汽輪發(fā)電機參數(shù)選型

1、百萬千瓦等級超超臨界機組汽輪發(fā)電機參數(shù)選型顧守錄(上海汽輪發(fā)電機有限公司,上海 200240PARAMETERS SELECTION FOR 1000MW CLASS SUPER CRITICAL TURBINEGENERATORS SHOULU GUGU Shou-lu(Shanghai Turbine Generator Co. Ltd, Shanghai 200240ABSTRACT: The 1000MW class super critical turbine generators are becoming the key developing points dew to their

2、 excellent economical performances. This article is the analyzing and comprising to the design parameters of deferent capacities of 1000MW class super critical turbine generators.KEY WORDS: 1000MW class fossil power plant; Turbine generator摘要:百萬等級超超臨界機組由于具有良好的經(jīng)濟性而成為電力工業(yè)和電機制造業(yè)的發(fā)展重點。文K 對我國發(fā)展百萬等級超超臨界機組

3、汽輪發(fā)電機的容量參數(shù)和技術選型進行了分析,并對各方案進行了比較。關鍵詞:火電百萬級;汽輪發(fā)電機;1 世界百萬千瓦級超臨界火電機組裝機情況國外發(fā)展超臨界機組已有40余年的歷史,超臨界機組比亞臨界機組的煤耗低,在一定范圍內(nèi),汽機的進汽溫度或再熱溫度每提高10,機組熱耗一般可下降0.25%0.3%。在溫度和其他條件相同情況下,初壓23.5MPa與16.2MPa比較, 300MW、600MW、1000MW機組凈熱耗下降分別約為1.3%、1.6%、1.8%,由此可見機組容量愈大,采用超臨界參數(shù)的效益越明顯。要批量建設百萬千瓦級超超臨界火電機組,根據(jù)我國國情,必須考慮國產(chǎn)化,并從百萬千瓦級超超臨界火電站的

4、可靠性、經(jīng)濟性等方面進行論證。美國至20世紀80年代初期,超臨界機組投運近170套,占裝機總容量的25%,平均容量為一臺1972年投產(chǎn),1994年這種1300MW大容量機組已投運了9臺。前蘇聯(lián)單機容量最大的1200MW單軸3000r/min機組是在1980年投入運行的,前蘇聯(lián)300MW以上機組采用超臨界。到1985年底超臨界機組達到182臺,占當時火電總裝機容量的50.5%。日本到1985年已有82臺超臨界機組投入運行,裝機容量約46800MW,占當時火電總裝機容量的51%以上,從單機容量450MW以上到1000MW火電機組,全部采用超臨界及以上參, 350MW機組亦有采用超臨界的。80年代以

5、后,日本還自行開發(fā)了超臨界直流滑壓運行鍋爐。德國是研究、制造超臨界機組最早的國家,到1972年投運了一臺容量為430MW的超臨界機組, 1979年投運了一臺二次再熱的475MW超臨界機組,目前德國具有代表性的超臨界機組是1992年8月投運的STARDINGER 5號機組,其毛出力為553MW,經(jīng)試驗驗證機組的凈效率可達到43%。據(jù)統(tǒng)計,至1995年,西屋公司制造850MW 及以上容量火電機組共13臺,其中超臨界火電機組6臺,最大超臨界雙軸機組的容量為1390MW,最大的超臨界單軸機組為893MW,最大單軸亞臨界機組為890MW。GE公司生產(chǎn)850MW及以上容量火電機組共約10臺,全部是超臨界機

6、組,最大的超臨界雙軸機組為1050MW,最大的超臨界單軸機組為884MW。ABB公司制造的850MW 及以上容量火電機組,共約有9臺,全部是超臨界雙軸1300MW1428MW雙速機組。西門子公司已有10余臺3000 r/min(27kV百萬千瓦級發(fā)電機投入運行或正在安裝,其中由西門子公司制造的上海外高橋900MW (1000MV A 超臨界單軸機組(共2臺,#2發(fā)電機定子由上海汽輪發(fā)電機有限公司分包已于2003、及2004年投運。見下表:電廠地點容量 MV A 轉(zhuǎn)速r/min 投運年份Goesgen 瑞士 1141 30001978Bergkamen 德國 911 30001981Heyden

7、 德國 950 30001987Trillo 西班牙 1147 30001988Schwarze Pumpe1# 德國 1000 30001997Schwarze Pumpe2# 德國1000 30001997Boxberg 德國 1144 30001999Niederaussem 德國 1223 30002002外高橋火電站 1# 上海1000 30002003外高橋火電站 2#(上海汽輪發(fā)電機有限公司與西門子公司合作生產(chǎn)上海1000 30002004中國國內(nèi)單軸全速汽輪發(fā)電機組:電廠 數(shù)量(臺 制造商容量MW 轉(zhuǎn)速r/min 投運年份 大亞灣核電站2 GEC 900 30001987嶺澳核

8、電站 2 GEC 900 30002002外高橋火電站 2 西門子 900 30002003連云港核電站 2 俄羅斯100030002003玉環(huán)火電站 4 上海 100030002007鄒縣火電站2 東方1000300020082 百萬千瓦級超超臨界機組汽輪發(fā)電機參數(shù)與容量的選擇超超臨界火電機組的汽輪發(fā)電機與亞臨界或核電機組一樣,它與超超臨界的蒸汽壓力等參數(shù)的選用都沒有關系,但它必須由汽輪機拖動,它的容量、轉(zhuǎn)速主要是根據(jù)汽輪機來確定。當汽輪發(fā)電機的單機容量達到900MW 及以上容量時,由于汽輪發(fā)電機設計的固有特點,就必須對其選用的電壓及絕緣水平、定子繞組電動力與振動、定子端部損耗與熱點、轉(zhuǎn)子各

