QFSN型700MW級(jí)汽輪發(fā)電機(jī)研制

1 引言

近年來，隨著我國火電市場(chǎng)裝機(jī)容量的飛速發(fā)展，電網(wǎng)從以300MW級(jí)汽輪發(fā)電機(jī)為主力機(jī)組時(shí)代，發(fā)展到當(dāng)前以600MW級(jí)汽輪發(fā)電機(jī)為電網(wǎng)主力機(jī)組的時(shí)代。為滿足市場(chǎng)需要，上海發(fā)電機(jī)廠以QFSN型、600MW級(jí)汽輪發(fā)電機(jī)為基礎(chǔ)，經(jīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)，開發(fā)了QFSN型、660 MW級(jí)（0.9 PF、20kV）發(fā)電機(jī)。并于2007年對(duì)QFSN型700 MW級(jí)水氫氫汽輪發(fā)電機(jī)進(jìn)行研發(fā)。目的是解決市場(chǎng)對(duì)700 MW，功率因數(shù)0.9發(fā)電機(jī)的需求，同時(shí)也可滿足用戶對(duì)額定功率660 MW，功率因數(shù)0.85發(fā)電機(jī)的需求。目前，上海發(fā)電機(jī)廠已承接的700MW級(jí)發(fā)電機(jī)組訂單超過20臺(tái)，全部為國外項(xiàng)目。該型號(hào)首臺(tái)發(fā)電機(jī)的全部設(shè)計(jì)、制造及試驗(yàn)工作已完成，目前已運(yùn)往電廠。

2 發(fā)電機(jī)技術(shù)參數(shù)及設(shè)計(jì)條件

2.1 技術(shù)參數(shù)（表1）

表1 發(fā)電機(jī)技術(shù)參數(shù)

額定電流 A 20377 20411額定頻率 Hz 50 50額定轉(zhuǎn)速 r/min 3000 3000極數(shù) 2相數(shù) 3絕緣等級(jí) F級(jí)（按B級(jí)考核）冷卻方式 定子繞組水內(nèi)冷，轉(zhuǎn)子繞組氫冷、鐵心氫冷勵(lì)磁方式 靜態(tài)或無刷勵(lì)磁勵(lì)磁電流 A 4669 4417勵(lì)磁電壓（90℃）V 491 465

2.2 設(shè)計(jì)條件

根據(jù)GB/T7064和IEC60034-3標(biāo)準(zhǔn)和國內(nèi)外用戶的現(xiàn)場(chǎng)條件，確定上述工況下發(fā)電機(jī)的主要設(shè)計(jì)條件如下：

冷卻器最高進(jìn)水溫度 38℃

發(fā)電機(jī)最高進(jìn)風(fēng)溫度 46℃

定子繞組冷卻水進(jìn)水溫度 40～50℃

發(fā)電機(jī)內(nèi)氫氣純度 95%

額定氫壓（表壓）0.45 MPa(g)

2.3 性能特點(diǎn)

上海發(fā)電機(jī)廠結(jié)合目前發(fā)電機(jī)技術(shù)的發(fā)展，并考慮滿足國外市場(chǎng)低功率因數(shù)、寬頻率范圍的要求，研制的水氫氫700MW級(jí)發(fā)電機(jī)可配套亞臨界、超臨界、超超臨界和核電機(jī)組。該產(chǎn)品具有以下特點(diǎn)：

(1)出力大，在功率因數(shù)為0.9（滯后）時(shí)，最大連續(xù)容量為774MW（860MVA），滿足110%最大連續(xù)輸出容量；

(2)該型發(fā)電機(jī)運(yùn)行滿足0.85（滯后）功率因數(shù)，遠(yuǎn)高于國標(biāo)要求；

(3)發(fā)電機(jī)在700MW（0.9PF）配靜態(tài)勵(lì)磁時(shí)的效率計(jì)算值為99.036%，遠(yuǎn)高于98.8%的國標(biāo)要求；短路比達(dá)到0.5以上，高于國標(biāo)GB/T 7064規(guī)定的0.35，符合用戶對(duì)短路比的期望；

(4)與同等級(jí)容量發(fā)電機(jī)相比，電壓高（22kV），相應(yīng)地減小了定子電流和電動(dòng)力；

(5)溫升低、裕度大，見表3。

3 發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 發(fā)電機(jī)總體結(jié)構(gòu)和通風(fēng)方式

