450H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，馬 健

(哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司，黑龍江哈爾濱 150040)

0 引言

隨著我國電力市場的大力發(fā)展，清潔能源和環(huán)保越來越受到重視，隨著近年來國家電力發(fā)展政策的調(diào)整，當(dāng)今國內(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)2017年得到了國內(nèi)首臺H級燃機(jī)軍糧城項(xiàng)目一臺9HA．01機(jī)組的生產(chǎn)制造合同，機(jī)組為多軸一拖一形式配置，9HA．01燃機(jī)配450H全氫冷燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)，余熱部分為GE最新A651汽輪機(jī)配哈電空冷200 MW機(jī)組。GE公司的重型燃?xì)廨啓C(jī)是當(dāng)今世界上正式投入商業(yè)運(yùn)行技術(shù)成熟度最高的燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組之一，首臺450H發(fā)電機(jī)機(jī)組于2006年在西班牙投入商業(yè)運(yùn)行。軍糧城項(xiàng)目燃機(jī)發(fā)電機(jī)額定容量為442 MW，最大容量可達(dá)470 MW左右。國內(nèi)的燃?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)最為知名的“三大動力”轉(zhuǎn)讓的燃?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)[2]，軍糧城項(xiàng)目配套的450H發(fā)電機(jī)是哈電制造的首臺此機(jī)型機(jī)組。

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

450H發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)沿襲了GE公司發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)系列化，模塊化的特點(diǎn)，很多結(jié)構(gòu)跟GE324及390H機(jī)組類似，但也有一些新的結(jié)構(gòu)應(yīng)用于450H發(fā)電機(jī)，相比390H發(fā)電機(jī)其整體拉長，鐵心內(nèi)外徑增加，滿足了電磁容量增長的需要。450H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。

表1 450H燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)基本設(shè)計(jì)參數(shù)

2 通風(fēng)設(shè)計(jì)

450H氫冷發(fā)電機(jī)為全封閉式，運(yùn)行時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)座四個角上的冷卻器架上。在每臺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)，軸向通風(fēng)并具有單獨(dú)的風(fēng)葉，風(fēng)葉被固定在靠近轉(zhuǎn)子兩端的一體風(fēng)扇座環(huán)上。氣體的進(jìn)、出和離開風(fēng)扇是由導(dǎo)風(fēng)環(huán)控制的。轉(zhuǎn)子通風(fēng)采用氣體表面外冷轉(zhuǎn)子技術(shù)，本體采用斜副槽通風(fēng)，轉(zhuǎn)子端部兩路通風(fēng)，端部繞組下、進(jìn)入副槽及轉(zhuǎn)子線圈和槽楔上的孔徑向流入氣隙里的氣體內(nèi)冷卻轉(zhuǎn)子。定子通風(fēng)采用通過風(fēng)扇使氫氣強(qiáng)制流入氣隙及定子鐵心背部周圍的方式。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)，這種定子多路通風(fēng)方式可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。多路通風(fēng)結(jié)構(gòu)整體效率高，對風(fēng)扇壓力要求低。發(fā)電機(jī)通風(fēng)系統(tǒng)如圖2所示。

1.定子； 2.轉(zhuǎn)子； 3.出線罩； 4.隔音刷架；5.底腳； 6.中性點(diǎn)罩； 7.端蓋、軸承及油密封；8.冷卻器； 9.盤車裝置圖1 450H燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)外形圖

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)拖動的單獨(dú)勵磁的轉(zhuǎn)子在靜止定子膛內(nèi)旋轉(zhuǎn)，由發(fā)電機(jī)機(jī)座上端蓋內(nèi)的軸承支承。在保持氫氣壓力、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)連接的其他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)不但能夠承受正常運(yùn)行工況，而且還能夠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)的底腳支撐在基礎(chǔ)上。機(jī)座也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)座由一個焊接結(jié)構(gòu)的氣密圓柱體的整體式外殼構(gòu)成，見圖3。機(jī)座外殼由優(yōu)質(zhì)鋼板滾制成圓筒拼焊而成，整個機(jī)座焊后經(jīng)過消除應(yīng)力處理和嚴(yán)格的氣密試驗(yàn)。因此，機(jī)座具有足夠的剛、強(qiáng)度以及氣密性。機(jī)座內(nèi)部為適應(yīng)通風(fēng)冷卻的需要，共分成7個風(fēng)區(qū)，其中3個進(jìn)風(fēng)區(qū)，4個出風(fēng)區(qū)。機(jī)座頂部留有安裝出線罩的座板，機(jī)座兩側(cè)共有4組底腳和4個可拆卸吊攀。機(jī)座底部設(shè)有人孔、排污接口和用以連接氫、油、控制系統(tǒng)的連接法蘭接口。定子機(jī)座與鐵心之間采用組合式定位筋彈簧板系統(tǒng)連接，將定子鐵心的徑向和切向電磁振動與機(jī)座隔離，減少機(jī)座和鐵心振動。同時其剛強(qiáng)度又足以承受內(nèi)部的氫氣爆炸對發(fā)電機(jī)殼體和周圍部件的破壞。