9、部分的應力水平、轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速、與汽輪機連接一起的軸系振動和扭振、發(fā)電機承受調(diào)峰、進相、負序和無勵磁運行等非額定工況運行的能力等,進行分析論證,檢查其已有的運行經(jīng)驗、試驗數(shù)據(jù)和安全裕度。自從第一臺超臨界機組在北美問世后,鍋爐、汽機和其輔助設備已有了許多改進。在機組容量、燃料形式(煤粉和通風型式(平衡通風相同的情況下,超臨界機組的性能、可靠性已與亞臨界機組一樣好甚至更好。這些改進也使更大容量的超超界機組的性能與小容量超臨界機組或亞臨界機組的一樣好。對汽輪發(fā)電機而言,單機容量在900MW (2極、50Hz 及以上的火電廠全球有數(shù)十家,核電廠也有十余家。各制造廠商具有運行業(yè)績的最大容量發(fā)電機如下:西門

10、子公司為1100MW ,三菱公司為843MW ,阿爾斯通為930MW 。由上述情況表明,國內(nèi)發(fā)展百萬千瓦級超超臨界機組(單軸全速的容量可在9001100MW 為宜。3 百萬千瓦級超超臨界機組(單軸全速分析國外發(fā)展超臨界機組已有40余年的歷史,超超臨界機組比超臨界及亞臨界機組的煤耗低,在一定范圍內(nèi),汽機的新汽溫度或再熱溫度每提高10,機組熱耗一般可下降0.25%0.3%。在溫度和其他條件相同情況下,初壓23.5MPa 與16.2MPa 相比較,300MW 、600MW 、1000MW 機組凈熱耗下降分別約為1.3%、1.6%、1.8%,由此可見機組容量愈大,采用超超臨界參數(shù)的效益越明顯。其優(yōu)點如

11、下:1 從汽輪發(fā)電機組的布置上來說,單軸機組要比雙軸機組節(jié)省投資。2 熱耗與機組價格據(jù)ABB 提供的資料,雙軸雙速8排汽型式同單軸型式的1000MW 機組機比,其熱耗要低0.2%,而雙軸雙速4排汽型式比單軸型式熱耗低0.6%,但常規(guī)島部分相應的成本卻分別比單軸形式要高20%和30%。這是因為雙軸機組占地面積大,而且有兩個發(fā)電機。從經(jīng)濟角度來看,雙軸較單軸(同容量本體價格高約10%。3 雙軸雙速機組由于兩個軸系的功率相差很大,兩者的轉(zhuǎn)動慣量差距也非常大,且兩軸系轉(zhuǎn)速不同,使電氣系統(tǒng)、尤其是保護系統(tǒng)的設計比較復雜,也給機組的控制和電廠的運行及管理等方面增加困難。但由于機組容量的增大,需重點對以下問

12、題進行研究:1 對于1000MW 級的兩極汽輪發(fā)電機,其定子繞組上的電動力大,定子、轉(zhuǎn)子動態(tài)特差,離心力引起的機械應力較大,由轉(zhuǎn)子引起的疲勞應力也較大,對轉(zhuǎn)子鍛件、護環(huán)鍛件等關鍵材料的要求高。2 1000MW 級機組采用單軸機組,轉(zhuǎn)速只能是單一的3000r/min,此時,低壓轉(zhuǎn)子的末級葉片要超過1 m以上,為減輕重量及軸受離心力,需采用鈦合金長葉片來滿足強度的需要。我國在航空工業(yè)的基礎上對鈦材鍛造加工等方面有一定經(jīng)驗,但在研制鈦合金大葉片方面尚處于起步階段。3 軸系及穩(wěn)定性設計1000MW級機組,單軸轉(zhuǎn)子長度增加,而且軸系的重量也比雙軸機組大,軸承載荷加大,如采用六排汽式,加上高、中壓缸和發(fā)電

13、機,將成為一個有6個轉(zhuǎn)子的軸系。這樣長的軸系在3000r/min下可能給機組帶來如振動、軸系穩(wěn)定性、扭振等一系列問題。從上述分析可知,超臨界1000MW級機組,單軸機組廠房占地面積小,機組價格也較低,如果電廠所在位置離制造廠較近,水路運輸條件好且地價較高,可考慮選用單軸機組。大型超超臨界火電機組是我國火電機組的發(fā)展方向,國內(nèi)研制超臨界機組的起步容量為600MW,隨著我國電網(wǎng)容量的不斷增大,加上我國已具備開發(fā)研制超超臨界9001000MW火電機組的條件,9001000MW機組已提到日程上來。就發(fā)電機來說,1000MW級單軸全速機組需重點研究。4 百萬千瓦級汽輪發(fā)電機參數(shù)與容量選擇對機組造價的影響

14、一般來說,汽輪發(fā)電機的造價是與發(fā)電機的容量成正比關系的,如以900MW汽輪發(fā)電機(單軸全速為例,造價約為1.3億元人民幣,那么, 1000MW汽輪發(fā)電機(單軸全速就為1.43億元人民幣。另外,發(fā)電機的冷卻方式、氫壓等參數(shù)也與發(fā)電機的造價有關系。5 百萬千瓦級汽輪發(fā)電機(單軸全速初步方案設計5.1 研究確定方案設計時的基本原則研究確定百萬千瓦級汽輪發(fā)電機方案時遵循以下四條基本設計原則要設法做到“設計自主化”、“設備國產(chǎn)化”及“以我為主,中外合作”。設計各方案時,盡量吸取外國的經(jīng)驗,并考慮我國國情,做到每個方案將來如必要與外國公司合作時,都能切實做到國產(chǎn)化。性能參數(shù)符合IEC、國標對汽輪發(fā)電機的要