QFSN型700MW級(jí)發(fā)電機(jī)冷卻方式為水氫氫。定子線圈、連接線、主引線及出線瓷套端子均采用水直接冷卻，發(fā)電機(jī)定子鐵心、轉(zhuǎn)子采用了六進(jìn)七出的多風(fēng)區(qū)氣隙取氣通風(fēng)結(jié)構(gòu)。定子鐵心為徑向氫表面冷卻，端部結(jié)構(gòu)件也為氫表面冷卻。轉(zhuǎn)子采用隱式風(fēng)斗槽楔，線圈直線部分采用氣隙取氣斜流式通風(fēng)冷卻，端部采用兩路進(jìn)風(fēng)的內(nèi)冷結(jié)構(gòu)。定、轉(zhuǎn)子各有多路并聯(lián)風(fēng)區(qū)、冷熱風(fēng)區(qū)相間，并在氣隙中設(shè)計(jì)熱風(fēng)區(qū)隔環(huán)以加強(qiáng)對(duì)轉(zhuǎn)子的通風(fēng)冷卻。由于氣隙取氣斜流通風(fēng)為自通風(fēng)方式，故發(fā)電機(jī)內(nèi)氫氣可由對(duì)稱地裝在轉(zhuǎn)子兩端的單級(jí)軸流式低壓風(fēng)扇在發(fā)電機(jī)內(nèi)形成氫氣流動(dòng)的閉合回路。氫氣冷卻器設(shè)置在定子汽、勵(lì)端的上部，橫向裝配在冷卻器外罩內(nèi)，使兩端支承跨距成為最短，有利于轉(zhuǎn)子動(dòng)力特性優(yōu)化，同時(shí)也減輕了定子、轉(zhuǎn)子的運(yùn)輸重量和尺寸。除了勵(lì)端的出線盒外，電機(jī)兩端的兩個(gè)氫氣流動(dòng)回路幾乎是對(duì)稱的。

表2 QFSN型700MW級(jí)發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

QFSN型700MW級(jí)發(fā)電機(jī)主要結(jié)構(gòu)及通風(fēng)方式見圖1所示，結(jié)構(gòu)特點(diǎn)見表2。

圖1 發(fā)電機(jī)總裝及風(fēng)路布置

3.2 定子機(jī)座、隔振結(jié)構(gòu)及定子鐵心

定子機(jī)座是用優(yōu)質(zhì)中厚鋼板及鍋爐鋼板冷作拼焊而成，每個(gè)機(jī)座都經(jīng)過水壓試驗(yàn)、消除應(yīng)力處理和0.5MPa氣密試驗(yàn)的考核。鐵心是通過高強(qiáng)度彈簧鋼板組成的高效隔振裝置固定在機(jī)座內(nèi)的。當(dāng)發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)子和定子鐵心之間的磁拉力在定子鐵心中產(chǎn)生倍頻振動(dòng)，定子鐵心裝配和發(fā)電機(jī)機(jī)座部件之間采用隔振性能好的彈簧板彈性支撐結(jié)構(gòu)，減小了定子鐵心傳到機(jī)座和基礎(chǔ)上的倍頻振動(dòng)。定子機(jī)座為整體式設(shè)計(jì)，整體式機(jī)座更便于現(xiàn)場(chǎng)安裝，且可采用D38鉗夾車滿足鐵路運(yùn)輸。

鐵心采用 0.5 mm厚扇形高導(dǎo)磁率、低損耗的無取向冷軋硅鋼片疊裝而成。在扇形硅鋼片的兩側(cè)表面涂有F級(jí)環(huán)氧絕緣漆。定子鐵心軸向用支持筋螺桿和對(duì)地絕緣的高強(qiáng)度反磁鋼穿心螺桿，通過兩端的壓指、壓圈及分塊壓板用螺母擰緊成為整體，經(jīng)過數(shù)次冷態(tài)和熱態(tài)加壓、并緊固螺母而成為一個(gè)結(jié)實(shí)的鐵心整體。在兩端壓圈與反磁性分塊壓板之間設(shè)有用硅鋼片疊壓并加以粘結(jié)起來形成內(nèi)圓為階梯形的磁屏蔽，這些措施減少了端部漏磁引起的附加損耗，故端部溫升較低，使發(fā)電機(jī)具有進(jìn)相運(yùn)行的能力。

鐵心內(nèi)設(shè)有許多徑向通風(fēng)道組成氫氣表面冷卻、多路并聯(lián)通風(fēng)、對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)子進(jìn)風(fēng)和出風(fēng)相互間隔的十多個(gè)風(fēng)區(qū)。在鐵心內(nèi)圓上進(jìn)風(fēng)和出風(fēng)風(fēng)區(qū)之間、環(huán)繞氣隙上部六分之五的圓周上裝設(shè)了風(fēng)區(qū)隔環(huán)以減少串風(fēng)，提高了通風(fēng)散熱的效能。

