60 MW空冷汽輪發(fā)電機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)

李　亭

(上海電氣集團(tuán)上海電機(jī)廠有限公司，上?！?00240)

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60 MW空冷汽輪發(fā)電機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)

李亭

(上海電氣集團(tuán)上海電機(jī)廠有限公司，上海200240)

介紹了上海電氣集團(tuán)上海電機(jī)廠有限公司為國(guó)內(nèi)某熱電廠進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的QF-60-2型、60 MW，10.5 kV空冷汽輪發(fā)電機(jī)的技術(shù)要求、定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、溫升和電氣參數(shù)，以及型式試驗(yàn)結(jié)果等。工廠內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果表明該空冷發(fā)電機(jī)電氣參數(shù)優(yōu)良，效率高，其設(shè)計(jì)可靠性和技術(shù)先進(jìn)性都處于當(dāng)代空冷發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)的領(lǐng)先水平。

空冷；汽輪發(fā)電機(jī)；設(shè)計(jì)；結(jié)構(gòu)；試驗(yàn)

0　引言

隨著分布式能源的發(fā)展，國(guó)內(nèi)對(duì)于小型汽輪發(fā)電機(jī)需求逐步增大。由于空冷發(fā)電機(jī)具有冷卻方式單一、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、基建速度快、安裝投資費(fèi)用低、使用維護(hù)方便、運(yùn)行安全可靠、特別是在滿負(fù)荷時(shí)的效率與同容量的氫冷發(fā)電機(jī)相當(dāng)?shù)葍?yōu)點(diǎn)，目前在60 MW等級(jí)的汽輪發(fā)電機(jī)也普遍采用空冷方式，原有的雙水內(nèi)冷汽輪發(fā)電機(jī)的市場(chǎng)越來(lái)越小。

上海汽輪發(fā)電機(jī)有限公司于2002年成功開(kāi)發(fā)了60 MW，11 kV，0.8PF的空冷汽輪發(fā)電機(jī)，用于出口緬甸。本文中提到的原型機(jī)即沿用了該60 MW，11 kV，0.8PF的設(shè)計(jì)，僅修改出口電壓為10.5 kV。該發(fā)電機(jī)質(zhì)量較重，制造成本高，試驗(yàn)溫升很低，因此有必要對(duì)這個(gè)機(jī)型進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，進(jìn)一步減少質(zhì)量，降低成本。

本次60 MW空冷汽輪發(fā)電機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，還需要考慮采用模塊化設(shè)計(jì)方法，既要滿足用戶對(duì)于發(fā)電機(jī)容量、電壓等的不同要求，還需要確保發(fā)電機(jī)的制造和運(yùn)行安全可靠性，又可縮短發(fā)電機(jī)的制造時(shí)間，滿足用戶的交貨周期。因此，除了考慮滿足國(guó)內(nèi)10.5 kV的電壓需求，還需要考慮6.3 kV以及國(guó)外13.8 kV 60 Hz的訂單需求。

2015年，上海電機(jī)廠有限公司在原上海汽輪發(fā)電機(jī)有限公司60 MW機(jī)型的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，采用先進(jìn)的GVPI 技術(shù)，對(duì)該型發(fā)電機(jī)進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)。

1　發(fā)電機(jī)基本技術(shù)數(shù)據(jù)

1.1基本技術(shù)規(guī)范

型號(hào)：QF-60-2

額定容量/MVA75

額定功率/MW60

額定電壓/kV10.5

額定電流/A4 124

額定功率因數(shù)0.8(滯后)

額定頻率/Hz50

額定轉(zhuǎn)速/(r·min-1)3 000

效率/%98.38

額定勵(lì)磁電流/A950

額定勵(lì)磁電壓/V216

絕緣等級(jí)F

溫升等級(jí)B

不平衡負(fù)載能力：I2/IN8%

(I2/IN)2t/s10

1.2勵(lì)磁方式：按用戶的要求，可采用無(wú)刷勵(lì)磁，或自并勵(lì)靜止勵(lì)磁。

1.3冷卻方式：封閉循環(huán)空氣冷卻(TEWAC)

2　設(shè)計(jì)原則及主要計(jì)算程序

2.1設(shè)計(jì)原則

1) 將可靠性放在首位，以原有60 MW空冷發(fā)電機(jī)(原型機(jī))為基礎(chǔ)，參考GVPI空冷發(fā)電機(jī)的絕緣結(jié)構(gòu)和其它發(fā)電機(jī)的成熟結(jié)構(gòu)；

2) 全新設(shè)計(jì)發(fā)電機(jī)單位容量的有效體積應(yīng)比原型機(jī)適量減小，以提高材料的利用率；

3) 考慮50～60 MW系列、50 Hz及60 Hz空冷發(fā)電機(jī)的模塊化設(shè)計(jì)；

4) 全新設(shè)計(jì)的GVPI空冷60 MW和50 MW發(fā)電機(jī)的性能滿足相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)；

