252 MW全氫冷燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)

袁昌健，焦曉霞，王彥濱，王　帆，汪　偉

(哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司，黑龍江哈爾濱　150040)

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252 MW全氫冷燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)

袁昌健，焦曉霞，王彥濱，王帆，汪偉

(哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司，黑龍江哈爾濱150040)

哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司生產(chǎn)制造的252 MW燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)是引進(jìn)GE技術(shù)，最大容量為297 MVA，額定轉(zhuǎn)速3 000 r/min，冷卻方式為全氫冷，是哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司首次生產(chǎn)制造此容量等級(jí)燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)。重點(diǎn)介紹該發(fā)電機(jī)的通風(fēng)、定子、轉(zhuǎn)子等結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并列出了發(fā)電機(jī)型式試驗(yàn)結(jié)果。

全氫冷；燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)；通風(fēng)設(shè)計(jì)；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

0　引言

由于近年國家電力發(fā)展政策的調(diào)整，國內(nèi)火電市場，常規(guī)火電機(jī)組受到調(diào)控影響，聯(lián)合循環(huán)機(jī)組日益得到業(yè)主青睞[1]。在此契機(jī)下，哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司(以下簡稱哈電)得到了中電投珠海橫琴項(xiàng)目2臺(tái)9FA機(jī)組，浙江鎮(zhèn)海項(xiàng)目2臺(tái)9FA機(jī)組的生產(chǎn)制造合同，機(jī)組均為多軸一拖一

表1　燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)基本設(shè)計(jì)參數(shù)

(MS109FA)。GE公司的重型燃?xì)廨啓C(jī)是正式投入商業(yè)運(yùn)行的、技術(shù)成熟度較高的燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組之一。與燃?xì)廨啓C(jī)配套的GE324發(fā)電機(jī)機(jī)型，額定容量為252 MW。燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)技術(shù)是通過打捆招標(biāo)GE、三菱、西門子三家企業(yè)向國內(nèi)知名的“三大動(dòng)力”轉(zhuǎn)讓燃?xì)廨啓C(jī)制造技術(shù)。此機(jī)型為哈電引進(jìn)GE燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)制造技術(shù)。

1　燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)外形及主要參數(shù)

燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)基本設(shè)計(jì)參數(shù)見表1，發(fā)電機(jī)外形圖見圖1。

1.定子； 2.轉(zhuǎn)子； 3.出線罩； 4.隔音刷架； 5.底腳； 6.冷卻器； 7.端蓋、軸承及油密封圖1　燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)外形圖

2　通風(fēng)設(shè)計(jì)

氫冷發(fā)電機(jī)為全封閉式，運(yùn)行時(shí)以氫氣作為冷卻介質(zhì)。通風(fēng)系統(tǒng)是完全獨(dú)立的，包括氣體冷卻器和風(fēng)扇，因此能防止灰塵和潮氣進(jìn)入機(jī)內(nèi)。發(fā)電機(jī)的氣體冷卻器垂直安裝在機(jī)座4個(gè)角上的冷卻器架上。在每臺(tái)冷卻器外底部連接水管。在冷卻器頂部和底部，氣密是通過在發(fā)電機(jī)機(jī)座和冷卻器管板間壓縮的密封墊片實(shí)現(xiàn)的。轉(zhuǎn)子風(fēng)扇為發(fā)電機(jī)提供通風(fēng)，它們是軸向通風(fēng)型的并具有單獨(dú)的風(fēng)葉，風(fēng)葉被固定在靠近轉(zhuǎn)子兩端的風(fēng)扇座環(huán)上。氣體的進(jìn)、出是由導(dǎo)風(fēng)環(huán)控制的。轉(zhuǎn)子本體采用斜副槽通風(fēng)，轉(zhuǎn)子端部兩路通風(fēng)。定子通風(fēng)通過風(fēng)扇使氫氣強(qiáng)制流入氣隙及定子鐵心背部周圍，定子被機(jī)座隔板在軸向分為冷熱風(fēng)區(qū)。在冷風(fēng)區(qū)，強(qiáng)制流通的冷卻的氣體從鐵心外通過徑向通風(fēng)道進(jìn)入氣隙；在熱風(fēng)區(qū)，氣體從氣隙通過通風(fēng)道流向鐵心外，熱量被交換后，冷卻的氣體回流到轉(zhuǎn)子風(fēng)扇并重新循環(huán)，這種在定子通風(fēng)方式均勻地冷卻鐵心和繞組避免機(jī)內(nèi)過熱并降低溫差所產(chǎn)生的應(yīng)力。發(fā)電機(jī)通風(fēng)系統(tǒng)如圖2所示。

