320 MW全空冷發(fā)電機(jī)特性研究

呂　蒙, 張　鵬， 劉德榮， 寧　罡

(華北電力科學(xué)研究院(西安)有限公司, 西安 710065)

?

320 MW全空冷發(fā)電機(jī)特性研究

呂蒙, 張鵬， 劉德榮， 寧罡

(華北電力科學(xué)研究院(西安)有限公司, 西安 710065)

介紹了320 MW燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組全空冷發(fā)電機(jī)的技術(shù)規(guī)范、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及通風(fēng)冷卻效果，闡述了發(fā)電機(jī)的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)、材料特性及相關(guān)試驗(yàn)。研究表明：通過與氫冷發(fā)電機(jī)的比較，全空冷發(fā)電機(jī)可以大大簡化其輔機(jī)系統(tǒng)及相關(guān)操作，能提高機(jī)組的安全性，并獲得較高的效率。

發(fā)電機(jī)； 冷卻系統(tǒng)； 全空冷； 性能試驗(yàn)

隨著我國電力事業(yè)的快速發(fā)展，大容量汽輪發(fā)電機(jī)的冷卻方式也經(jīng)歷了復(fù)雜的發(fā)展變化過程，主要有空氣冷卻、氫氣冷卻、液體冷卻等。每一種冷卻方式都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)[1]。目前，我國大容量汽輪發(fā)電機(jī)組大多采用水氫氫冷卻方式?？諝饫鋮s一般只出現(xiàn)在100 MW以下的小容量機(jī)組，但隨著聯(lián)合循環(huán)、熱電聯(lián)產(chǎn)、燃?xì)廨啓C(jī)(簡稱燃機(jī))發(fā)電機(jī)組及調(diào)峰機(jī)組的增加，中大容量發(fā)電機(jī)組的需求越來越多，相關(guān)的輔助系統(tǒng)及制造成本也隨之增加，因此在提高發(fā)電機(jī)性能和經(jīng)濟(jì)性的同時，對發(fā)電機(jī)的工藝、材料及相關(guān)系統(tǒng)進(jìn)一步優(yōu)化也是必要的[2]。

發(fā)電機(jī)在正常運(yùn)行中會產(chǎn)生磁感應(yīng)的渦流損失和線阻損失，這部分能量損失會轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃?，使發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子和定子發(fā)熱。發(fā)電機(jī)繞組的絕緣材料會因溫度升高而引起絕緣強(qiáng)度的降低，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)絕緣擊穿，因此在正常運(yùn)行時必須不斷地排出由于能量損耗而產(chǎn)生的熱量[3]?？绽浒l(fā)電機(jī)主要通過空氣流動帶走這部分熱量，再通過水-空冷卻器把熱量傳送給循環(huán)水，從而降低發(fā)電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子繞組的溫度，使發(fā)電機(jī)能正常運(yùn)行。

1　發(fā)電機(jī)主要參數(shù)

320 MW全空冷發(fā)電機(jī)組采用高效、全封閉、三相、隱極式同步發(fā)電機(jī)，定子、轉(zhuǎn)子采用全空冷，能在額定功率因數(shù)0.85(滯后)～0.95(超前)發(fā)出額定的功率。發(fā)電機(jī)額定電壓為20 kV，額定功率因數(shù)為0.85(滯后)，額定頻率為50 Hz。定子絕緣等級和轉(zhuǎn)子絕緣等級按B級考核均達(dá)到F級。在額定視在功率下，其短路比不小于0.55。發(fā)電機(jī)采用靜態(tài)勵磁，在額定條件下效率能達(dá)到98.8%；定子線圈采用星形連接，總共有6個出線端子；其電壓變化不超過±5%，頻率變化不超過±2%；發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)經(jīng)隔離開關(guān)連接高阻接地。

2　發(fā)電機(jī)基本結(jié)構(gòu)

2.1 定子

320 MW全空冷燃機(jī)發(fā)電機(jī)定子外殼底座采用裝配式軋鋼板，有隔振措施，其外殼結(jié)構(gòu)有足夠的機(jī)械強(qiáng)度，滿足振動、機(jī)組啟停和短路情況下的要求。

定子鐵芯采用高導(dǎo)磁和低磁滯損耗的硅鋼片制造[4]，使鐵芯和線圈各部分溫度盡可能均勻以避免局部過熱和膨脹，同時避開了100 Hz振動的影響，降低了鐵芯端部損耗。定子鐵芯端部結(jié)構(gòu)采用非磁性材質(zhì)，并采取有效的屏蔽措施，避免產(chǎn)生局部過熱。定子鐵芯的結(jié)構(gòu)有足夠的機(jī)械強(qiáng)度，防止振動、突然短路對發(fā)電機(jī)定子結(jié)構(gòu)的影響，鐵芯迭片應(yīng)為冷軋硅鋼片，軋制后退火，采用F級絕緣。

