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1、水轮发电机及发电电动机的最新技术姜 茜 编译摘要 最近 10 年，世界各地电站平均每年订货容量超过 20000MW，新电站建设速度加快，尤其是在中国。其中，包括许多装有 200MVA800MVA 机组的大型发电站。对大容量水轮发电机来说，某些情况下，定子和转子绕组已采用直接水冷技术。然而从机组结构简单和易维护的观点来看，空冷型式更为适合，近年来,，空冷型机组得到更多关注。在低速情况下，考虑到工地运输的限制，大尺寸发电机部件可以采用工地焊接结构。在中国，不仅建有采用立式机组的大型水电站,而且建设有采用卧式灯泡式水轮发电机组的低水头电站。最近，单机容量 30MW45MW 的大型灯泡式水轮发电机已投
2、入运行，轴承及发电机冷却的新技术将推广用于灯泡式水轮发电机。在抽水蓄能电站中，第一个调速抽水蓄能系统 1990 年在日本投运，以后这种系统已运用于多个抽水蓄能电站，尤其是在日本和欧洲。在调速抽水蓄能发电电动机中，避免离心力作用的转子线圈端部支撑结构是一项目前仍在不断改进的重要技。关键词 同步发电机 灯泡式水轮发电机 发电电动机 抽水蓄能 调速1 引 言气候变化和环境恶化的影响已成为全球范围内的一个大问题，每一个国家都把减少温室气体的排放作为焦点。在这样的环境下，水力发电又重新被认定是一种环境友好型电力系统，许多国家正大力建设水电站，尤其是在中国。另外，人们又注意建设抽水蓄能电站。抽水蓄能电站已
3、应用多年，它可以在电力需求高峰时发电，而在电力需求降低时则将电能储存下来，以平衡电力供给和满足电网需要。继而，近年来，由于间断性可再生能源尤其是风电的增长，电网稳定性已成为一个主要问题，传统的抽水蓄能又备受关注。调速抽水蓄能可通过改变机组转速控制水泵输入功率，更为有效地改善电网稳定性。100 多年来，东芝水电公司制造的水轮发电机和发电电动机已遍布全世界，促进了水力发电的发展。本文介绍了东芝水电公司水轮发电机和发电电动机(包括调速抽水蓄能系统)的最新技术及技术发展趋势。2 水轮发电机和发电电动机的最新技术2.1 大容量同步发电机过去 10 年，世界各地新建水电站平均每年订货容量超过 20000M
4、W，新电站的建设显著加速，尤其是在中国，其中，包括许多装有 200MVA800MVA 机组的大型水电站。例一如中国的观音岩水电站，电站装有 5 台 666.67MVA 的水轮发电机组。该电站发电机目前正在设计，计划 2015 年投运。观音岩电站水轮发电机的剖面图见图 1，额定参数见表 1。图 1 观音岩电站同步发电机表 1 观音岩电站水轮发电机额定值型 式半伞式冷却方式带水冷却器的全封闭空气冷却额定容量666.67MVA 额定转速90.9r/min 端电压20kV 额定功率因数0.92.1.1全空冷及 20kV 定子绕组观音岩电站发电机为立轴半伞式同步发电机，定子铁心外径约 17.2m，发电机
5、总重约 2700t。额定端电压为 20kV，定子线棒采用 VPR(真空加压多胶云母带)绝缘系统，定子和转子绕组冷却方式为空气冷却。对于大容量发电机来说，在某些情况下，定子和转子绕组已采用直接水冷技术。然而，从机组结构简单和易维护的观点看，空冷型式更为适合，近年来，空冷方式得到更多关注。1980 年代，委内瑞拉 Guri 电站 805MVA 水轮发电机已采用全空冷技术。2.1.2工地焊接机械结构对于大直径发电机来说，设计和制造部件时应考虑到工地的运输限制。对观音岩电站发电机，考虑到运输限制和工地装配，大尺寸部件，如定子机座、转子支架及轴承机架等，采用工地焊接结构。图 2 所示为转子支架，它包括单
