大型國產(chǎn)抽水蓄能發(fā)電機安裝調(diào)試過程設計優(yōu)化綜述

陳弘昊，汪志強，陳泓宇，馬永良，蔣寶鋼，雷 慧，李 展

（1.深圳蓄能發(fā)電有限公司，廣東省深圳市 518115；2.哈爾濱電機廠有限責任公司，黑龍江省哈爾濱市 150040）

1 前言

深圳抽水蓄能電站（以下簡稱深蓄電站）是南方電網(wǎng)第一座主機完全國產(chǎn)化的電站，是國家可再生能源發(fā)展“十二五”重點建設工程，廣東省和深圳市重點建設項目。深蓄電站發(fā)電電動機由哈爾濱電機廠有限責任公司設計制造，總裝機容量為1200MW（4×300MW）。本文結合1號機組發(fā)電電動機在安裝調(diào)試過程中遇到的問題，對其進行分析與總結。

2 安裝存在問題及改進

2.1 穿軸轉子引線連接改進

深蓄電站穿軸轉子引線部分原結構由穿軸銅螺桿、銅排引線、固定螺母、絕緣墊、絕緣套筒等組成，其結構如圖1所示。由于采用相似結構電站已出現(xiàn)燒灼問題，即在轉子引線與銅螺母連接處、轉子引線與穿軸螺桿連接處均發(fā)生金屬灼傷[1-3]，如圖2所示，因此對原穿軸引線結構進行了優(yōu)化改進。

發(fā)生金屬燒灼的主要原因：安裝過程中，由于銅螺栓壓緊效果不好，導致接觸面積未達到理論設計要求，致使接觸面電流密度偏高，長時間運行從而發(fā)生燒灼事故；或是接觸面出現(xiàn)虛連接，導致局部過熱，繼而加劇表面氧化，從而使接觸面發(fā)生灼傷[4]。

圖1 穿軸引線結構Fig.1 Structure of current leads in the rotor

圖2 轉子引線灼傷Fig.2 Burning current leads in the rotor

為了保證轉子引線與銅螺母的可靠連接，使接觸面滿足設計要求，需對穿軸轉子引線結構進行改進，其具體方案如下：

（1）穿軸位置的引線改為兩根10×40mm的“L”形銅排，并進行包絕緣處理，其接頭位置采用兩端夾緊的方式，穿軸位置的兩根銅排之間墊有10mm厚度的絕緣板，與外側的引線厚度一致，具體如圖3所示。

（2）穿軸“L”形銅排轉子引線在軸內(nèi)側位置增設絕緣支撐塊，通過絕緣包扎材料與轉子引線固定在一起，作為支撐部件，支撐塊作用為承受機組運行過程中引線產(chǎn)生的離心力。

圖3 穿軸部位“L”形銅排Fig.3 “L” type current leads in the rotor

（3）穿軸位置2根10×40mm的銅排引線，其引線的導電電流密度為2.04A/mm2，滿足設計要求。

2.2 軸內(nèi)轉子引線安裝工藝改進

深蓄電站轉子引線通過線夾、墊板、絕緣板、螺栓、單耳止動墊圈等與頂軸固定，其中墊板需與頂軸焊接，其具體結構如圖4所示。由于在頂軸內(nèi)進行墊板焊接，焊腳尺寸為10mm，則會引起頂軸受熱變形，繼而影響上導擺度，因此需對轉子引線墊板焊接進行嚴格控制。

圖4 轉子引線固定結構Fig.4 Structure of current leads in the rotor

為此，對轉子引線墊板焊接要求如下：工地現(xiàn)場焊接時，采用多次分段焊接，焊腳尺寸適當減小，避免熱力集中，加劇頂軸的變形，焊接后如圖5所示；后續(xù)未到貨機組，在廠內(nèi)頂軸精加工前進行該工序，以防止頂軸的受熱變形。

