水輪發(fā)電機及發(fā)電電動機的新技術淺論

宋威

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

關鍵詞：水輪發(fā)電機;發(fā)電電動機;新技術

中圖分類號：TV734 文獻標識碼：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。在大力修建水利設施的背景下，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)電機和發(fā)電電動機技術，更好地利用水力，保證電網(wǎng)的穩(wěn)定性。

1 水輪發(fā)電機和發(fā)電電動機技術的方向

水輪發(fā)電機主要朝著易維護、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和無需操作油的無油技術。同時，還擴大了導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，以及使用新材料擴大潤滑軸承的適用范圍。隨著流動分析技術的發(fā)展，當前可以更準確地對水輪機的轉(zhuǎn)輪情況做出預測，完善對轉(zhuǎn)輪的設計。發(fā)電電動機在強度和振動分析技術提升的背景下，有了更高的精度和可靠性。

2 水輪機技術的發(fā)展

2.1 立式水輪機

常規(guī)的立式水輪機比較適合使用在混流式水輪機和軸流式水輪機中，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地位的，可見我國的立式水輪機的發(fā)展速度飛快。

2.1.1 電磁設計和結(jié)構(gòu)優(yōu)化

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

2.1.2 絕緣系統(tǒng)

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

2.1.3 冷卻系統(tǒng)

對于大容量水輪發(fā)電機，在發(fā)電過程中會大量產(chǎn)生熱能，因此對水輪機的冷卻是人們所關心的問題。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)電機都使用了全空冷卻技術，例向家壩水電站所使用的800 MW水輪發(fā)電機就是全球最大的全空冷水輪發(fā)電機。

空氣冷卻的效率不能滿足實際應用要求時，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，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)冷卻機組包括李家峽電機站的400 MW機組、三峽地下電站的700 WM機組。

2.1.4 推力軸承

推力軸承是水輪機的重要支撐，決定了水輪發(fā)電機運行的成敗。在中國大型推力軸承制造不斷進步的情況下，我國的大型軸承負荷已經(jīng)達到了6 000 t。大型水輪機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]。對軸承性能的準確研究一般需要進行軸承的熱彈性流體動力數(shù)值分析，設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

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

2.3 槳葉可動水輪機

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)導葉快速關閉等方面，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，也會導致電站停機時間較長。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)通過電動機對油壓缸進行操作和控制，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，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的導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葉開關。

2.3.2 槳葉開關操作

槳葉的操作通過主機回轉(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)動電動機安裝在發(fā)電機上部，使用可逆泵和平衡閥等組成了泵單元，安裝在發(fā)電機軸和水輪機軸轉(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)，控制槳葉處于靜止狀態(tài)。在槳葉開動時，發(fā)電機和主機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到控制目的。比如主軸的額定轉(zhuǎn)速為500 r/min，電動機以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)電機技術的發(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致內(nèi)部應力，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的高負荷，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

抽水蓄能發(fā)電電動機的結(jié)構(gòu)和常規(guī)的水輪發(fā)電機相同，但是需要使用發(fā)電和抽水兩種工況的協(xié)調(diào)需求。電磁方案的設計上，抽水蓄能發(fā)電機重點對不同工況轉(zhuǎn)換的瞬態(tài)響應進行優(yōu)化，可以讓電機轉(zhuǎn)子有更強的剛度。軸承設計中，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用前景，雖然中國的整體經(jīng)濟增速在放緩，但是仍需要開發(fā)水力提升經(jīng)濟質(zhì)量。因此，還需要繼續(xù)做好水輪機的研發(fā)，完善能源建設。

參考文獻：

[1]羅興锜，朱國俊，馮建軍.水輪機技術進展與發(fā)展趨勢[J].水力發(fā)電學報，2020，39（08）：1-18.

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

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