枕頭壩一級(jí)水電站發(fā)電機(jī)滑環(huán)碳粉吸收裝置設(shè)計(jì)優(yōu)化及應(yīng)用

張治忠，田若朝，靳 帥

(國(guó)電大渡河枕頭壩發(fā)電有限公司，四川 樂(lè)山 614700)

枕頭壩一級(jí)水電站為大渡河干流水電梯級(jí)規(guī)劃的第19個(gè)梯級(jí)，位于四川省樂(lè)山市金口河區(qū)，電站采用堤壩式開(kāi)發(fā)，徑流式電站，Ⅱ等大(2)型工程，安裝4臺(tái)單機(jī)容量為180 MW的軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量720 MW，開(kāi)發(fā)任務(wù)為發(fā)電，兼顧下游用水，2015年12月4臺(tái)機(jī)組全部投產(chǎn)發(fā)電。

枕頭壩一級(jí)水電站水輪發(fā)電機(jī)為三相凸極同步發(fā)電機(jī)，采用立軸半傘式、密閉自循環(huán)、自通風(fēng)、空氣冷卻的形式。發(fā)電機(jī)主要由定子、轉(zhuǎn)子、上機(jī)架、上導(dǎo)軸承、下機(jī)架、推力軸承、下導(dǎo)軸承、空氣冷卻系統(tǒng)、制動(dòng)和頂起系統(tǒng)、滅火系統(tǒng)、自動(dòng)化系統(tǒng)等零部件組成。

自發(fā)電機(jī)投入運(yùn)行以來(lái)，雖然設(shè)計(jì)安裝了滑環(huán)碳粉吸收裝置，但發(fā)電機(jī)滑環(huán)碳粉仍然較多，導(dǎo)致整個(gè)滑環(huán)室內(nèi)大量碳粉沉積附著，嚴(yán)重影響設(shè)備運(yùn)行環(huán)境，可能導(dǎo)致轉(zhuǎn)子絕緣降低，甚至導(dǎo)致機(jī)組非計(jì)劃停運(yùn)的事故發(fā)生，大大降低了設(shè)備運(yùn)行安全可靠性，并需要投入大量人力、物力進(jìn)行清理，機(jī)組需要大量時(shí)間退出電網(wǎng)備用，嚴(yán)重影響發(fā)電安全和發(fā)電效益。

1 原有碳粉吸收裝置結(jié)構(gòu)和功能分析

滑環(huán)置于發(fā)電機(jī)上端軸的上端，材質(zhì)為Q235-A鋼，具有良好的導(dǎo)電性和散熱性，碳刷與滑環(huán)均安裝在密封的風(fēng)罩內(nèi)，且與發(fā)電機(jī)風(fēng)洞分開(kāi)，以保證碳刷粉塵不污染定、轉(zhuǎn)子，風(fēng)罩外安裝一套滑環(huán)碳刷粉塵吸收裝置，通過(guò)風(fēng)管將碳粉吸入裝置，以保持風(fēng)罩清潔。

但在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，原有碳粉吸收裝置并未起到良好的吸塵效果，導(dǎo)致風(fēng)罩內(nèi)及滑環(huán)上積聚碳粉較多，嚴(yán)重影響了發(fā)電設(shè)備的運(yùn)行安全。通過(guò)對(duì)原有碳粉吸收裝置功能效果不理想的原因進(jìn)行分析，認(rèn)為該裝置在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上存在以下不足：①碳刷滑環(huán)安裝在發(fā)電機(jī)風(fēng)罩內(nèi)，風(fēng)罩整體體積非常大，較只需要進(jìn)行除塵的碳刷滑環(huán)部分體積大出多倍，意味著需要大功率風(fēng)機(jī)進(jìn)行吸塵工作。②原有碳粉吸收裝置風(fēng)機(jī)功率不足，風(fēng)機(jī)吸風(fēng)口數(shù)量不足，管徑偏小，針對(duì)體積較大、相對(duì)密閉的風(fēng)罩而言，僅設(shè)置了1臺(tái)2.2 kW的風(fēng)機(jī)，1個(gè)DN50的吸風(fēng)口，不足以實(shí)現(xiàn)風(fēng)罩內(nèi)空氣的流動(dòng)。上述兩條不足之處是導(dǎo)致該裝置功能性差，進(jìn)而影響發(fā)電機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵原因。

2 碳粉吸收裝置優(yōu)化實(shí)施方案

針對(duì)原有碳粉吸收裝置存在的不足，提出一種優(yōu)化改進(jìn)方案并實(shí)施。改進(jìn)后的碳粉吸收裝置具體結(jié)構(gòu)如下。

改進(jìn)后的碳粉吸收裝置主要由玻璃鋼罩、主機(jī)、控制箱、風(fēng)管四部分組成，玻璃鋼罩環(huán)滑環(huán)整圈布置，在玻璃鋼罩底部均勻布置6個(gè)吸風(fēng)口，3臺(tái)吸塵裝置主機(jī)安裝于滑環(huán)室外側(cè)，通過(guò)3根DN200吸塵阻燃軟管連接；6個(gè)DN150吸風(fēng)口通過(guò)變徑三通分別與3根吸塵主管連接(見(jiàn)圖1)。

