抽水蓄能电站发电电动机的主力机型

赵 政，郑 波，汪静文，罗成宗，丁 光



抽水蓄能电站发电电动机的主力机型

赵 政1, 2, 3，郑 波1，汪静文1，罗成宗4，丁 光4

2. 中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，杭州 311122；国家能源水电工程技术研发中心抽水蓄能工程分中心，杭州 311122；3. 浙江省抽水蓄能工程技术研究中心，杭州 311122；4. 浙江仙居抽水蓄能有限公司，浙江 仙居 317312）

文章基于全球大容量高转速空冷发电电动机容量/转速统计数据，就现有机组的参数水平，分析机组容量或转速向上突破存在的问题，多角度论述主力机型的确立，并提出主力机型需进一步研究的一些问题。

发电电动机；主力机型；大容量；高转速

0 发电电动机的设计、制造水平

自上世纪70年代至2014年年底，世界上近90座大型抽水蓄能电站的360多台大容量、高转速空冷发电电动机在建及投产运行。随着科技的进步，设计、制造水平的提高，发电电动机历经半个世纪的发展，逐步在向大容量、高转速方向发展。图1表示的是世界上大容量、高转速空冷发电电动机的容量/转速图。

图1 世界上大容量、高转速空冷发电电动机容量/转速图

研究表明，由于受电机冷却特性及机械强度方面等的限制，公认的空冷凸极同步电机的理论极限为3.0×105MVA·r/min[1]。从上述空冷发电电动机容量/转速图来看，一些机组已逼近设计制造极限，机组制造处于饱和区。对于400MW或更大容量、500r/min级机组，容量或转速向上突破均存在一定的难度及问题。

1 机组现有设计的参数水平

从当今大容量、高转速发电电动机的电磁参数、机械参数来看，已达空冷机组设计制造的最高水平：利用系数11.13、电负荷900A/cm、热负荷4000A2/(mm2·cm)、定子铁心高3.7m、飞逸转速时转子外缘1kg（质量）物质产生的离心力1600（kg力）、定子内圆表面单位面积损耗10.1W/cm2、推力轴承PV值220(MPa·m)/s、推力轴承制造难度（推力负荷×转速）7.5×105（t·r/min）[2-3]。由于发电电动机运行的特殊性，机组运行时存在很大的热应力及机械应力。

图2 典型大容量、高转速空冷发电电动机出力系数图

图3 发电电动机及巨型水轮发电机飞逸转速时转子外缘1kg（质量）物质产生的离心力

图4 典型大容量、高转速空冷发电电动机推力轴承制造难度图

2 机组容量或转速向上突破需研究的问题

对于额定转速500r/min的机组，额定容量突破400MW或更高，或大容量机组，额定转速由500r/min升至600r/min，面临以下需研究解决的问题：

（1）定子铁心太高，定子铁心、转子磁极、磁轭的压紧难度[4]；

（2）机组的临界转速及轴系稳定性问题；

（3）飞逸时转子外圆巨大的离心力，转子结构设计及材料选择；

（4）定子内圆表面单位面积损耗很大，应研究通风设计，以最小风量达到最佳的冷却效果；

（5）为取得较好的电磁参数，额定电压可能提高至20kV或更高[8]，关注定子绕组散热、热老化等问题；

（6）分析研究可逆式机组高速/重载推力轴承支撑结构、润滑参数、冷却方式；

（7）重载、交变推力荷载对悬式机组定子设计的影响；

（8）定、转子部件的疲劳问题；

（9）大容量、高速机组的振动问题，噪音问题；

四是助创“文明城市”尽心尽力。将“文明城市”创建工作作为首要任务，2017年9月，全员投入创建活动之中，加大巡查力度，提升巡查手段，对城区所有储备地块进行地毯式的清理整治，特别是在“迎国测”期间，开展24小时巡查管护，分片包干，责任到人，储备土地没有出现任何不良问题，得到了市创建办的充分肯定。

