發(fā)電機(jī)定子吊裝方案的優(yōu)化選擇

魏邦華

(福建福清核電有限公司,福建 福清 350318)

隨著社會(huì)的進(jìn)步、科技的發(fā)展，現(xiàn)代化的火力發(fā)電廠逐漸向高參數(shù)、大容量、自動(dòng)化方向發(fā)展。隨著機(jī)組的單機(jī)容量的不斷增大，發(fā)電機(jī)的體積、重量也在不斷增加，加上大部分發(fā)電機(jī)廠家制造的發(fā)電機(jī)定子均為整段式結(jié)構(gòu)，這就使得發(fā)電機(jī)定子的單件重量非常之大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于汽機(jī)房行車的起吊能力，這就給發(fā)電機(jī)定子的安裝就位帶來(lái)一定的困難。撰寫本論文的目的就是討論并研究如何將發(fā)電機(jī)定子吊裝就位，同時(shí)本論文中所提及的發(fā)電機(jī)定子吊裝方案也可作為各位同行在發(fā)電機(jī)定子吊裝方案選擇上的參考。

按目前電網(wǎng)中單機(jī)容量為600 MW主力機(jī)組來(lái)說(shuō)，發(fā)電機(jī)定子重達(dá)320 t，而核電機(jī)組目前單機(jī)容量為1 000 MW，發(fā)電機(jī)定子將達(dá)到350 t，然而通?；痣娬酒麢C(jī)房行車額定起吊能力僅僅為80 t，核電站汽機(jī)廠房行車額定起重能力約在260 t左右，發(fā)電機(jī)定子的重量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出汽機(jī)房行車的起吊能力。如何將如此之重的發(fā)電機(jī)定子吊裝就位成為所有工程技術(shù)人員必須面對(duì)的一個(gè)新的挑戰(zhàn)。面對(duì)挑戰(zhàn)，廣大工程技術(shù)人員毫不畏懼、勇于創(chuàng)新，運(yùn)用科學(xué)的計(jì)算、合理的設(shè)計(jì)成功地將一個(gè)又一個(gè)的符合工程實(shí)際的吊裝方案應(yīng)用到工程中，解決了發(fā)電機(jī)定子吊裝難的問(wèn)題。

本文主要討論了工程實(shí)際中幾種大型發(fā)電機(jī)定子吊裝方案，并對(duì)各個(gè)方案進(jìn)行了綜合對(duì)比，以便于選擇出最符合各工程實(shí)際情況的最優(yōu)化吊裝方案。

1 方案一采用門型框架結(jié)構(gòu)與液壓提升裝置吊裝發(fā)電機(jī)定子

華電宿州發(fā)電廠一期 2×600 MW超臨界燃煤機(jī)組發(fā)電機(jī)設(shè)備由上海汽輪發(fā)電機(jī)有限公司采用Siemes技術(shù)設(shè)計(jì)制造。發(fā)電機(jī)型號(hào)為QFSN-600-2型，外形尺寸寬×高×長(zhǎng)為4 002 mm×4 350 mm×10 052 mm，凈重為320 t。在總體設(shè)計(jì)中汽機(jī)房行車起吊重量為80 t，行車橋架未進(jìn)行加固設(shè)計(jì)，汽機(jī)房A、B排承載均不考慮吊裝發(fā)電機(jī)定子的重量，汽機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)層平臺(tái)承載(除基座外)均不考慮發(fā)電機(jī)定子的重量?；谝陨舷拗埔蛩貨Q定采用自制門型框架結(jié)構(gòu)吊裝發(fā)電機(jī)定子。

吊裝示意圖如圖1所示，總體方案如下：

在汽機(jī)房8～12軸線內(nèi)0 m至主機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)層，影響定子吊裝的設(shè)備基礎(chǔ)、設(shè)備、立柱、鋼架結(jié)構(gòu)梁和相應(yīng)次梁部分須緩吊和緩建；在發(fā)電機(jī)基礎(chǔ)的擴(kuò)建端安裝門型框架，在0 m安裝門型框架處，按規(guī)定尺寸預(yù)先澆注4個(gè)承重分別為150 t的混凝土基礎(chǔ)并預(yù)埋地腳螺栓。設(shè)計(jì)并安裝定子吊裝架及提升架滑道，用400 t平板車將發(fā)電機(jī)定子倒入門型框架內(nèi)，在門型框架上安裝好提升架并布置4組鋼索式液壓提升裝置進(jìn)行起吊，通過(guò)垂直提升、水平移位和垂直下降，將定子放下就位，安裝在13.7 m運(yùn)行平臺(tái)上。發(fā)電機(jī)定子水平移位時(shí)通過(guò)布置在運(yùn)行平臺(tái)上的兩臺(tái)卷?xiàng)顧C(jī)完成。

