抽水蓄能電站發(fā)電電動機的主力機型

趙 政，鄭 波，汪靜文，羅成宗，丁 光

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抽水蓄能電站發(fā)電電動機的主力機型

趙 政1, 2, 3，鄭 波1，汪靜文1，羅成宗4，丁 光4

2. 中國電建集團華東勘測設(shè)計研究院有限公司，杭州 311122；國家能源水電工程技術(shù)研發(fā)中心抽水蓄能工程分中心，杭州 311122；3. 浙江省抽水蓄能工程技術(shù)研究中心，杭州 311122；4. 浙江仙居抽水蓄能有限公司，浙江 仙居 317312）

文章基于全球大容量高轉(zhuǎn)速空冷發(fā)電電動機容量/轉(zhuǎn)速統(tǒng)計數(shù)據(jù)，就現(xiàn)有機組的參數(shù)水平，分析機組容量或轉(zhuǎn)速向上突破存在的問題，多角度論述主力機型的確立，并提出主力機型需進一步研究的一些問題。

發(fā)電電動機；主力機型；大容量；高轉(zhuǎn)速

0 發(fā)電電動機的設(shè)計、制造水平

自上世紀(jì)70年代至2014年年底，世界上近90座大型抽水蓄能電站的360多臺大容量、高轉(zhuǎn)速空冷發(fā)電電動機在建及投產(chǎn)運行。隨著科技的進步，設(shè)計、制造水平的提高，發(fā)電電動機歷經(jīng)半個世紀(jì)的發(fā)展，逐步在向大容量、高轉(zhuǎn)速方向發(fā)展。圖1表示的是世界上大容量、高轉(zhuǎn)速空冷發(fā)電電動機的容量/轉(zhuǎn)速圖。

圖1 世界上大容量、高轉(zhuǎn)速空冷發(fā)電電動機容量/轉(zhuǎn)速圖

研究表明，由于受電機冷卻特性及機械強度方面等的限制，公認(rèn)的空冷凸極同步電機的理論極限為3.0×105MVA·r/min[1]。從上述空冷發(fā)電電動機容量/轉(zhuǎn)速圖來看，一些機組已逼近設(shè)計制造極限，機組制造處于飽和區(qū)。對于400MW或更大容量、500r/min級機組，容量或轉(zhuǎn)速向上突破均存在一定的難度及問題。

1 機組現(xiàn)有設(shè)計的參數(shù)水平

從當(dāng)今大容量、高轉(zhuǎn)速發(fā)電電動機的電磁參數(shù)、機械參數(shù)來看，已達空冷機組設(shè)計制造的最高水平：利用系數(shù)11.13、電負荷900A/cm、熱負荷4000A2/(mm2·cm)、定子鐵心高3.7m、飛逸轉(zhuǎn)速時轉(zhuǎn)子外緣1kg（質(zhì)量）物質(zhì)產(chǎn)生的離心力1600（kg力）、定子內(nèi)圓表面單位面積損耗10.1W/cm2、推力軸承PV值220(MPa·m)/s、推力軸承制造難度（推力負荷×轉(zhuǎn)速）7.5×105（t·r/min）[2-3]。由于發(fā)電電動機運行的特殊性，機組運行時存在很大的熱應(yīng)力及機械應(yīng)力。

圖2 典型大容量、高轉(zhuǎn)速空冷發(fā)電電動機出力系數(shù)圖

圖3 發(fā)電電動機及巨型水輪發(fā)電機飛逸轉(zhuǎn)速時轉(zhuǎn)子外緣1kg（質(zhì)量）物質(zhì)產(chǎn)生的離心力

圖4 典型大容量、高轉(zhuǎn)速空冷發(fā)電電動機推力軸承制造難度圖

2 機組容量或轉(zhuǎn)速向上突破需研究的問題

對于額定轉(zhuǎn)速500r/min的機組，額定容量突破400MW或更高，或大容量機組，額定轉(zhuǎn)速由500r/min升至600r/min，面臨以下需研究解決的問題：

