宋和斌,祝初等,幸 波
(江西贛能股份有限公司抱子石水電廠(chǎng),江西 九江 332400)
抱子石水電站位于江西省修水縣城下游,是修河干流10 個(gè)梯級(jí)電站中的第6 個(gè)梯級(jí)電站。電站安裝兩臺(tái)燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)組,總裝機(jī)2×20 MW。電站兩臺(tái)機(jī)組分別于2004 年2 月、6月相繼投產(chǎn)發(fā)電。
發(fā)電機(jī)定子機(jī)座采用整圓結(jié)構(gòu),由鋼板焊接而成。定子鐵心為貼壁式,無(wú)徑向通風(fēng)溝,采用優(yōu)質(zhì)低損耗硅鋼片疊壓而成。改造前發(fā)電機(jī)基本參數(shù)如表1 所示。
表1 改造前發(fā)電機(jī)基本參數(shù)
抱子石電站1 號(hào)機(jī)自2004 年投產(chǎn)以來(lái)一直存在著定子溫升偏高的問(wèn)題。雖對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行了多次改造,發(fā)電機(jī)的運(yùn)行條件有所改善,但因未對(duì)定子做結(jié)構(gòu)性的改造,定子運(yùn)行溫度偏高、定子鐵心松動(dòng)等問(wèn)題一直未能得到徹底解決。
改造前抱子石電站1 號(hào)機(jī)帶17 MW 有功時(shí),定子最高運(yùn)行溫度超過(guò)120 ℃。為確保發(fā)電機(jī)安全穩(wěn)定運(yùn)行,發(fā)電機(jī)不得不長(zhǎng)期限負(fù)荷運(yùn)行。
經(jīng)過(guò)近20 年的運(yùn)行,抱子石電站1 號(hào)機(jī)出現(xiàn)了大面積的定子鐵心松動(dòng)。還曾由于定子鐵心松動(dòng)磨損了線(xiàn)棒端部,引起了定子一點(diǎn)接地故障的發(fā)生。
圖1 定子一點(diǎn)接地故障現(xiàn)場(chǎng)照片
發(fā)電機(jī)采用密閉強(qiáng)迫通風(fēng)系統(tǒng),在定子上游側(cè)設(shè)有6 個(gè)空氣冷卻器用于帶走發(fā)電機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生的大部分熱量。由于空氣冷卻器換熱容量較小,使得發(fā)電機(jī)散熱能力不足。
(1)電磁設(shè)計(jì)方面
分析改造前發(fā)電機(jī)的基本參數(shù)可知,原發(fā)電機(jī)電磁設(shè)計(jì)時(shí)選取了較高的熱負(fù)荷、電密以及定子溫升等參數(shù),選擇較高的電負(fù)荷水平雖然可以減少有效材料的用量,但也會(huì)使定子產(chǎn)熱增加,引起定子溫升偏高。
(2)散熱方面
抱子石電站發(fā)電機(jī)為貼壁燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī),機(jī)組產(chǎn)生的熱量主要是通過(guò)定子機(jī)座壁和通風(fēng)冷卻系統(tǒng)帶走。
由于貼壁式機(jī)組實(shí)際運(yùn)行時(shí)散熱能力受到機(jī)座與鐵心貼合程度的影響,機(jī)座壁的散熱能力往往達(dá)不到理想值。若機(jī)座壁散熱能力不佳,多余的熱量只能通過(guò)通風(fēng)系統(tǒng)帶走,從而增加通風(fēng)系統(tǒng)散熱負(fù)荷。若風(fēng)機(jī)風(fēng)量或空冷器換熱容量余量不足,熱量會(huì)在發(fā)電機(jī)內(nèi)部累積使其環(huán)境溫度升高,從而引起定子溫升偏高。
(1)定子溫度偏高
由于定子運(yùn)行溫度過(guò)高,定子鐵心熱膨脹后受軸向應(yīng)力作用產(chǎn)生翹曲變形。發(fā)電機(jī)啟停以及負(fù)載變化使定子鐵心溫度發(fā)生冷熱交替,長(zhǎng)期多次的熱脹冷縮引起鐵心松動(dòng)[1]。
(2)定子鐵心壓緊方式不可靠
抱子石電站機(jī)組定子鐵心采用焊接齒壓板壓緊結(jié)構(gòu),該鐵心壓緊方式無(wú)彈性?xún)?chǔ)備。發(fā)電機(jī)經(jīng)過(guò)一段時(shí)間運(yùn)行以后,定子沖片表面漆膜收縮、冷熱態(tài)交替以及鐵心在工作狀態(tài)下的正?;虍惓U駝?dòng)等原因均會(huì)引起定子鐵心松動(dòng)。
