高原环境水电站起重设备设计关键技术

2017-08-17吴思够蒋从军

水电站机电技术 2017年3期

关键词：减速器海拔高原

杨芳，吴思够，蒋从军

（中国水利水电夹江水工机械有限公司，四川夹江 614100）

高原环境水电站起重设备设计关键技术

杨芳，吴思够，蒋从军

（中国水利水电夹江水工机械有限公司，四川夹江 614100）

高原气候对水电站起重设备的设计选型及操作有着很大的影响。文章分析了高原环境下诸多不利因素对水电站起重机的电动机、减速器、制动器、钢结构、橡胶制品、油料、电气系统的设计选型及操作人员的影响，提出了针对性的解决思路及措施。为后续开发高海拔地区的水电资源提供值得借鉴的经验。

高原环境；起重设备；低温；高原降效；紫外线

0 前言

我国重要的新能源基地在高原地区有较广的分布，这些地区多数电网负荷水平相对较低，对风电、光电等新能源的接纳空间有限，电网调峰能力不足，水电站对促进风电与光电消纳具有重要的作用，因此需要建设一定规模的水电站以增强电网调峰能力。高原地区的水电开发还有比较大的空间，特别是西藏，雅鲁藏布江是我国最大的水电能源基地，天然水能蕴藏量达7 911.6万kW，仅次于长江，居全国第二，目前已建成投产发电的只有藏木水电站，开发前景巨大。雅鲁藏布江也是世界上海拔最高的大河之一，河床一般高程在海拔3 000 m以上。在西藏，目前已建成运行多年的水电站有直孔水电站、金河水电站、狮泉河水电站，最高海拨超过4 300 m，经过多年运行，设备使用情况良好。为更好的适应高原高海拔地区的水电建设，现就高海拔地区环境下起重设备的关键技术，作如下分析总结。

1 概述

在没有特殊说明的情况下，起重设备的设计适用环境为海拔不高于1 000 m的常温地区。高原地区水电建设海拔高程大多在3 000 m以上，其主要气候特点为：大气压力低，空气密度及含氧量低；年平均气温低，而且低温期长，昼夜温差大，大风，日照辐射强等，多数属于高原温带季风半湿润气候。在这种环境中，起重启闭设备比在低海拔地区有较大差异，电动机、减速器、制动器、液压油及润滑油、密封等关键部件需要经过特殊选型甚至于特殊设计才能达到使用要求。部分高原地区风沙大，设备的机构布置需尽量考虑封闭式传动方式，避免风沙浸入，引起传动链损坏，影响设备使用寿命。大气压力低、空气稀薄，也影响到操作人员的工作效率和反应灵活性，直接关系到施工安全和人员的生命安全，需要配备专用设备保证操作人员的身体处于健康状态。因此，启闭设备的总体方案、金属结构的材质及制造工艺、机械零部件制造标准、电气（控制）系统配套和元器件选择、主要零部件、密封件等的选型和用材，需要有专门的应对措施。

2 高原环境气候对电动机的影响分析

由于电动机的功率只与电压的平方和功率因数成正比，与电动机的阻抗成反比，而与海拔高度没直接的关系，所以电机的轴输出功率保持不变。但是，因海拔高度的升高，使空气的密度减少而使电动机的散热能力下降，电动机的温度升高，导致电机的许用轴输出功率降低及故障率升高；由于散热问题造成电机碳刷的磨损严重；高原气候环境空气密度稀薄，温度低、氧气含量不足，还会影响氧化膜的形成，从而引起电机换向恶化问题；另外,也因空气的密度减少而使电动机风机出口的风量减少。

应用于高海拔环境下的电动机，应考虑“高原降效”措施。所谓“高原降效”，就是指电动机在高海拔地区运行时，由于高原环境特殊，电机运行时产生的热量不容易散发出去，电机的有效输出功率降低。另外，由于高原地区海拔高，湿度低、氧气含量不足，导致换向器表面的氧化膜不易形成，从而使换向恶化。具体如下：