（1）定子鐵心太高，定子鐵心、轉(zhuǎn)子磁極、磁軛的壓緊難度[4]；

（2）機組的臨界轉(zhuǎn)速及軸系穩(wěn)定性問題；

（3）飛逸時轉(zhuǎn)子外圓巨大的離心力，轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計及材料選擇；

（4）定子內(nèi)圓表面單位面積損耗很大，應(yīng)研究通風(fēng)設(shè)計，以最小風(fēng)量達到最佳的冷卻效果；

（5）為取得較好的電磁參數(shù)，額定電壓可能提高至20kV或更高[8]，關(guān)注定子繞組散熱、熱老化等問題；

（6）分析研究可逆式機組高速/重載推力軸承支撐結(jié)構(gòu)、潤滑參數(shù)、冷卻方式；

（7）重載、交變推力荷載對懸式機組定子設(shè)計的影響；

（8）定、轉(zhuǎn)子部件的疲勞問題；

（9）大容量、高速機組的振動問題，噪音問題；

四是助創(chuàng)“文明城市”盡心盡力。將“文明城市”創(chuàng)建工作作為首要任務(wù)，2017年9月，全員投入創(chuàng)建活動之中，加大巡查力度，提升巡查手段，對城區(qū)所有儲備地塊進行地毯式的清理整治，特別是在“迎國測”期間，開展24小時巡查管護，分片包干，責(zé)任到人，儲備土地沒有出現(xiàn)任何不良問題，得到了市創(chuàng)建辦的充分肯定。

（10）其它相關(guān)問題，如超高水頭、大容量水泵水輪機高可靠性和高水力性能的統(tǒng)一問題和振動問題，大容量、高轉(zhuǎn)速機組電站的廠房振動問題，大容量機組電站的系統(tǒng)可調(diào)性問題等。

3 蓄能機組的主力機型

基于蓄能機組雙向旋轉(zhuǎn)、頻繁起停、負荷陡增、過渡過程復(fù)雜[5]，特別是大容量高速機組故障率明顯提高等特點，確保發(fā)電電動機的安全穩(wěn)定運行，并提升電站及機組在系統(tǒng)中的靈活調(diào)節(jié)性，是首先應(yīng)考慮的。在研究超大容量、高速機組的同時，應(yīng)重點針對主力機型，研究解決主力機型存在的一些問題。

主力機型的確定，可從水泵水輪機、發(fā)電電動機、電站建設(shè)的經(jīng)濟性、電力系統(tǒng)的角度等來分析。

從水泵水輪機角度來看，基于國內(nèi)外運行機組的統(tǒng)計以及我國規(guī)劃中的抽水蓄能電站的需求，大型機組容量范圍250～400MW，300MW機組占絕大多數(shù)。水頭段范圍200～750m，其中500m水頭段（450～550m）占主導(dǎo)地位。

從抽水蓄能電站建設(shè)的經(jīng)濟性角度來看，在抽水蓄能電站布局規(guī)劃時，距高比（/）是一個重要參數(shù)。距高比越小，水頭損失就越小，電站綜合效率越高。在200～750m水頭范圍內(nèi)，500m水頭段所占比重最大，其值本身也處于高水頭區(qū)域。因此從工程經(jīng)濟性和布局合理性以及開發(fā)次序方面考慮，選擇300MW級500m水頭段機型作為主力機型是合適及必要的。

從電力系統(tǒng)角度來看，之所以逐步發(fā)展到300MW級左右的機型占主流，是因為該容量級機組在并入或與電網(wǎng)切開時，所造成的沖擊能夠被電網(wǎng)消化吸納，將較大功率變化所引起的電網(wǎng)過渡過程波動在極短時間內(nèi)消除，不至于影響電網(wǎng)供電品質(zhì)和電網(wǎng)安全。

縱觀近半個世紀(jì)以來發(fā)電電動機的發(fā)展歷程及發(fā)展趨勢，并考慮機組應(yīng)用的廣泛性、電站經(jīng)濟性、電網(wǎng)適應(yīng)性以及抽水蓄能機組自主化和國內(nèi)抽水蓄能電站規(guī)劃發(fā)展的需要，發(fā)電電動機的主力機型為300MW級、375~500r/min。