由于改造前機(jī)組電磁設(shè)計(jì)時(shí)選取的熱負(fù)荷、電密以及定子設(shè)計(jì)溫升等參數(shù)較高,制定的改造方案需要增加有效材料的用量,以降低定子電密和熱負(fù)荷,從而降低定子最高溫升。
貼壁貫流機(jī)組定子鐵心背部與機(jī)座間隙的處理對(duì)定子溫升影響很大。抱子石1 號(hào)機(jī)定子改造采用了導(dǎo)熱膠貼壁技術(shù),該導(dǎo)熱膠具有傳熱能力強(qiáng)、富有彈性、流動(dòng)性好、抗老化性強(qiáng)等特點(diǎn)。
導(dǎo)熱膠在定子鐵心壓緊后灌注,因此可以彌補(bǔ)機(jī)座加工偏差和定子的起吊變形,確保導(dǎo)熱膠與機(jī)座、鐵心間接觸良好,從而有效地將發(fā)電機(jī)定子產(chǎn)生的熱量導(dǎo)出。
抱子石電站1 號(hào)機(jī)定子線(xiàn)棒采用VPI 絕緣結(jié)構(gòu)。該絕緣結(jié)構(gòu):一方面具有更低的介質(zhì)損耗增量,更高的擊穿場(chǎng)強(qiáng),更高的耐電、熱老化壽命;另一方面,與改造前多膠模壓線(xiàn)棒相比,絕緣厚度更薄,能夠進(jìn)一步提高槽內(nèi)絕緣傳熱性能,有利于將熱量傳遞給鐵心,降低線(xiàn)棒溫度。
發(fā)電機(jī)的定子線(xiàn)棒是由多股線(xiàn)在兩端并聯(lián)組成。定子線(xiàn)棒處在電機(jī)槽部和端部十分復(fù)雜的漏磁場(chǎng)中,為了減少并聯(lián)股線(xiàn)的環(huán)流損耗,改善線(xiàn)棒內(nèi)股線(xiàn)溫度的分布[2],抱子石電站1 號(hào)機(jī)采用小于360°的換位方式。
圖2 定子線(xiàn)棒股線(xiàn)換位
采用小于360°的換位方式,能有效減少由于端部漏磁而在定子線(xiàn)棒中產(chǎn)生的附加環(huán)流,使股線(xiàn)間溫度均勻,降低線(xiàn)圈股線(xiàn)溫差,從而降低線(xiàn)圈最大溫升,改善絕緣老化,延長(zhǎng)線(xiàn)圈壽命,并減小附加損耗。
發(fā)電機(jī)的大部分熱量通過(guò)通風(fēng)冷卻系統(tǒng)帶走,為了提高發(fā)電機(jī)通風(fēng)系統(tǒng)的散熱能力,需要提高空氣冷卻器的換熱容量。
定子鐵心的壓緊采用穿心螺桿+碟簧的固定方式。由于碟簧具有足夠的彈性?xún)?chǔ)備,發(fā)電機(jī)長(zhǎng)期運(yùn)行鐵心發(fā)生收縮時(shí),碟簧的壓縮量將會(huì)補(bǔ)償穿心螺桿的伸長(zhǎng)量,使定子鐵心仍然能夠維持足夠的壓緊力,以保證定子鐵心長(zhǎng)期運(yùn)行后不松動(dòng)[3]。
圖3 改造后定子鐵心壓緊結(jié)構(gòu)
在工藝措施方面,為了保證定子鐵心的壓緊質(zhì)量,抱子石1 號(hào)機(jī)鐵心疊片時(shí)采用分段壓緊的方式,并在鐵損試驗(yàn)后再次壓緊。
此外,抱子石1 號(hào)機(jī)定子鐵心端部采用粘膠片結(jié)構(gòu),加強(qiáng)了鐵心端部的整體性[4]。鐵心采用浮動(dòng)鴿尾定位筋結(jié)構(gòu),能夠適應(yīng)鐵心熱膨脹,消除了熱膨脹的內(nèi)應(yīng)力,防止鐵心翹曲變形。
2023 年1 月,抱子石電站1 號(hào)機(jī)定子及其輔助部件改造完成并順利投入商業(yè)運(yùn)行。發(fā)電機(jī)通風(fēng)溫升試驗(yàn)結(jié)果如表2 所示。
表2 電站1 號(hào)機(jī)定子改造前后定轉(zhuǎn)子溫升對(duì)比
由發(fā)電機(jī)溫升試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知:
(1)電站1 號(hào)發(fā)電機(jī)在額定容量、額定電壓、額定功率因數(shù)運(yùn)行至熱穩(wěn)定時(shí),定子線(xiàn)圈最高溫升為52.3 K,較改造前的98.6 K 溫升降低了46.3 K。
(2)電站1 號(hào)發(fā)電機(jī)在額定容量、額定電壓、額定功率因數(shù)運(yùn)行至熱穩(wěn)定時(shí),轉(zhuǎn)子線(xiàn)圈平均溫升48 K,較改造前的56 K 降低了8 K。
改造后的發(fā)電機(jī)定子溫度顯著降低,解決了定子鐵心松動(dòng)的問(wèn)題,達(dá)到了改造的預(yù)期目標(biāo)。該機(jī)組的成功改造經(jīng)驗(yàn),為后續(xù)同類(lèi)型水輪發(fā)電機(jī)定子改造提供了寶貴借鑒。