3.3 定子繞組、繞組裝配及端部固定

水內(nèi)冷的定子線圈是由實(shí)心銅線和空心銅線交叉組成，上層線棒的導(dǎo)電截面積要比下層的大，可降低線棒附加損耗。槽內(nèi)股線間進(jìn)行了540°羅貝爾換位，也起到減少繞組附加損耗的作用。定子繞組為60°相帶、三相、雙層繞組，雙支路并聯(lián)、Y連接。定子線圈對(duì)地絕緣采用 F級(jí)環(huán)氧云母帶連續(xù)絕緣B級(jí)溫升限值使用，確保使用壽命，并對(duì)定子繞組進(jìn)行了有效防電暈處理。定子線圈在槽內(nèi)固定于高強(qiáng)度模壓槽楔下（圖2），在鐵心兩端用關(guān)門槽楔就地鎖緊，防止運(yùn)行中因振動(dòng)而產(chǎn)生的軸向位移。楔下設(shè)有高強(qiáng)度彈性絕緣波紋板，在徑向壓緊線棒，側(cè)面用半導(dǎo)體板塞緊線棒。在槽底和上、下層線棒之間都?jí)|以熱固性適形材料，使相互間保持良好接觸。并采用了漲管熱壓工藝，使線棒能在槽內(nèi)可靠地就位。

定子繞組的端部采用成熟可靠的剛-柔固定結(jié)構(gòu)（圖3）。它由充膠的層間支撐軟管、可調(diào)節(jié)綁環(huán)、徑向支撐環(huán)、絕緣楔塊和絕緣螺桿等結(jié)構(gòu)件以及綁帶、適形材料等將繞組端部固定在絕緣大錐環(huán)上，成為一個(gè)牢固的整體，而絕緣大錐環(huán)則固定在絕緣支架上，支架的下部又通過彈簧板固定在鐵心端部的分塊壓板上，形成沿軸向的彈性結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)使繞組在徑向、切向具有良好的整體性和剛性，而沿軸向卻具有自由伸縮的能力，能充分地適應(yīng)機(jī)組的調(diào)峰運(yùn)行方式。

圖3 定子端部繞組結(jié)構(gòu)示意

3.4 轉(zhuǎn)子

發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)軸由高機(jī)械性能和導(dǎo)磁性能良好的鉻鎳鉬釩合金鋼鍛件加工而成，材料的屈服強(qiáng)度為660 ～760MPa。在轉(zhuǎn)軸本體大齒中心沿軸向均布地開了多個(gè)橫向月形槽，又在勵(lì)端軸柄的小齒中心線上開有兩條均衡槽，以上結(jié)構(gòu)有效地均勻了轉(zhuǎn)子垂直、水平兩個(gè)方向的剛度，減小了轉(zhuǎn)子的倍頻振動(dòng)。轉(zhuǎn)軸本體大齒上開有阻尼槽，使發(fā)電機(jī)在不平衡負(fù)載時(shí)可以減少在橫向槽邊緣處的阻尼電流和由此引起的在尖角處的溫度急劇升高，提高了發(fā)電機(jī)承受負(fù)序的能力。

轉(zhuǎn)子線圈由冷拉含銀無氧銅線加工而成，因此既抗蠕變，又防氫脆。轉(zhuǎn)子嵌線槽內(nèi)采用氣隙取氣、斜流通風(fēng)的隱風(fēng)斗通風(fēng)結(jié)構(gòu)，由轉(zhuǎn)軸表面導(dǎo)風(fēng)口、轉(zhuǎn)子槽楔通風(fēng)道和轉(zhuǎn)子線圈斜流通風(fēng)道等構(gòu)成，端部線圈為軸向氫內(nèi)冷。護(hù)環(huán)絕緣為分塊式絕緣。在槽絕緣、護(hù)環(huán)絕緣和楔下墊條與轉(zhuǎn)子銅線接觸處均壓粘有聚四氟乙烯滑移層，使銅線在離心力高壓下能自由熱脹冷縮，避免永久性殘余變形，以適應(yīng)調(diào)峰運(yùn)行工況的需要。轉(zhuǎn)子線圈端部由具有良好的耐應(yīng)力腐蝕能力的整體鍛制的高強(qiáng)度反磁合金鋼護(hù)環(huán)來支撐，護(hù)環(huán)熱套在轉(zhuǎn)子本體端部的配合面上，為懸掛式結(jié)構(gòu)。中心環(huán)、風(fēng)扇環(huán)、聯(lián)軸器均為合金鋼鍛件，風(fēng)扇葉片為鋁合金鍛件。單級(jí)螺漿式風(fēng)扇對(duì)稱布置在轉(zhuǎn)子兩端，提供發(fā)電機(jī)冷卻所需的風(fēng)量。

