株樹橋3號發(fā)電機改造技術(shù)研究與應(yīng)用

（瀏陽市株樹橋水庫管理局長沙市410300）

株樹橋3號發(fā)電機改造技術(shù)研究與應(yīng)用

張玨

（瀏陽市株樹橋水庫管理局長沙市410300）

通過從“電磁”和“機械結(jié)構(gòu)”兩方面入手進行方案計算和總體結(jié)構(gòu)布置，結(jié)合先進的通風計算程序、CAE有限元分析技術(shù)、廠內(nèi)彈性試驗進行可行性論證，對株樹橋水電站3號發(fā)電機改造技術(shù)進行研究與應(yīng)用，徹底解決發(fā)電機存在的溫度偏高、振動偏大等缺陷。改造后發(fā)電機整體性能穩(wěn)定，在額定水頭以上均能實現(xiàn)長期滿負荷發(fā)電運行。該技術(shù)的研究與應(yīng)用對不改變機組土建結(jié)構(gòu)、消除發(fā)電機隱患、增加發(fā)電機效率等方面的電站發(fā)電機改造具有較強的指導意義。

發(fā)電機電磁通風機械強度改造

1 改造背景

株樹橋水電站3號發(fā)電機電磁和結(jié)構(gòu)設(shè)計存在較大安全隱患：線圈電流密度過高、布置的通風系統(tǒng)產(chǎn)生的風量不夠、上機架剛度不夠，安裝時上機架下沉2mm左右。機組運行過程中定、轉(zhuǎn)子溫度偏高、上機架垂直振動偏大、推力瓦溫度偏高等缺陷，多次出現(xiàn)發(fā)電機定子線圈燒壞和并頭套炸裂現(xiàn)象，后期一直采用限6MW最高負荷的保護性運行措施。為徹底解決發(fā)電機存在的溫度偏高、振動偏大等缺陷，經(jīng)研究，從“電磁”和“機械結(jié)構(gòu)”兩方面入手重新進行方案計算和總體結(jié)構(gòu)布置，并結(jié)合先進的通風計算程序、CAE有限元分析技術(shù)、廠內(nèi)彈性試驗進行可行性論證，對3號發(fā)電機進行技術(shù)改造。

2 基本參數(shù)

株樹橋水電站3號發(fā)電機（型號：SF-J8000-16/ 3300）基本參數(shù)：

絕緣等級：F/F；額定功率：8000kW；額定效率：96.5%；額定電壓：6300V；空載勵磁電流：185A；額定電流：916.4A；空載勵磁電壓：59.1V；額定轉(zhuǎn)速：375r/min；滿載勵磁電流：340A；額定頻率：50HZ；滿載勵磁電壓155.2V；功率因數(shù)：0.8（滯后）。

3 改造方案

（1）定子線圈。將定子繞組線圈由未進行羅貝爾換位的條式波繞組變更為圈式疊繞組，調(diào)整繞組線規(guī)，技術(shù)改造后定子線圈電流密度為4.01A/mm2，改造前后平均電流密度降低了16.8%。

（2）磁極線圈。加大發(fā)電機磁極線圈線規(guī)寬度，調(diào)整線圈繞制匝數(shù)，增加過流截面積，技術(shù)改造后磁極線圈電流密度為3.05A/mm2，改造前后平均電流密度降低了16%。

（3）發(fā)電機通風系統(tǒng)。增加定子鐵芯段段數(shù)和通風道道數(shù)，增加冷卻風通過通風道時與鐵芯表面接觸面積，在轉(zhuǎn)子磁軛上、下端各增設(shè)16個極間送風能力強的槳葉式風扇，保證發(fā)電機定子溫度控制在90℃以內(nèi)。

（4）上機架剛度。結(jié)合CAE有限元分析技術(shù)，對上機架進行剛度加強改造。

（5）推力軸承支撐結(jié)構(gòu)。將原剛性可調(diào)支柱螺栓結(jié)構(gòu)（或稱承重螺栓結(jié)構(gòu)）變更為彈性托盤支撐結(jié)構(gòu)，結(jié)合EXCEL變形計算和CAE有限元分析技術(shù)驗證變形量和應(yīng)力，在負荷不均勻時能夠自動平衡各瓦負荷。