15、求。把可靠性放在首位,各方案所選用的鐵心磁通密度等都不應超過其參考方案,并充分考慮在結構設計時采用外國公司百萬千瓦級發(fā)電機和中國國內(nèi)制造300MW、600MW機組中成熟可靠結構的可能性。在確?？煽啃缘那疤嵯?力求采用國內(nèi)材料以降低成本,提高綜合經(jīng)濟指標。5.2 兩極3000r/min發(fā)電機的四個設計計算方案方案 1 系按德國西門子公司提供給上海外高橋電廠的超臨界火電900MW 27kV 3000r/min 發(fā)電機組的設計尺寸復核計算,冷卻方式也完全按原設計:即定子水內(nèi)冷、轉(zhuǎn)子繞組軸向徑向氫內(nèi)冷,定子鐵心軸向氫氣冷卻,轉(zhuǎn)子本體直徑1250mm。發(fā)電機在額定氫壓0.5MPa、冷水溫度為38時,額定

16、功率為900MW, 功率因數(shù)為0.9,此時氫氣溫升為33K。若冷水溫度為25時,在工況1006MW,功率因數(shù)為0.9,氫壓為0.5MPa 時,氫氣溫升為37K。計算中,主要尺寸、槽數(shù)及絕緣規(guī)范等按有關資料保持不變,但在上層定子線棒中,西門子資料中空實心導線組數(shù)由2×5組改為2×6組。方案 2 系按上海外高橋電廠超臨界火電900MW火電機組招標時,美國西屋公司投標書的設計尺寸復核計算。其冷卻方式與方案1相同,即定子水內(nèi)冷、轉(zhuǎn)子繞組軸向徑向氫內(nèi)冷、定子鐵心軸向氫氣冷卻,該發(fā)電機設計是在889MW 60Hz 3600r/min 發(fā)電機的基礎上放長鐵心設計而成(相當于珠海電廠中74

17、6MW發(fā)電機機座號2-110×250放長到2-110×290而來,其轉(zhuǎn)子直徑為1168mm,和原WH公司機座號2-118×280的發(fā)電機一致。在額定氫壓為0.5Mpa時,發(fā)電機的額定功率為900MW,功率因數(shù)為0.9。計算中,轉(zhuǎn)子槽內(nèi)布置參照珠海746MW發(fā)電機。方案 3 系按大亞灣核電站GEC900MW 3000r/min發(fā)電機的設計尺寸復核計算。轉(zhuǎn)子本體直徑1275mm,通風冷卻方式按原設計即定子水內(nèi)冷、轉(zhuǎn)子副槽槽部(槽部軸向?qū)α髟購较蛲L氫內(nèi)冷,定子鐵心徑向氫冷,抽風式。根據(jù)大亞灣核電站第一臺機組在制造廠的溫升試驗時測量的轉(zhuǎn)子線圈最熱點溫度最后仍有121.8

18、(25槽第4匝,本課題組將轉(zhuǎn)子線圈端部改為兩路通風,降低最熱點溫度。發(fā)電機在額定氫壓0.425MPa,海水溫度為33時,額定功率為900MW,功率因數(shù)為0.85;若氫壓為0.5MPa,海水溫度為23,可運行工況為984MW,功率因數(shù)為0.85。方案 4 系參照大亞灣核電站GEC900MW 3000r/min發(fā)電機的基本設計尺寸重新設計,定子完全不變,轉(zhuǎn)子繞組采用氣隙取氣氫內(nèi)冷,定子鐵心徑向氫冷。轉(zhuǎn)子槽形尺寸、轉(zhuǎn)子銅線外形尺寸都不變,轉(zhuǎn)子繞組為氣隙取氣而開兩排孔,取消轉(zhuǎn)子通風副槽。由于取消了副槽,使發(fā)電機轉(zhuǎn)子滿載勵磁電流用西屋計算方法減小了約2%,用我國(DZ2863計算公式計算約減少為5.5%

19、。5.3 電磁設計方案分析1 方案1(參考KWU方案1和方案2相似,定子鐵心為軸向通風孔,轉(zhuǎn)子繞組槽內(nèi)和端部為線匝中的軸向通風孔冷卻。由于鐵心采用軸向通風孔冷卻,總鐵心散熱面積小,需要加快氣體流速,又風道長,需要多級串聯(lián)的風扇率達到高壓頭。方案1的風扇為4級串聯(lián),壓頭為23.1KPa。但定子鐵心采用軸向通風孔冷卻時,因沒有徑向風道,在定子鐵心相同名義尺寸下,有效定子鐵心長度長了,齒軛具有更大的導磁面積。方案1和方案2的轉(zhuǎn)子繞組為線匝軸向通風孔冷卻。風道長,并且轉(zhuǎn)子電密高,也需要更高風扇壓頭來達到冷卻效果;相對于方案3,冷卻能力更強,特別是轉(zhuǎn)子繞組端部,因此幾個方案通風方式中,方案1和方案2的風