4 主力機型需進一步深入開展的研究工作

就主力機型而言，隨著蓄能電站的相繼建設(shè)，已開展了以下的研究工作，如發(fā)電電動機的參數(shù)/結(jié)構(gòu)選擇、過渡過程研究、水泵水輪機與發(fā)電電動機的參數(shù)和結(jié)構(gòu)匹配、機組運行方式的合理選擇、機組與廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計的協(xié)調(diào)等。在此基礎(chǔ)上，進一步就主力機型，應(yīng)加強疲勞特性研究、全壽命周期費用分析、變速機組的應(yīng)用、機組結(jié)構(gòu)型式及布置方式、抗疲勞措施等的研究工作。

（1）疲勞特性研究

基于發(fā)電電動機在頻繁啟停、多工況轉(zhuǎn)換、甩負荷等惡劣工況下運行的特點，進行疲勞機理分析，研究疲勞判據(jù)的采用，進行疲勞壽命計算，并就分析計算結(jié)果與現(xiàn)場實測加以比對，進而明確防止措施，優(yōu)化機組部件結(jié)構(gòu)型式、材料選擇、運行工況選定等，確保機組安全穩(wěn)定運行[10]。

（2）全壽命周期費用分析研究[9]

基于全壽命周期費用管理理念，從機組長期經(jīng)濟效益出發(fā)，全方位考慮其在規(guī)劃、設(shè)計、制造、購置、安裝、運行、維護、更新直至報廢的整個壽命周期全過程中所需支出費用總和，在綜合考慮機組安全可靠性與經(jīng)濟學(xué)基礎(chǔ)上，建立以機組全壽命周期費用最小為目標(biāo)函數(shù)的數(shù)學(xué)模型，以使機組在整個壽命期的成本花費更合理，經(jīng)濟效益更高。

（3）變速機組的應(yīng)用[6]

隨著電網(wǎng)中核電、燃氣發(fā)電及聯(lián)合循環(huán)電廠等穩(wěn)定供電電源和風(fēng)電、光伏發(fā)電等間歇性可再生能源的大規(guī)模利用，其在電網(wǎng)上所占比例日漸增大，導(dǎo)致電網(wǎng)的穩(wěn)定運行，尤其是夜間頻率控制，變得更為困難。核電在電網(wǎng)中的比重增加，夜間也滿負荷運行，可以調(diào)整出力的其他機組在夜間被停運，就會產(chǎn)生夜間負荷調(diào)整困難及頻率波動的問題。定速蓄能機組在此期間以水泵工況運行，不能調(diào)節(jié)輸入功率，因此無法滿足電網(wǎng)快速準(zhǔn)確進行電網(wǎng)頻率調(diào)節(jié)的要求?？勺兯傩钅軝C組就是解決問題的辦法之一。

作為一種先進的、優(yōu)秀的電網(wǎng)穩(wěn)定運行的調(diào)節(jié)手段，可變速蓄能機組也是常規(guī)定速蓄能機組發(fā)展到一定規(guī)模后的有益補充。

開展變速機組研制及應(yīng)用，填補國內(nèi)變頻交流勵磁變速蓄能機組技術(shù)的空白，更好地服務(wù)于電力系統(tǒng)。

（4）激光沖擊強化（LSP）技術(shù)在機組抗疲勞材料上的研究[7]

激光沖擊強化技術(shù)是利用激光誘導(dǎo)的沖擊波來強化金屬表面的新技術(shù)，其能大幅度增強金屬材料的耐久性，防止表面出現(xiàn)裂紋，從而提高使用壽命和降低設(shè)備的維修成本。

