宋威

摘 要：本文首先分析水輪發(fā)電機(jī)、發(fā)電電動機(jī)的技術(shù)方向，然后研究水輪發(fā)電機(jī)中立式水輪機(jī)、燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)、槳葉可移動水輪機(jī)的技術(shù)進(jìn)展，以及總結(jié)對發(fā)電電動機(jī)的發(fā)展。希望推動水輪機(jī)的使用，加快水電開發(fā)。

關(guān)鍵詞：水輪發(fā)電機(jī);發(fā)電電動機(jī);新技術(shù)

中圖分類號：TV734 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

0 引言

水力是一種清潔的可再生能源，在中國擁有豐富水利資源的情況下，加大水力資源的開發(fā)，能極大地滿足國家能源的增長需求，實現(xiàn)中國電力的可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)。在大力修建水利設(shè)施的背景下，中國在過去幾十年的水電取得了輝煌的發(fā)展。為此，還要繼續(xù)開發(fā)使用水輪發(fā)電機(jī)和發(fā)電電動機(jī)技術(shù)，更好地利用水力，保證電網(wǎng)的穩(wěn)定性。

1 水輪發(fā)電機(jī)和發(fā)電電動機(jī)技術(shù)的方向

水輪發(fā)電機(jī)主要朝著易維護(hù)、低成本、綠色環(huán)保的角度發(fā)展，并開發(fā)出了無需冷卻水的無水技術(shù)和無需操作油的無油技術(shù)。同時，還擴(kuò)大了導(dǎo)葉用混合接力器的使用范圍，利用混合接力器來實現(xiàn)轉(zhuǎn)槳式轉(zhuǎn)輪電動操作，以及使用新材料擴(kuò)大潤滑軸承的適用范圍。隨著流動分析技術(shù)的發(fā)展，當(dāng)前可以更準(zhǔn)確地對水輪機(jī)的轉(zhuǎn)輪情況做出預(yù)測，完善對轉(zhuǎn)輪的設(shè)計。發(fā)電電動機(jī)在強(qiáng)度和振動分析技術(shù)提升的背景下，有了更高的精度和可靠性。

2 水輪機(jī)技術(shù)的發(fā)展

2.1 立式水輪機(jī)

常規(guī)的立式水輪機(jī)比較適合使用在混流式水輪機(jī)和軸流式水輪機(jī)中，在水電市場有著十分廣泛地使用。在國內(nèi)700 MW的水電站中，由中國制造商所占據(jù)的市場份額也是處在主導(dǎo)地位的，可見我國的立式水輪機(jī)的發(fā)展速度飛快。

2.1.1 電磁設(shè)計和結(jié)構(gòu)優(yōu)化

水輪發(fā)電機(jī)的電磁參數(shù)十分重要，不僅決定了水輪機(jī)的性能，也會影響大容量水輪機(jī)和電網(wǎng)之間的相互作用情況[1]。所以在設(shè)計階段，就需要做好對電機(jī)的穩(wěn)瞬態(tài)參數(shù)、電機(jī)的阻尼繞組等做好設(shè)計工作，最大幅度提升水輪發(fā)電機(jī)承載能力，改善其動態(tài)響應(yīng)過程。目前，國內(nèi)的電機(jī)制造廠商都已經(jīng)具備使用電廠數(shù)值技術(shù)和瞬變過程數(shù)值分析技術(shù)進(jìn)行電機(jī)參數(shù)計算的能力，能在設(shè)計階段就直接對水輪機(jī)的工作狀態(tài)做出模擬，預(yù)測水輪機(jī)的性能和瞬態(tài)故障。在對水輪機(jī)的發(fā)電結(jié)構(gòu)中，通過使用電磁場數(shù)值技術(shù)，針對大容量水輪機(jī)可以進(jìn)行磁極極靴形狀、阻尼繞組的分布等做出直接和準(zhǔn)確的設(shè)計，也能對端部的復(fù)雜繞組和固定結(jié)構(gòu)利用三維電磁場數(shù)值技術(shù)對端部繞組和結(jié)構(gòu)的損耗、溫升進(jìn)行詳細(xì)地分析。

2.1.2 絕緣系統(tǒng)

