大型透平發(fā)電機(jī)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的改進(jìn)

王莉莉

(哈爾濱龍江鍋爐廠，黑龍江 哈爾濱 150050)

0 引言

近年來，由于應(yīng)用領(lǐng)域、周圍環(huán)境和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面的變化，現(xiàn)有的同步電機(jī)標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)不能適應(yīng)新的發(fā)展。當(dāng)前的“隱極轉(zhuǎn)子”發(fā)電機(jī)標(biāo)準(zhǔn)，也不能適應(yīng)于某些發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)的發(fā)展，比如:1)采用的替代結(jié)構(gòu);2)由于燃?xì)廨啓C(jī)出力顯著增加而采用的新結(jié)構(gòu);3)聯(lián)合循環(huán)發(fā)電站的燃?xì)廨啓C(jī)要求與汽輪機(jī)配套使用的發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu);4)要求國家標(biāo)準(zhǔn)與國際標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一的結(jié)構(gòu);5)定子和轉(zhuǎn)子繞組直接空冷結(jié)構(gòu);6)與燃?xì)廨啓C(jī)配套發(fā)電機(jī)的空水冷結(jié)構(gòu);7)“適應(yīng)環(huán)境”要求的大容量發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu);8)水冷轉(zhuǎn)子繞組結(jié)構(gòu);9)空冷和水冷結(jié)構(gòu)等等。

用于抽水蓄能發(fā)電站的同步電機(jī)，它既是發(fā)電機(jī)，又是電動(dòng)機(jī)。美國標(biāo)準(zhǔn)稱為“發(fā)電機(jī)/電動(dòng)機(jī)”。而國際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的名詞術(shù)語統(tǒng)一稱為:“發(fā)電電動(dòng)機(jī)”;用于聯(lián)合循環(huán)發(fā)電站的同步電機(jī)，它既是汽輪發(fā)電機(jī)，又是燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)。按照國際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的名詞術(shù)語，應(yīng)當(dāng)稱為:“透平發(fā)電機(jī)”。此外，還有超高壓發(fā)電機(jī)、蒸發(fā)冷卻發(fā)電機(jī)、超導(dǎo)發(fā)電機(jī)等采用新技術(shù)、新型結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品，原有的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)不能適應(yīng)這些新產(chǎn)品的要求，都應(yīng)當(dāng)進(jìn)行修訂、補(bǔ)充和改進(jìn)。

1 標(biāo)準(zhǔn)的修訂

美國國家標(biāo)準(zhǔn)由美國電氣電子工程師協(xié)會(huì)下設(shè)的電機(jī)委員會(huì)(IEEE－PES)和同步電機(jī)分委會(huì)(SMSC)負(fù)責(zé)制定、修改或補(bǔ)充，并提交給美國國家標(biāo)準(zhǔn)學(xué)會(huì)(ANSI)審查，最后以IEEE/ANSI的名義發(fā)表和頒布、執(zhí)行。比如:《同步電機(jī)》標(biāo)準(zhǔn)(IEEE/ANSI C50)，《通用的同步電機(jī)》標(biāo)準(zhǔn)(IEEE/ANSI C50.10)，《大型凸極轉(zhuǎn)子水輪發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)》標(biāo)準(zhǔn)(IEEE/ANSI C50.12)，《大型隱極轉(zhuǎn)子同步發(fā)電機(jī)》標(biāo)準(zhǔn)(IEEE/ANSI C50.13)，《采用燃?xì)廨啓C(jī)驅(qū)動(dòng)的空氣冷卻和氫氣冷卻的發(fā)型隱極轉(zhuǎn)子同步發(fā)電機(jī)》標(biāo)準(zhǔn)(IEEE/ANSI CC50.14和C50.15)[1]。

在修訂過程中，美國參照了國際電工委員會(huì)(IEC)頒布的標(biāo)準(zhǔn):《旋轉(zhuǎn)電機(jī)一般要求》(IEC 60034 －1)[2]，《汽輪機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)共用的同步電機(jī)》特殊標(biāo)準(zhǔn)(IEC 60034－3)。

修訂工作組經(jīng)過反復(fù)的調(diào)查研究，最后決定:與其將凸極和隱極發(fā)電機(jī)以及燃?xì)廨啓C(jī)和蒸汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)的發(fā)電機(jī)的所有標(biāo)準(zhǔn)都合并在一起，還不如將凸極發(fā)電機(jī)和隱極發(fā)電機(jī)這兩個(gè)主要類型的標(biāo)準(zhǔn)保留，這樣可以減少通用標(biāo)準(zhǔn)和特殊標(biāo)準(zhǔn)之間的沖突或多義性解讀的風(fēng)險(xiǎn)，并能減少遺漏的技術(shù)文件或無法有效溝通的技術(shù)文件，還能減輕維護(hù)標(biāo)準(zhǔn)的工作量，能更好地使制造廠家和產(chǎn)品用戶對每個(gè)產(chǎn)品都能取得統(tǒng)一的共識，并愿意接受標(biāo)準(zhǔn)的約束。

