枕头坝一级水电站发电机滑环碳粉吸收装置设计优化及应用

张治忠，田若朝，靳 帅

(国电大渡河枕头坝发电有限公司，四川 乐山 614700)

枕头坝一级水电站为大渡河干流水电梯级规划的第19个梯级，位于四川省乐山市金口河区，电站采用堤坝式开发，径流式电站，Ⅱ等大(2)型工程，安装4台单机容量为180 MW的轴流转桨式水轮机发电机组，总装机容量720 MW，开发任务为发电，兼顾下游用水，2015年12月4台机组全部投产发电。

枕头坝一级水电站水轮发电机为三相凸极同步发电机，采用立轴半伞式、密闭自循环、自通风、空气冷却的形式。发电机主要由定子、转子、上机架、上导轴承、下机架、推力轴承、下导轴承、空气冷却系统、制动和顶起系统、灭火系统、自动化系统等零部件组成。

自发电机投入运行以来，虽然设计安装了滑环碳粉吸收装置，但发电机滑环碳粉仍然较多，导致整个滑环室内大量碳粉沉积附着，严重影响设备运行环境，可能导致转子绝缘降低，甚至导致机组非计划停运的事故发生，大大降低了设备运行安全可靠性，并需要投入大量人力、物力进行清理，机组需要大量时间退出电网备用，严重影响发电安全和发电效益。

1 原有碳粉吸收装置结构和功能分析

滑环置于发电机上端轴的上端，材质为Q235-A钢，具有良好的导电性和散热性，碳刷与滑环均安装在密封的风罩内，且与发电机风洞分开，以保证碳刷粉尘不污染定、转子，风罩外安装一套滑环碳刷粉尘吸收装置，通过风管将碳粉吸入装置，以保持风罩清洁。

但在实际运行过程中，原有碳粉吸收装置并未起到良好的吸尘效果，导致风罩内及滑环上积聚碳粉较多，严重影响了发电设备的运行安全。通过对原有碳粉吸收装置功能效果不理想的原因进行分析，认为该装置在结构设计上存在以下不足：①碳刷滑环安装在发电机风罩内，风罩整体体积非常大，较只需要进行除尘的碳刷滑环部分体积大出多倍，意味着需要大功率风机进行吸尘工作。②原有碳粉吸收装置风机功率不足，风机吸风口数量不足，管径偏小，针对体积较大、相对密闭的风罩而言，仅设置了1台2.2 kW的风机，1个DN50的吸风口，不足以实现风罩内空气的流动。上述两条不足之处是导致该装置功能性差，进而影响发电机组安全稳定运行的关键原因。

2 碳粉吸收装置优化实施方案

针对原有碳粉吸收装置存在的不足，提出一种优化改进方案并实施。改进后的碳粉吸收装置具体结构如下。

改进后的碳粉吸收装置主要由玻璃钢罩、主机、控制箱、风管四部分组成，玻璃钢罩环滑环整圈布置，在玻璃钢罩底部均匀布置6个吸风口，3台吸尘装置主机安装于滑环室外侧，通过3根DN200吸尘阻燃软管连接；6个DN150吸风口通过变径三通分别与3根吸尘主管连接(见图1)。

图1 碳粉吸收装置现场布置示意图

1)玻璃钢罩将水轮发电机组碳刷滑环包围在其中，支撑于机组上导油槽盖板上，玻璃钢罩由6瓣拼装构成，每瓣下部设有吸风管，通过连接软管与吸尘装置主机相连。玻璃钢罩外圆侧立面设有透明观察窗，观察窗采用压扣锁定链接方式，以便于碳刷更换及巡视检查时取下(见图2)。

图2 玻璃钢罩结构示意图

2)吸尘装置主机为3台，每台风机功率为2.2 kW，最大风量2 100 m3/h，全压为2 kPa，风机室为全封闭结构，风机外壳设吸声体，高效后弯叶片，直链离心风机，滤桶可拆卸。滤筒表面的粉尘随除尘时间增加，灰尘堆积变厚，除尘效率降低，滤筒的阻力增加，当滤筒内外压差达到设定值0～1 kPa之间时，压差开关报警，进行滤筒清理。

碳刷粉尘由安装在箱体上部的风机从箱体下部进入风管抽入箱内，经滤筒过滤，粉尘被阻留在滤筒的表面，净化后的气体吸入风机内，由箱体上部的出风口排出(见图3)。

图3 吸尘装置主机结构示意图

3)电控箱实现了就地和远方控制两种工作方式。①就地或远方启动。碳粉除尘装置在就地状态，按下启动按钮或在远方状态下接收到启动信号后，除尘装置开始工作。②就地或远方停机。碳粉除尘装置在就地状态,按下停机按钮后停机。在远方状态下接收到停机信号后,碳粉除尘装置延时工作5 min(6 min之内，可调)后停机。③当阻力大信号告警时，需进行滤筒清理之后，按下复位按钮清除告警信号。④时间继电器整定时间为5 min。⑤除尘系统具有电机过载、缺相等故障情况下自动报警功能，并送远传故障信号。

4)风管采用阻燃钢丝加强透明PU软管，支管口径采用6根DN150软管，主管口径采用3根DN200软管。

3 实施效果评价

通过优化改进的碳粉吸收装置具有适用范围广、体积小、处理风量大，结构紧凑，布局合理，使用方便可靠等优点，实现了完全自动控制功能，具有尘满压差、风机故障和电机过载等报警功能，通过联机控制可长时间自动运转，不需人工干预，与机组运行同步使用，实现了全封闭和大功率吸尘功能，净化率达到99%，有效地解决碳粉附着、绝缘下降等问题，改善了设备运行环境，提高了设备运行可靠性，取得了良好的经济效益。

4 结 语

1)为电气设备高粉尘环境问题提出了解决方案。该装置的优化和实施显著改善了枕头坝一级水电站水轮发电机滑环的运行环境，提高了设备可靠性水平，大大降低了机组退出备用时间，每年4台机组减少退出备用时间约256 h，增加发电量4 000多万kW·h，取得了显著的经济效益和社会效益。为解决电气设备高粉尘环境问题提出了解决方案，为解决类似高粉尘环境问题提出了解决思路。

2)为旋转带电设备上的绝缘安装工艺提出了解决方法。该装置安装于狭小的封闭空间，且设备处于转动状态，对于满足绝缘的同时需要满足设备安装的密闭性提出了很高的要求，该装置的安装设计充分考虑的相关难点，提出了切实可行的解决方法，对类似施工工艺有极大的借鉴意义。