20、扇壓頭最大。方案1和方案2的轉(zhuǎn)子冷卻效果好,轉(zhuǎn)子線圈電密大,在相同的勵磁電流下,相對方案3可以取較小的槽形尺寸。而方案1的轉(zhuǎn)子外徑比方案2要大的多,當槽分度數(shù)相同時,因為方案1可以取較大的齒槽寬,較少的槽數(shù),并采用矩形槽,其槽分度比為28/45,有利于降低轉(zhuǎn)子繞組和轉(zhuǎn)子加工的成本。方案1的氣隙長度為80mm,在各方案中最小,可以減小勵磁電流,但它的短路比也相對較小。據(jù)有關資料介紹,兩極汽輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子本體的直徑為1250mm時,其中心孔的切向引力已接近目前鍛件許用應力的極限,但1250mm直徑的轉(zhuǎn)子已在BBC公司和原蘇聯(lián)電力廠得到應用, 1275mm直徑的轉(zhuǎn)子已在GEC公司得到應用。方案1的轉(zhuǎn)子

21、本體直徑D為1250mm,方案2為1168mm。方案1和方案2的轉(zhuǎn)子通風方式都是線匝中的軸向通風孔通風,冷卻能力相似,且額定容量MV A相同時,D22L2差不多,分別為10.51m3和9.98 m3,因此方案1轉(zhuǎn)子本體長度L2最短為為6730mm。方案1的D22L2較小,而其線電壓最高,鐵心為軸向通風冷卻,在齒部要開軸向孔所以必須增大齒寬來維持一定磁密。為此方案1定子槽形設計較狹長,槽底處直徑相對較大,其鐵心外徑相對也較大,為3280mm,軛部磁密為1.35T,遠低于其他兩個方案。而它的定子鐵心外徑大,疊片總重320噸,定子運輸重為450噸。方案1的定子線圈采用雙排導線布置,其空心導線采用不銹

22、鋼材料,高度4mm,壁厚0.9mm。采用不銹鋼導線后,附加損耗減小,因壁厚減小,相對的可以增大通水面積。同時相對于空心銅線,水流速度可以增加,來加強冷卻效果。但采用不銹鋼導線使定子線棒導電面積減小,定子直流電阻稍增大。2方案2(參考WH方案2的轉(zhuǎn)子本體直徑D2為1168mm,小于其他方案。D2為1168mm的轉(zhuǎn)子已在珠海電廠中得到應用。轉(zhuǎn)子槽數(shù)為32,轉(zhuǎn)子槽形為半平行梯形槽,相對于方案1平行槽,可以相對增大槽內(nèi)銅導線的面積。定轉(zhuǎn)子間隙為96.52mm,比方案1的大,因此短路比也比方案1的大。方案2的軛部磁密和齒部磁密比方案1大,而且鐵心長度長,因此需要更高的風扇壓頭達到其冷卻效果。方案2計算得

23、出額定勵磁電流I fN最大,轉(zhuǎn)子勵磁損耗也最大,需要更大的勵磁機容量,其對勵磁系統(tǒng)的要求更高。3方案3(參考GEC方案3的轉(zhuǎn)子直徑D2為1275mm,是目前世界上兩極發(fā)電機最大的轉(zhuǎn)子本體外徑,GEC公司是基于80年代初期可以提供的鍛件最高強度水平,采用副槽通風也需要較大的轉(zhuǎn)子直徑,靠近大齒槽采用短槽以減小大齒根部磁密。由于方案3的轉(zhuǎn)子槽內(nèi)通風方式為副槽通風,所以MV A/D22L2較小。方案3和方案4的定子鐵心采用徑向通風冷卻方式,鐵心散熱面積大,冷卻效果好。總風路通道面積大,風路相對較短,所需風扇壓頭較小,便于和需風扇壓頭較小的轉(zhuǎn)子繞組通風方式如副槽通風、氣隙取氣通風方式相配合。方案3的轉(zhuǎn)子

24、繞組通風方式為副槽通風,冷卻轉(zhuǎn)子槽內(nèi)導體的氣流全部從副槽進入,利用繞組自身的離心風壓(加上部分風扇壓頭形成冷卻氣流,從而不需要設置多級高壓風扇。一般全徑向出風的副槽通風轉(zhuǎn)子銅線風道的面積約為副槽風道面積的68倍,在滿足銅線風道風速的前提下,副槽口的風速可能達到難以實現(xiàn)的數(shù)據(jù)。而方案3中,從副槽進入銅線的氣流先進入徑向風道,再流入銅線中的軸向風道,充分冷卻銅線。并且銅線內(nèi)采用雙風道,雙風道內(nèi)的氣流按相對方向流動。使得其銅線風道面積僅為副槽口面積的大約 2.4倍。方案3的轉(zhuǎn)子端部銅線為線匝通風孔軸向冷卻,其風扇壓頭較低,采用加大風道截面積來增加冷卻氣流。其轉(zhuǎn)子電密為9.42A/mm2,比方案1(1

25、1.6A/mm2和方案2(11.54A/mm2的要小。方案3的轉(zhuǎn)子槽數(shù)為32,轉(zhuǎn)子槽形為矩形的梯形槽,可以提高槽滿率,加上副槽平均高度后,其槽高為194.5mm。方案3的定轉(zhuǎn)子間氣隙為的117.5mm,雖然其功率因數(shù)為0.85,但它的短路比仍為最大,靜態(tài)穩(wěn)定能力強,但成本也略有增加。為加大定子線圈通水面積,方案3的所有銅線均采用空心銅線,同時為減小環(huán)流附加損耗。其內(nèi)兩排銅線和外兩排銅線分別單獨換位。這樣的換位一個線圈需要增加2個空心銅線高度,比一般的換位多1個空心銅線高度。該方案按其最大出力計算,定子線圈電流密度較大。方案3的額定勵磁電壓最高,勵磁機的制造更難。但如果工況與方案1和方案2相同,

