6 MW 60 Hz整浸空冷汽輪發(fā)電機設計

董江偉，胡金巖，陳 旭，辛 雷，袁 林

(山東齊魯電機制造有限公司，山東濟南 250100)

0 引言

隨著國外市場對60 Hz空冷汽輪發(fā)電機產品需求的不斷增加，公司需開發(fā)更多60 Hz產品以滿足市場的需求，VPI(Vacuum Pressure Impregnation)整浸空冷汽輪發(fā)電機具有效率高，故障率低的特點，深受用戶青睞。公司決定把國內技術與國外技術結合起來，借用WX14Z產品的結構，開發(fā)一種6 MW 60 Hz新型VPI整浸空冷汽輪發(fā)電機。

1 方案設計

我公司引進的WX產品采用系列化、模塊化設計，從便于制圖、采購和制造角度出發(fā)，保持截面不變，而只改變長度最為方便經濟。因此電磁設計通常建立在有規(guī)律分布的幾檔直徑和長度上。模塊化設計時，針對每個截面可選定最小和最大長度、確定最小和最大功率，在機械特性、通風和效率等相應的極限下進行設計。最大長度限定的要求是：不需要昂貴的結構部件并能解決問題。最小長度則受到性能要求的限定，應在合理的利用系數(shù)下保持理想的效率[1]。

設計基本參數(shù)

額定功率：6 000 kW

功率因數(shù)：0.8

額定電壓：13 800 V

額定轉速：3 600 r/min

6 MW發(fā)電機用引進電磁計算程序進行計算，最大效率96%，遠低于6 MW效率97.8%的國標最低要求。因此需要用國內的電磁計算程序進行計算，首先是定子鐵心內徑的確定，WX14Z產品定子鐵心內徑760 mm，該內徑與國產12 MW定子鐵心內徑762 mm基本一致，可以在12 MW計算單的基礎上改進，有了定子鐵心內徑就可以對定子鐵心長度進行選擇，計算電機利用系數(shù)。

電磁功率S公式為：

S=CD2ln

式中：C為電機利用系數(shù)；D為定子鐵心內徑；l為定子鐵心有效長度；n為轉速。

對于一般空氣冷卻的電機，其利用系數(shù)約為1.5～9，并且隨著容量增加利用系數(shù)也在增大[2]，原有12 MW發(fā)電機利用系數(shù)計算12 000=C×0.7622×2×3 000，得出C=3.4。WX14Z最短檔1 020 mm(方案1)、1 260 mm(方案2)檔數(shù)據(jù)見表1。

表1 方案對照參數(shù)表

從電機利用系數(shù)看，方案1更好一些。發(fā)電機設計主要的公式：

W1=Sn1·p·q1/a1；q1=Z1/(6p)

式中：E為相電勢；KW1為定子繞組系數(shù)；W1為定子繞組每相串聯(lián)匝數(shù)；f為頻率；Bδ為氣隙磁密；aδ為極弧系數(shù)；lδ為氣隙長度；D為氣隙平均直徑；p為極對數(shù)；Z1為定子槽數(shù)；Sn1為每槽導體數(shù)；q1為每極每相槽數(shù)。由上述公式可確定槽數(shù)等其他輸入數(shù)據(jù)。

方案1長度1 020 mm短，槽數(shù)66多，經計算出槽口線圈間距21；方案2長度1 260 mm長一些，槽數(shù)54，出槽口線圈間距29。因額定電壓13.8 kV，出槽口線圈間距不能過小，21雖然偏小但也滿足設計要求。輸入數(shù)據(jù)設計完畢，具體輸出數(shù)據(jù)見表2。

表2 方案輸出數(shù)據(jù)表

60 Hz一般用于國外項目，國內項目短路比FK0≥0.35。國外項目有的要求比較高，需要≥0.5；超瞬變電抗Xd”v國內項目≥0.1，國外項目有的≥0.15；效率N%方案1滿足國標要求，方案2稍小。從方案1和方案2的定子繞組溫升@CU1、定子鐵心溫升@FE、轉子繞組的平均溫升@CU2來看，離限制溫度還比較遠，發(fā)6 MW都不處于滿發(fā)狀態(tài)，有比較大的超發(fā)裕量。分析方案1和方案2，方案1更適合6 MW，方案2可用于更大容量的產品。