圖1 使用門型框架及液壓提升裝置吊裝定子示意圖Fig. 1 Diagram of hoisting stator using door frame and hydraulic hoisting set

因立柱Ⅱ與汽機(jī)基座間上橫梁跨距最大，因此校核立柱Ⅱ與汽機(jī)基座間上橫梁的彎曲強(qiáng)度即可。P=(320+60)/4=95 t(其中320 t為定子重、60 t為液壓提升裝置行走架重量)現(xiàn)將定子在立柱Ⅱ與汽機(jī)基座間上橫梁上的受力圖如圖2所示。

圖2 門型框架上橫梁受力圖Fig. 2 Bear strength diagram of door frame beam

采用疊加法計(jì)算梁的彎矩[1],分別計(jì)算由力P和均布荷載q產(chǎn)生的彎矩疊加即得梁的彎矩。最大彎矩：Mmax=M1+M2(其中M1為上橫梁自重產(chǎn)生的彎矩，M2為定子在門型框架上橫梁上產(chǎn)生的最大彎矩)，

最大截面處q=(0.6×1×0.04×2+0.03×1.08×1)×ρ=627 kg/m，

M1=Mmax1=qL2/8=627×9.8×10.62/8=8.6×104N·m，

定子提升架在此段滑道上移動(dòng)時(shí)，對(duì)滑道產(chǎn)生的剪力方程如下，設(shè)定子提升架第二個(gè)支點(diǎn)距立柱Ⅱ距離為x，由提升架圖可知，提升架兩支點(diǎn)距離為5 400 mm。

剪力方程：

Q(x)=F1=[95×(10 600-x)+95×(10 600-x-5 400)]/10 600

彎距方程：

M(x)=Q(x)×x=[15 800x-2x2]×95/10 600(0≤x≤5 200)

由彎矩方程可知，其是一個(gè)二次方程，則其取得最大彎矩時(shí)，彎矩方程的一階導(dǎo)數(shù)為零[2]。

M′(x)=15 800-4x=0

解得x=3 950時(shí)，滑道截面受到的彎矩最大。

將x=3 950代入彎距方程M(x)解得定子提升架在滑道上行走時(shí)的最大彎矩，

Mmax2=279 667.5 t·mm=279.668 t·m=279.668×104N·m，

由剪力方程可知，當(dāng)x=0時(shí)，剪力最大Qmax=141.6 t，

Mmax=Mmax1+Mmax2=8.6×104N·m+279.67×104N·m=288.3×104N·m。

彎曲正應(yīng)力計(jì)算：

門型框架上橫梁發(fā)生最大彎矩處截面尺寸如圖3所示。

圖3 上橫梁最大彎矩處截面尺寸圖Fig.3 Section size diagram of max. bending moment at the position of up beam

查鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)[3]得其抗彎截面系數(shù)W=31 393.93 cm3=31 393.93×10-6m3,彎曲正應(yīng)力δ=Mmax÷W=288.3×104N·m /(31 393.93×10-6m3)，

=91.8×106Pa=91.8 MPa<[δ]=160 MPa。

彎曲剪應(yīng)力計(jì)算：

τ=Qmax/ht=141.6 t/1 108/30=0.004 259t/mm2，

=42.59 MPa<[τ]=100 MPa。

經(jīng)上述安全分析與校核可知，門型框架的彎曲強(qiáng)度在允許范圍內(nèi)，使用本方案進(jìn)行發(fā)電機(jī)定子吊裝在理論上是可行的。

2 方案二采用汽機(jī)房行車吊裝發(fā)電機(jī)定子

阜陽(yáng)電廠一期2×600 MW機(jī)組安裝工程發(fā)電機(jī)定子由東方電機(jī)廠采用Hitach技術(shù)生產(chǎn)，型號(hào)為：QSF-600。發(fā)電機(jī)定子為三段式結(jié)構(gòu)，總重為320 t，其中發(fā)電機(jī)定子中間段最大起重量為257 t(包括定子吊攀)，外形尺寸：長(zhǎng)×寬×高=9 196 mm×3 820 mm×3 850 mm，安裝位置在13.7 m運(yùn)行平臺(tái)上。