（10）其它相关问题，如超高水头、大容量水泵水轮机高可靠性和高水力性能的统一问题和振动问题，大容量、高转速机组电站的厂房振动问题，大容量机组电站的系统可调性问题等。

3 蓄能机组的主力机型

基于蓄能机组双向旋转、频繁起停、负荷陡增、过渡过程复杂[5]，特别是大容量高速机组故障率明显提高等特点，确保发电电动机的安全稳定运行，并提升电站及机组在系统中的灵活调节性，是首先应考虑的。在研究超大容量、高速机组的同时，应重点针对主力机型，研究解决主力机型存在的一些问题。

主力机型的确定，可从水泵水轮机、发电电动机、电站建设的经济性、电力系统的角度等来分析。

从水泵水轮机角度来看，基于国内外运行机组的统计以及我国规划中的抽水蓄能电站的需求，大型机组容量范围250～400MW，300MW机组占绝大多数。水头段范围200～750m，其中500m水头段（450～550m）占主导地位。

从抽水蓄能电站建设的经济性角度来看，在抽水蓄能电站布局规划时，距高比（/）是一个重要参数。距高比越小，水头损失就越小，电站综合效率越高。在200～750m水头范围内，500m水头段所占比重最大，其值本身也处于高水头区域。因此从工程经济性和布局合理性以及开发次序方面考虑，选择300MW级500m水头段机型作为主力机型是合适及必要的。

从电力系统角度来看，之所以逐步发展到300MW级左右的机型占主流，是因为该容量级机组在并入或与电网切开时，所造成的冲击能够被电网消化吸纳，将较大功率变化所引起的电网过渡过程波动在极短时间内消除，不至于影响电网供电品质和电网安全。

纵观近半个世纪以来发电电动机的发展历程及发展趋势，并考虑机组应用的广泛性、电站经济性、电网适应性以及抽水蓄能机组自主化和国内抽水蓄能电站规划发展的需要，发电电动机的主力机型为300MW级、375~500r/min。

4 主力机型需进一步深入开展的研究工作

就主力机型而言，随着蓄能电站的相继建设，已开展了以下的研究工作，如发电电动机的参数/结构选择、过渡过程研究、水泵水轮机与发电电动机的参数和结构匹配、机组运行方式的合理选择、机组与厂房结构设计的协调等。在此基础上，进一步就主力机型，应加强疲劳特性研究、全寿命周期费用分析、变速机组的应用、机组结构型式及布置方式、抗疲劳措施等的研究工作。

（1）疲劳特性研究

基于发电电动机在频繁启停、多工况转换、甩负荷等恶劣工况下运行的特点，进行疲劳机理分析，研究疲劳判据的采用，进行疲劳寿命计算，并就分析计算结果与现场实测加以比对，进而明确防止措施，优化机组部件结构型式、材料选择、运行工况选定等，确保机组安全稳定运行[10]。

（2）全寿命周期费用分析研究[9]

基于全寿命周期费用管理理念，从机组长期经济效益出发，全方位考虑其在规划、设计、制造、购置、安装、运行、维护、更新直至报废的整个寿命周期全过程中所需支出费用总和，在综合考虑机组安全可靠性与经济学基础上，建立以机组全寿命周期费用最小为目标函数的数学模型，以使机组在整个寿命期的成本花费更合理，经济效益更高。

（3）变速机组的应用[6]

随着电网中核电、燃气发电及联合循环电厂等稳定供电电源和风电、光伏发电等间歇性可再生能源的大规模利用，其在电网上所占比例日渐增大，导致电网的稳定运行，尤其是夜间频率控制，变得更为困难。核电在电网中的比重增加，夜间也满负荷运行，可以调整出力的其他机组在夜间被停运，就会产生夜间负荷调整困难及频率波动的问题。定速蓄能机组在此期间以水泵工况运行，不能调节输入功率，因此无法满足电网快速准确进行电网频率调节的要求。可变速蓄能机组就是解决问题的办法之一。