圖2　發(fā)電機(jī)通風(fēng)系統(tǒng)

3　結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由燃?xì)廨啓C(jī)拖動(dòng)的單獨(dú)勵(lì)磁的轉(zhuǎn)子在靜止定子膛內(nèi)旋轉(zhuǎn)， 并由發(fā)電機(jī)機(jī)座上的端蓋內(nèi)的軸承支承。在保持氫氣壓力和純度以及提供冷卻器冷卻水和潤滑油的條件下， 發(fā)電機(jī)可連續(xù)運(yùn)行并從出線端子輸出電力。通過安裝的溫度檢測器和其它裝置或與發(fā)電機(jī)連接的裝置可以測量定子鐵心、 繞組以及氫氣溫度、 氫氣壓力及純度。發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)不但要承受正常運(yùn)行工況， 而且還要承受包括三相短路和突然施加負(fù)荷而不損壞。機(jī)座通過兩側(cè)的底腳支撐的基礎(chǔ)上，機(jī)座還支撐著冷卻器并作為冷卻器的外罩。為防止氫氣從發(fā)電機(jī)中泄漏， 端蓋、 冷卻器、 人孔等都采用密封結(jié)構(gòu)。

3.1定子裝配

3.1.1定子機(jī)座(見圖3)由一個(gè)焊接結(jié)構(gòu)的氣密圓柱體的外殼構(gòu)成，徑向由靜止隔板、軸向由彈簧棒和筋板在內(nèi)部給予加強(qiáng)。一組浮動(dòng)隔板與支撐定子鐵心的定位筋焊接在一起，定位筋在兩端頭通過浮動(dòng)隔板固定在彈簧棒上。彈簧棒由固定隔板支撐。這種鐵心彈性固定方式將定子鐵心的徑向和切向磁振動(dòng)與外機(jī)座隔離，這樣，機(jī)座僅產(chǎn)生輕微振動(dòng)并能平穩(wěn)地運(yùn)行。同時(shí)其剛強(qiáng)度足以承受內(nèi)部的氫氣爆炸對發(fā)電機(jī)殼體和周圍部件的破壞效果。

圖3　發(fā)電機(jī)定子機(jī)座

3.1.2定子鐵心是由經(jīng)退火的高質(zhì)量低損耗的取向硅鋼片疊壓的。根據(jù)電磁設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果以及發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸布置，只能采用鐵損更低的取向硅鋼片，才能滿足鐵心損耗以及溫升的要求。采用交錯(cuò)平疊方式將沖片裝到定位筋的鴿尾上，并分為若干段，段之間用通風(fēng)槽鋼隔開以形成通風(fēng)道。有嵌定子線圈的開口槽和固定槽楔已將定子線圈固定到位的鴿尾槽。沖片背部的鴿尾槽是用于疊裝并安裝和固定在定位筋上。借用定位筋通過球墨鑄鐵壓圈施加的壓力將已裝好的沖片壓成一個(gè)剛性的柱形鐵心。壓力是通過端部壓圈下的無磁性壓指施加到鐵心齒部。18根彈簧板上的5道夾緊環(huán)將鐵心的徑向位移限制在安全的幅值范圍內(nèi)，有效減小了鐵心的振動(dòng)和運(yùn)行噪聲。為了降低因端部漏磁通引起的發(fā)熱和隨之產(chǎn)生的電磁損耗，本型發(fā)電機(jī)未設(shè)置磁屏蔽和電屏蔽，鐵心端部沖片呈階梯形式以增加沖片與轉(zhuǎn)子的間隙，以減少相應(yīng)損耗。沖片絕緣是采用一種含有Santocel成份的熱固型清漆。