根據(jù)汽機(jī)房行車定貨技術(shù)協(xié)議書，汽機(jī)房行車梁按承載150 t設(shè)計(jì)，主鉤額定載荷75 t，發(fā)電機(jī)定子可采用兩臺(tái)行車抬吊就位。總體吊裝方案如圖4所示。

圖4 用汽機(jī)房行車吊裝發(fā)電機(jī)定子示意圖Fig.4 Diagram of hoisting stator using crane of turbine building

定子吊裝前應(yīng)對(duì)汽機(jī)房行車主鉤鋼絲繩進(jìn)行重新改穿(另加兩個(gè)動(dòng)滑輪)，并設(shè)計(jì)一根抬吊扁擔(dān)，用汽機(jī)房行車將發(fā)電機(jī)定子抬吊就位。拆除行車主鉤鋼絲繩。將拆除后的鋼絲繩妥善保管，防止銹蝕和機(jī)械損傷。在行車主鉤定滑輪梁上方安裝一個(gè)橫梁，附加橫梁制作采用雙拼#56 a工字鋼，長(zhǎng)度為4 300 mm。在附加橫梁上制作安裝兩只鋼絲繩座。在每只鋼絲繩座的位置用φ32鋼絲繩懸掛一只32 t定滑輪。將重新購(gòu)置的鋼絲繩(φ26)經(jīng)過(guò)滑車組、行車主鉤、滑車組(鋼絲繩穿繞方式見(jiàn)圖5)。將重新穿鉤后的兩臺(tái)汽機(jī)房行車剛性連接，連接方式：采用16號(hào)工字鋼將兩臺(tái)行車的端梁焊接在一起。行車控制系統(tǒng)連接由電氣專業(yè)根據(jù)行車并車接線原理圖連接。連接后的兩臺(tái)汽機(jī)房行車主鉤提升機(jī)構(gòu)及大跑行走機(jī)構(gòu)動(dòng)作應(yīng)保持同步。連接后應(yīng)進(jìn)行聯(lián)動(dòng)試驗(yàn)，并經(jīng)檢驗(yàn)合格。掛好抬吊扁擔(dān)及吊索吊具,并將兩臺(tái)行車開(kāi)到發(fā)電機(jī)定子上方，將扁擔(dān)與定子吊攀間用鋼絲繩聯(lián)接好,用行車將發(fā)電機(jī)定子提升高于汽機(jī)平臺(tái)200 mm的位置開(kāi)動(dòng)行車大跑至定子基坑位置，落坑就位。

根據(jù)汽機(jī)房行車定貨協(xié)議行車主梁已按150 t 設(shè)計(jì)加固，發(fā)電機(jī)定子重257 t，定子吊裝扁擔(dān)重約13 t，定子轉(zhuǎn)向用大勾重11 t，鋼絲繩等吊索吊具重2.5 t，在發(fā)電機(jī)定子轉(zhuǎn)向過(guò)程中行車總起重量283.5 t，在發(fā)電機(jī)定子吊裝過(guò)程中總重為272.5 t，以行車實(shí)際的最大承重量來(lái)校核行車主梁的強(qiáng)度，即：283.5÷(150×2)=0.937=93.7%，行車主梁強(qiáng)度滿足要求。

行車主鉤鋼絲繩改穿前額定起重量80 t，鋼絲繩為12股；改穿后鋼絲繩為20股， 滑車組的摩擦系數(shù)E取1.02，改穿前抽頭鋼絲繩拉力計(jì)算：

圖5 鋼絲繩改穿示意圖Fig.5 Diagram of altering steel wire rope

S1=QEn-1(E-1)/(En-1)=(80÷2)×1.02(6-1)×(1.02-1)÷(1.026-1)=7.00 t，

改穿后抽頭鋼絲繩拉力：

S2=QEn-1(E-1)/(En-1)=(141.75÷2)×1.02(10-1)×(1.02-1)÷(1.0210-1)=7.73 t，

滑車組鋼絲繩選用：由于行車滾筒槽能容納鋼絲繩數(shù)量限制，起吊鋼絲繩選用6×37+FC，直徑為φ26的圓股類纖維芯鋼絲繩，其抗拉強(qiáng)度為1 870 MPa,其最小破斷拉力372 kN，