26、它的勵磁電壓將降為473伏。在相同的工況900MW,功率因數(shù)為0.90時,方案1、方案2和方案3的效率根據(jù)KWU、WH、GEC分別為98.91%、98.94%、98.88%.在相同工況下,方案3的附加損耗要比方案2大1156kW。方案3的氫壓較小且所需風扇壓頭較低,根據(jù)GEC、WH的資料,方案3的通風損耗比方案2小452kW。其鐵耗比方案2大207kW。方案3的額定工況為900MW,功率因數(shù)為0.85,相對于功率因數(shù)為0.90,其轉(zhuǎn)子勵磁損耗、定子銅耗、附加損耗分別增加456kW、191kW、316kW,使得其效率降為98.77%。4方案4 (STGC方案4和方案3相比,轉(zhuǎn)子取消副槽,因而其轉(zhuǎn)

27、子額定勵磁電流減小,轉(zhuǎn)子銅耗減小,提高效率。5.4 通風系統(tǒng)計算說明通風冷卻方式是大型汽輪發(fā)電機設計的主要問題之一,發(fā)電機單機容量增加是依靠材料進步和電磁負荷密度提高來實現(xiàn)的。有效材料主要是轉(zhuǎn)子鍛件受機械性能和軸系動力特性的限制,是有限度的。電磁負荷密度的提高導致單位體積發(fā)熱的增加,需要通過改進冷卻方式來解決。綜觀世界各主要發(fā)電設備制造廠家的情況,在百萬千瓦容量等級,無論是兩極或是四極機組,冷卻方式主流是水氫氫,定子線圈水內(nèi)冷是比較普遍的。各家公司的技術特點主要是轉(zhuǎn)子線圈的氫內(nèi)冷方法。在從50年代開始起的半個世紀內(nèi),一些具有創(chuàng)新的公司各自發(fā)展了自己獨特的轉(zhuǎn)子通風系統(tǒng),并隨著單機容量的增加,積累

28、了大量的研究、試驗、設計、運行數(shù)據(jù),可以說都已趨于成熟階段,每種通風方式都有許多臺機組成功的運行。只要充分掌握每種通風系統(tǒng)的特點和局限,哪一種方式都是可行的。氣隙取氣斜流通風這是一種自通風方式,維持氣體在導體內(nèi)循環(huán)的壓力主要來自轉(zhuǎn)子自身的泵壓作用,轉(zhuǎn)子槽楔進風斗和出風斗合理的空氣動力形狀是保證導體內(nèi)有足夠氣體流量的關鍵因素。在斜流流道內(nèi)氣體具有較高的流速,是充分發(fā)展的紊流,流道又呈長徑比較大的長方形,因此具有較高的散熱系數(shù)。一般用吸風系數(shù)表示系統(tǒng)的通風性能u=kvu- 斜流風道氣體速度k- 吸風系數(shù)v- 轉(zhuǎn)子表面線速度可見這種通風系統(tǒng)在轉(zhuǎn)速高的兩極機組上能充分發(fā)揮其長處。在整個轉(zhuǎn)子長度方向,進

29、出風區(qū)是交替布置的,形成多個并聯(lián)支路。發(fā)電機容量增加,只要增加并聯(lián)風區(qū)數(shù)。設計具有很大靈活性。槽底副槽徑向通風本質(zhì)上這也是一種自通風方式,轉(zhuǎn)子表面和副槽底部位置處離心力差是構成氣體循環(huán)之壓中國 海南 中國科協(xié) 2004 年學術年會電力分會場暨中國電機工程學會 2004 年學術年會論文集 31 力。決定系統(tǒng)流量大小的主要因素是副槽軸向風 道面積， 副槽進風口流速一般在 100m/s,該處具有 最大的流動阻力，氣流壓力降大部分發(fā)生在副槽 軸向風道內(nèi)。發(fā)生熱交換的導體徑向風道內(nèi)氣體 流速大約在 20m/s 左右，相應雷諾數(shù) 30005000 范圍，是尚未充分發(fā)展的紊流區(qū)。轉(zhuǎn)子直徑較大 也是其設計特點

30、之一。 傳統(tǒng)的導體內(nèi)徑風道是單排或雙排的徑向狹 長孔。近來出現(xiàn)了一些創(chuàng)新的結構，氣流并非完 全徑向流動，有部分路徑是軸向，呈軸向和徑向 混合型。 軸向-徑向通風 軸向徑向通風是一種主要依靠外加高壓多 級風扇來維持氣體在導體內(nèi)流動的通風方式。氣 體經(jīng)位于繞組端部的進風孔從兩端分別進入導體 的軸向風道，在轉(zhuǎn)子中間經(jīng)徑向孔從槽楔排出。 隨著單機容量增加，轉(zhuǎn)子長度放長，需要的風扇 級數(shù)也增加。轉(zhuǎn)子冷卻風量幾乎完全由風扇壓力 來調(diào)節(jié)。導體內(nèi)軸向流速在 60100 m/s 范圍， 雷諾數(shù)遠大于 10，000。 由于高壓風扇的存在，定子鐵心一般采用軸 向通風，這也是本系統(tǒng)的一個特點。 兩極 900MW 發(fā)電