1）合理选用电动机的热负荷。考虑高原特殊的运行环境，对电动机的电枢线圈电密、线负荷和热负荷等参数针对高原环境，将进行合理放大。

2）改变挡风板的结构，改善通风效果。电动机采用管道式强迫通风的冷却方式，从电动机后端强迫通入空气。通过改变电动机后端罩的挡风板的传统结构方式，倾斜挡风板适当角度，使冷风经电枢内腔，将电动机产生的大部分热量带出。

3）改善换向的措施。选用优质电刷材料，材质耐磨，硬度中等抑制火花能力强，接触压较大，对换向有利。在电动机设计时，保证足够的窗口宽度，电动机加上位移垫块，通过增大换向区，降低电抗电势，从而达到改善换向的目的。当电动机流过电刷电流较大时，容易在相近的电刷间产生火花，严重时产生环火，烧毁换向器、电刷和刷盒。因此，在刷架上加隔离板，有效的防止相邻刷架环火的产生。

4）在电动机制造过程中将特别关注电动机绕组绝缘电压、防晕、固定特性，它决定了电动机能否在高原环境下安全运行。由于海拔高，气压低，空气密度小，使电动机的起晕电压降低，主绝缘和半导体层或铁心之间气隙容易产生放电现象，腐蚀电机绝缘，所以，高原用电动机的绝缘性能要比一般电动机的要求高。电动机绕组的主绝缘结构、防电晕结构和固定结构是电动机绝缘系统的三个主要部分，与电动机的安全运行和使用寿命有密切关系，主绝缘性能好的标志是绝缘整体性好，厚度均匀，冷、热态tan啄和△tan啄小，击穿电压和场强都较高。为了保证防电晕性能好，首先要使用性能指标理想的防晕带材料，采用合理的结构和制造工艺，消除主绝缘与防晕层之间的间隙，从而防止气隙中的局部放电对电机绝缘的电腐蚀，电动机槽部和端部固定完好，可以保持整个电动机绕组成为一个整体。一方面可以降低槽电位，避免槽内发生局部放电，另一方面可以防止在电磁振动力的作用下，绕组松动与铁心之间产生绝缘的机械损伤和动态放电。

电动机在设计及制造过程中充分考虑到高原运行环境的特殊性，能有效地解决高原降效的问题，保证电动机具有良好的使用性能，使电动机长期、安全、稳定运行。起重设备电动机在工程实际选型中，一般是根据海拔高度和环境温度选择电动机的降容系数，降低电动机容量来进行选型，而对于大型或超大型电动机，属于单件订货生产制作，可以针对性提出要求，以满足高原环境的使用要求。

欧洲起重机械设计规范（FEM）对电动机的选型，要求考虑海拔高度和环境温度对电机出力的影响，电机功率修正系数如图1所示：

图1 环境温度和海拔高度对电机功率的修正系数（FEM图5.8.1.5）

3 高原环境气候对减速器的影响分析

在高原环境气候条件下，减速器主要存在以下几个方面的问题：1）高原地区空气稀薄，减速器的散热性差；2）对减速器润滑油的影响；3）对减速器密封件的影响；4）对减速器箱体的影响。在标准系列减速器的选型中主要采取如下措施：加大减速器的使用安全系数，满足热功率要求；润滑油采用适合高海拔严寒地区的牌号，既能满足低温条件下良好的润滑性能，又能保证高温条件下具有较高的油膜强度；选择适合高原环境的密封件，具有较强的防紫外线能力，能保证在低温环境使用的可靠性；减速器采用焊接箱体，采用具有低温冲击性能的材料制作，严格控制焊缝质量，进行消应力处理等，保证箱体质量受控，而铸件的缺陷控制难度相对焊接箱体来说较大。

表1为某减速器厂家提供资料：

表1 减速器热功率海拔系数

对于非标设计减速器，为增强减速器在高原条件下的散热性能，可在箱体上焊散热翅片。同样在机架设计上也可采取相应措施，留通风孔，可保证机外空气能通过机架与箱体及机房形成对流以加强对减速器的自然冷却。