定子繞組采用高導(dǎo)電的無氧銅，導(dǎo)體100%探傷，其絕緣材料采用F級的絕緣材料，同時采取了防止電暈、吸潮及老化的措施。定子繞組的結(jié)構(gòu)有足夠的機(jī)械強(qiáng)度和短路熱穩(wěn)定能力，防止繞組彎曲變形、位移和磨損。繞組之間的連接為銀銅焊接，全絕緣，繞組端部導(dǎo)體無尖角。緊固件采用非磁性材料，并可靠鎖緊。發(fā)電機(jī)定子線棒槽內(nèi)固定及繞組端部結(jié)構(gòu)能軸向自由伸縮，適應(yīng)調(diào)峰運(yùn)行。緊固件采用非磁性材料，并可靠鎖緊。

2.2 轉(zhuǎn)子

320 MW全空冷燃機(jī)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子由整鍛鋼錠制造而成，轉(zhuǎn)子為無中心孔結(jié)構(gòu)，包括磁極、軸和聯(lián)軸器[5]。發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子與燃機(jī)之間的聯(lián)軸器有封閉防護(hù)外罩，轉(zhuǎn)子有足夠強(qiáng)度，能夠承受1.2倍額定轉(zhuǎn)速，持續(xù)時間達(dá)120 s。轉(zhuǎn)子護(hù)環(huán)為整體合金鋼鍛件，為提高護(hù)環(huán)的耐應(yīng)力腐蝕能力，采用18Cr/18Mn合金鋼材質(zhì)。轉(zhuǎn)子采用副槽通風(fēng)結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子繞組槽內(nèi)和護(hù)環(huán)下設(shè)滑移層等有效措施，保證發(fā)電機(jī)的調(diào)峰運(yùn)行能力。轉(zhuǎn)子只設(shè)置一點(diǎn)直接接地，接地電刷安裝在軸上無油污染之處，并有措施檢測軸電流并報(bào)警。接地電刷適合在發(fā)電機(jī)運(yùn)行時更換，并設(shè)置運(yùn)行中測試的設(shè)施。

轉(zhuǎn)子繞組的絕緣材料采用F級絕緣材料，并提供防潮和防老化措施。轉(zhuǎn)子繞組的結(jié)構(gòu)有足夠的機(jī)械強(qiáng)度和短時熱穩(wěn)定能力，防止線圈彎曲、變形、位移、碰撞和磨損。轉(zhuǎn)子線圈應(yīng)采用銀銅導(dǎo)體，導(dǎo)體連接處應(yīng)避免脆化和軟化。

轉(zhuǎn)子軸裝有軸流式風(fēng)扇，葉片應(yīng)為可拆式。裝配式風(fēng)扇有獨(dú)立的平衡塊，能夠可靠鎖緊。發(fā)電機(jī)配置用于勵磁和轉(zhuǎn)子接地保護(hù)用的電刷裝置，安裝在軸電流最小值之處。電刷能在各種運(yùn)行工況下使用6個月，能夠防止集電環(huán)有不均勻磨損，發(fā)電機(jī)勵磁引線牢固支撐，以防由于振動或短路損壞?；h(huán)尺寸使電刷滿足線速度<70 m/s，恒壓彈簧壓力均勻。

2.3 防暈結(jié)構(gòu)

發(fā)電機(jī)防暈結(jié)構(gòu)采用外防暈的形式，即用不同電阻率的防暈帶使線圈表面的電位梯度分布均勻；并且線圈不同部位，所用防暈帶也不同。線棒出槽口處電場十分集中，最易發(fā)生電暈，因此，從槽口低阻層開始包扎一定長度的防暈層，改善槽口的電場分布，提高槽口起暈電壓。

2.4 軸承

發(fā)電機(jī)采用分離式座式軸承。在發(fā)電機(jī)的每一端都有一個座式軸承，軸承由水平分開的兩半組成。軸瓦是鋼制的，內(nèi)襯巴氏合金。每個軸承都有一個頂軸高壓油裝置，以便在開機(jī)時減少軸承摩擦，便于啟動[6]。為防止軸電流通過軸承，發(fā)電機(jī)勵端采用具有絕緣結(jié)構(gòu)的軸承。絕緣附加在軸承環(huán)和軸承座之間，擋油環(huán)和頂軸高壓油聯(lián)結(jié)裝置也有絕緣。該軸承有自行調(diào)整的功能，在啟動、運(yùn)轉(zhuǎn)和超速條件下允許偏差減小到最低程度，且有嚴(yán)格的密封性能。每個軸承均絕緣，防止由于正常勵磁或特殊的發(fā)電機(jī)電氣故障引起的磁路不平衡而出現(xiàn)的軸電壓、軸電流效應(yīng)。軸承出油溫度不超過70 ℃，軸瓦溫度不超過90 ℃，軸瓦溫度報(bào)警值不超過105 ℃。

