770 MW水輪發(fā)電機(jī)齒壓板溫度偏高的電磁和冷卻分析

冉 帥，楊樹(shù)鋒，何雪芳，劉平超

（1.中國(guó)長(zhǎng)江電力股份有限公司溪洛渡水力發(fā)電廠，云南 昭通657300；2.哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司，黑龍江 哈爾濱150040）

0 前言

國(guó)內(nèi)某巨型水電站安裝有6臺(tái)型號(hào)為SF770-48/15300的立軸半傘式密閉自循環(huán)全空冷水輪發(fā)電機(jī)組。在夏季發(fā)電高峰時(shí)期，6臺(tái)機(jī)組的定子下端所有齒壓板出現(xiàn)溫度偏高現(xiàn)象（最高達(dá)104℃），較制造廠原設(shè)計(jì)最高溫度超出約20℃。

針對(duì)溫度普遍偏高的情況，技術(shù)人員重點(diǎn)分析端部電磁場(chǎng)和通風(fēng)冷卻兩個(gè)方面的原因。通過(guò)運(yùn)行實(shí)測(cè)計(jì)算不同工況下齒壓板區(qū)域局部磁感應(yīng)強(qiáng)度、齒壓板溫度、環(huán)境風(fēng)溫，優(yōu)化有限元建模分析時(shí)齒壓板近表層的分層處理，對(duì)比原設(shè)計(jì)階段的磁感應(yīng)強(qiáng)度及損耗，找出下齒壓板溫度普遍偏高的原因。

1 電磁和溫度測(cè)量原理

1.1 磁感應(yīng)強(qiáng)度測(cè)量原理

依據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，通過(guò)線圈切割磁力線產(chǎn)生感應(yīng)電壓，感應(yīng)電壓的大小與線圈匝數(shù)、穿過(guò)線圈的磁通變化率成線性關(guān)系。

1.2 溫度測(cè)量原理

依據(jù)塞貝克效應(yīng)原理，兩種不同成分的導(dǎo)體兩端接合成閉合回路，當(dāng)接合點(diǎn)的溫度不同時(shí)，回路中就會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)。利用萬(wàn)用表測(cè)得自由端電勢(shì)差為Δu1，環(huán)境溫度由溫度計(jì)測(cè)得，依據(jù)該型號(hào)熱電偶查出此溫度對(duì)應(yīng)電勢(shì)差Δu2，根據(jù)Δu1+Δu2查得測(cè)點(diǎn)實(shí)際溫度。

2 齒壓板運(yùn)行參數(shù)測(cè)量過(guò)程

2.1 測(cè)點(diǎn)類型及分布

在靠近下齒壓板拉緊螺桿附近布置2組（位置1和位置2成60°夾角布置）共10個(gè)磁感應(yīng)強(qiáng)度和溫度測(cè)點(diǎn)（圖1），在端箍支撐絕緣塊上設(shè)風(fēng)溫測(cè)點(diǎn)（測(cè)點(diǎn) 6，圖 2）。

圖1 磁場(chǎng)和溫度單組測(cè)點(diǎn)布置

2.2 測(cè)量數(shù)據(jù)

2.2.1 線圈和熱電偶測(cè)量計(jì)算數(shù)據(jù)

發(fā)電機(jī)端部磁感應(yīng)強(qiáng)度、溫度與機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)密切相關(guān)[1]，選取如下3種典型工況。工況一：有功功率700 MW，無(wú)功功率0 MVar；工況二：有功功率700 MW，無(wú)功功率100 MVar；工況三：有功功率700 MW，無(wú)功功率200 MVar。3種工況下各測(cè)點(diǎn)測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。

圖2 風(fēng)溫測(cè)點(diǎn)布置

表1 3種工況下齒壓板磁感應(yīng)強(qiáng)度和溫度測(cè)量計(jì)算結(jié)果

2.2.2 紅外成像測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)

為驗(yàn)證熱電偶的測(cè)量計(jì)算溫度，同時(shí)采用紅外成像儀對(duì)試驗(yàn)局部進(jìn)行測(cè)溫，見(jiàn)圖3、圖4。

圖3 工況二下，位置1紅外成像

圖4 工況三下，位置1紅外成像

3 齒壓板溫度偏高原因分析

3.1 有限元模型計(jì)算分析

研究表明，定子齒壓板的磁密與渦流損耗在內(nèi)徑處較為集中[2]。和原設(shè)計(jì)建模比較，現(xiàn)階段電磁和溫度計(jì)算有限元建模時(shí)，網(wǎng)格劃分更加細(xì)致，對(duì)齒壓板近表層進(jìn)行了分層處理，考慮了齒壓板的集膚效應(yīng)，從而得出更加準(zhǔn)確的計(jì)算磁密和損耗。優(yōu)化建模和原設(shè)計(jì)建模得到的額定工況下齒壓板附近磁密云圖見(jiàn)圖5、圖6。