3.1.3定子繞組由定子槽內(nèi)的絕緣線圈構(gòu)成，在兩端連接后形成線圈并經(jīng)并聯(lián)環(huán)引線連接成相應(yīng)的相帶。每相分成間隔180°的線圈組。定子線圈由采用Roebel方法換位的絕緣銅導(dǎo)線(多股)構(gòu)成，這樣，在定子線圈中每股導(dǎo)線沿線圈在徑向方向上平均等效為相同的位置。這種配置可避免負(fù)載下由于定子槽內(nèi)磁通量自感分布而造成環(huán)流損耗。數(shù)根換拉的單獨(dú)絕緣股線構(gòu)成了定子線圈，它的“對地絕緣”是采用了云母絕緣系統(tǒng)。該絕緣系統(tǒng)由熱固粘結(jié)劑粘結(jié)的數(shù)層云母帶構(gòu)成。這樣就形成了高密度、高電介質(zhì)強(qiáng)度系統(tǒng)，其在整個(gè)運(yùn)行溫度的范圍內(nèi)具有高的抗拉強(qiáng)度。為防止定子線圈在槽內(nèi)磨損，在鐵心部位應(yīng)用防護(hù)帶。為了將電暈效應(yīng)降至最低，在槽內(nèi)和超出鐵心數(shù)英寸的定子線圈位置涂上微導(dǎo)電漆(含石墨)。定子線圈端部外部包有數(shù)層帶子，保護(hù)云母絕緣，隨后噴上環(huán)氧漆。端部繞組被固定在模壓玻璃纖維環(huán)上，模壓玻璃纖維環(huán)是由定子鐵心壓圈支承的。采用了GE改進(jìn)的濕式綁扎結(jié)構(gòu)，用適型材料將壓力均布于繞組端部表面，用熱固型樹脂將玻璃纖維帶、間隔塊和適型材料粘結(jié)在一起，避免了線棒振動(dòng)引起的主絕緣磨損。定子線棒在槽內(nèi)是通過打緊在鴿尾槽內(nèi)的膠木板定子槽楔所固定。為測量繞組運(yùn)行溫度最高溫度點(diǎn)，在定子繞組的每相線圈間均設(shè)置6個(gè)電阻式測溫計(jì)。用8個(gè)風(fēng)溫測溫計(jì)來測量4個(gè)冷卻器中每一個(gè)冷卻器的進(jìn)口和出口處氣體溫度。測溫計(jì)引線穿過發(fā)電機(jī)機(jī)座上的氣密穿線法蘭連接到接線端子箱，從而與測溫儀器或繼電器相連接。

3.1.4發(fā)電機(jī)定子主出線從發(fā)電機(jī)機(jī)座勵(lì)端頂部的出線板引出。為了將感應(yīng)電流的損失和導(dǎo)線負(fù)載電流導(dǎo)致的熱降低至最低點(diǎn)，出線板采用非導(dǎo)磁的鋁材料。出線板與定子機(jī)座間配有密封墊片以防止氫氣泄漏。引出線通過氣密的高壓瓷套管引出，套管由配有銅導(dǎo)體的陶瓷絕緣子構(gòu)成。套管每端端子鍍銀。套管式電流互感器水平布置于頂部出線罩內(nèi)，其固定全面考慮了絕緣和散熱空間問題，出線罩底部開通風(fēng)孔，整個(gè)出線罩采用自然通風(fēng)冷卻?？紤]到安全問題，配備氫氣探測裝置監(jiān)測氫氣泄露情況。(見圖4)

3.2轉(zhuǎn)子裝配

發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子由整根高合金鋼鍛件機(jī)加工而成，鍛件經(jīng)過全面的試驗(yàn)以確保其能滿足所需的物理和化學(xué)性能。在轉(zhuǎn)子本體上徑向加工縱向槽以嵌入轉(zhuǎn)子線圈。在大齒部位加工的附加槽為轉(zhuǎn)子本體提供通風(fēng)。轉(zhuǎn)子線圈由非磁性鋼制槽楔固定在轉(zhuǎn)子的鴿尾槽內(nèi)以克服線圈離心力作用，本型發(fā)電機(jī)采用長槽楔結(jié)構(gòu)，減少了槽楔間的接頭，具有更好的負(fù)序承載能力。轉(zhuǎn)子繞組由彎曲成形的矩形銅排組成，分布在每個(gè)極的線圈構(gòu)成繞組。匝間相互絕緣，線圈與槽壁之間由壓制的槽襯絕緣。為了提供最好的通風(fēng)和冷卻條件，除交替的匝間絕緣之外，轉(zhuǎn)子繞組端部均為裸露，以利于散熱。在線圈與護(hù)環(huán)之間設(shè)有壓制的絕緣瓦，在繞組端部配有環(huán)氧玻璃塊以間隔和支承線圈并限制線圈在熱應(yīng)力和旋轉(zhuǎn)力下串動(dòng)。端部繞組由高強(qiáng)度、經(jīng)熱處理的合金鍛鋼18Mn18Cr重型護(hù)環(huán)固定以克服其線圈離心力，護(hù)環(huán)是熱套并鎖緊在轉(zhuǎn)子本體上的。通過集電環(huán)向轉(zhuǎn)子繞組提供勵(lì)磁電流，集電環(huán)是通過插入轉(zhuǎn)子鍛件中心孔的導(dǎo)電桿與轉(zhuǎn)子繞組電氣連接。在勵(lì)端，裝在轉(zhuǎn)子徑向孔內(nèi)的引線螺釘將繞組連接到導(dǎo)電桿上。勵(lì)端端部連接件采用彈性密封系統(tǒng)以保持氫氣密封。(見圖5、圖6)