5) 絕緣材料采用155級(jí)(即F級(jí))，溫度限值按130級(jí)(即B級(jí))考核。

2.2主要計(jì)算程序

1) 大電所程序：發(fā)電機(jī)磁路計(jì)算、空載特性計(jì)算、負(fù)載勵(lì)磁電流計(jì)算，電抗和時(shí)間常數(shù)計(jì)算、損耗和效率計(jì)算等；

2) 其他程序(如Excel，Mathcad等)：定轉(zhuǎn)子槽內(nèi)布置、電阻計(jì)算等。

2.3溫升計(jì)算

50～60 MW級(jí)空冷發(fā)電機(jī)(GVPI)的通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)路示意圖如圖1所示。其通風(fēng)方式為定子鐵心采用軸向分區(qū)的徑向通風(fēng)結(jié)構(gòu)(一進(jìn)兩出)，定子線圈空氣間接冷卻，轉(zhuǎn)子槽部線圈副槽通風(fēng)徑向直接冷卻，轉(zhuǎn)子端部線圈間接冷卻。

圖1　發(fā)電機(jī)風(fēng)路示意圖

發(fā)電機(jī)兩端各有一個(gè)單級(jí)軸流風(fēng)扇，發(fā)電機(jī)的風(fēng)路分為三部分：第一部分從機(jī)座上設(shè)置的軸向管道將冷空氣引到定子鐵心背部的進(jìn)風(fēng)區(qū)，另一部分冷空氣從端部定、轉(zhuǎn)子之間的氣隙進(jìn)入，第三部分冷空氣由護(hù)環(huán)下端部空間流入轉(zhuǎn)子繞組。三部分氣體在氣隙匯合后經(jīng)定子出風(fēng)區(qū)的徑向通風(fēng)道流出鐵心，再經(jīng)定子鐵心背部機(jī)座空間流入冷卻器。

轉(zhuǎn)子線圈本體部分采用槽底副槽通風(fēng)、徑向冷卻系統(tǒng)，如圖2所示。

圖2　半個(gè)轉(zhuǎn)子副槽通風(fēng)示意圖

冷氣體從風(fēng)扇經(jīng)導(dǎo)風(fēng)圈后進(jìn)入護(hù)環(huán)下。護(hù)環(huán)下的環(huán)形空間分隔成四個(gè)區(qū)域，分別為兩個(gè)進(jìn)風(fēng)區(qū)和兩個(gè)出風(fēng)區(qū)，其中磁極中心線處為出風(fēng)區(qū)。一部分氣體進(jìn)入轉(zhuǎn)子本體線圈下面的副槽內(nèi)，經(jīng)轉(zhuǎn)子線圈上分布的徑向孔冷卻本體線圈后經(jīng)槽楔通風(fēng)孔流入氣隙。

轉(zhuǎn)子端部線圈采用間接冷卻，端部繞組冷卻風(fēng)道是開(kāi)在繞組端部?jī)蓚?cè)面的固定墊塊上的。軸向墊塊的風(fēng)道是用來(lái)冷卻端部繞組的軸向部分，扇形墊塊的風(fēng)道是用來(lái)冷卻端部繞組的弧線部分。

利用溫升計(jì)算程序得到的定轉(zhuǎn)子溫度見(jiàn)表1所示，優(yōu)化方案的定子線圈RTD溫度和定子鐵心熱點(diǎn)溫度都可以滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。

由于對(duì)發(fā)電機(jī)的通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)優(yōu)化，發(fā)電機(jī)內(nèi)部的冷卻空氣分配合理，各部分的溫升比較均勻。

3　發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要特點(diǎn)

3.1定子機(jī)座和鐵心

由于空冷發(fā)電機(jī)定子鐵心采用空冷，機(jī)座承受的空氣壓力較低，密封沒(méi)有氣密要求，所以由外罩板、機(jī)壁和內(nèi)隔板、支撐板等組成的機(jī)座，只需具有一定的強(qiáng)度和剛度，能保護(hù)定子鐵心和定子繞組，保證運(yùn)輸過(guò)程中不變形，同時(shí)機(jī)座的固有頻率需避開(kāi)工頻和倍頻。

考慮空冷的發(fā)電機(jī)的系列化、模塊化設(shè)計(jì)要求，定子機(jī)座參考原有60 MW結(jié)構(gòu)，采用上下哈夫機(jī)座。定子鐵心端部采用鋁壓圈和反磁齒壓板，有效地減小了定子鐵心兩端的附加損耗。鐵心采用外圓周支持筋，內(nèi)圓穿心螺桿拉緊固定。

鐵心外部為一個(gè)由鋼板焊接而成的籠型框架，圓周24個(gè)支撐筋均布，每個(gè)支撐筋上裝有1個(gè)鳩尾筋，螺栓固定。硅鋼片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(guò)兩端的反磁壓指、鋁壓圈，并用緊固螺母擰緊成為一個(gè)結(jié)實(shí)的鐵心整體，如圖3所示。

