“要將40%以上的長江水資源調動起來,使其源源不斷地輸出清潔電力,金沙江畔迫切需要一顆強大的‘心臟’。而組建這顆‘心臟’的關鍵,就是研制可靠、穩定、高效的水輪發電機組。”張天鵬說,建造這100萬千瓦發電機是場鏖戰,不過他慶幸自己能參與其中。
為發熱的水輪發電機降溫
百萬千瓦,不僅意味著大容量、大尺寸,也意味著發電機會產生更多的熱量。
張天鵬表示,白鶴灘水電站的空氣冷卻式機組,如果無法將過剩的熱量快速排出,就會影響機組安全穩定高效運行。因此,研制團隊面臨的最大難題,便是如何給發電機組降溫。
或許有人說,降溫有什么難的,增加風量不就可以了?難就難在,冷卻風量在很大程度上,與發電機效率呈反比,風量過大就會影響發電效率。要想解決發電機的散熱問題,還得從冷卻技術入手。張天鵬和團隊經過分析論證后發現,即使不惜成本對傳統的定轉子冷卻結構進行改造,也很難達到要求。
隨后,張天鵬和團隊決定改變思路,在熱源本體——磁極銅排直接冷卻上“做文章”。2013年起,他們經過若干輪次的仿真計算、試驗驗證等,成功研發出磁極繞組空內冷技術,并將其成功應用在白鶴灘項目上。
張天鵬介紹,團隊在磁極銅排上開設內通風孔,并新增內部冷卻區,在大幅增加磁極繞組的散熱面積、縮短傳熱路徑的同時,提高了冷卻空氣的利用率,大幅降低了發電機冷卻需求風量。
帶隊研發新型轉子支架
發電機轉子是發電機的轉動部分,也是發電機最核心的部件,主要由轉子支架、磁軛和磁極等部分組成,而轉子支架是連接主軸和磁軛的重要部件。
從2014年開始,張天鵬帶領團隊提交了上百個設計方案、計算了海量的數據……最終在2017年3月,他和團隊成功研制出了“平衡受力”的新型轉子支架,經過對新型轉子支架多輪計算優化設計后,最終確定了結構靜強度等指標最優的轉子支架方案,順帶斬獲了相關國家發明專利。
“與當前70到80萬千瓦等級巨型水電機組采用的轉子支架相比,新型轉子支架在性能上全面優于傳統結構,各種工況應力水平降低了10%以上,具有更低的自身通風損耗特性,還大幅降低負壓抽吸作用、機組油霧污染防治難度。”張天鵬說。
就當團隊上下以為可以松一口氣了,又一道難題迎面“走”來。針對白鶴灘發電機設計方案的分析報告給了張天鵬團隊一個警告:如果轉子圓度控制不好,機組可能會出現低頻振動這一“天生缺陷”,會極大降低發電機機組的運行質量。而轉子圓度控制的關鍵,就是磁軛沖片疊裝。
據介紹,白鶴灘發電機磁軛高3.6米、直徑超過15米,由16000余張60公斤重的磁軛沖片分900層逐層疊裝而成,沖片的厚度公差在0.16毫米以內。
“不要小看這個尺寸,即使是0.01毫米的偏差,若控制不當,放大900倍后也是非常嚴重的偏差。”張天鵬說,項目指標要求需將磁軛圓柱偏差控制在1毫米內,偏心值不大于0.2毫米,遠優于精品標準要求。
為了保證達到規定值,東方電機現場服務團隊通過動態監測、反復計算等一系列手段保證磁軛疊裝全程受控,力求將偏差控制在最小范圍。在監測結果出來前,張天鵬內心十分忐忑。最終,一組喜人的數據被公布出來:磁軛圓柱度偏差為0.36毫米、偏心值0.02毫米。張天鵬懸著的心,終于可以放下。
“從2006年開始,我們團隊就開始了白鶴灘百萬千瓦電機機組的研究工作,在機組總體設計、水力、電磁、冷卻、絕緣等9個技術領域進行了專項科研攻關,形成了一系列具有自主知識產權的核心技術。可以說,水電裝備的核心技術已牢牢掌握在我們自己手中。”張天鵬說。