所以，起吊鋼絲繩的安全系數(shù)為：372÷9.8÷7.73=4.91倍，

經(jīng)上述安全分析與校核可知，鋼絲繩的受力、行車橋架受力均在允許范圍內(nèi)，故使用本方案進(jìn)行發(fā)電機(jī)定子吊裝在理論上是可行的。

3 方案三采用行車橋架與液壓提升裝置吊裝發(fā)電機(jī)定子

淮南平圩第二發(fā)電有限責(zé)任公司2×600 MW汽輪發(fā)電機(jī)組由法國(guó)Alstom公司設(shè)計(jì)制造的,發(fā)電機(jī)定子重320 t，外形尺寸(長(zhǎng)×寬×高)為9 870 mm×4 840 mm×4 000 mm。汽機(jī)房跨度為：30.6 m，汽機(jī)房?jī)?nèi)布置兩臺(tái)80/20 t行車，行車跨度29 m，發(fā)電機(jī)定子安裝于汽機(jī)房13.7 m運(yùn)轉(zhuǎn)平臺(tái)上。根據(jù)汽機(jī)房行車定貨技術(shù)協(xié)議書，發(fā)電機(jī)定子就位采用液壓提升裝置加行車抬吊的方式進(jìn)行，原起吊總重量約400 t，發(fā)電機(jī)組中心線距廠房中心線向A排側(cè)偏離1.2 m，橋梁大梁小車軌道面承力點(diǎn)距發(fā)電機(jī)組中心線對(duì)稱按兩側(cè)各6.5 m處，起重機(jī)大梁的荷載設(shè)計(jì)滿足此要求?，F(xiàn)起吊總重量達(dá)407.5 t，要求將小車吊離橋架，在小車吊離橋架情況下抬吊重量可達(dá)432 t，發(fā)電機(jī)定子吊裝結(jié)束后再重新安裝小車。

吊裝總體方案如下：

首先拆除汽機(jī)房行車的提升機(jī)構(gòu)及小車，在每臺(tái)行車的橋架上各安裝兩個(gè)承載100 t的扁擔(dān)梁；兩臺(tái)行車開(kāi)到一起，用廠家提供的并車裝置將行車進(jìn)行并車；設(shè)計(jì)并加工兩個(gè)200 t扁擔(dān)梁運(yùn)至13.7 m層；將4個(gè)LSD200液壓提升裝置分別安裝在100 t扁擔(dān)梁上，提升裝置的下端與兩個(gè)200 t的扁擔(dān)梁相連；兩個(gè)200 t的扁擔(dān)抬吊一根350 t的扁擔(dān)梁；用鋼絲繩將發(fā)電機(jī)定子直接拴于350 t的扁擔(dān)梁；用液壓提升裝置將發(fā)電機(jī)定子提升到高于汽機(jī)平臺(tái)200 mm的位置停止提升；開(kāi)動(dòng)行車大跑，將發(fā)電機(jī)定子吊至定子基坑位置，落坑就位。吊裝示意圖如圖6所示。

圖6 用行車橋架與液壓提升裝置吊裝發(fā)電機(jī)定子示意圖Fig.6 Generator stator hoisting diagram using crane structure and hydraulic hoisting set

4 方案四采用軌道梁及液壓提升裝置吊裝發(fā)電機(jī)定子

福清核電工程規(guī)劃建設(shè)6臺(tái)1 000 MW核電機(jī)組，發(fā)電機(jī)組由東方發(fā)電機(jī)廠生產(chǎn)制造，重量約350 t，本工程發(fā)電機(jī)定子吊裝方案采用液壓提升裝置吊裝，從汽機(jī)廠房非核島端到運(yùn)轉(zhuǎn)層平臺(tái)上汽輪發(fā)電機(jī)組軸線方向布置軌道梁，在軌道梁上布置可移動(dòng)的吊裝架，在吊裝架上布置液壓提升裝置，利用液壓提升裝置吊起發(fā)電機(jī)定子后，然后通過(guò)卷?xiàng)顧C(jī)拖拉就位。吊裝示意圖如圖7所示。

圖7 使用軌道梁及液壓提升裝置吊裝定子示意圖Fig.7 Diagram of hoisting stator using rail beam and hydraulic hoisting set