4 改造技術(shù)要點

4.1 電磁方案部分

為降低定轉(zhuǎn)子的溫升，計算電磁方案和設(shè)計結(jié)構(gòu)時做了以下幾項的改進：

（1）原發(fā)電機定子繞組為22股2.0×4.5銅線，每槽線匝Sn=2，每相并聯(lián)路數(shù)a=1，計算電流密度為J1=4.82A/mm2，繞組為條式波繞組，但沒有進行羅貝爾換位（此項引起的附加損耗超過基本銅損的10%，而且使繞組局部可產(chǎn)生過熱）。改造方案為8股2.8×5.3銅線，每槽線匝Sn=4，每相并聯(lián)路數(shù)a= 2，計算電流密度為J2=4.01A/mm2，繞組為圈式疊繞組，可見改造前后平均電流密度降低16.8%左右，而且定子線圈單匝導體高度比原發(fā)電機降低了51%，從而降低了由于導體在高度方向上處在不同磁場下帶來的附加銅耗。同時，圈式線圈由于結(jié)構(gòu)上的特點，在線圈繞制過種中，其上、下層線匝自動實現(xiàn)了換位。改造后的定子線負荷為463A/cm，熱負荷為1857.6A2/cm·mm2。通過改變繞組的結(jié)構(gòu)型式及調(diào)整線規(guī)達到了降低定子銅耗的目的。

（2）原發(fā)電機定子鐵芯外徑為3300mm，內(nèi)徑為2870mm，槽深寬為16.3mm×76mm，軛部計算磁密約為14500Gs，改造之后定子鐵芯外徑稍加大為3310mm，內(nèi)徑仍為2870mm，槽深寬調(diào)整為16.9mm×71mm，軛部計算磁密約為12713Gs，軛部磁密降低。定子槽寬雖由16.3mm加寬至16.9mm，使定子齒寬稍有減少，帶來定子齒部磁密會略有提高，齒部計算磁密約為14946Gs，仍屬很合適的取值，同時由于定子槽深由76mm減小至71mm，齒磁路長度減小，綜合兩方面因素，定子鐵芯齒部的鐵損基本維持原水平。因為定子鐵芯的絕大部分重量集中在軛部，因此，軛部磁密降低后，就降低了由軛部帶來的鐵損，從而使整個發(fā)電機的定子鐵損得到了降低。

（3）原發(fā)電機定子鐵芯分段組合為11×50+2× 45+12×10=760mm，改造后的定子鐵芯分段組合為16×40+15×8=760mm，可以看出，鐵芯的有效總長度、通風道的總高度保持不變，只是通過降低每段鐵芯的高度來增加鐵芯段的段數(shù)和通風道的道數(shù)，通風道的道數(shù)從12增加到15，則冷卻風通過通風道時與鐵芯表面的接觸面積增加了25%，只有與鐵芯表面接觸的冷卻風才能帶走鐵芯上的熱量，因此，雖然通風道的總高度沒有改變，但定子鐵芯的通風散熱面積卻得到了增加。通過降低鐵芯段高度、增加鐵芯段數(shù)量和通風道，增加散熱面積，從而提高空氣冷卻效率。

（4）鐵芯兩端增加12×12的階梯段，從而降低了鐵芯端部漏磁在極靴表面產(chǎn)生的附加損耗。

（5）定子鐵芯扇形沖片材料采用性能指標更高的50WW310高硅冷軋無取向硅鋼片（武鋼產(chǎn)）替換，原發(fā)電機采用的牌號為50WW350硅鋼片，通過優(yōu)質(zhì)材料的選用進一步降低定子鐵芯損耗值約11%。

（6）原發(fā)電機磁極線圈線規(guī)為2.8×31.5，每個線圈的繞制匝數(shù)為57.5匝，計算電流密度為J2=3.63A/ mm2，改造后采用的磁極線圈線規(guī)為2.8×40，即銅線的厚度不變，但寬度加大了，使銅線的截面積加大，每個線圈的繞制匝數(shù)為54.5匝，計算電流密度為J2= 3.05A/mm2，改造前后平均電流密度降低約16%。

（7）定子線圈間的連接由釬錫焊改為銀銅焊，提高了線圈端部焊接質(zhì)量，基本可以杜絕原條式線圈錫焊接頭因焊接不良而出現(xiàn)局部過熱熔錫脫焊甚至并頭套炸裂現(xiàn)象的發(fā)生。

通過電磁方案的計算和調(diào)整，除發(fā)電機的定子銅耗、定子鐵耗、轉(zhuǎn)子銅耗明顯降低外，發(fā)電機的其它參數(shù)也都完全符合國家標準或設(shè)計規(guī)范，比如：短路比fko=1.01、縱軸同步電抗Xd=1.091、縱軸瞬變電抗Xd′=0.1975、縱軸超瞬變電抗Xd″=0.1416、橫軸超瞬變電抗Xq″=0.1654。

4.2 機械結(jié)構(gòu)部分

4.2.1 定子結(jié)構(gòu)改造

（1）考慮經(jīng)濟性，保留原定子機座，將機座定位筋內(nèi)圓和上環(huán)內(nèi)圓加工至3310mm，保證新設(shè)計的沖片分片數(shù)、槽數(shù)以及定位孔分布圓直徑與原發(fā)電機組一致，同時可保證沖片外圓與機座定位筋之間的準確定位。

