400MW 蒸發冷卻水輪發電機定子帶繞組整體吊裝技術應用

藺旭東，張 振，徐騰蛟

（青海黃河上游水電開發有限責任公司工程建設分公司，青海省青海市 811700）

0 引言

李家峽水電站位于青海省尖扎縣和化隆縣交界的黃河干流李家峽河谷中段，是黃河上游龍羊峽至青銅峽河段中緊接龍羊峽水電站的第三座大型梯級電站，水庫庫容16.5 億m3，為日、周調節。李家峽水電站安裝5 臺混流式水輪發電機組（一期4 臺，二期1 臺），單機容量400MW，總裝機2000MW，年均發電量59 億kW·h，是中國首次采用雙排機布置的水電站，也是世界上最大的雙排機水電站（電站一期4 臺機組已于1999 年全部建成發電）。

李家峽水電站5 號機組裝機容量為400MW，采用了蒸發冷卻技術實現定子繞組高效冷卻。蒸發冷卻技術利用沸點適宜的液態冷卻介質氣液相變過程吸收、帶走熱量，憑借冷卻工質的高絕緣性、可直接與定子繞組接觸，達到快速、高效的散熱效果；5 號機采用新型國產蒸發冷卻介質，具有節材、節能、高可靠、運維量小等特點。

1 定子及吊裝裝置結構

為合理優化工期，減輕機電安裝對土建工期的依賴，李家峽5 號機組定子采用整體式吊裝方案，即定子在安裝間完成線棒安裝后整體一次吊裝至基坑。5 號水輪發電機組主要參數如表1 所示。

表1 水輪發電機組主要參數Table 1 The main parameters of hydro-generator

1.1 定子結構

定子機座由鋼板焊接而成，為運輸方便而分成6 瓣，在工地組焊成整圓，定子在線棒安裝完成后整體起吊重量約550t，吊具重量為90t。定子鐵芯采用高導磁、低損耗、無時效優質硅鋼片50W250 疊裝而成[1]。定子機座通過新型分體式彈性鴿尾筋結構與定子鐵芯連接，能適應鐵芯熱膨脹，還能削弱定子鐵芯的振動。定子線棒絕緣采用高場強F 級VPI絕緣系統，采用全防暈措施。定子繞組采用蒸發冷卻自循環系統，包括：內冷式定子線棒、均壓排汽管路系統、蒸發冷卻供排液系統、冷凝器供排水管路系統、監控系統、介質泄漏監測裝置、介質排氣回收裝置等[2]。

1.2 定子起吊裝置

定子起吊裝置主要功能是通過周邊特制起吊螺桿與定子起吊孔固定，實現定子的水平起吊及旋轉。定子起吊裝置具有結構簡單、可靠、操作方便、受力均勻、起吊載荷大等特點[3]。定子吊具額定載荷550t（不含吊具自重），由直徑為φ5000mm 的中心體及長度為4850mm 的12 個支臂組成，每個支臂共有2 個吊點，24 個吊點兩兩一組，分為12 組，每組的兩個吊點間距固定為200mm，12 組吊點均勻分布在直徑14240mm 圓上，吊點均勻受力。定子吊具如圖1、圖2 所示。

圖1 定子起吊吊具結構示意圖（主視圖）Figure 1 Structure diagram of stator lifting sling-front view

圖2 定子起吊吊具結構示意圖（俯視圖）Figure 2 Structure diagram of stator lifting sling-vertical view

2 定子機座起吊計算

2.1 材料參數

李家峽電站水輪發電機項目的定子材料力學參數見表2。

表2 材料力學參數表Table 2 Mechanical parameters of materials

2.2 機組參數及載荷

李家峽電站定子整體主要載荷參數見表3。

表3 定子整體起吊所對應的載荷參數Table 3 Load parameters corresponding to the integral hoisting of the stator

2.3 判定標準和計算輸出

根據 ASME 標準給出的基于有限元法計算法的應力限制，并將應力分類如下[4]：

Pm——一次薄膜應力；

Pl——一次局部應力；

Pb——一次彎曲應力；

Q——一次薄膜應力+不連續的彎曲應力。

設計的參考許用應力為：

不同應力類型的許用應力：

2.4 計算結果

2.4.1 許用應力

按ASME 標準確定許用應力如表4 所示。

表4 按ASME 標準確定許用應力Table 4 Determination of allowable stress according to ASME standards