2 修訂的內(nèi)容

2.1 環(huán)境溫度

美國標(biāo)準(zhǔn)有關(guān)于繞組(局部)熱點(diǎn)溫度的限制，和(比如測溫計(jì))監(jiān)測溫度的限制，而國際標(biāo)準(zhǔn)并無熱點(diǎn)溫度限制。規(guī)定的監(jiān)測溫度限值是:B級絕緣≤130℃;F級絕緣≤155℃。但是，有許多結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以改變熱點(diǎn)溫度和檢測溫度之間的關(guān)系:(1)有些情況是雖然滿足了檢測溫度的限制，但是有的局部卻超過了熱點(diǎn)溫度的限值;(2)另一種情況是過分地看重檢測溫度的限制，卻導(dǎo)致遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于熱點(diǎn)溫度限值的后果。因此，在設(shè)置檢測溫度限值時(shí)，應(yīng)當(dāng)既滿足熱點(diǎn)溫度限值的要求，又要不能限制發(fā)電機(jī)的輸出功率。當(dāng)冷卻介質(zhì)(比如:冷風(fēng))的溫度不同時(shí)，檢測溫度和熱點(diǎn)溫度對發(fā)電機(jī)輸出功率的影響如表1所示。

應(yīng)當(dāng)注意，在規(guī)定的冷卻介質(zhì)溫度下，溫升和檢測溫度的限值只適用于在這一點(diǎn)的溫度。按照“適應(yīng)環(huán)境”的要求，在一定的冷卻介質(zhì)溫度范圍內(nèi)，如果保持恒定的熱點(diǎn)溫度，就會(huì)導(dǎo)致檢測溫度的非恒定;如果保持監(jiān)測溫度不變，熱點(diǎn)溫度就會(huì)大大低于或高于限值。這主要取決于監(jiān)測溫度與熱點(diǎn)溫度之間的關(guān)系。

為了滿足“適應(yīng)環(huán)境”發(fā)電機(jī)的要求，美國標(biāo)準(zhǔn)將規(guī)定:相對于冷卻介質(zhì)溫度的檢測溫度限值，并允許由生產(chǎn)廠家根據(jù)熱點(diǎn)溫度限值不變來計(jì)算發(fā)電機(jī)功率。這與國際標(biāo)準(zhǔn)不同，后者規(guī)定:是在所有的冷卻介質(zhì)溫度下，按照檢測溫度恒定不變來確定功率。美國標(biāo)準(zhǔn)還將規(guī)定:發(fā)電機(jī)必須能夠在－20～+50℃范圍內(nèi)正常工作，并要求生產(chǎn)廠家提供上述環(huán)境溫度下的發(fā)電機(jī)功率與冷卻介質(zhì)溫度之間的關(guān)系(表1)。但是，原則上是達(dá)到基本輸出功率時(shí)的最大熱點(diǎn)溫度不能超過絕緣等級所允許的限制。

2.2 主要參數(shù)

2.2.1 功率因數(shù)

美國標(biāo)準(zhǔn)沒有規(guī)定這個(gè)項(xiàng)目。因此，美國應(yīng)當(dāng)補(bǔ)充下述規(guī)定:在額定輸出功率時(shí)的功率因數(shù)，應(yīng)當(dāng)通過協(xié)議來確定。但是要注意:額定功率因數(shù)的定義是指:額定MW或過勵(lì)磁時(shí)的額定MVA負(fù)荷時(shí)的功率因數(shù)。它的影響在于:額定功率因數(shù)越高，則發(fā)電機(jī)成本越低，效率越高。它的數(shù)值應(yīng)當(dāng)規(guī)定為:1)空冷發(fā)電機(jī)——過勵(lì)磁時(shí)為 0.90、0.85 或 0.80;2)氫氣冷卻發(fā)電機(jī)——過勵(lì)磁時(shí)為0.90或0.85。但是在額定MW輸出功率時(shí)，最低欠勵(lì)磁時(shí)的功率因數(shù)為≥0.95。