圖1 碳粉吸收裝置現(xiàn)場(chǎng)布置示意圖

1)玻璃鋼罩將水輪發(fā)電機(jī)組碳刷滑環(huán)包圍在其中，支撐于機(jī)組上導(dǎo)油槽蓋板上，玻璃鋼罩由6瓣拼裝構(gòu)成，每瓣下部設(shè)有吸風(fēng)管，通過(guò)連接軟管與吸塵裝置主機(jī)相連。玻璃鋼罩外圓側(cè)立面設(shè)有透明觀察窗，觀察窗采用壓扣鎖定鏈接方式，以便于碳刷更換及巡視檢查時(shí)取下(見(jiàn)圖2)。

圖2 玻璃鋼罩結(jié)構(gòu)示意圖

2)吸塵裝置主機(jī)為3臺(tái)，每臺(tái)風(fēng)機(jī)功率為2.2 kW，最大風(fēng)量2 100 m3/h，全壓為2 kPa，風(fēng)機(jī)室為全封閉結(jié)構(gòu)，風(fēng)機(jī)外殼設(shè)吸聲體，高效后彎葉片，直鏈離心風(fēng)機(jī)，濾桶可拆卸。濾筒表面的粉塵隨除塵時(shí)間增加，灰塵堆積變厚，除塵效率降低，濾筒的阻力增加，當(dāng)濾筒內(nèi)外壓差達(dá)到設(shè)定值0～1 kPa之間時(shí)，壓差開(kāi)關(guān)報(bào)警，進(jìn)行濾筒清理。

碳刷粉塵由安裝在箱體上部的風(fēng)機(jī)從箱體下部進(jìn)入風(fēng)管抽入箱內(nèi)，經(jīng)濾筒過(guò)濾，粉塵被阻留在濾筒的表面，凈化后的氣體吸入風(fēng)機(jī)內(nèi)，由箱體上部的出風(fēng)口排出(見(jiàn)圖3)。

圖3 吸塵裝置主機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

3)電控箱實(shí)現(xiàn)了就地和遠(yuǎn)方控制兩種工作方式。①就地或遠(yuǎn)方啟動(dòng)。碳粉除塵裝置在就地狀態(tài)，按下啟動(dòng)按鈕或在遠(yuǎn)方狀態(tài)下接收到啟動(dòng)信號(hào)后，除塵裝置開(kāi)始工作。②就地或遠(yuǎn)方停機(jī)。碳粉除塵裝置在就地狀態(tài),按下停機(jī)按鈕后停機(jī)。在遠(yuǎn)方狀態(tài)下接收到停機(jī)信號(hào)后,碳粉除塵裝置延時(shí)工作5 min(6 min之內(nèi)，可調(diào))后停機(jī)。③當(dāng)阻力大信號(hào)告警時(shí)，需進(jìn)行濾筒清理之后，按下復(fù)位按鈕清除告警信號(hào)。④時(shí)間繼電器整定時(shí)間為5 min。⑤除塵系統(tǒng)具有電機(jī)過(guò)載、缺相等故障情況下自動(dòng)報(bào)警功能，并送遠(yuǎn)傳故障信號(hào)。

4)風(fēng)管采用阻燃鋼絲加強(qiáng)透明PU軟管，支管口徑采用6根DN150軟管，主管口徑采用3根DN200軟管。

3 實(shí)施效果評(píng)價(jià)

通過(guò)優(yōu)化改進(jìn)的碳粉吸收裝置具有適用范圍廣、體積小、處理風(fēng)量大，結(jié)構(gòu)緊湊，布局合理，使用方便可靠等優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了完全自動(dòng)控制功能，具有塵滿壓差、風(fēng)機(jī)故障和電機(jī)過(guò)載等報(bào)警功能，通過(guò)聯(lián)機(jī)控制可長(zhǎng)時(shí)間自動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)，不需人工干預(yù)，與機(jī)組運(yùn)行同步使用，實(shí)現(xiàn)了全封閉和大功率吸塵功能，凈化率達(dá)到99%，有效地解決碳粉附著、絕緣下降等問(wèn)題，改善了設(shè)備運(yùn)行環(huán)境，提高了設(shè)備運(yùn)行可靠性，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié) 語(yǔ)

1)為電氣設(shè)備高粉塵環(huán)境問(wèn)題提出了解決方案。該裝置的優(yōu)化和實(shí)施顯著改善了枕頭壩一級(jí)水電站水輪發(fā)電機(jī)滑環(huán)的運(yùn)行環(huán)境，提高了設(shè)備可靠性水平，大大降低了機(jī)組退出備用時(shí)間，每年4臺(tái)機(jī)組減少退出備用時(shí)間約256 h，增加發(fā)電量4 000多萬(wàn)kW·h，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。為解決電氣設(shè)備高粉塵環(huán)境問(wèn)題提出了解決方案，為解決類似高粉塵環(huán)境問(wèn)題提出了解決思路。

2)為旋轉(zhuǎn)帶電設(shè)備上的絕緣安裝工藝提出了解決方法。該裝置安裝于狹小的封閉空間，且設(shè)備處于轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)，對(duì)于滿足絕緣的同時(shí)需要滿足設(shè)備安裝的密閉性提出了很高的要求，該裝置的安裝設(shè)計(jì)充分考慮的相關(guān)難點(diǎn)，提出了切實(shí)可行的解決方法，對(duì)類似施工工藝有極大的借鑒意義。