圖5 轉子引線焊后效果Fig.5 Details of current leads in the rotor

同時焊接完成后，對頂軸重新進行盤車測量，以驗證上述措施效果，測量數(shù)據(jù)如表1所示。從表1可知：焊前上導全擺度最大值為0.06mm，方向為4-8點；焊后上導全擺度最大值為0.06mm，方向為1-5點；轉子引線墊板焊接并沒有導致頂軸擺度的增大，即采取分段焊接，焊腳尺寸適當減小的焊接方法是有效的，較好地減小了焊接變形對頂軸擺度的影響。

表1 上導焊前、焊后擺度Tab.1 The comparison of upper guide bearing swing

2.3 磁極極間引線固定螺栓改進

深蓄電站磁極極間引線采用螺栓進行固定，其具體結構如圖6所示。在工地安裝過程中，將極間引線螺栓把緊后，螺栓內(nèi)外側均存在間隙，引線接觸面積大大小于理論值，局部電流密度將超標，極易導致發(fā)熱、燒損等[5]。改造前結構如圖7所示。

圖6 極間引線螺栓固定Fig.6 Structure of current leads in magnetic pole

圖7 極間引線存在間隙Fig.7 Details of current leads in magnetic pole

由于原設計在極間引線配鉆3×φ13孔，采用M12螺栓進行把緊，導致極間引線間正壓力不夠，從而出現(xiàn)間隙。因此，在原來配鉆3×φ13孔的基礎上，增加2×φ14螺栓孔，采用4×12螺栓進行把緊，1號更改后引線接觸電流密度為0.24A/mm2，滿足設計要求給出的0.2～0.3A/mm2，修改方案及效果如圖8和圖9所示。后續(xù)機組將在廠內(nèi)完成配鉆。

圖8 修改后極間引線螺栓Fig.8 Improved structure of current leads in magnetic pole

圖9 修改后極間引線安裝效果Fig.9 Details of current leads after improvement

2.4 磁極掛裝困難及改進

深蓄電站磁極采用向心結構，由磁極鐵芯、壓板和磁極線圈等部分組成，機組共有14個磁極，每個磁極通過4個T尾結構固定在磁軛的對應鍵槽上。磁極鐵芯采用疊片結構，磁極鐵芯兩端設置磁極壓板，通過拉緊螺桿將磁極壓緊。在磁極安裝時，發(fā)生掛裝困難的問題。

發(fā)生磁極掛裝困難的直接原因是磁極與磁軛間間隙無法滿足掛裝要求，其本質(zhì)原因為：

（1） 深蓄電站轉子磁軛是國產(chǎn)機組首次采用厚環(huán)板結構，工地采用熱加墊方法使轉子磁軛與支架緊密配合。首臺機工地安裝時加熱溫度及均勻性控制不夠，導致垂直度變化較大達到0.71mm。

（2）磁極自身重量偏重，運輸及長時間存儲過程中支點偏少，導致磁極發(fā)生變形，鐵芯直線度發(fā)生變化。在上述兩個因素的作用下，原磁極與磁軛設計間隙為1mm已無法滿足掛裝要求。因此，為了解決上述問題，具體處理與改進方案如下：

對于已發(fā)生掛裝困難的1號機組，采用打磨的方法進行處理。對磁極進行打磨：

（1）利用平尺及塞尺對磁極T尾槽底進行直線度測量，對直線度超過0.50mm區(qū)域進行標記，并對直線度超過0.50mm的磁極T尾槽底進行打磨，打磨前對磁極鐵托板與磁極鐵芯之間縫隙進行封堵防護，打磨位置為圖10槽底所示，處理過程中需反復進行測量及打磨，使磁極直線度小于0.50mm，且表面無高點。

（2）對未掛裝磁極的T尾槽內(nèi)油漆及沖片高點進行打磨處理，部位1、2、3及槽底，如圖10中紅色區(qū)域所示。

（3）打磨合格后，利用風管吹掃磁極表面，使用舊布蘸酒精對磁極表面清理，掛裝前使用2500V絕緣電阻表測量絕緣電阻。

對磁軛段進行倒角：

（1）使用塑料布對已掛裝的5個磁極進行防護，使用舊布等對磁軛段間通風溝處進行防護，對磁軛每段上下端面倒角處理（角1），要求光滑無毛刺，如圖11所示位置。

（2）磁極掛裝前，使用風管對磁軛進行吹掃，使用舊布蘸酒精對磁軛外圓表面及槽內(nèi)清理干凈。

經(jīng)廠家設計核算，修磨后第二氣隙略有增加，但由于原發(fā)電電動機的氣隙為39mm，增加0.5mm的第二氣隙對發(fā)電電動機的基本參數(shù)影響很小，勵磁電流略有增加，約1%左右。