2.2.2 短路比

美國標(biāo)準(zhǔn)也沒有規(guī)定這個(gè)項(xiàng)目。但是選擇的短路比越小，則發(fā)電機(jī)越便宜，更加高效。所以，美國應(yīng)當(dāng)補(bǔ)充規(guī)定:通過協(xié)議來確定額定工況下的短路比。此時(shí)，應(yīng)當(dāng)考慮到電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。如果采用固定的手動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器，電力系統(tǒng)穩(wěn)定性會(huì)受到影響。采用現(xiàn)代化的自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器，特別具有高級功能的電力系統(tǒng)穩(wěn)定器，就可以避免任何由于快速調(diào)節(jié)行動(dòng)而導(dǎo)致的電力系統(tǒng)穩(wěn)定性問題。因此，對于任何容量或冷卻方式的發(fā)電機(jī)，都應(yīng)采用0.35作為最低的短路比。

2.2.3 電抗

美國標(biāo)準(zhǔn)也沒有規(guī)定這個(gè)項(xiàng)目。美國標(biāo)準(zhǔn)中應(yīng)當(dāng)補(bǔ)充規(guī)定:電抗大小應(yīng)當(dāng)按照國際標(biāo)準(zhǔn)的方法來計(jì)算?？v軸瞬變和次瞬變電抗則可以指定或商定。根據(jù)額定功率和基礎(chǔ)及尖峰功率時(shí)的運(yùn)行條件來商定縱軸瞬變和次瞬變電抗。但是必須指出，額定電壓時(shí)的飽和縱軸次瞬變電抗的最小值，可能會(huì)影響短路電流的大小和斷路器的大小。此外，額定電流時(shí)的不飽和縱軸瞬變電抗的最大值對暫態(tài)穩(wěn)定性會(huì)有影響。由于這兩個(gè)電抗在很大程度上取決于相同的磁通量，必須確保它們之間的兼容性，即次瞬變電抗的下限不能是過于靠近瞬變電抗的上限。在商定瞬變和次瞬變電抗的限值時(shí)，必須滿足偏差要求:瞬變電抗為+0%，－30%。但是，最小值不允許負(fù)偏差，最大值不允許正偏差。

2.3 起動(dòng)運(yùn)行

2.3.1 作為起動(dòng)電機(jī)

美國標(biāo)準(zhǔn)也沒有規(guī)定這個(gè)項(xiàng)目。至于應(yīng)用燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)作為起動(dòng)電動(dòng)機(jī)方面，美國和國際標(biāo)準(zhǔn)中都沒有規(guī)定。美國應(yīng)當(dāng)補(bǔ)充規(guī)定:采用電力電子變頻起動(dòng)系統(tǒng)時(shí)，必須確保部件和發(fā)電機(jī)繞組溫度不超過指定的絕緣等級的限制，還要考慮到電流電子設(shè)備的特性、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的損耗和慣性、驅(qū)動(dòng)速度與時(shí)間的關(guān)系以及重新起動(dòng)時(shí)間的間隔。

2.3.2 起動(dòng)停機(jī)次數(shù)

起動(dòng)停機(jī)次數(shù)的限制，是為了防止循環(huán)疲勞老化。國際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的起動(dòng)停機(jī)總次數(shù)為3000次。美國規(guī)定起動(dòng)次數(shù)每年不超過500次。但是，都沒有明確多少年。應(yīng)當(dāng)補(bǔ)充下述要求:發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)必須滿足運(yùn)行壽命期間最少起動(dòng)次數(shù)(對基本負(fù)荷機(jī)組為23000次;對調(diào)峰或其它頻繁起動(dòng)停機(jī)的機(jī)組為10000次)的要求。

2.3.3 非同期并網(wǎng)

美國標(biāo)準(zhǔn)沒有規(guī)定這個(gè)項(xiàng)目。應(yīng)當(dāng)補(bǔ)充規(guī)定:發(fā)電機(jī)必須能夠在±10°內(nèi)的非同期并網(wǎng)后，能夠運(yùn)行而無需檢查和維修。超過這些限制的非同期并網(wǎng)，就可能導(dǎo)致強(qiáng)烈的短時(shí)電流和力矩，甚至?xí)^突然短路時(shí)的后果，可能導(dǎo)致發(fā)電機(jī)的損壞。在發(fā)生非同期并網(wǎng)以后，發(fā)電機(jī)應(yīng)當(dāng)立即從電網(wǎng)解列，進(jìn)行檢查和維修，然后才能重新并網(wǎng)。應(yīng)當(dāng)注意:即使不太嚴(yán)重的這類故障，也可能引導(dǎo)致進(jìn)一步損壞。最為嚴(yán)重的非同期并網(wǎng)，是在180°或120°錯(cuò)相，并通過低電抗與電網(wǎng)系統(tǒng)相連時(shí)。在這種情況下，就必須實(shí)施定子或/和轉(zhuǎn)子的大修，甚至更換。