嘗試著在發(fā)電電動機易疲勞部件采用激光沖擊強化技術(shù)，能有效地解決機組疲勞問題，更好地適應(yīng)蓄能機組的特殊運行要求。

（5）機組結(jié)構(gòu)型式及布置方式

重視機組結(jié)構(gòu)型式的選取，綜合考慮機組運行特性及運行維護的便利性，選擇的重點應(yīng)放在機組運行的安全穩(wěn)定方面，兼顧檢修維護的便利性。

5 結(jié)論

文章基于全球大容量高轉(zhuǎn)速空冷發(fā)電電動機容量/轉(zhuǎn)速統(tǒng)計數(shù)據(jù)，就現(xiàn)有機組的參數(shù)水平，分析機組容量或轉(zhuǎn)速向上突破存在的問題，多角度論述了發(fā)電電動機主力機型為300MW級、375~500r/min，并提出了發(fā)電電動機需進一步研究的一些問題。隨著抽水蓄能電站建設(shè)事業(yè)的快速發(fā)展，電站心臟發(fā)電電動機的設(shè)計及制造也日臻成熟。發(fā)電電動機向精細化、個性化設(shè)計/制造、免/易維護、安全穩(wěn)定運行的方向發(fā)展，是我們追求的目標(biāo)。

[1] 戴慶忠. 日本抽水蓄能機組技術(shù)發(fā)展近況[J]. 東方電機, 2008, 22(1):2-11.

[2] 趙政. 抽水蓄能電站發(fā)電電動機國產(chǎn)化[J]. 大電機技術(shù), 2010(1):5-9.

[3] 趙政. 發(fā)電電動機的安全穩(wěn)定運行[C]// 中國水力發(fā)電工程學(xué)會電網(wǎng)調(diào)峰與抽水蓄能專業(yè)委員會抽水蓄能學(xué)術(shù)年會. 2010:13-16.

[4] 鄭小康,等. 陽江抽水蓄能機組采用蒸發(fā)冷卻的優(yōu)勢分析[C]// 抽水蓄能電站工程建設(shè)文集2014.

[5] 趙政. 抽水蓄能電站發(fā)電電動機的過渡過程[C]// 抽水蓄能電站工程建設(shè)文集2013. 中國電力出版社, 2013.

[6] 郭海峰. 交流勵磁可變速抽水蓄能機組技術(shù)及其應(yīng)用分析[J]. 水電站機電技術(shù), 2011, 34(2):1-4.

[7] 畢鳳琴, 張春成,等. 激光沖擊強化技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用[J]. 兵器材料科學(xué)與工程, 2010, 33(1):101-104.

[8] Amano. 世界最大容量空冷發(fā)電動機的開發(fā)[J]. 國外大電機, 1999(4):23-26.

[9] 張耘. 產(chǎn)品壽命周期費用分析[J]. 食品科學(xué)技術(shù)學(xué)報, 1996(2):18-24.

[10] 何慶慶,等. 水輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子疲勞壽命預(yù)測分析[J]. 水力發(fā)電學(xué)報, 2010, 29(6):223-228.

The Main Models of Generator-Motor in Pumped Storage Power Plant

ZHAO Zheng1,2,3，ZHENG Bo1，WANG Jingwen1，LUO Chengzong4，DING Guang4

(1. Power China Huadong Engineering Corporration Limited, Hangzhou 311122, China;2. Pumped Storage Engineering Branch of National Hydropower Technology Researchand Development Center, Hangzhou 311122, China;3. Pumped Storage Engineering Center of Zhejiang Province, Hangzhou 311122, China;4. Xianju Pumped Storage Limited Company of Zhejiang Province, Xianju 317312, China)

Based on the statistics of large capacity and high speed air-cooled generator-motor in the world, according to the parameters level of the existing units, this paper analyzes the existing problems of the unit capacity or speed increase, discusses the establishment of the main model in many aspects, and some problems need to be further studied.

generator-motor; main models; large capacity; high speed

TM312

A

1000-3983(2018)02-0048-03

2017-06-23

趙政（1960-），1984年畢業(yè)于華南工學(xué)院電力系電機專業(yè)，學(xué)士學(xué)位。長期從事水電站電氣設(shè)計和技術(shù)研究工作，教授級高級工程師。