6、个中心体、外部元件和工地焊接装配用定位筋。图 2 工地焊接型转子支架的典型结构2.2 灯泡式水轮发电机在中国，不仅有采用立式机组的大型水电站，而且建有采用卧式灯泡式水轮发电机的低水头水电站。最近，机组容量 30MW45MW 的大型灯泡水轮发电机已投入运用。图 3 和图4 为中国清水塘电站灯泡式水轮发电机剖面图及发电机转子。该电站装有 4 台32MW、62.5r/min 的机组，额定转速。发电机参数如表 2 所示。清水塘电站首台机组已于2008 年 12 月投运。图 3 清水塘电站灯泡式水轮发电机组表 2 清水塘电站发电机参数型 式卧式灯泡水轮发电机冷却方式带水冷却器的全封闭空气冷却额定容量33
7、.68MVA 额定转速62.5r/min 端电压10.5kV 额定功率因数0.95图 4 清水塘电站发电机转子2.2.1非金属导轴承用于卧式机组清水塘电站水轮机和发电机的转动部件由两个导轴承支撑，对卧式水轮发电机来说，重达 220t 的最大导轴承负荷是一个非常重的负荷。扇形导轴承轴衬采用非金属 PTFE(聚四氟乙烯)，取代传统巴氏合金轴颈轴承。在高轴承压力下，相对于巴氏合金轴承，聚四氟乙烯轴承具有减少摩擦和减少磨损的优越特性。而且，发电机在起动和停止运行时无需高压油系统。聚四氟乙烯轴承性能已在工厂模型试验进行验证。图 5 灯泡式水轮发电机弧形导轴承2.2.2灯泡式水轮发电机的新型冷却方式通常，
8、灯泡式水轮发电机由于转速低和灯泡直径的限制，仅通过转子风扇作用的径向通风来获得充足的冷却风量及风压是比较困难的。清水塘电站发电机定子和转子通过外部电动风扇及水冷热交换器来冷却。然而，改进冷却方式，比如通过外部过水的灯泡壳来直接冷却定子铁心，以及通过灯泡壳内表面的冷却翅的间接冷却技术，也已开发成功，希望应用于其他机组。2.3 抽水蓄能发电电动机近年来，中国规划建设多座抽水蓄能电站，大部分电站装机容量在 1000MW 以上， ，由数台 200MW300MW 的高速(额定转速为 375r/min500r/min)机组组成。图 6 和表 3 为中国清远抽水蓄能电站发电电动机剖面图及额定参数。图 6 清
9、远电站发电电动机表 3 清远抽水蓄能电站发电电动机额定值型 式半 伞 式 冷却方式带水冷却器的全封闭空气冷却额定容量356MVA/331MW (发电机/电动机)额定转速428.6r/min 端电压15.75kV 额定功率因数0.95/0.975 (发电机/电动机)2.3.1 发电电动机结构和通风冷却方式清远电站发电电动机采用带水冷表面空气冷却器的全封闭空冷系统，转子为环形磁轭型，由高强度厚轧板堆叠而成，环形磁轭板间设有许多径向通风沟，以通过定子、转子的风沟使空气循环。径流系统的气流如图 7 所示。图 7 转子及定子径向通风冷却系统2.3.2 发电电动机轴承清远电站发电电动机为半伞式机，推力-下
10、导组合轴承布置于转子之下；上导轴承布置于转子之上。各导轴承和推力轴承为可逆式旋转电机用中心支撑型。推力轴瓦由很多弹簧圈支撑。清远电站发电电动机推力轴瓦为传统巴氏合金型。非金属推力轴承具有很好的抗摩擦及耐磨损特性，近年来，已推广用于发电电动机中，聚四氟乙烯推力轴承也已用于300MW 级发电电动机。非金属(PTFE)推力轴承如图 8 所示，传统巴氏合金的摩擦及磨损特性与非金属(聚四氟乙烯，带附件)特性的比较如图 9 所示。图 8 300MW 级发电电动机用非金属(PTFE)推力轴承图 9 非金属(PTFE)推力轴承的特性2.3.3防止油气泄露的轴承密封轴承盖的密封传统上多采用迷宫式密封。然而，由于
