400MW 蒸发冷却水轮发电机定子带绕组整体吊装技术应用

蔺旭东，张 振，徐腾蛟

（青海黄河上游水电开发有限责任公司工程建设分公司，青海省青海市 811700）

0 引言

李家峡水电站位于青海省尖扎县和化隆县交界的黄河干流李家峡河谷中段，是黄河上游龙羊峡至青铜峡河段中紧接龙羊峡水电站的第三座大型梯级电站，水库库容16.5 亿m3，为日、周调节。李家峡水电站安装5 台混流式水轮发电机组（一期4 台，二期1 台），单机容量400MW，总装机2000MW，年均发电量59 亿kW·h，是中国首次采用双排机布置的水电站，也是世界上最大的双排机水电站（电站一期4 台机组已于1999 年全部建成发电）。

李家峡水电站5 号机组装机容量为400MW，采用了蒸发冷却技术实现定子绕组高效冷却。蒸发冷却技术利用沸点适宜的液态冷却介质气液相变过程吸收、带走热量，凭借冷却工质的高绝缘性、可直接与定子绕组接触，达到快速、高效的散热效果；5 号机采用新型国产蒸发冷却介质，具有节材、节能、高可靠、运维量小等特点。

1 定子及吊装装置结构

为合理优化工期，减轻机电安装对土建工期的依赖，李家峡5 号机组定子采用整体式吊装方案，即定子在安装间完成线棒安装后整体一次吊装至基坑。5 号水轮发电机组主要参数如表1 所示。

表1 水轮发电机组主要参数Table 1 The main parameters of hydro-generator

1.1 定子结构

定子机座由钢板焊接而成，为运输方便而分成6 瓣，在工地组焊成整圆，定子在线棒安装完成后整体起吊重量约550t，吊具重量为90t。定子铁芯采用高导磁、低损耗、无时效优质硅钢片50W250 叠装而成[1]。定子机座通过新型分体式弹性鸽尾筋结构与定子铁芯连接，能适应铁芯热膨胀，还能削弱定子铁芯的振动。定子线棒绝缘采用高场强F 级VPI绝缘系统，采用全防晕措施。定子绕组采用蒸发冷却自循环系统，包括：内冷式定子线棒、均压排汽管路系统、蒸发冷却供排液系统、冷凝器供排水管路系统、监控系统、介质泄漏监测装置、介质排气回收装置等[2]。

1.2 定子起吊装置

定子起吊装置主要功能是通过周边特制起吊螺杆与定子起吊孔固定，实现定子的水平起吊及旋转。定子起吊装置具有结构简单、可靠、操作方便、受力均匀、起吊载荷大等特点[3]。定子吊具额定载荷550t（不含吊具自重），由直径为φ5000mm 的中心体及长度为4850mm 的12 个支臂组成，每个支臂共有2 个吊点，24 个吊点两两一组，分为12 组，每组的两个吊点间距固定为200mm，12 组吊点均匀分布在直径14240mm 圆上，吊点均匀受力。定子吊具如图1、图2 所示。

图1 定子起吊吊具结构示意图（主视图）Figure 1 Structure diagram of stator lifting sling-front view

图2 定子起吊吊具结构示意图（俯视图）Figure 2 Structure diagram of stator lifting sling-vertical view

2 定子机座起吊计算

2.1 材料参数

李家峡电站水轮发电机项目的定子材料力学参数见表2。

表2 材料力学参数表Table 2 Mechanical parameters of materials

2.2 机组参数及载荷

李家峡电站定子整体主要载荷参数见表3。

表3 定子整体起吊所对应的载荷参数Table 3 Load parameters corresponding to the integral hoisting of the stator

2.3 判定标准和计算输出

根据 ASME 标准给出的基于有限元法计算法的应力限制，并将应力分类如下[4]：

Pm——一次薄膜应力；

Pl——一次局部应力；

Pb——一次弯曲应力；

Q——一次薄膜应力+不连续的弯曲应力。

设计的参考许用应力为：

不同应力类型的许用应力：

2.4 计算结果

2.4.1 许用应力

按ASME 标准确定许用应力如表4 所示。

表4 按ASME 标准确定许用应力Table 4 Determination of allowable stress according to ASME standards