31、機通風計算的四種方案 在兩極 900MW 全速發(fā)電機中，共列出了三 種通風方式 4 個方案。方案 1 和方案 2 同為軸向 徑向通風系統(tǒng)，定子鐵心都是軸向通風。方案 3 是副槽通風，方案 4 是氣隙取氣斜流通風，兩 者鐵心是徑向通風。方案 3 是單路抽風式。方案 4 是多進多出系統(tǒng)。各方案計算結果見下表 1。 軸向-徑向通風 軸向-徑向通風的兩個方案中， 方案 1 來源于 西門子外高橋 900MW，方案 2 是西屋公司系列 設計中轉(zhuǎn)子外徑 46 英寸的一個設計。 這種通風系 統(tǒng)是西屋公司的傳統(tǒng)，從中等容量到大容量，無 論是兩極還是四極，都是統(tǒng)一的通風系統(tǒng)。據(jù)其 發(fā)布的信息已經(jīng)有 20 余臺 7

32、00MW 以上容量的機 組投入運行。對其成熟性是無庸質(zhì)疑的。上海汽 輪發(fā)電機公司分享其全部技術成果。轉(zhuǎn)子導體高 電流密度是其設計特點，與之相應，導體內(nèi)高氣 流速度、高雷諾數(shù)、高散熱系數(shù)。與其他通風方 式相比，轉(zhuǎn)軸本體的有效尺寸 D2L 較小，轉(zhuǎn)子用 銅較少。高壓多級風扇是這種通風方式的特點。 這兩個方案轉(zhuǎn)子繞組溫度計算所用程序都是西屋 公司標準程序 TG3248 和端部 TG3255， 額定功率 時方案 1 轉(zhuǎn)子繞組最高溫升和平均溫升分別是 56K 和 36K，最大容量時最高溫升 70K。額定功 率時方案 2 轉(zhuǎn)子繞組最高溫升和平均溫升分別是 63.4K 和 39.2K，最大容量時最高溫升 7

33、9.2K。 副槽通風 方案 3 是副槽通風，其主要尺寸按大亞灣 2 極 900MW 復算。需要說明的是，大亞灣的轉(zhuǎn)子 通風并非傳統(tǒng)副槽通風中氣體在導體上是單徑向 流動，它是一種軸向和徑向的混合型流動。由于 暫時未獲得其結構的詳細資料，我們在這里引用 了該機組滿電流試驗的溫度數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)子繞組最高 溫升 80K，平均溫升 30.5K。與傳統(tǒng)的單徑向流 動相比，這種混合型流動顯然要好。在單徑向流 動的副槽通風系統(tǒng)中，盡管可以采用多種方法， 如副槽槽形的錐形、階梯形，槽楔出風口的孔尺 寸的多樣化，變節(jié)距通風孔，總不能使徑向風道 分布完全均勻， 這就導致存在一定的軸向溫度差， 限制了發(fā)電機出力?；旌闲屯L

34、則克服了這一缺 點，使軸向溫差更小。因此下一步的任務是開發(fā) 這種結構型式的轉(zhuǎn)子風量和溫度分布程序，作為 起點， 應該從單件模型試驗入手， 再做整機模型， 直至編制出符合實際的溫度計算分析軟件。 氣隙取氣斜流通風 方案 4 氣隙取氣斜流通風，從通風性能來評 價，是最適合兩極發(fā)電機的。本公司設計基礎是 600MW 發(fā)電機。該機是 1987 年中國兩家廠的聯(lián) 合設計，集兩家多年的設計和制造經(jīng)驗，又吸收 了西屋公司的成熟結構。在首臺機組投產(chǎn)前，本 公司又做了大量基礎性科研工作，其中一項就是 轉(zhuǎn)子槽楔進、出風斗的空氣動力性能測試，對多 種結構形狀進行了對比試驗，確定了最適合的方 案用于產(chǎn)品。和 600M

35、W 相比，本方案最大的變 化是增加了并聯(lián)風區(qū)數(shù)，從五進六出調(diào)整為七進 八出，風區(qū)長度從原 511mm 縮短為 400mm。所 用程序是 600MW 發(fā)電機設計時，聯(lián)合設計組編 制的，首臺 600MW 發(fā)電機工廠試驗又驗證了轉(zhuǎn) 子繞組平均溫升，600MW 額定工況轉(zhuǎn)子繞組溫 升平均值的計算值是 44K，工廠試驗（由空載短 路法試驗值推算）值是 41.3K。本設計額定工況 時轉(zhuǎn)子繞組最高溫升和平均溫升分別是 63K 和 52K。 32 中國科協(xié) 2004 年學術年會電力分會場暨中國電機工程學會 2004 年學術年會論文集 表1 方案 1 水氫氫 軸向徑向 軸向 0.50 MPa /0.50 mm

36、6730 mm 1250 mm 5753 A /6343 56.0 K /70.0 36.0 K /41.0 m/s 66.0 37700 kPa 23.1 K 49.0 32 m3/s 兩極 方案 2 方案 3 方案 4 水氫氫 水氫氫 水氫氫 軸向副槽 氣隙取氣 徑向 軸向 徑向 徑向 0.51 0.425 0.425 /0.51 /0.50 /0.50 7315.2 7125 7125 1168 1275 1275 35.8×31 6740 5287 5187 /7418 /5664 /5564 63.4 63.0 80* /79.2 /62.0 39.2 52.0 34* /