4 高原环境气候对制动器的影响分析

在高原环境气候条件下，制动器主要存在以下方面的问题：

1）对制动器润滑油的影响；

2）对制动器密封件的影响；

3）对制动器液压管路的影响；

4）西藏地区电压不稳，对于安全制动器电控箱的影响。

工作制动器的Ed型推动器，产品的使用温度为-25～50℃，选用低温特性、抗磨性、抗腐蚀性良好的合成液压油，具有优良的抗氧化、水解安定性和抗乳化性能，以及良好的空气释放性和消泡性。

选择适合高原环境的进口密封件，能够在-40～+100℃正常使用。

安全制动器的液压管路中，由于软管在高海拔情况下使用老化程度比较快，应采用钢管，减少使用过程中管路的老化。若因布置需要使用胶管，应选择适合高原环境的胶管，能够保证低温环境使用的可靠性和耐用性。

安全制动器的电控箱，考虑到西藏地区电压不稳等因素，采取加大电气元件的型号选型等措施，满足高原地区水电站的使用要求。

5 高原环境气候对钢结构的影响分析

钢材的拉脆断性能与环境温度、结构型式、钢板厚度、应力特征、钢材性能等因素有关。工作温度越低、钢材越厚、名义拉应力越大、应力集中及残余应力越高、钢材韧性越差的结构越容易发生脆断。水电站起重设备长期工作在高原低温环境，其门架结构、小车架等主要受力结构件的抗拉断性能，在设计制造过程中必须予以高度重视。

针对高原气候寒冷的特定环境，起重设备的关键部件，包括门架结构、小车架、吊具耳板、卷筒等，要求其具有足够的耐低温冲击韧性，才能保证起重机在严寒条件下使用不发生脆裂问题。采取的措施主要有：1）主要受力构件采用Q235D或Q345D；2）主要受力结构件的设计采取减少应力集中和减少焊接残余应力的构造措施，严格控制板厚；3）采用低温焊接技术进行焊接，确保焊接质量能适应高原寒冷地区作业环境；4）降低结构计算应力，保证钢结构的安全可靠性。

6 高原环境气候对密封橡胶材料、MC尼龙材料的影响分析

普通常态下的密封橡胶材料在低温和紫外线下极易老化，脆裂、磨损。在高原地区，由于低温、紫外线较强等原因，使机械设备的橡胶部件、橡胶密封件容易老化、寿命缩短，漏油现象使动力系统输出功率不足，成本增加、效益下降，也不利于环保的要求。对于起重机液压系统、制动系统密封件、减速器等关键设备的密封件，采用适合于高原环境的密封材料尤为重要。选择适合高原环境的密封件，应具备耐-40℃的低温、耐紫外线的能力，能够保证低温环境使用的可靠性和耐用性。

普通常态MC尼龙材料在高原紫外线较强的条件下，会降低使用寿命（约为正常情况下的60%），但对于经过特殊处理的MC尼龙材料，其使用寿命将达到普通MC尼龙材料的一倍以上。

若采用尼龙滑轮等尼龙制品，应采取以下措施防止老化：

1）滑轮采用黑色制品，因为炭黑能吸收95% 380 nm以上波长的可见光，大幅度的减少可见光对尼龙的伤害，延缓尼龙的老化，提高产品的使用寿命。

2）添加紫外线吸收剂，针对强紫外线条件下使用的MC尼龙制品，此添加剂具有超强的紫外线吸收能力，能几乎100%吸收270～380 nm波段的紫外线，它同时又具有超强的抗氧能力，因此它可以大幅度提高产品的抗老化性能，延长产品的使用寿命。

3）特殊的生产工艺。

7 高原环境气候对各种油料（液压油、润滑油等）的影响分析

油料的选择对高原施工设备是至关重要的,选择不好会直接导致机械设备的加速磨损或不能正常启动。为减少低温低气压条件下的起动阻力,保证制动器等液压系统的正常工作，必须选用适合的液压油。

液压系统70%～80%的故障是由于液压油选择不当或液压油被污染引起的,应选用低温特性、抗磨性、抗腐蚀性良好的合成液压油,还应具有优良的抗氧化、水解安定性和抗乳化性能,以及良好的空气释放性和消泡性。只有选用了适合的液压油,才能延长液压元件的使用寿命。