圖5　轉(zhuǎn)子集電環(huán)導(dǎo)電螺釘

圖6　轉(zhuǎn)子護(hù)環(huán)、端部繞組及引線螺釘結(jié)構(gòu)

3.3端軸油裝配

發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子軸承，氫密封及密封油和潤滑油管路均裝在外端蓋內(nèi)，端蓋在水平中心分開以利于其拆卸。為密封機(jī)內(nèi)氣體，在端蓋兩半之間及端蓋與機(jī)座之間的合縫面上加工密封凹槽并填充密封膠。轉(zhuǎn)子軸承上配有球座安裝可自調(diào)心軸瓦。每個(gè)外端蓋、軸承內(nèi)側(cè)裝有軸封以防止氫氣沿軸泄漏。這種布置允許檢查發(fā)電機(jī)軸承而不用放機(jī)內(nèi)氣體。為防止軸電流，勵(lì)端軸承和密封座是與發(fā)電機(jī)機(jī)座絕緣的。汽端設(shè)有接地電刷裝置。內(nèi)端蓋位于在定

子繞組和外端蓋之間，并將由風(fēng)扇排出的氣體和進(jìn)入風(fēng)扇的氣體隔開。裝在內(nèi)端蓋上的氣封環(huán)是為了防止由風(fēng)扇排出的氣體漏回到風(fēng)扇的入口。端蓋上還裝設(shè)有測量軸振和軸承座振動(dòng)的接口。(見圖7)

3.4座板及底腳

發(fā)電機(jī)采用分體式底腳，底腳與機(jī)座采用鍵槽定位及螺栓把緊配合，發(fā)電機(jī)中心高調(diào)節(jié)采用特殊的20個(gè)彈性支撐裝置，無調(diào)節(jié)墊片。

圖7　端軸油裝配

3.5隔音刷架裝配

發(fā)電機(jī)隔音罩刷架結(jié)構(gòu)采用雙排碳刷交錯(cuò)安裝， 保證空間緊湊， 底架下部開有專門的排塵通風(fēng)道。刷架內(nèi)還安裝有氫氣探測裝置和防火探頭， 底部裝有電加熱器， 防止停機(jī)時(shí)機(jī)組受潮。

4　發(fā)電機(jī)型式試驗(yàn)

由于本型發(fā)電機(jī)在哈電公司是首臺(tái)制造，廠內(nèi)進(jìn)行了型式試驗(yàn)，用以檢測設(shè)計(jì)和制造質(zhì)量。表2、表3列出了主要的試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)。

表2　燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)振動(dòng)測試結(jié)果

表3　燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)型式試驗(yàn)結(jié)果匯總表

5　結(jié)語

全氫冷燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)是GE燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)產(chǎn)品中重要的系列，發(fā)電機(jī)輔助設(shè)備少，維護(hù)簡單，運(yùn)行可靠性高。工廠型式試驗(yàn)結(jié)果表明，發(fā)電機(jī)各個(gè)部位溫升較低，轉(zhuǎn)子各個(gè)部位振動(dòng)幅值均在國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 7064—2008優(yōu)質(zhì)范圍內(nèi)，效率可達(dá)99.10%。

[1]汪耕，李希明.大型汽輪發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)、制造與運(yùn)行[M].上海：上海科學(xué)技術(shù)出版社2000.

袁昌健，1973年生，1998年畢業(yè)于湖南大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院機(jī)械專業(yè)，現(xiàn)于哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司產(chǎn)品設(shè)計(jì)部從事大型汽輪發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、分析工作，高級(jí)工程師。