2.4.2 鐵芯齒變形

從表5 可見，定子整體起吊時，鐵芯齒部最大徑向相對變形為0.969μm，齒部最大切向相對變形為0.159μm，相對變形較小，起吊安全（見圖3、圖4，表5 ～表7）。

圖3 定子整體起吊鐵芯齒部徑向變形Figure 3 Radial deformation of the core teeth of the integral hoisting of the stator

表5 鐵芯齒相對變形Table 5 Relative deformation of core teeth

表6 定子整體起吊經典計算應力與合同許用應力對比表Table 6 Comparison of classical calculated stresses and contractual permissible stresses for integral hoisting of stator

表7 定子整體起吊計算應力與 ASME 許用應力對比表Table 7 Comparison of calculated stator lifting stresses with ASME allowable stresses

2.4.3 計算應力與許用應力對比

從表6 和表7 可見機座、起吊梁及起吊梁插板在起吊狀態下最大等效應力滿足ASME 標準，低于材料的屈服極限，定子整體在起吊狀態下應力滿足剛強度設計要求。

3 工藝流程及技術措施

3.1 工藝流程

定子吊裝工藝流程見圖5。

圖5 定子吊裝工藝流程圖Figure 5 Stator hoisting flow chart

3.2 吊裝檢測

在定子試吊時，檢查橋機主梁撓度，檢查撓度值是否符合設計要求[5]。

（1）使用全站儀測量并記錄橋機主梁原始狀態撓度值。

（2）監測過程：定子試吊懸停時，使用全站儀測量橋機撓度值并記錄測量結果；試吊完成，定子重量全部轉換到組裝工位支墩后，使用全站儀測量橋機撓度值并記錄測量結果；對比檢查撓度變化和承重釋放后的恢復情況。

（3）根據GB/T 14405《通用橋式起重機規范》，由起重量和小車自重在主梁跨中引起的垂直靜撓度應不大于S/1000，即不大于24mm。

3.3 技術措施

（1）定子吊入機坑下落過程中注意調整、控制定子的水平，平衡梁指針保持垂直，避免因定子傾斜與其他設備發生碰撞[6]。

（2）定子試吊前后，監測定子吊具橋機主梁的撓度。

（3）施工中所使用的橋機及其他電動工具均須檢查合格后方可使用，電氣設備使用中應有良好接地裝置。

（4）在試吊過程中用于質量檢測的設備、設施均須在合格使用期限內。

（5）定子起吊桿裝好，組合螺栓受力均勻，平衡梁及天車檢查完好，連接就緒，并車試驗良好[7]。

（6）在橋機上平面所放置的各種工具，零部件應安放牢固，以防墜落傷人。

（7）定子吊裝過程中，天車上應設專責機電監護人員，負責對制動器、減速器、卷筒鋼絲繩及繩夾和電氣設備的監視檢查[8-9]。

（8）整個吊裝過程中，所有工作人員必須聽從吊裝指揮人員的指揮。

（9）天車司機必須聽從指揮，協調一致。在吊裝過程中所聽到任何停車信號必須停車，副司機應監護副車操作手柄始終在零擋位。

（10）定子吊起200mm 停車，做慢起、慢落試驗，并檢查各部正常后再進行吊裝。

（11）確認定子安全落位后，方能分解、拆除平衡梁。

4 結論

400MW 蒸發冷卻水輪發電機定子帶繞組整體吊裝技術應用在國內尚屬首例。經比較定子整體吊裝前后的測量數據，定子撓度變形未超過1mm，圓度變形未超過0.64mm，滿足廠家技術要求。

李家峽水電站擴機（5 號機組）工程定子帶繞組整體吊裝方案采用了專用吊具，并順利完成吊裝，為其他同類型機組安裝的類似情況積累了經驗，提供了良好的應用實例，對優化施工工序、減輕對直線工期的壓力、減少機電安裝過程對土建的依賴等具有較強的現實意義，值得推廣。