37、48.6 /51.0 94.0 16.0 40.0 57000 3250 13600 46.0 12.8 6.0 48.0 29.0 30.2 32 40 40 同步電抗 xd 直軸暫態(tài)電抗 xd 直軸次暫態(tài)電抗 xd” 短路比 冷卻氫氣流量 冷卻氫氣溫升 冷氫氣溫度 m3/s K % unsat. %sat. %sat. 234.2 20.7 15.9 0.52 33 33 43 中國海南 224 28.2 22.0 0.56 33 35 46 冷卻型式 轉(zhuǎn)子通風方式 鐵心通風方式 氫氣表壓 轉(zhuǎn)子本體長度 轉(zhuǎn)子本體直徑 副槽尺寸(高×寬 勵磁電流額定/最大 轉(zhuǎn)子繞組最高溫升 轉(zhuǎn)子繞

38、組平均溫升 轉(zhuǎn)子導體內(nèi)風速 導體內(nèi)流動雷諾數(shù) 風扇壓力 鐵心熱點溫升 發(fā)電機總風量 帶#為試驗數(shù)據(jù) 方案 1 的轉(zhuǎn)子外徑比方案 2 要大，當槽分度 數(shù)相同時，方案 1 可以取較大的齒槽寬，較少的 槽數(shù),并采用矩形槽,其槽分度比為 28/45，有利于 降低轉(zhuǎn)子繞組和轉(zhuǎn)子加工的成本。其氣隙長度僅 為 80mm， 可以減小勵磁電流， 但它的短路比也相 對較小。方案 1 的轉(zhuǎn)子本體直徑 D2 為 1250mm， 轉(zhuǎn)子本體長度 L2 較短為 6730mm，相對方案 2 軸 系具有較好的穩(wěn)定性。 方案 1 線電壓最高為 27 kV， 定子電流相對方 案 2 要小，定子損耗也小。鐵心為軸向通風冷卻， 在齒部

39、要開軸向孔所以必須增大齒寬來維持一定 磁密，所以定子槽形設計較狹長，槽底處直徑相 對較大，其鐵心外徑相對也較大，為 3280mm，軛 部磁密為 1.35T,低于方案 2。而它的定子鐵心外徑 大，定子運輸重為 450 噸。 方案 1 的定子線圈采用雙排導線布置，其空 心導線采用不銹鋼材料， 高度 4mm， 壁厚 0.9mm。 采用不銹鋼導線后， 附加損耗減小， 因壁厚減小， 相對的可以增大通水面積。同時相對于空心銅 線，水流速度可以增加，來加強冷卻效果。但采 用不銹鋼導線使定子線棒導電面積減小，定子直 流電阻稍增大。 小于 方案 2 的轉(zhuǎn)子本體直徑 D2 為 1168mm， 方案 1，D2 為

40、1168mm 的轉(zhuǎn)子已在珠海電廠中得 到應用。 轉(zhuǎn)子槽數(shù)為 32， 轉(zhuǎn)子槽形為半平行梯形 槽，相對于方案 1 平行槽，可以相對增大槽內(nèi)銅 導線的面積。定轉(zhuǎn)子間隙為 96.52mm，比方案 1 的大，因此短路比也比方案 1 的大。其軛部磁 密和齒部磁密比方案 1 大，而且鐵心長度長，因 此需要更高的風扇壓頭達到其冷卻效果。 方案 2 計算得出額定勵磁電流 IfN 較大，轉(zhuǎn) 子勵磁損耗也大，需要更大的勵磁機容量，其對 勵磁系統(tǒng)的要求更高。 方案 1 的發(fā)電機效率高于方案 2。 這兩個方案轉(zhuǎn)子繞組溫度計算所用程序都是 *所列溫度系 GEC 兩極 900MW 額定工況試驗值 5.5 900MW 發(fā)電機

41、西門子外高橋(方案 1 和西屋公司(方案 2比較 兩個方案均為定子水內(nèi)冷、轉(zhuǎn)子繞組軸向徑 向氫內(nèi)冷，定子鐵心軸向氫氣冷卻，方案 1 轉(zhuǎn)子 本體直徑 1250mm。發(fā)電機在額定氫壓 0.5MPa、 冷水溫度為 38時,額定功率為 900MW, 功率因 數(shù)為 0.9,此時氫氣溫升為 33K。方案 2 是西屋公 司在 889MW 60Hz 3600r/min 發(fā)電機的基礎上放 長鐵心設計而成（相當于珠海電廠中 746MW 發(fā) 電機機座號 2-110×250 放長到 2-110×290 而 來） ，其轉(zhuǎn)子直徑為 1168mm，在額定氫壓為 0.5Mpa 時，發(fā)電機的額定功率為 90

42、0MW，功率 因數(shù)為 0.9。 西門子外高橋(方案 1 額定容量 額定功率 額定電壓 額定電流 額定功率因數(shù) 頻率 極數(shù) 額定氫壓(表 負序能力 (I2/IN2t 電壓調(diào)節(jié) 額定功率因數(shù)下 的效率 勵磁方式 額定勵磁電流 額定勵磁電壓 A V MPa s % % Hz MVA MW kV A 1000 900 27 21383 0.9 50 2 0.5 5 ±5 98.92 (#99.01 無刷 (#5355 (#394 西屋公司(方案 2 1000 900 26 22206 0.9 50 2 0.5 5 ±5 98.9 無刷 6740 440 中國 海南 中國科協(xié) 200