2.5 檢測裝置

在繞組或鐵芯等最熱點(diǎn)周圍和不受冷卻介質(zhì)影響的地方，嵌入熱電偶或電阻式溫度檢測計(jì)，主要供試驗(yàn)、監(jiān)視和保護(hù)發(fā)電機(jī)用。發(fā)電機(jī)各部位的檢溫計(jì)有嚴(yán)格的埋設(shè)工藝,確保完整無損，所有檢溫計(jì)采用雙支熱電阻(RTD)或雙元件熱電偶(TC)，并連接到相應(yīng)的本體接線盒以供其他連接使用(見表1)。

表1　發(fā)電機(jī)檢測裝置檢溫計(jì)位置及數(shù)量

2.6 勵磁部分

320 MW全空冷燃機(jī)發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)由調(diào)節(jié)屏、控制屏、滅磁屏和整流屏組合而成，勵磁型式應(yīng)為高起始響應(yīng)靜止勵磁系統(tǒng)，勵磁系統(tǒng)的特性與參數(shù)滿足電力系統(tǒng)和發(fā)電機(jī)的各種運(yùn)行方式的要求，能夠自動地調(diào)整和維持發(fā)電機(jī)電壓為額定值，并且設(shè)有完善的保護(hù)和信號報(bào)警裝置，完全適用于全空冷發(fā)電機(jī)，且勵磁系統(tǒng)與變頻啟動系統(tǒng)不接受任何共用設(shè)備。

2.7 通風(fēng)部分

發(fā)電機(jī)總共設(shè)置8組水-空熱交換器，發(fā)電機(jī)定子鐵芯及轉(zhuǎn)子繞組產(chǎn)生的熱量通過冷空氣帶出，在水-空冷卻器中經(jīng)過換熱把這部分熱量傳遞給循環(huán)水，循環(huán)水經(jīng)過機(jī)力通風(fēng)冷卻塔冷卻后，通過連續(xù)不斷的循環(huán)冷卻，從而使發(fā)電機(jī)定子鐵芯和轉(zhuǎn)子繞組溫度維持在規(guī)定的范圍之內(nèi)[7]。冷卻系統(tǒng)保證發(fā)電機(jī)在正常運(yùn)行工況下使轉(zhuǎn)子、定子繞組和定子鐵芯等最熱點(diǎn)溫度滿足ANSI和IEC標(biāo)準(zhǔn)中絕緣B級溫升限值的規(guī)定。

3　主要性能試驗(yàn)

3.1 定子繞組交直流耐壓及直流泄漏電流測試

發(fā)電機(jī)耐壓試驗(yàn)主要檢查定子繞組的主絕緣是否存在局部缺陷，確認(rèn)其絕緣水平是否合格。而交流耐壓試驗(yàn)是考核主絕緣耐電強(qiáng)度的關(guān)鍵項(xiàng)目，從而決定該發(fā)電機(jī)是否允許投入運(yùn)行。交流耐壓試驗(yàn)按照額定電壓的1.3～1.5倍進(jìn)行，加壓持續(xù)時間目前規(guī)定為1 min。

耐壓試驗(yàn)測試數(shù)據(jù)見表2～表4。

表2　耐壓試驗(yàn)測試數(shù)據(jù)

表3　耐壓試驗(yàn)前后絕緣電阻測試1)

注：1) 測試條件環(huán)境溫度為10 ℃，環(huán)境濕度為30%RH，繞組溫度為10 ℃，不通水；2) A-BCE為A相相對于B、C相與中性接地點(diǎn)的絕緣電阻；3) B-ACE為B相相對于A、C相與中性接地點(diǎn)的絕緣電阻；4) C-ABE為C相相對于A、B相與中性接地點(diǎn)的絕緣電阻。

表4　直流泄漏電流試驗(yàn)測試數(shù)據(jù)　μA

試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：發(fā)電機(jī)絕緣水平達(dá)到優(yōu)良標(biāo)準(zhǔn)，符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)程的要求。

3.2 空載短路特性試驗(yàn)

3.2.1 空載特性試驗(yàn)

發(fā)電機(jī)空載運(yùn)行，電樞電流為零，發(fā)電機(jī)定子三相繞組只有勵磁電流If感生出空載電動勢E0(三相對稱)，其值隨If的增大而增加。