圖3　定子鐵心及其端部結(jié)構(gòu)

3.2定子線圈

發(fā)電機(jī)定子線圈采用F級(jí)絕緣的雙玻璃絲包銅扁線制成，定子線棒槽內(nèi)部分進(jìn)行360°羅貝爾換位，以減小定子線圈的附加損耗。定子線圈絕緣采用環(huán)氧云母絕緣系統(tǒng)，具有熱彈性好、高介電強(qiáng)度和高耐壓強(qiáng)度。定子端部線圈用綁扎結(jié)構(gòu)固定并支撐，具有熱彈性，以限制靜態(tài)振動(dòng)，并承受GB/T 7064—2008和IEC34-3所定義的三相短路力矩。定子線圈端部固定采用繞制端箍、支架的固定結(jié)構(gòu)。支架由鑄鋁青銅支架固定于壓圈上，上、下層繞組間墊有層間壓板，層間壓板開(kāi)孔，上下繞組分別與層間壓板綁扎，再通過(guò)層間壓板與支架進(jìn)行綁扎，整浸后端部形成一個(gè)整體。

3.3轉(zhuǎn)軸

轉(zhuǎn)軸由鎳鉻鉬釩合金鋼整體鍛成，經(jīng)真空消磁工藝。鍛件材料嚴(yán)格按質(zhì)保規(guī)范進(jìn)行超聲波檢驗(yàn)。

轉(zhuǎn)子本體在嵌線槽底部設(shè)計(jì)有通風(fēng)副槽，在其兩端，每一個(gè)大齒上開(kāi)有二個(gè)月亮形的通風(fēng)大槽，每一個(gè)小齒上開(kāi)有一個(gè)月亮形的通風(fēng)小槽，用于端部線圈的冷卻。轉(zhuǎn)子槽楔采用高強(qiáng)度銅合金制成，兩端與護(hù)環(huán)內(nèi)徑搭接，構(gòu)成發(fā)電機(jī)的阻尼系統(tǒng)。

整個(gè)轉(zhuǎn)子進(jìn)行高速動(dòng)態(tài)平衡和超速試驗(yàn)。超速試驗(yàn)為120%的額定轉(zhuǎn)速，時(shí)長(zhǎng)2 min。

3.4轉(zhuǎn)子線圈

轉(zhuǎn)子線圈采用抗蠕變性能好的銀銅線制成。每1根銅線由2段直線部分和2段圓弧部分拼焊而成。轉(zhuǎn)子線圈槽內(nèi)部分沖有通風(fēng)孔，與槽底的副槽一起構(gòu)成轉(zhuǎn)子線圈通風(fēng)的冷卻風(fēng)道，可以有效降低轉(zhuǎn)子繞組的溫升。

轉(zhuǎn)子線圈端部墊塊采用蛇形風(fēng)道設(shè)計(jì)，與護(hù)環(huán)下絕緣一起構(gòu)成轉(zhuǎn)子線圈端部的冷卻空氣風(fēng)路。

3.5優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果匯總

優(yōu)化設(shè)計(jì)的60 MW汽輪發(fā)電機(jī)相比原始設(shè)計(jì)，在材料上降低成本約15%，產(chǎn)品設(shè)計(jì)總重減重約20%，主要設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示，達(dá)到了前期預(yù)設(shè)目的。

表1　設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)比

4　產(chǎn)品試驗(yàn)

首臺(tái)優(yōu)化設(shè)計(jì)的60 MW，10.5 kV空冷汽輪發(fā)電機(jī)于2015年完成制造，并完成了型式試驗(yàn)以及其它各項(xiàng)性能的測(cè)試。發(fā)電機(jī)型式試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2　發(fā)電機(jī)型式試驗(yàn)結(jié)果

5　結(jié)語(yǔ)

優(yōu)化的60 MW，10.5 kV 空冷汽輪發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)非常成功。從設(shè)計(jì)和試驗(yàn)結(jié)果可見(jiàn)，其各項(xiàng)性能指標(biāo)全部達(dá)到或超過(guò)設(shè)計(jì)要求，符合GB/T 7064—2008《透平型同步電機(jī)技術(shù)要求》，GB 755—2008《旋轉(zhuǎn)電機(jī)基本技術(shù)要求》 。發(fā)電機(jī)效率98.41%，優(yōu)于國(guó)標(biāo)效率98.20%的規(guī)定。

后繼又在首臺(tái)60 MW，10 kV空冷汽輪發(fā)電機(jī)成功制造的基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)了6.3 kV以及出口型13.8 kV，60 Hz的機(jī)型，對(duì)上海電氣集團(tuán)上海電機(jī)廠在國(guó)內(nèi)以及國(guó)際市場(chǎng)的推廣應(yīng)用具有重要意義。