作为一种先进的、优秀的电网稳定运行的调节手段，可变速蓄能机组也是常规定速蓄能机组发展到一定规模后的有益补充。

开展变速机组研制及应用，填补国内变频交流励磁变速蓄能机组技术的空白，更好地服务于电力系统。

（4）激光冲击强化（LSP）技术在机组抗疲劳材料上的研究[7]

激光冲击强化技术是利用激光诱导的冲击波来强化金属表面的新技术，其能大幅度增强金属材料的耐久性，防止表面出现裂纹，从而提高使用寿命和降低设备的维修成本。

尝试着在发电电动机易疲劳部件采用激光冲击强化技术，能有效地解决机组疲劳问题，更好地适应蓄能机组的特殊运行要求。

（5）机组结构型式及布置方式

重视机组结构型式的选取，综合考虑机组运行特性及运行维护的便利性，选择的重点应放在机组运行的安全稳定方面，兼顾检修维护的便利性。

5 结论

文章基于全球大容量高转速空冷发电电动机容量/转速统计数据，就现有机组的参数水平，分析机组容量或转速向上突破存在的问题，多角度论述了发电电动机主力机型为300MW级、375~500r/min，并提出了发电电动机需进一步研究的一些问题。随着抽水蓄能电站建设事业的快速发展，电站心脏发电电动机的设计及制造也日臻成熟。发电电动机向精细化、个性化设计/制造、免/易维护、安全稳定运行的方向发展，是我们追求的目标。

[1] 戴庆忠. 日本抽水蓄能机组技术发展近况[J]. 东方电机, 2008, 22(1):2-11.

[2] 赵政. 抽水蓄能电站发电电动机国产化[J]. 大电机技术, 2010(1):5-9.

[3] 赵政. 发电电动机的安全稳定运行[C]// 中国水力发电工程学会电网调峰与抽水蓄能专业委员会抽水蓄能学术年会. 2010:13-16.

[4] 郑小康,等. 阳江抽水蓄能机组采用蒸发冷却的优势分析[C]// 抽水蓄能电站工程建设文集2014.

[5] 赵政. 抽水蓄能电站发电电动机的过渡过程[C]// 抽水蓄能电站工程建设文集2013. 中国电力出版社, 2013.

[6] 郭海峰. 交流励磁可变速抽水蓄能机组技术及其应用分析[J]. 水电站机电技术, 2011, 34(2):1-4.

[7] 毕凤琴, 张春成,等. 激光冲击强化技术的发展及应用[J]. 兵器材料科学与工程, 2010, 33(1):101-104.

[8] Amano. 世界最大容量空冷发电动机的开发[J]. 国外大电机, 1999(4):23-26.

[9] 张耘. 产品寿命周期费用分析[J]. 食品科学技术学报, 1996(2):18-24.

[10] 何庆庆,等. 水轮发电机转子疲劳寿命预测分析[J]. 水力发电学报, 2010, 29(6):223-228.

The Main Models of Generator-Motor in Pumped Storage Power Plant

ZHAO Zheng1,2,3，ZHENG Bo1，WANG Jingwen1，LUO Chengzong4，DING Guang4

(1. Power China Huadong Engineering Corporration Limited, Hangzhou 311122, China;2. Pumped Storage Engineering Branch of National Hydropower Technology Researchand Development Center, Hangzhou 311122, China;3. Pumped Storage Engineering Center of Zhejiang Province, Hangzhou 311122, China;4. Xianju Pumped Storage Limited Company of Zhejiang Province, Xianju 317312, China)

Based on the statistics of large capacity and high speed air-cooled generator-motor in the world, according to the parameters level of the existing units, this paper analyzes the existing problems of the unit capacity or speed increase, discusses the establishment of the main model in many aspects, and some problems need to be further studied.

generator-motor; main models; large capacity; high speed

TM312

A

1000-3983(2018)02-0048-03

2017-06-23

赵政（1960-），1984年毕业于华南工学院电力系电机专业，学士学位。长期从事水电站电气设计和技术研究工作，教授级高级工程师。