他給白鶴灘水電站裝上強大“心臟”

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，就是研製可靠、穩定、高效的水輪發電機組。

張天鵬

白鶴灘百萬千瓦發電機總設計師、東方電機有限公司副總經理

歷經10餘年時間，前不久，位於四川省與雲南省交界處金沙江上的白鶴灘水電站首批機組安全準點投產發電。作為目前全球在建規模第一、單機容量第一、裝機規模第二大的水電站，這座巨型水電站被譽為世界水電行業的“珠穆朗瑪峯”，電站首批機組成功投產發電，這離不開無數建設者的艱辛付出，白鶴灘百萬千瓦發電機總設計師、東方電機有限公司（以下簡稱東方電機）副總經理張天鵬便是其中一員。

“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，就是研製可靠、穩定、高效的水輪發電機組。”張天鵬説，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温

百萬千瓦，不僅意味着大容量、大尺寸，也意味着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，研製團隊面臨的最大難題，便是如何給發電機組降温。

或許有人説，降温有什麼難的，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後發現，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。

隨後，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，並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，並新增內部冷卻區，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，他和團隊成功研製出了“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後，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採用的轉子支架相比，新型轉子支架在性能上全面優於傳統結構，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。”張天鵬説。

就當團隊上下以為可以鬆一口氣了，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，就是磁軛衝片疊裝。

據介紹，白鶴灘發電機磁軛高3.6米、直徑超過15米，由16000餘張60公斤重的磁軛衝片分900層逐層疊裝而成，衝片的厚度公差在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倍後也是非常嚴重的偏差。”張天鵬説，項目指標要求需將磁軛圓柱偏差控制在1毫米內，偏心值不大於0.2毫米，遠優於精品標準要求。

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、反覆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範圍。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佈出來：磁軛圓柱度偏差為0.36毫米、偏心值0.02毫米。張天鵬懸着的心，終於可以放下。

“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。可以説，水電裝備的核心技術已牢牢掌握在我們自己手中。”張天鵬説。