對于后續(xù)機組，進行結構優(yōu)化，同時改進加工及現(xiàn)場安裝工藝，其具體措施如下：

（1）磁軛外圓尺寸減小0.5mm，即將磁極與磁軛之間間隙增加至1.5mm。

（2）對磁極鐵芯背部掛裝相關表面及加強焊縫進行修磨，不允許有高點，打磨位置如圖10所示。

（3）對磁軛段與磁極T尾配合上下端面進行修磨倒角3×45°，具體修磨位置如圖11所示。

（4）提高磁軛安裝的相關要求，嚴格控制現(xiàn)場安裝時加熱溫度及均勻性的要求，保證安裝精度。

（5）加強對磁極運輸及存放過程中的保護，防止在運輸及長期存放過程中自身發(fā)生變形。

2.5 磁軛熱加墊方案改進

深蓄電站轉子磁軛采用環(huán)形鋼板結構，是國產(chǎn)抽水蓄能機組首次采用該種結構[6-7]。不同于東芝水電的懸浮式磁軛，哈爾濱電機廠采用的是熱套磁軛，即通過采用熱加墊方法使轉子支架與磁軛緊密配合。

2.仔豬飼料蛋白質(zhì)要適度，增加纖維素含量，同時在飼料中可添加適量硒、維生素E。一般日糧中硒的含量應保持在0.3～0.4 mg/kg的水平,維生素E含量保持在150～200 mg/kg的水平。

深蓄電站轉子磁軛熱加墊方案改進主要體現(xiàn)在加熱板的布置優(yōu)化、冷卻方式的改變。原加熱方案為：在磁軛上、中、下及底部均勻布置42塊加熱板，功率均為4kW，中心體冷卻方式為風冷。通過現(xiàn)場試驗發(fā)現(xiàn)，采用原方案無法保證磁軛下部溫升與上部一致，同時風冷也無法實現(xiàn)對轉子中心體有效降溫，使轉子凸鍵與磁軛形成間隙。

后對加熱板布置方案進行優(yōu)化，在磁軛上部布置21塊，中部布置42塊，下部布置63塊，功率均為4kW，底部布置13塊，功率為10kW，即在底部多布置加熱板，保證磁軛下部的溫升，加熱板布置方案改進前后對比如表2所示。

冷卻方式改為水冷，即制作兩根冷卻水環(huán)管，均布置在轉子頂部，一根在環(huán)管加熱時，投入工業(yè)冷卻水冷卻支臂及凸鍵鍵槽，另一根當磁軛中心體達到60℃，澆淋支臂及中心體，具體布置如圖12和圖13所示。

表2 加熱板布置方案改進前后對比Tab.2 The comparison of the heating plate arrangement

圖12 冷卻水管路布置示意圖Fig.12 The sketch map of cooling water pipe

圖13 冷卻水現(xiàn)場布置Fig.13 The detail of cooling water system arrangement

采用改進后熱加墊方案，深蓄電站轉子磁軛熱加墊均順利完成，其加墊后磁軛垂直度與錯牙均得到有效控制。

2.6 安裝過程中的其他問題

2.6.1 磁極引線R角校核

磁極引出線直角位置的內(nèi)側彎曲半徑為R12.5，引線的厚度為5mm，彎曲半徑大于引線厚度的2倍。但在實際安裝過程中，磁極引出線直角位置的彎曲半徑存在不滿足安裝要求的可能，對磁極引線的受力產(chǎn)生影響，從而導致極間引線接觸不良、發(fā)熱等問題[8-9]。因此。需對現(xiàn)場磁極引線R角進行校驗。