由于水輪發(fā)電機(jī)容量和電壓在不斷提高，導(dǎo)致絕緣系統(tǒng)正在面臨越來越大的制造難度，根據(jù)發(fā)電機(jī)組絕緣承受的電場強(qiáng)度變化就可以反映出發(fā)電機(jī)的絕緣水平。目前，水輪發(fā)電機(jī)組的繞組絕緣平均電場強(qiáng)度達(dá)到2.8 kV/mm。

2.1.3 冷卻系統(tǒng)

對于大容量水輪發(fā)電機(jī)，在發(fā)電過程中會大量產(chǎn)生熱能，因此對水輪機(jī)的冷卻是人們所關(guān)心的問題。目前，包括空氣冷卻、水冷冷卻、蒸發(fā)冷卻三種方式。

在電機(jī)的內(nèi)部，只能采用空氣作為冷卻介質(zhì)，而且空氣冷卻的結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高，因此是很多水輪機(jī)所使用的冷卻方式。目前，幾乎所有的700 MW級以上的發(fā)電機(jī)都使用了全空冷卻技術(shù)，例向家壩水電站所使用的800 MW水輪發(fā)電機(jī)就是全球最大的全空冷水輪發(fā)電機(jī)。

空氣冷卻的效率不能滿足實際應(yīng)用要求時，就需要采用水冷或者蒸發(fā)冷卻的方式，水冷冷卻的方式結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜，而且不能保證安全性，目前在中國市場占比很低，因此，國內(nèi)一般都是使用蒸發(fā)冷卻解決空氣冷區(qū)的不足。蒸發(fā)冷卻利用了冷卻介質(zhì)的蒸發(fā)效應(yīng)，實現(xiàn)定子繞組內(nèi)部的冷卻循環(huán)。由于所使用的冷卻介質(zhì)不導(dǎo)電，因此蒸發(fā)冷卻要比水冷更加安全。在結(jié)構(gòu)上，其循環(huán)借助蒸發(fā)效應(yīng)實現(xiàn)，并沒有動力循環(huán)泵，有效地簡化了整體結(jié)構(gòu)。目前國內(nèi)的蒸發(fā)冷卻機(jī)組包括李家峽電機(jī)站的400 MW機(jī)組、三峽地下電站的700 WM機(jī)組。

2.1.4 推力軸承

推力軸承是水輪機(jī)的重要支撐，決定了水輪發(fā)電機(jī)運行的成敗。在中國大型推力軸承制造不斷進(jìn)步的情況下，我國的大型軸承負(fù)荷已經(jīng)達(dá)到了6 000 t。大型水輪機(jī)的滑動軸承由扇形瓦組成，其中推力瓦包括巴氏合金瓦、彈性金屬塑料瓦[2]。對軸承性能的準(zhǔn)確研究一般需要進(jìn)行軸承的熱彈性流體動力數(shù)值分析，設(shè)計過程中需要做好對推理軸承的數(shù)值分析工作。

2.2 燈泡貫流式水輪發(fā)動機(jī)

該發(fā)電機(jī)適合使用在低水頭位置的流域發(fā)電，會設(shè)計成較小的直徑和較長的鐵芯，其電磁設(shè)計難度很大，所以定子繞組的選擇和阻尼繞組設(shè)計十分重要，尤其要重點防止繞組電蝕的情況。該電機(jī)由于屬于細(xì)長的結(jié)構(gòu)，因此冷卻設(shè)計的難度比較大，必須要考慮通風(fēng)的方向和方式。對于軸承的設(shè)計，重點工作主要是對徑向軸承和正反推力軸承的結(jié)構(gòu)設(shè)計。

2.3 槳葉可動水輪機(jī)

2.3.1 混合操作接力器

電動接力器已經(jīng)具有較高的穩(wěn)定性，而且維護(hù)也比較簡單。但是，電動接力器在提供大容量操作力和實現(xiàn)導(dǎo)葉快速關(guān)閉等方面，不如油壓接力器。同時，由于電動接力器的部件損壞以后會有較長的維修時間，也會導(dǎo)致電站停機(jī)時間較長。為此，目前形成了新一代接力器系統(tǒng)，系統(tǒng)同時具有電動接力器的優(yōu)點，也克服了過去的不足，即混合操作接力器。該系統(tǒng)通過電動機(jī)對油壓缸進(jìn)行操作和控制，利用混合控制滿足不同條件下的控制需要。對于軸流式和斜流式等槳葉可動水輪機(jī)，可以在流速變化較大的空間內(nèi)高效運行，目前，一部分斜流式水輪機(jī)的導(dǎo)葉和槳葉都使用了混合操作接力器，國內(nèi)很多中小水利發(fā)電站的調(diào)速器都使用了電動接力器代替油壓操作接力器控制導(dǎo)葉開關(guān)。

