葛洲坝二江水电站发电机增容改造可行性研究

2013-09-01范吉松

黑龙江电力 2013年3期

范吉松，于涛

(1.哈尔滨理工大学水力发电设备国家重点实验室，哈尔滨 150040;2.哈尔滨大电机研究所，哈尔滨 150040)

葛洲坝水利枢纽位于中国湖北省宜昌市境内的长江三峡末端河段上，距上游的三峡水电站38 km，是长江上第一座大型水电站，也是世界上最大的低水头大流量、轴流式水电站。葛洲坝二江水电站安装7台机组，其中5台125 MW机组为哈电公司生产。三峡公司计划在不改变机组结构的情况下，更换定子铁心及线棒，将功率增加到150 MW。为了对葛洲坝机组进行增容改造，本文计算分析了机组的通风及定子温升情况，并在现场对5号机进行通风实验，收集了运行数据。

1 通风系统基本结构及尺寸

葛洲坝二江水轮发电机采用双路径向无风扇的通风结构，冷却空气由转子支架入口进入电机，在转子支架、磁轭、磁极旋转产生的风扇作用下，流经磁轭风沟、磁轭风隙、磁极极间后一部分空气经过气隙和定子径向风沟，另一部分经定子线圈端部、机座回风孔，两部分空气在定子背部汇集进入冷却器，在与冷却水热交换散去热量后，重新分上、下两路进入转子支架，构成密闭自循环。

葛洲坝二江水轮发电机结构尺寸如表1所示。转子支架采取了盒式支臂结构，开设了8个支架入口。磁轭风沟数6，磁轭冲片采取一片一叠，层间相错一个极距，每片挂4极的方式。

表1 葛洲坝二江水轮发电机结构尺寸 mm

2 计算分析

2．1 通风网络及计算结果

根据机组的结构尺寸确定了计算网络，其中包括转子支架、磁轭、磁极的压力元件及风阻元件，定子入口、出口风阻元件，冷却器风阻元件等[1-3]。应用FLOWMASTER软件进行计算分析，计算网络如图1所示。计算得出该机组的总风量为90.49 m3/s。

图1 通风计算网络

2．2 定子温度场计算

针对该机组通风系统的特点，考虑到结构的对称性，定子温度场模型取半齿半槽进行分析计算，轴向取包括上下端部线圈在内的整个区域。把电磁分析的各部分损耗作为模型的热源，结合电机的冷却方式，选择合理的边界条件，对电机定子温度分布进行计算[4]，得出该机组损耗分配数据，如表2所示。

表2 损耗分配 kW

2.2.1 基本假设

1)考虑定子绕组铜耗时，认为涡流效应对每根股线的影响相同，即取其平均值。

2)把槽楔及导线外的绝缘认为是同一种物质。

3)端部绕组在鼻端啮合处认为没有热交换，可做绝热面处理。

4)端部只考虑绕组部分。

5)考虑到定子径向通风沟中的风与定子铁心和线圈产生热交换，假定风温沿径向是线性递增的。

6)定子绕组股线都有绝缘漆膜，但由于漆太薄，若对其进行剖分将会出现单元形状差，或是单元数巨增而使程序运行困难或无法正常工作。故假定股线之间不存在绝缘，其影响归算到绕组的导热系数中。

7)不计热辐射作用[5-6]。

2.2.2 边界条件

本文计算中，对定子通风沟、定子铁心内外圆及定子线圈端部施加第三类边界条件，即流体的温度和流体与边界面的对流换热系数[7]。另外，由于铁心叠片、线圈股线绝缘等因素的影响，计算中考虑了材料的三维各向异性[8]。

应用上述方法进行分析计算，得出了定子半齿半槽沿轴向温度分布云图2、线棒温度分布云图3和定子铁心温度分布云图4。

从图2—图4中可看出，最高温度点为114.331℃，轴向位于中间铁心段处，径向位于上层线棒的直线段靠层间绝缘处，最热点温度为82.11℃，处在中间铁心段的齿根部，轭背部及齿顶处温度较低。需要特别说明的是冷风温度按40℃进行计算。

3 通风实验

风量测量的目的是判断电机各部分风量是否满足冷却的需要，从而使电机各部分温升维持在规定的限度内。风量测量根据其不同位置有多种测量方法，本试验用“中速风表”测量冷却器的平均出风速度，此风速值与冷却器面积及个数相乘即是机组的总风量，测量结果如表3所示。该机组共12台冷却器，宽度为1.47 m，高度为1.8 m，计算得出总风量为94.6 m3/s。

表3 冷却器风速测量

4 线棒温升折算

在电站现场收集到机组3个工况的运行参数，由于是在不改变机组结构尺寸的条件下进行改造，即改造后机组的通风情况与改造前相同，因此可以利用这3个工况的运行数据折算出机组在功率150 MW时的线棒温升，如表4所示。

表4 各工况运行参数

通过各工况运行参数和定子额定电压13 800 V，可以计算得出各工况的定子电流。在工程上近似认为温升与电流的平方成线性关系，通过这3个工况的温升与电流平方可以拟合出该直线，再代入额定电流7 172.06 A，即可折算出功率为150 MW时的线棒平均温升和最高温升。经计算得出平均温升为64.49 K，最高温升为70.53 K。