（2）定子線圈雙層條式波繞組改為雙層圈式疊繞組，支路數(shù)由1支路改為2支路，并重新設(shè)計定子繞組接線圖；定子測溫元件為單支，共12只，層間6只，槽底6只，增加新的定子測溫接線盒以及接線盒墊板；定子主、中性引出線用導電環(huán)和導電排引出，由于機座引出線附近有加強筋，為了避開加強筋和保證導電排對地距離，引出導電排間距加大到280mm。

（3）擴大機座壁上的定子引出線孔；上、下環(huán)之間機座壁上割缺口，以便鐵芯疊好之后焊接固定板，鐵芯疊好之后再把新制作的壁焊于機座壁上；重新設(shè)計定子基礎(chǔ)板，把原發(fā)電機斜向銷定位結(jié)構(gòu)改成徑向銷定位結(jié)構(gòu)，方便安裝。

4.2.2 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)改造

（1）考慮經(jīng)濟性，保留原磁軛和主軸，磁極沖片重新制作，采用Q345B沖制而成，極身高度和寬度進行優(yōu)化調(diào)整，磁極沖片拉緊螺桿孔數(shù)由6個改成4個；磁極線圈線規(guī)重新選取,降低線圈溫升。

（2）經(jīng)通風計算程序核算，將轉(zhuǎn)子磁軛上、下端刮板式風扇改造成32個極間送風能力強的槳葉式風扇,保證轉(zhuǎn)子極間風量足夠。

（3）極間撐塊重新設(shè)計；更換新的電纜引線；重新補焊和配車加工集電環(huán)短軸上與主軸配合的內(nèi)孔，重新加工集電環(huán)外圓。

4.2.3 上機架結(jié)構(gòu)改造

（1）原發(fā)電機上機架剛度不夠，安裝時就下沉2mm左右，改造時在中環(huán)板和下環(huán)板之間焊接加強筋，提高了上機架剛度，CAE有限元分析結(jié)果表明，加固前后上機架剛度提高了23.5%左右，中環(huán)板和下環(huán)板之間的機架腿筋板應(yīng)力降低了40%。

（2）考慮到加固之后上機架變形，機架腿墊板和扇形墊板各增加2mm和3mm，機架腿墊板上的銷孔在電站安裝時重新鉆鉸。

（3）推力軸承改造成彈性支撐結(jié)構(gòu)，托盤和支撐采用彈簧鋼材料，具有在負荷不均勻時能夠自動平衡各瓦負荷的顯著優(yōu)點，使發(fā)電機軸承運行更加安全可靠。

（4）原發(fā)電機推力頭卡環(huán)與主軸間存在間隙，按現(xiàn)場測量尺寸重新配做卡環(huán)，保證推力頭與主軸的同心度。

5 改造效果

株樹橋水電站3號水輪發(fā)電機組改造后于2015年2月成功并網(wǎng)運行，通過72h滿負荷試運行試驗，機組各項性能指標見表1、表2中數(shù)據(jù)，性能指標均符合國家標準要求，能滿足機組安全運行要求。

株樹橋水電站3號機組發(fā)電機技術(shù)改造自投入運行至2016年底，累計已安全運行6323h，發(fā)電4768萬kW·h，創(chuàng)發(fā)電產(chǎn)值1668萬元，相比較未進行技術(shù)改造前增加發(fā)電量1192萬kW·h，增加發(fā)電產(chǎn)值417.2萬元，增加稅收25萬元。

表1 3號水輪發(fā)電機組振動、擺度測量值mm

表2 3號水輪發(fā)電機組穩(wěn)定運行溫度記錄表

6 結(jié)語

通過對株樹橋水電站3號發(fā)電機改造技術(shù)的研究與應(yīng)用，消除了原有溫度偏高，振動偏大等安全隱患，改造后機組整體性能穩(wěn)定，在額定水頭以上均能實現(xiàn)長期滿負荷發(fā)電運行。由于該發(fā)電機的改造是在不改變機組土建結(jié)構(gòu)前提下，進行的技術(shù)改造，在水電站整體機組設(shè)計上還存在一定的局限性，但對于當前機組增效擴容改造具有一定的借鑒意義。

[1]GB/T50700-2011.小型水電站技術(shù)改造規(guī)范[S].

[2]裘迪林，文虎，羅宇航.株樹橋水電站水輪發(fā)電機上機架改造[J].小水電，2016，（04）：45-49.

2017-03-27）

張玨（1972-），男，大學本科，工程師，從事發(fā)電與輸配電工作。