國產(chǎn)1 000 MW汽輪發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)對比

王 庚，秦 爽

(1． 哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司，黑龍江哈爾濱 150040； 2. 哈爾濱鍋爐廠有限責(zé)任公司，黑龍江哈爾濱 150040)

0 引言

國產(chǎn)發(fā)電機(jī)組從最開始的100 MW以下等級小空冷汽輪發(fā)電機(jī)逐漸發(fā)展到現(xiàn)在的1 000 MW等級汽輪發(fā)電機(jī)，單機(jī)容量不斷增大。目前1 000 MW等級汽輪發(fā)電機(jī)冷卻方式均為水、氫、氫冷卻，即定子線圈水內(nèi)冷，轉(zhuǎn)子線圈和定子鐵心為氫氣冷卻。大機(jī)組因其經(jīng)濟(jì)、節(jié)能、自動化水平高、運(yùn)行人員少和建設(shè)速度快等特點(diǎn)，當(dāng)前百萬級汽輪發(fā)電機(jī)正逐漸成為市場主流產(chǎn)品。

本文主要介紹國內(nèi)三大主機(jī)公司生產(chǎn)的1 000 MW水氫冷汽輪發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，并進(jìn)行對比說明。

1 技術(shù)來源

哈電首臺百萬級發(fā)電機(jī)安裝在泰州電廠，哈電與東芝公司在2005年9月27日簽訂了1 120 MVA汽輪發(fā)電機(jī)技術(shù)轉(zhuǎn)讓協(xié)議。協(xié)議規(guī)定由東芝提供制造圖紙、材料規(guī)范、裝配圖紙、部件采購規(guī)范和安裝指導(dǎo)手冊，并提供發(fā)電機(jī)技術(shù)指標(biāo)、性能和質(zhì)量保證；哈電組織相關(guān)生產(chǎn)制造。

東電與日立公司為鄒縣工程在2004年簽訂了1 000 MW發(fā)電機(jī)的技術(shù)(許可證)轉(zhuǎn)讓合同，合同規(guī)定由日立公司負(fù)責(zé)發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)，保證其設(shè)計(jì)性能，承擔(dān)首臺原型機(jī)的制造和驗(yàn)證試驗(yàn)；日立還將向東電轉(zhuǎn)讓制造技術(shù)，包括設(shè)計(jì)文件、設(shè)計(jì)圖紙、材料和部件采購規(guī)范、制造和檢驗(yàn)、試驗(yàn)規(guī)范，并提供人員培訓(xùn)等。

上電百萬級發(fā)電機(jī)的技術(shù)轉(zhuǎn)讓方是西門子公司。2003年12月上電全面引進(jìn)了西門子THDF系列1 000 MW等級汽輪發(fā)電機(jī)制造技術(shù)，簽訂了技術(shù)轉(zhuǎn)讓協(xié)議。西門子向上電轉(zhuǎn)讓產(chǎn)品圖紙、計(jì)算程序、工程設(shè)計(jì)報告、工藝過程文件和質(zhì)量管理保證文件，并進(jìn)行產(chǎn)品技術(shù)、制造工藝、裝配和質(zhì)量保證方面的技術(shù)轉(zhuǎn)讓培訓(xùn)。引進(jìn)期時間已到，現(xiàn)在上電的百萬也都為QFSN型。

2 型號

哈電和東電百萬級發(fā)電機(jī)型號都為QFSN-1000-2，而上電的百萬級發(fā)電機(jī)型號為THDF 125/67。發(fā)電機(jī)型號含義如下：

a) QFSN-1000-2

Q為汽輪機(jī)拖動；F為發(fā)電機(jī)；S為定子繞組水冷；N為轉(zhuǎn)子繞組氫內(nèi)冷；1 000為額定功率/容量；2為兩極。

b) THDF 125/67

T為三相汽輪發(fā)電機(jī)；H為氫冷(發(fā)電機(jī)腔)；D為轉(zhuǎn)子繞組直接軸向氣體冷卻；F為定子繞組直接水冷；125為轉(zhuǎn)子本體的直徑為125 cm；67為定子鐵心的長度為670 cm。

3 結(jié)構(gòu)對比

3.1 機(jī)座冷卻器結(jié)構(gòu)

哈電百萬級發(fā)電機(jī)從東芝引進(jìn)時為大機(jī)座、冷卻器四角布置結(jié)構(gòu)，首臺安裝于泰州電廠，如圖1所示。哈電為方便該型機(jī)的運(yùn)輸，將大機(jī)座改為小機(jī)座、四角式冷卻器改為背包式冷卻器，改進(jìn)后的首臺機(jī)安裝于沁北電廠，如圖2所示。