因本程汽機(jī)房行車設(shè)計(jì)成大小二臺(tái)行車上下布置，大行車額定起重量250 t、小行車額定起重量80 t，且行車梁也未加固設(shè)計(jì)，因此不能使用汽機(jī)房行車起吊定子。在廠房設(shè)計(jì)階段，考慮到發(fā)電機(jī)定子就位的難度，已將汽輪發(fā)電機(jī)組軸線方向運(yùn)轉(zhuǎn)層平臺(tái)柱梁結(jié)構(gòu)按承載400 t設(shè)計(jì)，安裝時(shí)可在運(yùn)轉(zhuǎn)層平臺(tái)汽輪機(jī)軸線方向布置軌道梁，以便于將發(fā)電機(jī)定子拖拉就位。采用此方案的條件是汽機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)層平臺(tái)汽機(jī)軸線上的柱梁需加固，且汽機(jī)房非核島端廠房外變壓器基礎(chǔ)應(yīng)預(yù)留，以便發(fā)電機(jī)定子從該外引入。

5 吊裝方案的比較分析

通過(guò)對(duì)上述可知，大型發(fā)電機(jī)定子吊裝方案可根據(jù)汽機(jī)房行車及廠房的設(shè)計(jì)可分別采用四種不同方案進(jìn)行，每種吊裝方案均有各自的特點(diǎn)，每種吊裝方案均有各自不同的適用場(chǎng)合和使用條件，四種方案各有利弊，具體如何選擇需從經(jīng)濟(jì)性、施工工期、廠房及行車的設(shè)計(jì)方面對(duì)四種方案進(jìn)行比較分析，最終選出一種適當(dāng)本工程客觀情況最佳吊裝方案。四種吊裝方案的對(duì)比分析情況如表1所示。

表1 四種吊裝方案對(duì)比分析表

6 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)于大型機(jī)組發(fā)電機(jī)定子吊裝方案的選擇必需考慮工程實(shí)際情況，應(yīng)根據(jù)汽輪機(jī)廠房A、B排及運(yùn)轉(zhuǎn)層平臺(tái)的設(shè)計(jì)承載、汽機(jī)房橋式起重機(jī)承載設(shè)計(jì)、吊裝成本、發(fā)電機(jī)定子的到貨時(shí)間以及整個(gè)工程的總施工期等因素綜合考量確定，從而選出最優(yōu)化的吊裝方案。若汽機(jī)房行車橋架在訂貨時(shí)未采取加固措施，可采用方案一與方案四進(jìn)行發(fā)電機(jī)定子的吊裝，當(dāng)采用方案一時(shí)必須要求汽機(jī)房?jī)?nèi)影響發(fā)電機(jī)定子吊裝的部分建筑結(jié)構(gòu)緩建，同時(shí)要求發(fā)電機(jī)廠家盡早將發(fā)電機(jī)定子發(fā)運(yùn)到施工現(xiàn)場(chǎng)，及時(shí)將發(fā)電機(jī)定子的盡早就位，以便于緩建的部分建筑結(jié)構(gòu)開(kāi)工，保證整個(gè)工程的按期發(fā)電；當(dāng)采用方案四時(shí)汽機(jī)房運(yùn)轉(zhuǎn)層平臺(tái)汽輪機(jī)軸線部位的梁柱需加固設(shè)計(jì)確保能承受發(fā)電機(jī)定子的重量。若汽機(jī)房行車橋架大梁在訂貨時(shí)已采取加固設(shè)計(jì)，完全可承載發(fā)電機(jī)定子的重量，此時(shí)可采用方案二、方案三進(jìn)行吊裝，但對(duì)于大大容量整段式發(fā)電機(jī)定子的吊裝一般不宜采用方案二。

隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，現(xiàn)代化的火力發(fā)電廠單機(jī)容量還將繼續(xù)增大，未來(lái)10年我國(guó)電網(wǎng)的主力機(jī)組將會(huì)發(fā)展成為單機(jī)容量為1 000 MW的大型機(jī)組， 1 000 MW的發(fā)電機(jī)其發(fā)電機(jī)定子的重量將達(dá)350 t，對(duì)于1 000 MW的發(fā)電機(jī)使用方案一及方案四進(jìn)行吊裝是完全可行的；使用方案二、三進(jìn)行1 000 MW發(fā)電機(jī)定子的吊裝、也是可行的，但必須要求汽機(jī)房行車橋架及汽機(jī)房A、B排柱在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)能完全承受350 t的載荷。