圖3 發(fā)電機(jī)定子機(jī)座(未顯示外殼)

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而成，每張沖片4個槽，每一圓周18片，由薄硅鋼板沖制而成。采用交錯平疊方式將沖片裝到定位筋的鴿尾上，共分為174段，段之間用通風(fēng)槽鋼隔開以形成徑向通風(fēng)道。定子鐵心設(shè)計(jì)有嵌定子線圈的開口槽和固定槽楔以將定子線圈固定到位的鴿尾槽。沖片背部的鴿尾槽是用于鐵心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剛性的柱形鐵心。壓力通過端部壓圈下的無磁性壓指施加到鐵心齒部。鐵心外徑由5道夾緊環(huán)將鐵心的徑向位移限制在安全可允許的幅值范圍內(nèi)，有效減小了鐵心的振動和運(yùn)行噪聲。為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)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，減少相應(yīng)損耗。沖片絕緣使用EB5001G水溶性酚醛硅鋼片漆。

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，每股導(dǎo)線在定子線圈中沿線圈在徑向方向上占有相等的長度。這種配置可避免負(fù)載下由于定子槽內(nèi)磁通量的自感分布而造成環(huán)流損耗。由于450H定子線棒主絕緣只有3.05 mm，場強(qiáng)達(dá)6.23 kV/mm，是哈電空冷、氫外冷(燃?xì)?汽輪發(fā)電機(jī)組有史以來最高場強(qiáng)，其絕緣薄、高寬比大，線棒制造難度高，吊裝、轉(zhuǎn)運(yùn)、裝配風(fēng)險(xiǎn)大。GE設(shè)計(jì)采用MICAPAL Ⅲ絕緣系統(tǒng)，不適合哈電工藝制造，故哈電自主開發(fā)了VPI云母絕緣系統(tǒng)，線棒在制造過程中進(jìn)行了多項(xiàng)電氣和機(jī)械試驗(yàn)，整個線棒絕緣為高密度、高電介質(zhì)強(qiáng)度系統(tǒng)，在整個運(yùn)行溫度的范圍內(nèi)具有高的抗拉強(qiáng)度。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，保護(hù)云母絕緣的防暈帶，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)由定子壓圈上的絕緣支架支撐的。定子繞組采用了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、間隔塊和適型材料黏結(jié)在一起，避免了線棒振動引起的主絕緣磨損。GE公司這種整體滑移端部結(jié)構(gòu)有超過35+年/500臺的無磨損使用紀(jì)錄。定子端部綁扎固化的一體化結(jié)構(gòu)有效保障了端部結(jié)構(gòu)承受故障轉(zhuǎn)矩能力，軸向滑移機(jī)構(gòu)避免了熱膨脹產(chǎn)生的應(yīng)力集中。定子線棒在槽內(nèi)是通過打緊在鴿尾槽內(nèi)的膠木板定子槽楔固定的，頂部及側(cè)面設(shè)置波紋板固定線棒。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個電阻式測溫計(jì)，有8個風(fēng)溫測溫計(jì)來測量4個冷卻器中每一個冷卻器的進(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)座上的航空端子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)致的發(fā)熱降低至最低點(diǎn)，出線板采用非導(dǎo)磁不銹鋼材料。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，套管兩端端子鍍銀。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，整個出線罩采用自然通風(fēng)冷卻?？紤]到安全問題，電機(jī)配備氫氣探測裝置監(jiān)測氫氣泄露情況。具體結(jié)構(gòu)見圖4所示。

1.絕緣支架; 2.滑移機(jī)構(gòu); 3.壓圈; 4.定子線棒;5.永久環(huán); 6.銅屏蔽; 7.并聯(lián)環(huán); 8.高壓瓷套管;9.玻璃纖維環(huán)圖4 定子端部出線及整體滑移的結(jié)構(gòu)

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，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，并設(shè)置葉形彈簧壓緊的阻尼結(jié)構(gòu)，確保機(jī)組可以承受靜態(tài)啟動的諧波電流影響。槽部和端部采用滑移材料以適應(yīng)頻繁啟動及LCI變頻啟動要求。在繞組端部配有環(huán)氧玻璃塊以間隔和支撐線圈并限制線圈在熱應(yīng)力和旋轉(zhuǎn)力下串動。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)熱套并鎖緊在轉(zhuǎn)子本體上。轉(zhuǎn)子繞組提供勵磁電流通過集電環(huán)提供，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，具體結(jié)構(gòu)見圖5、圖6。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，勵端端部連接件采用彈性密封系統(tǒng)以保持氫氣密封。