空載特性曲線見圖1。

圖1　空載特性曲線

3.2.2 短路特性試驗(yàn)

發(fā)電機(jī)短路試驗(yàn)時，將發(fā)電機(jī)升至額定轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)勵磁電流，同時取定子三相繞組電流Ik和勵磁電流If。

短路特性曲線見圖2。

圖2　短路特性曲線

試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：該320 MW全空冷發(fā)電機(jī)完全符合空載特性及短路特性試驗(yàn)要求，發(fā)電機(jī)可持續(xù)安全運(yùn)行。

3.3 滿負(fù)荷試驗(yàn)

該發(fā)電機(jī)滿負(fù)荷狀態(tài)下軸承振動水平見表5。

表5　燃機(jī)發(fā)電機(jī)軸承振動水平

4　結(jié)語

空冷發(fā)電機(jī)容量的主要難題就是抑制線圈溫度和降低包括風(fēng)耗在內(nèi)的各種損耗及解決材料強(qiáng)度的限制。在對320 MW空冷燃機(jī)發(fā)電機(jī)的研制中，借助了最新的熱力學(xué)分析技術(shù)、結(jié)構(gòu)分析技術(shù)和電磁分析技術(shù)，通過采用先進(jìn)的通風(fēng)系統(tǒng)和科學(xué)合理的結(jié)構(gòu)，以及恰當(dāng)?shù)墓に嚪椒?，解決了這些難題，實(shí)現(xiàn)了在大容量燃機(jī)發(fā)電機(jī)中使用空氣作為冷卻介質(zhì)的目標(biāo)[8]。

通過對320 MW燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組發(fā)電機(jī)主要參數(shù)、技術(shù)特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和試驗(yàn)結(jié)果的研究，以及對機(jī)組投產(chǎn)以來運(yùn)行狀況的監(jiān)測，結(jié)果表明：空冷發(fā)電機(jī)能夠在保證發(fā)電效率的情況下安全運(yùn)行，其定子鐵芯及轉(zhuǎn)子繞組溫度也都能控制在良好水平，為今后在開發(fā)設(shè)計(jì)及制造生產(chǎn)更大單機(jī)容量的空冷發(fā)電機(jī)提供了相關(guān)數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)。

[1] 宋曉東, 劉業(yè)義. 新系列空冷汽輪發(fā)電機(jī)[J]. 大電機(jī)技術(shù), 2001(3): 7-10.

[2] 王濤. 聯(lián)合循環(huán)電站用的空冷透平發(fā)電機(jī)[J]. 發(fā)電設(shè)備, 2004,18(4): 227-230.

[3] 威志偉. 國內(nèi)最大容量空冷汽輪發(fā)電機(jī)的開發(fā)與研制[J]. 電器工業(yè), 2003(7): 42-44.

[4] 張忠海, 黃魯斌, 高中來, 等. WX21Z-073LLT型135 MW大容量空冷汽輪發(fā)電機(jī)的研制[J]. 大電機(jī)技術(shù), 2001(4): 9-12.

[5] 鄧桂民, 王耀, 周慧. 空冷發(fā)電機(jī)技術(shù)的新進(jìn)展[J]. 發(fā)電設(shè)備, 2004,18(3): 163-166.

[6] 丁舜年. 大型電機(jī)的發(fā)熱與冷卻[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 1992: 23-27.

[7] 李廣德, 張偉紅. 空冷汽輪發(fā)電機(jī)的通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 大電機(jī)技術(shù), 1998(4): 12-15.

[8] 趙昌宗. 東方空冷汽輪發(fā)電機(jī)的發(fā)展[J]. 東方電氣評論, 2002, 16(2): 89-97, 103.

Characteristic Study of a 320 MW Fully Air-cooled Generator

Lü Meng, Zhang Peng, Liu Derong, Ning Gang

(North China Electric Power Research Institute (Xi’an) Co., Ltd., Xi’an 710065, China)

An introduction is presented to the technical specifications, structural features and ventilation cooling effect of a 320 MW fully air-cooled generator in a gas-steam combined cycle unit, including the main structural parameters, material characteristics and related tests. Study results show that compared with hydrogen-cooled generator, the fully air-cooled generator has a simplified auxiliary system and facile operation, resulting in improved unit safety and efficiency.

generator; cooling system; fully air-cooled generator; performance test

2015-12-17

呂蒙(1986—)，男，工程師，主要從事電廠汽輪機(jī)研究及基建調(diào)試工作。

E-mail: guofangmengzi@163.com

TM31

A

1671-086X(2016)04-0223-04