2 結構設計

該型空冷汽輪發(fā)電機主要由定子(含端蓋)、轉子、軸承、勵磁機幾大部分組成，采用定子空外冷、轉子空外冷冷卻方式，經濟性好。結構示意見圖1。

圖1 發(fā)電機結構

2.1 定子

我國國內定子線圈傳統(tǒng)方法是模壓線圈，相比模壓線圈，引進技術的整浸線圈有以下優(yōu)點：

(1) 設計簡單，研發(fā)時間短。模壓線圈圖紙設計計算復雜，耗費時間多；整浸線圈采用引進的專用程序計算，設計時間短，新產品研發(fā)快，可用于交貨時間短的產品。

(2) 制造工藝簡單。采用少膠云母帶連續(xù)包繞繞組，嵌入定子鐵心后再整體浸漬，相比整浸線圈節(jié)省工時，簡化制造過程，降低成本，不易損傷繞組絕緣。

(3) 整浸可提高電機繞組的整體性，消除定子繞組位移引起的絕緣磨損，不容易發(fā)生匝間短路故障及更嚴重的定子繞組接地故障。

(4) 整浸提高定子繞組和定子鐵心的導熱性，降低電機的運行溫度，提高了壽命。

(5) 電機適應環(huán)境條件的能力強，保證了機組在高濕度、高帶電粒子、高海拔情況下的安全運行。

(6) 填充了絕緣內部微孔和薄層間隙，并在絕緣表面形成了一層光滑而富有彈性的漆膜，使絕緣的均勻性、連續(xù)性和密實程度得到極大的改善，可有效地防止發(fā)生電暈現(xiàn)象。

2.2 轉子

從電磁計算可知，轉子繞組的平均溫升@CU2為55 K，遠小于90 K，因此放棄了性能好的轉子空心導線設計，轉而用經濟性更好的實心導線。定子繞組溫升@CU1、定子鐵心溫升@FE也很低。轉子風扇選用離心式風扇，該風扇產生的壓頭高，流量較小，效率約為30%[2]。中小型發(fā)電機通風系統(tǒng)最常采用離心式風扇，因為它能產生較高的壓力。

2.3 軸承

發(fā)電機軸承采用φ200 mm×180 mm窄軸承，不再采用φ200 mm×200 mm寬軸承，小寬徑比更適合60 Hz產品，其優(yōu)點是增大壓力(單位面積載荷)而提高運轉穩(wěn)定性；增加流量而降低溫升；減小摩擦面積而降低摩擦損耗；減小軸向尺寸而減少占用空間[3]。

軸瓦材料選用ZG230-450，軸承座材料為HT200。軸瓦測溫元件選用WZPM2-201端面熱電阻，使測溫探頭與軸瓦充分接觸，提高了測量準確度。

2.4 勵磁機

勵磁機用JL-50勵磁機，發(fā)電機空載額定電壓時勵磁機所需勵磁功率1.17 A×12.5 V(20 ℃)，發(fā)電機額定負載時勵磁機所需勵磁功率3.33 A×49.7 V(120 ℃)，發(fā)電機強勵時勵磁機所需最大勵磁功率(強勵時間不大于15 s)5.8 A×87 V。結構上考慮到通用性，60 Hz勵磁機與50 Hz勵磁機通用。

3 性能對比

型式試驗后設計值、試驗值與GB/T 21663—2008《小容量節(jié)能環(huán)保隱極同步發(fā)電機技術要求》進行對比，見表3。

表3 性能要求

由表中數(shù)據(jù)可知，6 MW 13.8 kV 60 Hz整浸發(fā)電機在效率、振動、溫升等參數(shù)上均能滿足國標要求，且留有較大的溫升裕量，短路比、超瞬變電抗值高，適合幾乎所有國外項目的特殊要求，具有通用性強的特點。

4 結語

6 MW 60 Hz整浸空冷汽輪發(fā)電機是WX14Z能設計的最小功率的發(fā)電機，該發(fā)電機的成功研制為系列電機的研發(fā)奠定基礎，今后6～25 MW之間的60 Hz整浸發(fā)電機研發(fā)不需要改動截面，改變長度就能設計完成，并能借用原來的工裝工藝，降低設計研發(fā)成本，縮短設計研發(fā)時間。該型整浸空冷汽輪發(fā)電機的成功研發(fā)，為用戶提供了更多選擇，提高了公司國外60 Hz市場的競爭力。