2.3.2 槳葉開關(guān)操作

槳葉的操作通過主機(jī)回轉(zhuǎn)通氣控制系統(tǒng)實現(xiàn)電動液壓混合操作，系統(tǒng)的槳葉驅(qū)動電動機(jī)安裝在發(fā)電機(jī)上部，使用可逆泵和平衡閥等組成了泵單元，安裝在發(fā)電機(jī)軸和水輪機(jī)軸轉(zhuǎn)動部件的內(nèi)部。通過控制來改變驅(qū)動泵相對于主軸的轉(zhuǎn)速進(jìn)行油缸內(nèi)壓力的調(diào)整。如果驅(qū)動泵和主軸的轉(zhuǎn)速相同，則驅(qū)動泵就處在相對靜止的狀態(tài)，控制槳葉處于靜止?fàn)顟B(tài)。在槳葉開動時，發(fā)電機(jī)和主機(jī)會以相同的方向旋轉(zhuǎn)，通過控驅(qū)動泵比主軸更快的速度達(dá)到控制目的。比如主軸的額定轉(zhuǎn)速為500 r/min，電動機(jī)以1 500 r/min的速度旋轉(zhuǎn)，那么驅(qū)動泵就要以1 000 r/min的速度正向轉(zhuǎn)動。

3 發(fā)電機(jī)技術(shù)的發(fā)展

3.1 高轉(zhuǎn)速大容量推力軸承自循環(huán)系統(tǒng)

軸循環(huán)離心力的自循環(huán)軸承潤滑油系統(tǒng)和泵控制的強(qiáng)制供油系統(tǒng)有很大區(qū)別，一般都會采用自循環(huán)系統(tǒng)，但是如果軸的圓周速度過高，泵板的吸油口會從油面吸入空氣，降低泵的作用，并將軸的轉(zhuǎn)速限制在40 m/s左右;為了提高轉(zhuǎn)速，目前有效改善了泵板的吸油性能和吐油壓力損失，讓軸承的回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速達(dá)到了70 m/s[3]。

3.2 防振梁系統(tǒng)

目前開發(fā)出可變剛性防振梁，使用粘性流體彈簧，在熱脹冷縮作用下不會因為形變導(dǎo)致內(nèi)部應(yīng)力，因此具有較高的剛性。因此，剛性防振梁可以有效避免因為熱脹冷縮所引起的軸承間隙減小和混凝土基礎(chǔ)的高負(fù)荷，保證軸系統(tǒng)能夠具有較高的剛性。

3.3 抽水蓄能發(fā)電電動機(jī)

抽水蓄能發(fā)電電動機(jī)的結(jié)構(gòu)和常規(guī)的水輪發(fā)電機(jī)相同，但是需要使用發(fā)電和抽水兩種工況的協(xié)調(diào)需求。電磁方案的設(shè)計上，抽水蓄能發(fā)電機(jī)重點對不同工況轉(zhuǎn)換的瞬態(tài)響應(yīng)進(jìn)行優(yōu)化，可以讓電機(jī)轉(zhuǎn)子有更強(qiáng)的剛度。軸承設(shè)計中，目前使用了中心支撐結(jié)構(gòu)，推動了軸承系統(tǒng)的更新?lián)Q代。

4 結(jié)束語

水力作為一種清潔能源，在未來仍然擁有極大的應(yīng)用前景，雖然中國的整體經(jīng)濟(jì)增速在放緩，但是仍需要開發(fā)水力提升經(jīng)濟(jì)質(zhì)量。因此，還需要繼續(xù)做好水輪機(jī)的研發(fā)，完善能源建設(shè)。

參考文獻(xiàn)：

[1]羅興锜，朱國俊，馮建軍.水輪機(jī)技術(shù)進(jìn)展與發(fā)展趨勢[J].水力發(fā)電學(xué)報，2020，39（08）：1-18.

[2]李文鋒.貫流式水輪機(jī)瞬態(tài)流動特性研究[D].西安理工大學(xué)，2019.

[3]陳康明.水輪機(jī)、發(fā)電機(jī)的最新技術(shù)[J].水電站機(jī)電技術(shù)，2015，38（06）：67-70.