圖1 泰州百萬級發(fā)電機(jī)(大機(jī)座、四角式冷卻器)

圖2 沁北百萬級發(fā)電機(jī)(小機(jī)座、背包式冷卻器)

上電百萬級發(fā)電機(jī)機(jī)座采用內(nèi)、外機(jī)座結(jié)構(gòu)，內(nèi)定子與外機(jī)座采用平行制造，可縮短產(chǎn)品制造周期。機(jī)座為緊湊式，汽端為氫氣冷卻器，首臺機(jī)安裝于玉環(huán)電廠，如圖3所示，此臺機(jī)組為我國首臺國產(chǎn)百萬級超超臨界燃煤機(jī)組。最新的QFSN型，可以根據(jù)用戶需求和實(shí)際使用調(diào)整。單、雙冷卻器結(jié)構(gòu)都有，也不一定都放在機(jī)座頂部。

東電百萬級發(fā)電機(jī)機(jī)座目前有兩種形式：一種是整體機(jī)座；另一種是內(nèi)外機(jī)座， 如圖4所示，首臺內(nèi)外機(jī)座型百萬級發(fā)電機(jī)安裝于靈武電廠。冷卻器均為背包式布置，如圖5所示。

圖3 玉環(huán)百萬級發(fā)電機(jī)(冷卻器汽端布置)

圖4 東電百萬級發(fā)電機(jī)正在組裝的內(nèi)定子和外機(jī)座(內(nèi)外型機(jī)座)

圖5 鄒縣百萬級發(fā)電機(jī)(背包式冷卻器)

3.2 定子風(fēng)路結(jié)構(gòu)

哈電引進(jìn)東芝百萬級技術(shù)時冷卻器為四角布置，風(fēng)路圖如圖6所示。經(jīng)哈電改進(jìn)后，冷卻器改為背包式結(jié)構(gòu)，風(fēng)路圖如圖7所示。軸流式風(fēng)扇安裝在轉(zhuǎn)子兩端。定子機(jī)座沿軸向分為15個進(jìn)出風(fēng)區(qū)，冷熱風(fēng)區(qū)相間布置以保證軸向溫度的均勻分布。轉(zhuǎn)子繞組溫度不均勻系數(shù)為1.26。氫氣通過定子鐵心徑向通風(fēng)道通風(fēng)冷卻。

東電1 000 MW發(fā)電機(jī)采用徑向多流式密閉循環(huán)通風(fēng)方式：發(fā)電機(jī)定、轉(zhuǎn)子沿軸向分為19個風(fēng)區(qū)，9個進(jìn)風(fēng)區(qū)和10個出風(fēng)區(qū)相間布置以保證軸向溫度的均勻分布， 如圖8所示。裝在軸上的軸流風(fēng)

圖6 哈電百萬級發(fā)電機(jī)冷卻器四角布置通風(fēng)示意圖(引進(jìn)型)

圖7 哈電百萬級發(fā)電機(jī)冷卻器背包式布置通風(fēng)示意圖(改進(jìn)型)

圖8 東電百萬級發(fā)電機(jī)通風(fēng)示意圖

扇將風(fēng)分別鼓入氣隙和機(jī)座上的進(jìn)風(fēng)風(fēng)道。冷風(fēng)區(qū)的氣流沿鐵心徑向風(fēng)道冷卻進(jìn)風(fēng)區(qū)鐵心后，進(jìn)入氣隙，少部分風(fēng)進(jìn)入轉(zhuǎn)子槽內(nèi)風(fēng)道，冷卻轉(zhuǎn)子繞組，其它大部分再折回鐵心，冷卻出風(fēng)區(qū)鐵心，最后從機(jī)座風(fēng)道進(jìn)入冷卻器，冷卻后的氫氣進(jìn)入風(fēng)扇負(fù)壓區(qū)進(jìn)行再循環(huán)。

轉(zhuǎn)子采取氣隙取氣的冷卻方式，這種交替進(jìn)出的徑向多流通風(fēng)保證了發(fā)電機(jī)鐵心和繞組在整個長度范圍的均勻冷卻，大幅降低了鐵心的溫度，減少了結(jié)構(gòu)件熱應(yīng)力，防止了因?yàn)榫植窟^熱而危害有效部件的使用壽命。