1.轉(zhuǎn)軸; 2.導(dǎo)電桿; 3.集電環(huán); 4.導(dǎo)電螺釘圖5 轉(zhuǎn)子集電環(huán)導(dǎo)電螺釘

1.護(hù)環(huán); 2.轉(zhuǎn)子端部繞組; 3.引線螺釘圖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

如圖7所示，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。這種布置可允許檢查發(fā)電機(jī)軸承而不用釋放機(jī)內(nèi)氣體。為防止軸電流，勵端軸承和密封座是與發(fā)電機(jī)機(jī)座絕緣的。燃機(jī)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的接口。為滿足軸系振動和臨界轉(zhuǎn)速要求，450H發(fā)電機(jī)勵端采用了分塊可傾瓦結(jié)構(gòu)，燃機(jī)端仍采用橢圓瓦結(jié)構(gòu)。發(fā)電機(jī)采用單流環(huán)式油密封系統(tǒng)，密封瓦由鍛鋼加工而成，內(nèi)圓表面鑄有軸承合金。油密封裝置位于發(fā)電機(jī)兩端端蓋內(nèi)，其功能為通過軸徑與密封瓦之間的壓力油膜阻止氫氣外逸。單流環(huán)即密封瓦的氫側(cè)和空側(cè)共用同一股油源，空側(cè)回油直接返回回油箱，氫側(cè)回油返回氫油分離箱，以消除油中少量的氫。密封油與氫氣的壓差通過壓差閥自動維持，在任何運(yùn)行狀態(tài)下油壓保持高于氫壓0.035 MPa。

1.端蓋； 2.軸瓦； 3.密封瓦圖7 端軸油裝配

3．4 座板及底腳

如圖8結(jié)構(gòu)所示，發(fā)電機(jī)定子由位于機(jī)座兩側(cè)的內(nèi)外底腳支撐。在基礎(chǔ)與底腳間裝有找平裝置(座板調(diào)節(jié)器)，無需調(diào)節(jié)墊片，隔離來自發(fā)電機(jī)振動的同時，又可以在發(fā)電機(jī)的垂直方向起找準(zhǔn)及支撐作用，二次灌漿時埋入。定子機(jī)座兩端左右兩側(cè)設(shè)有橫向支撐，用來找準(zhǔn)發(fā)電機(jī)中心。利用埋入基礎(chǔ)螺栓來固定發(fā)電機(jī)定子。機(jī)組在運(yùn)行狀態(tài)各部分溫度將發(fā)生變化，導(dǎo)致產(chǎn)生徑向力和切向力作用于發(fā)電機(jī)上，為了保證機(jī)組縱向和橫向中心有良好的定位，系列發(fā)電機(jī)在靠近定子中心左右兩側(cè)設(shè)有縱向支撐，在機(jī)座兩端下半端蓋中心線上設(shè)有橫向定位鍵。

圖8 座板及底腳

3．5 隔音刷架裝配

如圖9結(jié)構(gòu)所示，發(fā)電機(jī)隔音罩刷架結(jié)構(gòu)由導(dǎo)電環(huán)和導(dǎo)電塊組成，導(dǎo)電環(huán)材質(zhì)為硬銅板。每個導(dǎo)電環(huán)上分別裝設(shè)有12個組合式刷握，每個刷握可安裝5個電刷，共計(jì)60個電刷，采用雙排碳刷交錯安裝，保證空間緊湊。刷架與集電環(huán)有獨(dú)立的通風(fēng)系統(tǒng)，冷空氣由兩個集電環(huán)的內(nèi)側(cè)進(jìn)入，外側(cè)出去，由裝在轉(zhuǎn)子軸頭上的槳式風(fēng)扇驅(qū)動，底架下部開有專門的排塵通風(fēng)道，內(nèi)嵌可更換的空氣過濾濾芯。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)時機(jī)組受潮。為了減小機(jī)組的噪聲，在刷架集電環(huán)部位加裝隔音罩，隔音罩內(nèi)壁附有吸音材料，以降低機(jī)組運(yùn)行時的噪聲。

圖9 隔音罩刷架結(jié)構(gòu)

4 發(fā)電機(jī)型式試驗(yàn)

哈電首臺制造的本型發(fā)電機(jī)在廠內(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

續(xù)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450H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，既可以配多軸的9H級燃機(jī)，也可以配單軸的9F級燃機(jī)，應(yīng)用范圍非常廣泛。氫冷發(fā)電機(jī)輔助設(shè)備少，維護(hù)簡單，運(yùn)行可靠性高。哈電工廠型式試驗(yàn)結(jié)果表明，發(fā)電機(jī)各個部位溫升較低，轉(zhuǎn)子各個部位振動幅值均在國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 7064—2008優(yōu)質(zhì)范圍內(nèi)，效率達(dá)到99.08%。