2.3.4 頻率偏差

美國標(biāo)準(zhǔn)沒有這方面的規(guī)定。美國應(yīng)當(dāng)補(bǔ)充規(guī)定:在輸出功率曲線范圍內(nèi)，發(fā)電機(jī)應(yīng)能在電壓偏差為±5%和頻率偏差為±2%時(shí)，在熱態(tài)下連續(xù)運(yùn)行，而不必滿足在額定電壓和額定頻率下規(guī)定的性能標(biāo)準(zhǔn)。在輸出功率曲線范圍內(nèi)，發(fā)電機(jī)也能運(yùn)行在電壓±5%和頻率+3%/～5%的范圍內(nèi)，但是會(huì)進(jìn)一步減少絕緣壽命。即使處在允許的運(yùn)行范圍內(nèi)，如果達(dá)到了偏差的限值(最大或最小值)，發(fā)電機(jī)的運(yùn)行穩(wěn)定性余量和勵(lì)磁余量也可能被減小。發(fā)電機(jī)甚至可能不穩(wěn)定。發(fā)電機(jī)的過勵(lì)磁和欠勵(lì)磁不能超過5%。如果發(fā)電機(jī)的工作點(diǎn)離開電壓和頻率的額定點(diǎn)，溫度和溫升可能會(huì)增加，絕緣老化速率可能達(dá)到正常值的2至6倍。為了降低溫度和溫差引起的發(fā)電機(jī)壽命的減小，應(yīng)當(dāng)在發(fā)生頻率偏差的程度和時(shí)間等方面限制運(yùn)行區(qū)域，并盡快采取減少輸出功率和其它糾正措施。

2.3.5 突然短路

雖然美國和國際標(biāo)準(zhǔn)都有這方面的規(guī)定。但是，國際標(biāo)準(zhǔn)比較清晰。美國標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)當(dāng)補(bǔ)充規(guī)定:在額定負(fù)荷和1.05倍額定電壓下運(yùn)行時(shí)，如果出線端部出現(xiàn)突然短路，發(fā)電機(jī)應(yīng)能正常運(yùn)行。但是前提是:1)相電流最大值不超過突然短路時(shí)的相電流;2)不超過電樞繞組短時(shí)間熱負(fù)荷的要求。事故發(fā)生后，如果發(fā)電機(jī)只要小修即可，就被斷定為:適合運(yùn)行。

“小修”的定義:1)不是更換定子線圈，但是必須確保繞組端部支撐系統(tǒng)和線圈的對地絕緣，能夠承受高電壓試驗(yàn);2)不是更換轉(zhuǎn)子，修改軸頸和軸承，調(diào)整過盈配合。但是要確保聯(lián)軸器及其螺栓和轉(zhuǎn)軸的動(dòng)平衡。

2.4 修訂的意義

1)由于電機(jī)工業(yè)的迅速發(fā)展，原有的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)不能適應(yīng)新的需要。通過修訂、補(bǔ)充和改進(jìn)以便適應(yīng)新的要求，這是相關(guān)學(xué)術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)化部門的正常工作。

2)為了避免生產(chǎn)廠家和產(chǎn)品用戶之間不必要的糾紛，技術(shù)要求和標(biāo)準(zhǔn)的不斷修訂、改進(jìn)和完善能夠減少對于國家標(biāo)準(zhǔn)和國際標(biāo)準(zhǔn)不同解讀的風(fēng)險(xiǎn)。靠近和達(dá)到國際標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品，更加容易取得買家的信賴、提高市場競爭能力和擴(kuò)大市場銷售量。

3)20世紀(jì)80年代，我國就從美國西屋公司引進(jìn)了300 MW和600 MW汽輪發(fā)電機(jī)組。近年來又從美國GE公司引進(jìn)了世界上最大容量的400 MW級燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)組。為了實(shí)現(xiàn)與國際標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一，美國提出的改進(jìn)建議，對于我們產(chǎn)品的轉(zhuǎn)化和標(biāo)準(zhǔn)化工作以及國產(chǎn)化都很有啟發(fā)，它有利于提高我國的國際市場競爭能力。

4)在與國際標(biāo)準(zhǔn)競爭中，美國技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的修訂內(nèi)容有時(shí)超過了、甚至優(yōu)于前者。這就必將激起日本、歐洲和中國等的跟進(jìn)，從而掀起產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)更新?lián)Q代的熱潮。

[1]IEEE/ANSI C50.15“Hydrocoouled Gas Turbine Generators Requirements ”，1989.

[2]IEC60034—3“Requirements for Turbine-Type Synchronous Machine，”Edition4，1988.