2.4.2 铁芯齿变形

从表5 可见，定子整体起吊时，铁芯齿部最大径向相对变形为0.969μm，齿部最大切向相对变形为0.159μm，相对变形较小，起吊安全（见图3、图4，表5 ～表7）。

图3 定子整体起吊铁芯齿部径向变形Figure 3 Radial deformation of the core teeth of the integral hoisting of the stator

表5 铁芯齿相对变形Table 5 Relative deformation of core teeth

表6 定子整体起吊经典计算应力与合同许用应力对比表Table 6 Comparison of classical calculated stresses and contractual permissible stresses for integral hoisting of stator

表7 定子整体起吊计算应力与 ASME 许用应力对比表Table 7 Comparison of calculated stator lifting stresses with ASME allowable stresses

2.4.3 计算应力与许用应力对比

从表6 和表7 可见机座、起吊梁及起吊梁插板在起吊状态下最大等效应力满足ASME 标准，低于材料的屈服极限，定子整体在起吊状态下应力满足刚强度设计要求。

3 工艺流程及技术措施

3.1 工艺流程

定子吊装工艺流程见图5。

图5 定子吊装工艺流程图Figure 5 Stator hoisting flow chart

3.2 吊装检测

在定子试吊时，检查桥机主梁挠度，检查挠度值是否符合设计要求[5]。

（1）使用全站仪测量并记录桥机主梁原始状态挠度值。

（2）监测过程：定子试吊悬停时，使用全站仪测量桥机挠度值并记录测量结果；试吊完成，定子重量全部转换到组装工位支墩后，使用全站仪测量桥机挠度值并记录测量结果；对比检查挠度变化和承重释放后的恢复情况。

（3）根据GB/T 14405《通用桥式起重机规范》，由起重量和小车自重在主梁跨中引起的垂直静挠度应不大于S/1000，即不大于24mm。

3.3 技术措施

（1）定子吊入机坑下落过程中注意调整、控制定子的水平，平衡梁指针保持垂直，避免因定子倾斜与其他设备发生碰撞[6]。

（2）定子试吊前后，监测定子吊具桥机主梁的挠度。

（3）施工中所使用的桥机及其他电动工具均须检查合格后方可使用，电气设备使用中应有良好接地装置。

（4）在试吊过程中用于质量检测的设备、设施均须在合格使用期限内。

（5）定子起吊杆装好，组合螺栓受力均匀，平衡梁及天车检查完好，连接就绪，并车试验良好[7]。

（6）在桥机上平面所放置的各种工具，零部件应安放牢固，以防坠落伤人。

（7）定子吊装过程中，天车上应设专责机电监护人员，负责对制动器、减速器、卷筒钢丝绳及绳夹和电气设备的监视检查[8-9]。

（8）整个吊装过程中，所有工作人员必须听从吊装指挥人员的指挥。

（9）天车司机必须听从指挥，协调一致。在吊装过程中所听到任何停车信号必须停车，副司机应监护副车操作手柄始终在零挡位。

（10）定子吊起200mm 停车，做慢起、慢落试验，并检查各部正常后再进行吊装。

（11）确认定子安全落位后，方能分解、拆除平衡梁。

4 结论

400MW 蒸发冷却水轮发电机定子带绕组整体吊装技术应用在国内尚属首例。经比较定子整体吊装前后的测量数据，定子挠度变形未超过1mm，圆度变形未超过0.64mm，满足厂家技术要求。

李家峡水电站扩机（5 号机组）工程定子带绕组整体吊装方案采用了专用吊具，并顺利完成吊装，为其他同类型机组安装的类似情况积累了经验，提供了良好的应用实例，对优化施工工序、减轻对直线工期的压力、减少机电安装过程对土建的依赖等具有较强的现实意义，值得推广。