2.6.2 轉子引線頂軸固定

轉子引線在頂軸位置的固定未按照設計要求施工，導致絕緣塊與轉子引線存在間隙，未起到防止銅排引線移動目的，長時間運行將造成磁極引線接地的風險。因此，轉子引線絕緣塊應與轉子引線可靠固定，現(xiàn)場改進效果如圖14和圖15所示。

圖14 轉子引線絕緣塊改進前Fig.14 Insulating block before improvement

圖15 轉子引線絕緣塊改進后Fig.15 Insulating block after improvement

2.6.3 轉子引線包絕緣

圖16 包絕緣方式Fig.16 The detail of covered insulation

2.6.4 刷架及勵磁電纜固定支架

深蓄電站原刷架支撐固定在風罩頂部上，采用焊接方式進行固定。當進行檢修時，拆卸風罩則會將集電環(huán)刷架一同起吊拆卸，無法滿足檢修便利的要求，因此對集電環(huán)刷架固定方式進行優(yōu)化，將其支撐移到上機架。同時，增加勵磁電纜支撐點，支撐點也固定于上機架，通過絕緣架將引線固定，改造前后安裝效果如圖17和圖18所示。

圖17 改造前Fig.17 The picture before correction

圖18 改造后Fig.18 The picture after correction

2.6.5 下引風板安裝位置問題

深蓄電站機組采用固定引風板布置，在安裝下引風板時，現(xiàn)場未按照圖紙施工，將密封橡膠安裝于引風板上側（靠近轉子側），如圖19所示。原圖紙設計為：橡膠位于下引風下側，即使橡膠因綁扎固定不牢掉落，亦不會卷入轉子造成掃膛，如圖20所示。

圖19 橡膠安裝于引風板上側Fig.19 The wrong installation location of rubber

圖20 圖紙中橡膠安裝位置Fig.20 The right installation location of rubber

同時在安裝下引風板支架時，現(xiàn)場焊接未控制變形，導致支架水平變形，如圖21所示。從而造成引風板橡膠高于定子擋風板30mm（圖紙設計尺寸為低于定子擋風板3mm），現(xiàn)場安裝如圖22所示。

圖21 支架水平變形Fig.21 The horizontal deformation of bridge

圖22 引風板高程偏差Fig.22 The height windage of wind deflector

針對上述引風板安裝問題，要求施工單位嚴格安裝圖紙施工，保證引風板與轉子、定子相對位置，已存在問題進行返工處理。

3 調(diào)試存在問題及處理

3.1 上導瓦溫上升過快的問題

深蓄電站1號機組進行首次沖轉及升速試驗，機組轉速到達100%額定轉速后運行20分鐘后，發(fā)現(xiàn)上導瓦溫隨著機組100%轉速穩(wěn)定運行時間增加，溫度為逐漸上升趨勢，最高瓦溫達到65.5℃，觀察上導冷卻水進出口最大溫度差僅為1℃，具體溫度曲線如圖23所示。

圖23 溫度隨機組運行時間曲線Fig.23 The temperature records of upper guide bearing

從圖23可以發(fā)現(xiàn)，當機組轉速上升至穩(wěn)定運行的過程中，上導冷熱油的溫差呈逐漸增大趨勢，而上導冷卻水溫差基本在1℃左右，因此可以初步判斷：上導油冷卻器未真正發(fā)揮作用。

結合上導油冷卻器結構進行分析，并對其內(nèi)部進行拆卸檢查，發(fā)現(xiàn)：

（1）上導油冷卻器內(nèi)部水路為3路設計，共設置5排，每排15根散熱管，端面采用法蘭密封，每個水路間采用橡膠密封。經(jīng)檢查，1號上導油冷卻器端蓋內(nèi)密封結構未按訂貨要求執(zhí)行，只采用分段密封，導致管路中冷卻水循環(huán)路徑破壞，具體示意如圖24～圖27所示。

圖24 橡膠破損情況Fig.24 The detail of broken rubber

圖25 橡膠密封所在位置Fig.25 The location of rubber

圖26 原水路走向Fig.26 The sketch map of water distribution

圖27 橡膠破損后水路走向（一側破壞）Fig.27 The sketch map of water distribution with broken rubber