上電百萬級發(fā)電機(jī)氫氣冷卻器僅在汽端布置。單頭多級風(fēng)扇形成定子鐵心軸向氫冷和轉(zhuǎn)子線圈軸向-徑向氫冷，如圖9所示。

圖9 上電百萬級發(fā)電機(jī)通風(fēng)示意圖

3.3 定子鐵心端部屏蔽措施

哈電百萬級發(fā)電機(jī)定子鐵心端部采用雙屏蔽結(jié)構(gòu)(銅屏蔽+磁分流)，如圖10所示。

圖10 哈電百萬級發(fā)電機(jī)定子鐵心端部屏蔽結(jié)構(gòu)

東電百萬級發(fā)電機(jī)的定子鐵心端部屏蔽結(jié)構(gòu)與哈電相同，也采用銅屏蔽加磁分流結(jié)構(gòu)，如圖11所示。

圖11 東電百萬級發(fā)電機(jī)定子鐵心端部屏蔽結(jié)構(gòu)

上電百萬級發(fā)電機(jī)定子鐵心端部也采用磁分流結(jié)構(gòu)，但僅勵端端蓋內(nèi)側(cè)設(shè)有銅屏蔽結(jié)構(gòu)。壓板和鐵心端部用階梯段型式磁屏蔽將漏磁場有效屏蔽和被冷卻。勵端端蓋內(nèi)側(cè)設(shè)有銅屏蔽，減少發(fā)電機(jī)勵端端部漏磁損耗。

3.4 隔振結(jié)構(gòu)

哈電采用臥式組合式彈簧板隔振結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)起源于美國GE公司，彈簧板兩端與機(jī)座用螺釘把緊，中間與定位筋把緊，如圖12所示。優(yōu)點(diǎn)是占用徑向尺寸較小，隔振效果好，有效避開鐵心電磁振動對機(jī)座的影響。

圖12 哈電百萬級發(fā)電機(jī)定子鐵心隔振結(jié)構(gòu)

因東電百萬級發(fā)電機(jī)有兩種機(jī)座結(jié)構(gòu)，所以根據(jù)機(jī)座結(jié)構(gòu)分別采用軸向和切向彈簧板兩種隔振系統(tǒng)。整體式機(jī)座采用軸向彈簧板隔振(橫向或臥式)，如圖13所示。內(nèi)外式機(jī)座采用切向彈簧板隔振(立式)，如圖14所示。

上電百萬級發(fā)電機(jī)定子鐵心和定子機(jī)座之間的連接采用立式彈簧板隔振結(jié)構(gòu)如圖15所示，隔振系數(shù)5～8。最新結(jié)構(gòu)為加緊環(huán)+彈簧結(jié)構(gòu)，安裝更方便，適用內(nèi)陸使用和運(yùn)輸。

3.5 油密封結(jié)構(gòu)

哈電和東電的百萬級發(fā)電機(jī)密封油處均采用單流雙環(huán)結(jié)構(gòu)，如圖16所示，此種結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡單、檢修方便、磨損量少和不易變形的優(yōu)點(diǎn)。

上電的百萬級發(fā)電機(jī)密封油處采用單流單環(huán)結(jié)構(gòu)，如圖17所示，此種結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡單、不易磨損的優(yōu)點(diǎn)，但安裝工藝復(fù)雜，對維護(hù)人員操作水平要求較高。

4 結(jié)語

通過對國產(chǎn)1 000 MW汽輪發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行

圖13 東電百萬級發(fā)電機(jī)定子鐵心隔振結(jié)構(gòu)(臥式、軸向)

圖14 東電百萬級發(fā)電機(jī)定子鐵心隔振結(jié)構(gòu)(立式、切向)

圖15 上電百萬級發(fā)電機(jī)定子鐵心隔振結(jié)構(gòu)(立式、切向)

圖16 單流雙環(huán)結(jié)構(gòu)

圖17 單流單環(huán)結(jié)構(gòu)

對比，可以發(fā)現(xiàn)因技術(shù)引進(jìn)流派的不同，不同廠家的國產(chǎn)1 000 MW汽輪發(fā)電機(jī)在結(jié)構(gòu)上有一定差異。哈電和東電的技術(shù)引進(jìn)方均為日本公司，發(fā)電機(jī)在結(jié)構(gòu)上相似。

實(shí)際上三大廠商在2017年以后生產(chǎn)的百萬級機(jī)組也都有結(jié)構(gòu)改進(jìn)，本文對于汽輪發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的描述只是基于1 000 MW級的選型提供參考。