組遠(yuǎn)程服務(wù)與診斷系統(tǒng)正在開發(fā)中。未來水電產(chǎn)品的全生命周期服務(wù)將系統(tǒng)展開，水電產(chǎn)品的運(yùn)行與維護(hù)將進(jìn)入到一種新的信息化階段。