（2）上導油冷卻器為內(nèi)置冷卻器，對比與同類型結構，深蓄電站上導油冷卻器頂部、底部未設置隔油板，致使冷熱油油路相互影響，熱油未充分與冷卻器進行熱交換，從而導致油溫逐漸升高，上導瓦溫也隨之升高[10]。同時受冷油熱油油路混亂影響，油溫RTD的溫度測量值也并不能準確反應油溫實際情況，上導油冷卻器結構、油路示意如圖28和圖29所示。

圖28 上導油冷卻器結構示意圖Fig.28 The structure of oil cooler

圖29 上導油冷卻器油路示意圖Fig.29 The sketch map of oil distribution

具體處理方法如下：

（1）更換上導油冷卻器端部密封橡膠，保證管路中冷卻水按設計水路循環(huán)。

（2）對上導油冷卻器結構進行改造，增設隔板，改進上導油盆油循環(huán)路徑，從而增加熱油與冷卻器有效接觸面積，保證熱油與油冷卻器進行充分的熱交換，油冷卻器改進后結構如圖30所示。

3.2 推力外循環(huán)油泵噪聲超標

深蓄電站推力外循環(huán)設備由推力油泵、過濾器、冷卻器、管路等組成，采用德國風凱品牌產(chǎn)品。推力外循環(huán)油泵原方案采用2主1備，單臺油泵設計流量為4750L/min。由于在設備運行時，推力外循環(huán)油泵振動噪聲過大，嚴重影響現(xiàn)場生產(chǎn)運行環(huán)境。經(jīng)與廠家進行溝通并進行復核計算，按現(xiàn)場實際冷卻水量條件，建議將油泵運行方式改為1主2備。改變推力外循環(huán)運行方式后，現(xiàn)場噪聲下降10dB，設備閥門振動顯著下降，現(xiàn)場環(huán)境明顯改善。經(jīng)1號機組發(fā)電工況、抽水工況熱穩(wěn)定性試驗驗證，下導瓦瓦溫、推力瓦瓦溫、下導油盆油溫滿足運行要求，故推力外循環(huán)油泵運行方式改為1主2備是切實可行的。

4 結束語

深蓄電站是南方電網(wǎng)第一座主機完全國產(chǎn)化的電站，1號機組于2017年9月18日開始進行動態(tài)調(diào)試，35天完成所有調(diào)試項目并順利投產(chǎn)，目前，深蓄電站1號機組已順利投入商業(yè)運行，機組性能達到國內(nèi)優(yōu)良。深蓄電站在其他國產(chǎn)類似項目的經(jīng)驗上，并在設計安裝調(diào)試階段對一系統(tǒng)問題進行認真評估、分析并及時采取措施，成功避免了一系列質(zhì)量問題發(fā)生。綜述涉及的機組設備設計修改、工藝改進，有的已得到現(xiàn)場運行調(diào)試的驗證，有的仍有待進一步考驗，希望本文對后續(xù)電站提供有益參考。

圖30 改進后油冷卻器結構（左：頂部；右：底部）Fig.30 The structure of oil cooler after improvement

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陳弘昊（1991—），男，助理工程師，主要研究方向：抽水蓄能電站機電項目基建、生產(chǎn)維護。E-mail：horstchen@126.com

汪志強（1969—），男，高級工程師，主要研究方向：抽水蓄能電站設計與設備管理等。E-mail：1295512324@qq.com

陳泓宇（1975—），男，高級工程師，主要研究方向：抽水蓄能電站基建和電廠技術管理。E-mail：542120791@qq.com

馬永良（1981—），男，高級工程師，主要研究方向：水輪發(fā)電機設計。E-mail：mayongliang@hec-china.com

蔣寶鋼（1960—），男，高級工程師，水輪發(fā)電機副總設計師，主要研究方向：水輪發(fā)電機設計。E-mail：jiangbaogang@hec-china.com

雷 慧（1984—），男，工程師，主要研究方向：抽水蓄能電站機電項目基建、生產(chǎn)維護。E-mail：lizhan90522@qq.com

李 展：（1990—），男，助理工程師，主要研究方向：抽水蓄能電站機電項目基建、生產(chǎn)維護。E-mail：lizhan90522@qq.com