润滑油要具有闪点高、凝点低、粘度性能变化小、防氧化、防腐蚀、防锈蚀、抗泡沫的特性,保证在低温条件下良好的润滑性能和高温条件下具有较高的油膜强度。

8 高原环境气候对供电、电气控制和传动系统方面的影响分析

对高原设备电气控制、拖动系统中低压电器产品选择的主要依据为GB/T 20645《特殊环境条件、高原用低压电器技术要求》。

低压控制、配电电器产品在高原高海拔环境的应用相对于其他自动化设备要更多、更广泛。为此国家在2006年11月针对高原高海拔地区的低压电器应用颁布了相应的标准GB/T 20645-2006《特殊环境条件、高原用低压电器技术要求》，并于2007年4 月1日开始实行。其主要内容有：

1）申明了GB/T 20645-2006《特殊环境条件、高原用低压电器技术要求》的应用范围。

2）申明了“规范性引用文件”，即解释GB/T20645 -2006标准与相关标准的衔接引用关系。

3）在原国家相关标准定义的术语的基础上，增补部分术语及其概念的定义。主要有：高原、太阳辐射强度、常规产品规范、高原型产品和人工模拟环境。

4）分类：对低压电器产品按海拔高度环境条件分为，户内高原型电器产品和户外高原型电器产品。

5）产品的有关数据和资料。

6）正常的使用、安装和运输条件。

7）结构和性能要求。此部分内容为低压产品能否在高原、高海拔环境应用的关键约束条件，低压电器产品的设计、制造、试验主要依据此部分内容；此部分主要通过对产品电气间隙和爬电距离、材料选择、产品在运行过程中的温升、介电性能、分断能力、使用寿命、脱口特性等提出规范性要求。

8）试验。此部分要求低压电器产品在高原高海拔环境运行时要对其进行：温升试验、工频耐压和冲击耐压试验、脱扣特性试验、低温试验以及其他特殊试验。

在常规海拔下使用的低压电气元件，在散热、绝缘、爬电距离、耐紫外线、耐高低温等方面不能适应高原高海拔气候环境，在高原高海拔地区进行低压电器元件的选择时，需充分考虑关于高原高海拔地区特殊环境条件和电压、电流、散热裕量的描述和规定，选择适合于高原高海拔环境的电气元件，保证产品的可靠运行。

9 高原环境气候对人的影响分析

在高原环境，人的体能消耗比在低海拔地区大得多，司机室是作业人员工作和休息的地方，设置比较完善和相对舒适的司机室，提高机械自动化，增加安全保障措施，是提高设备利用率的必要条件，也是缓解和减轻操作人员劳动强度、保障操作人员人身安全、保障施工安全最有效的方法。高原环境下，应提高起重启闭设备自动化控制水平，除了国家规范要求必须设置的上下极限高度限制、荷重检测装置、监控系统等外，额外增加起重启闭设备位置自动检测定位、远程操作等功能也是必要的，这样能大大减轻操作人员的劳动强度，提高工作效率。

在高原低温缺氧恶劣环境条件下，人的高原反应尤为显著，起重机司乘人员所能承受的最大劳动强度仅能维持平原地区的一半左右，保证人员的健康和安全尤为重要。除了提供必备的生活设施以外，为保证司乘人员健康和安全，司机室的密封性能必须良好，设置冷、暖空调，为了减少紫外线对人体的伤害，采用具有防紫外线辐射的彩色玻璃，司机室的设计视野宽阔，尽量能够对操作范围全覆盖；宜配置吸氧装置，保证在2 dm3/min流量下持续供应8 h以上，以保障操作及施工人员的不时之需；司机室内、外温差大，在视窗上容易结霜，宜配备除霜功能，以保证操作安全；为使操作人员能有更好的工作环境，还建议在司机室中增加新鲜空气交换功能和设置微增氧功能等。

机械设备在工作过程中，如果驾驶员因缺氧而导致反应迟钝极易出现事故，因此必须解决驾驶员的吸氧问题。为了保障驾驶员的吸氧需要，机械设备的驾驶室要有氧气瓶的悬挂位置，氧气面罩要配置在驾驶员能顺利取得到的地方，以便应急使用。