43、4 年學術年會電力分會場暨中國電機工程學會 2004 年學術年會論文集 33 西屋公司標準程序 TG3248 和端部 TG3255， 額定 功率 900MW 時方案 1 轉(zhuǎn)子繞組最高溫升和平均 溫升分別是 56K 和 36K，最大容量時最高溫升 70K；方案 2 轉(zhuǎn)子繞組最高溫升和平均溫升分別 是 63.4K 和 39.2K，最大容量時最高溫升 79.2K。 總之， 兩個方案各有特點， 西門子外高橋(方 案 1發(fā)電機的總體性能和參數(shù)略優(yōu)于西屋公司 (方案 2， 而且上海汽輪發(fā)電機有限公司已制造過 西門子外高橋 900MW 發(fā)電機的定子，獲得了 900MW 汽輪發(fā)電機制造的許多寶貴經(jīng)驗，因此 優(yōu)

44、先推薦西門子外高橋方案 1。 5.6 SIEMENS THDF 125/67 發(fā)電機在出 THDF 125/67 發(fā)電機容量 發(fā)電機功率 定子電壓 定子電流 功率因數(shù) 頻率 極數(shù) 額定氫壓(表 電壓調(diào)節(jié) 額定功率因數(shù)下的效率 勵磁方式 勵磁電流 勵磁電壓 同步電抗 xd 直軸暫態(tài)電抗 xd 直軸次暫態(tài)電抗 xd” 短路比 冷卻氫氣流量 冷卻氫氣溫升 冷氫氣溫度 m3/s K A V % unsat. %sat. %sat. MPa % % Hz MVA MW kV A 1111.11 1000 27 23759 0.9 50 2 0.5 ±5 98.92 無刷 5883 438 26

45、1.22 23.76 18.22 0.47 33 35.9 40 雖已有西門子-西屋公司的百萬千瓦級發(fā)電機有 關資料，并且與桂林、上海交大合作完成了 26 27kV 定子繞組絕緣及防暈層的課題研究， 但是正 式將百萬千瓦級 2627kV 發(fā)電機定子繞組絕緣 國產(chǎn)化，尚需進行線棒模型試驗?，F(xiàn)上海汽輪發(fā) 電機有限公司擁有多膠模壓絕緣和少膠 VPI 絕緣 （真空壓力浸漆）兩種體系，多膠模壓絕緣體系 目前擁有的技術可以做到額定電壓 20kV， 成熟的 產(chǎn)品最大容量 600MW。少膠 VPI 絕緣體系目前 通過了西門子西屋公司和伏依特西門子兩家考 證。只制造過半組式線棒試驗線棒，沒有做過整 臺線棒。目前

46、擁有的技術可以制造額定電壓為 27kV 的定子線棒。 根據(jù)百萬千瓦級汽輪發(fā)電機對 主絕緣的要求以及汽發(fā)公司的技術特點，汽發(fā)公 司將采用 VPI 絕緣體系作為百萬千瓦級汽輪發(fā)電 機主絕緣體系。額定電壓 26kV27kV，防暈體 系采用一次成型防暈或者涂刷型防暈，關鍵絕緣 材料將部分進口。 6.2 轉(zhuǎn)子及護環(huán)鍛件材料的試制 百萬千瓦級兩極汽輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子鍛件需要很 高的屈服強度等性能，因此轉(zhuǎn)子鍛件供應，曾經(jīng) 是制造百萬千瓦級 3000r/min 汽輪發(fā)電機的主要 問題之一， 年代國外一些鍛件制造廠已經(jīng)能夠 90 提供這種轉(zhuǎn)子鍛件，國內(nèi)目前只有少數(shù)幾家鍛件 制造廠能制造 600MW 汽輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子的鍛

47、件。 護環(huán)是汽輪發(fā)電機運行中承受應力最高的部件。 20 世紀 70 年代以前各公司汽輪發(fā)電機護環(huán)皆采 用非磁性奧式體系高強度合金鋼（18Mn5Cr） 。70 年代歐洲連續(xù)發(fā)生了幾次汽輪發(fā)電機護環(huán)因潮濕 引起應力腐蝕斷裂的事故，因而發(fā)展了 18Mn18Cr 護環(huán)，其抗應力腐蝕性能好，美國已 運行的大型汽輪發(fā)電機，近年來已在逐步更換為 18Mn18Cr 護環(huán)，但能供應 18Mn18Cr 護環(huán)的， 目前在世界上僅有日、德、法少數(shù)幾家廠商?？?之對采用 18 Mn18Cr 護環(huán)的運行條件，尚需研究 分析。百萬千瓦級全速汽輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子護環(huán)承受 的應力，已接近于護環(huán)允許的應力水平，大亞灣 核 電 站 GE

48、C 900MW 3000r/min 護 環(huán) 設 計 成 3300r/min 時與轉(zhuǎn)子分離，以降低護環(huán)承受應力， 此設計需進一步分析研究。 6.3 定子繞組端部振動的防止與振動頻率、 振幅標準的研究 廣東沙角 C 廠 3 臺 660MW（法國 Alstom 力 1000MW 時的主要技術數(shù)據(jù)如下 6 百萬千瓦級汽輪發(fā)電機研制技術攻關 的主要內(nèi)容 6.1 2627kV 定子繞組主絕緣及防暈層的 設計開發(fā)研究和線棒試制 百萬千瓦級單軸 2 極汽輪發(fā)電機需要采用 2627kV 電壓。300MW、600MW 汽輪發(fā)電機向 美國西屋公司引進技術時，雖已引進了 24kV 絕 緣技術，但上海、哈爾濱制造的 600MW 汽輪發(fā) 電機皆為 20kV 電壓，四川 600MW 汽輪發(fā)電機 為 22kV。我國尚沒有制造 24kV 定子繞組絕緣及 防暈層的經(jīng)驗。近幾年上海汽輪