圖5 原設(shè)計(jì)的磁密云圖

圖6 現(xiàn)階段建模優(yōu)化后的磁密云圖

測(cè)點(diǎn)6測(cè)得溫度為56℃，將此溫度作為現(xiàn)階段建模的對(duì)流換熱邊界條件。利用優(yōu)化的有限元模型，根據(jù)機(jī)組額定工況及3種試驗(yàn)工況電氣運(yùn)行參數(shù)，計(jì)算得出齒壓板的損耗和最高溫度見(jiàn)表2。對(duì)比可見(jiàn)，現(xiàn)階段優(yōu)化建模后，損耗值為設(shè)計(jì)階段的1.55倍，壓指最高溫度增加了6.18℃。

表2 額定工況及優(yōu)化設(shè)計(jì)后3種試驗(yàn)工況下齒壓板損耗和溫度

經(jīng)分析，原設(shè)計(jì)階段建模精度不夠，導(dǎo)致原設(shè)計(jì)計(jì)算的機(jī)組運(yùn)行溫度偏低。機(jī)組投運(yùn)后，出現(xiàn)實(shí)際運(yùn)行溫度較預(yù)期偏高的情況。

3.2 通風(fēng)回路分析

如表2所示，和優(yōu)化建模后得出的計(jì)算最高溫相比，紅外成像測(cè)得實(shí)際溫度仍偏高約10℃。該機(jī)型需冷卻損耗為8 834 kW，所需冷卻風(fēng)量為287 m3/s，考慮計(jì)算誤差和安全裕度，設(shè)計(jì)有效風(fēng)量為319.3 m3/s，流道風(fēng)量分布見(jiàn)圖7。

圖7 機(jī)組通風(fēng)冷卻系統(tǒng)風(fēng)量分布圖

在實(shí)際安裝過(guò)程中，旋轉(zhuǎn)擋風(fēng)板與定子內(nèi)徑間隙約為20 mm，設(shè)計(jì)值為10 mm。理論設(shè)計(jì)漏風(fēng)量約為35 m3/s，約占總風(fēng)量的10%。實(shí)際安裝的計(jì)算漏風(fēng)量約為66 m3/s，約占總風(fēng)量的18%。

安裝尺寸的偏差，引起通風(fēng)冷卻回路漏風(fēng)量的增加，導(dǎo)致了齒壓板溫度進(jìn)一步升高。

4 結(jié)束語(yǔ)

從運(yùn)行測(cè)量數(shù)據(jù)和優(yōu)化建模理論計(jì)算分析，與原設(shè)計(jì)計(jì)算相比，機(jī)組下齒壓板附近磁感應(yīng)強(qiáng)度和損耗較大、溫度偏高，主要原因包括：

（1）齒壓板結(jié)構(gòu)件為金屬非導(dǎo)磁材料，導(dǎo)熱性能良好。原設(shè)計(jì)模型劃分不夠細(xì)致，導(dǎo)致原設(shè)計(jì)理論計(jì)算溫度偏低。

（2）機(jī)組安裝時(shí)，擋風(fēng)板與定子間隙較設(shè)計(jì)值偏大，漏風(fēng)量增加。漏出熱風(fēng)和冷風(fēng)在定子齒壓板附近交匯，減弱了齒壓板附件的冷卻效果。

機(jī)組齒壓板為金屬材料，無(wú)絕緣材料。針對(duì)其溫度偏高實(shí)際情況及原因，運(yùn)行最高溫升未超出設(shè)計(jì)技術(shù)要求的59 K，并不會(huì)影響機(jī)組的安全運(yùn)行。同時(shí)，結(jié)合目前運(yùn)行狀況，研究在磁極下方加裝固定擋風(fēng)板、在轉(zhuǎn)子側(cè)和定子側(cè)增加圓弧過(guò)渡[3]板以減少漏風(fēng)的方案。該方案可適當(dāng)改善端部冷卻效果，但會(huì)增加機(jī)組旋轉(zhuǎn)部位的安全運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)和設(shè)備維護(hù)工作量，故保持現(xiàn)結(jié)構(gòu)不變。在機(jī)組運(yùn)行中，特別是進(jìn)相運(yùn)行時(shí)，定子端部結(jié)構(gòu)件的磁密明顯上升，高于額定工況下的磁密值[2]，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注端部結(jié)構(gòu)件的溫度，防止過(guò)熱。