3.5 端蓋、軸承及油密封

發(fā)電機(jī)采用端蓋軸承結(jié)構(gòu)，端蓋設(shè)計(jì)為厚鋼板拼焊結(jié)構(gòu)，采用氣密性焊縫，焊后進(jìn)行焊縫的氣密試驗(yàn)和退火處理，并進(jìn)行水壓試驗(yàn)。軸承與密封支座都裝在端蓋上，可以縮短轉(zhuǎn)軸長度并具有良好的支承剛度。軸瓦與端蓋間在發(fā)電機(jī)勵(lì)端設(shè)置有雙層絕緣，可以在運(yùn)行中檢測(cè)軸承絕緣狀況。油密封結(jié)構(gòu)為雙流雙環(huán)結(jié)構(gòu)。

4 汽輪發(fā)電機(jī)型式試驗(yàn)

上海發(fā)電機(jī)廠現(xiàn)已完成第一臺(tái)700MW級(jí)發(fā)電機(jī)，運(yùn)行工況為額定有功660MW，功率因數(shù)0.85，并于2010年8月進(jìn)行了工廠型式試驗(yàn)。工廠型式試驗(yàn)包括氫氣狀態(tài)下的空載溫升試驗(yàn)、穩(wěn)態(tài)三相短路溫升試驗(yàn)、熱水流試驗(yàn)、電抗測(cè)量試驗(yàn)、整機(jī)氣密試驗(yàn)、振動(dòng)測(cè)量（包括定子鐵心、機(jī)座、定子繞組端部）、小軸系超速及動(dòng)力特性試驗(yàn)、突然短路試驗(yàn)、損耗測(cè)量等。溫升試驗(yàn)結(jié)果表明發(fā)電機(jī)各部件的溫升值在額定運(yùn)行和110%過負(fù)荷時(shí)均在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定范圍內(nèi)。

4.1 發(fā)電機(jī)主要電氣性能

該型號(hào)發(fā)電機(jī)在有功出力660MW、0.85PF和700MW、0.9PF時(shí)主要電氣性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表3。

4.2 發(fā)電機(jī)定轉(zhuǎn)子模態(tài)和振動(dòng)值

該型發(fā)電機(jī)進(jìn)行了定子機(jī)座、定子鐵心、定子端部繞組、轉(zhuǎn)子的模態(tài)試驗(yàn)和振動(dòng)值測(cè)量。

定子機(jī)座和定子鐵心的橢圓形固有頻率避開了90～110Hz的范圍，定子端部繞組的橢圓形固有頻率避開了95～112Hz的范圍，轉(zhuǎn)子的一階臨界轉(zhuǎn)速為690r/min，二階臨界轉(zhuǎn)速為1800r/min，避開了2700～3300r/min的要求范圍。

表3 主要電氣性能設(shè)計(jì)及試驗(yàn)數(shù)據(jù)

定子機(jī)座在額定空載時(shí)的倍頻振動(dòng)測(cè)量值(峰-峰值）小于15μm，定子鐵心在額定空載時(shí)的倍頻振動(dòng)測(cè)量值（峰-峰值）小于50μm，定子端部繞組在額定空載或額定短路時(shí)的倍頻振動(dòng)測(cè)量值（峰-峰值）小于100μm，轉(zhuǎn)子在額定轉(zhuǎn)速時(shí)的振動(dòng)測(cè)量值（峰-峰值）小于80μm。

5 小結(jié)

700MW級(jí)水氫冷汽輪發(fā)電機(jī)的型式試驗(yàn)結(jié)果表明該型發(fā)電機(jī)各項(xiàng)性能指標(biāo)符合國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 7064，國際標(biāo)準(zhǔn)IEC 60034-3的規(guī)定。其中：

(1)發(fā)電機(jī)效率在700MW，0.9PF時(shí)設(shè)計(jì)值99.036%，試驗(yàn)值為99.034%，在660MW，0.85PF時(shí)，設(shè)計(jì)值為98.945%，試驗(yàn)值為98.94%，都優(yōu)于國標(biāo)98.8%的規(guī)定。

(2)定、轉(zhuǎn)子繞組和定子鐵心的溫升均在允許限值以內(nèi)，并有一定的裕度。

(3)定子機(jī)座、鐵心、端部繞組和轉(zhuǎn)子的模態(tài)及振動(dòng)均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

700MW級(jí)水氫冷汽輪發(fā)電機(jī)的研制成功，對(duì)推進(jìn)國內(nèi)電力工業(yè)的發(fā)展具有重要的意義，也為國內(nèi)電站裝備走向世界打下了基礎(chǔ)。