11、径向空冷的高速发电电动机的转子进风口靠近轴承盖，因此。油气有时会从轴承和轴之间的间隙处泄露。为避免这些问题，开发了名为刷密封的新型密封，并已用于水轮发电机和发电电动机中。刷密封具有极好的抗摩擦抗磨损特性，柔性刷能与轴保持良好接触，阻止油气泄露。刷密封结构如图 10 所示，传统迷宫式密封与新开发的刷密封的密封性能的比较如图 11 所示。图 10 轴承盖用刷密封装置图 11 刷密封设备的密封性能2.4 调速抽水蓄能在抽水工况下，调速抽水蓄能系统可以通过改变水泵水轮机的转速控制泵的输入功率，有利于电力系统 AFC(自动频率控制)的运行。由于这个优势，自从首台调速抽水蓄能系统于 1990 年在日本 Y
12、agisawa 电站运行以来，调速系统已用于多个抽水蓄能电站，尤其是在日本和欧洲。东芝水电公司制造的调速抽水蓄能系统如表 4 所示。表 4 东芝水电公司调速抽水蓄能系统用发电电动机电 站拥 有 者发电电动机容量(MVA/MW)转速范围(r/min)换流器型式运行时间矢木尺 #2 机组 盐源 #3 机组 奥清津 第二#2 机组 冲绳海水 京极 #1 机组 葛野川 #3 机组 葛野川 #4 机组东京电力公司 东京电力公司 电力开发公司 电力开发公司 北海道电力公司 东京电力公司 东京电力公司85/85 360/330 345/340 31.5/31.8 230/230 475/460 475/46
13、0130156 345405 407450 423477 475525 480520 480520循环变流器 循环变流器 GTO 逆变器/变流器 GTO 逆变器/变流器 IEGT 逆变器/变流器 IEGT 逆变器/变流器 IEGT 逆变器/变流器1990 1995 1996 1999 2014 2020 以后 2020 以后2.4.1 调速抽水蓄能系统结构变流器供电调速抽水蓄能系统的系统结构如图 12 所示。系统由水泵水轮机、发电电动机变频器及控制系统组成、发电电动机及变频器有别于传统抽水蓄能系统用同步发电电动机，它有一个带三相磁场绕组的圆柱形转子，可以通过控制与发电电动机三相磁场绕组相连的变
14、频器的交流频率来调节转速。图 12 调速抽水蓄能的系统结构2.4.2 发电电动机与传统同步发电机不同，调速发电电动机的转子为三相分布磁场绕组的圆柱形转子。高速大容量调速发电电动机的技术问题包括需要承受大的离心力的转子铁心叠片及转子线圈的结构。高转子铁心叠片采用了高强度钢板。调速发电电动机的转子三相线圈像定子线圈一样，嵌入转子铁心槽内，为克服离心力作用，转子线圈端部支撑结构尤为重要。在转子带三相分布绕组的感应电动机中，通常转子线圈端部外侧用非磁性钢丝绑扎，以支撑线圈端部，抵抗离心力的作用。然而，对于大尺寸、大容量发电电动机来说，已开发一种 U形螺栓支撑结构，并得到应用。U 形螺栓支撑系统具有良好
15、优势，如易于在工地安装、维护，良好的线圈端部冷却，线圈能自由热膨胀，工地不需安装设备等。U 形螺栓支撑结构及调速抽水蓄能电站用发电电动机转子如图 13 和图 14 所示。图 13 U 形螺栓支撑系统图 14 调速抽水蓄能发电电动机转子3 结 论水轮发电机技术包括常规水轮发电机、大容量水轮发电机、灯泡式水轮发电机及用于抽水蓄能的发电电动机的技术已得以持续开发和改进。水轮发电机的技术发展趋势是将全空冷技术尽量推广应用到大容量水轮发电机及发电电动机。对于灯泡式水轮发电机来说，冷却方式的改进趋势就是采用通过灯泡壁传的方式，同时开发和改进无维修技术，如采用非金属轴承和高性能轴承密封。随着间断运行促进新能源(比如风能和太阳能)的增长，电网稳定性则成为一个重要课题，为此要采用电网稳定用设备和或系统，例如调速抽水蓄能系统。戴庆忠 校 译
