首臺(tái)700MW級(jí)雙水內(nèi)冷汽輪發(fā)電機(jī)增容提效關(guān)鍵技術(shù)研究

京能（錫林郭勒）發(fā)電有限公司 白音高老

雙水內(nèi)冷汽輪發(fā)電機(jī)在各個(gè)領(lǐng)域當(dāng)中的應(yīng)用都十分廣泛，通過(guò)增加雙水內(nèi)冷汽輪發(fā)電機(jī)的額定功率來(lái)實(shí)現(xiàn)其增容提效，是當(dāng)前發(fā)電公司的重要工作目標(biāo)。目前雙水內(nèi)冷汽輪發(fā)電機(jī)額定功率為660MW，在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)700MW雙水內(nèi)冷汽輪發(fā)電機(jī)的增容提效，能夠?yàn)榘l(fā)電公司帶來(lái)更多經(jīng)濟(jì)效益。

1 項(xiàng)目概況分析

當(dāng)前進(jìn)行試驗(yàn)的項(xiàng)目為特高壓配套的清潔發(fā)電項(xiàng)目，超臨界間接空冷機(jī)組工程的額定功率為2×660MW，而超臨界界間接空冷機(jī)組中所使用的發(fā)電機(jī)為雙水內(nèi)冷汽輪發(fā)電機(jī)，額定功率為660MW、進(jìn)水溫度38℃、頻率為50赫茲、功率因數(shù)0.9、額定轉(zhuǎn)速每分鐘3000轉(zhuǎn)。

基于此，為了更好地提高超臨界界間接空冷機(jī)組的運(yùn)行效率，就需要提高水內(nèi)冷汽輪發(fā)電機(jī)的功率，使其為超臨界界間接空冷機(jī)組的運(yùn)行提供更加堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。由于目前對(duì)于700MW雙水內(nèi)冷汽輪發(fā)電機(jī)的理論基礎(chǔ)已完成并獲得試驗(yàn)，并應(yīng)用了大負(fù)荷試驗(yàn)和VWO工況試驗(yàn)，來(lái)進(jìn)一步檢驗(yàn)了700MW雙水水內(nèi)冷汽輪發(fā)電機(jī)的運(yùn)行性能，得出700MW雙水內(nèi)冷汽輪發(fā)電機(jī)相比較于660MW的水內(nèi)冷汽輪發(fā)電機(jī)功率容量更大、出力能力更強(qiáng)、絕緣性好、運(yùn)行效率高等優(yōu)勢(shì)的結(jié)論，尤其是對(duì)于高海拔地區(qū)來(lái)說(shuō)，能夠更好地提升水內(nèi)冷汽輪發(fā)電機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性，不僅大大提升了供電的效率和質(zhì)量，還為發(fā)電公司獲取了更多的經(jīng)濟(jì)效益。

本文的研究項(xiàng)目，主要是對(duì)700MW雙水內(nèi)冷汽輪發(fā)電機(jī)中的空冷器、轉(zhuǎn)冷水冷卻器換熱效率及集電環(huán)刷架電流密度分布等技術(shù)進(jìn)行研究，從而更好地分析700MW雙水內(nèi)冷汽輪發(fā)電機(jī)的增容提效技術(shù)，在此基礎(chǔ)上對(duì)700MW雙水內(nèi)冷汽輪發(fā)電機(jī)進(jìn)行空冷器、轉(zhuǎn)子冷卻器和集電環(huán)刷架的換熱試驗(yàn)，并測(cè)定700MW雙水內(nèi)冷汽輪發(fā)電機(jī)在168小時(shí)的持續(xù)運(yùn)行狀態(tài)下，各項(xiàng)性能的運(yùn)行效果，來(lái)為700MW雙水內(nèi)冷汽輪發(fā)電機(jī)的增容提效關(guān)鍵技術(shù)的探究，提供更多的有效幫助[1]。

2 首臺(tái)700MW級(jí)雙水內(nèi)冷汽輪發(fā)電機(jī)增容提效關(guān)鍵技術(shù)

2.1 建立增容提效技術(shù)路線

在對(duì)700MW雙水內(nèi)冷汽輪發(fā)電機(jī)進(jìn)行增容提效研究時(shí)，首先要做的就是對(duì)700MW雙水內(nèi)冷汽輪發(fā)電機(jī)建立增容提效技術(shù)路線。此時(shí)技術(shù)人員需優(yōu)化雙水內(nèi)冷汽輪發(fā)電機(jī)的運(yùn)行邊界條件，并對(duì)雙水內(nèi)冷汽輪發(fā)電機(jī)中的空氣冷卻器、轉(zhuǎn)子冷卻水裝置等組成部分的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化和完善，進(jìn)而將雙水內(nèi)冷汽輪發(fā)電機(jī)的660MW額定功率提升為700MW。

雙水內(nèi)冷汽輪發(fā)電機(jī)的運(yùn)行邊界條件的優(yōu)化可分為三部分：首先，通過(guò)對(duì)雙水內(nèi)冷汽輪發(fā)電機(jī)中空氣冷卻器的換熱效率進(jìn)行研究，來(lái)進(jìn)一步論證雙水內(nèi)冷汽輪發(fā)電機(jī)的增容方案。在對(duì)雙水內(nèi)冷汽輪發(fā)電機(jī)的運(yùn)行邊界條件進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，可提高雙水內(nèi)冷汽輪發(fā)電機(jī)空氣冷卻器換熱能力，并降低其邊端熱芯溫度，進(jìn)而提高空氣冷卻器的換熱效率；其次，通過(guò)對(duì)雙水內(nèi)冷汽輪發(fā)電機(jī)中的轉(zhuǎn)子冷卻器的換熱能力進(jìn)行提高，同時(shí)降低雙水內(nèi)冷汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組的溫升，能有效提升雙水內(nèi)冷汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子冷卻器的換熱效率，實(shí)現(xiàn)對(duì)雙水內(nèi)冷汽輪發(fā)電機(jī)的增容；最后，需對(duì)雙水內(nèi)冷汽輪發(fā)電機(jī)中的集電環(huán)刷架的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，完善集電環(huán)刷架的電流密度。可通過(guò)降低集電環(huán)刷架的碳刷載流密度，以及增加碳刷在集電環(huán)上的分布密度來(lái)實(shí)現(xiàn)。

2.2 計(jì)算設(shè)備技術(shù)參數(shù)

在對(duì)700MW雙水內(nèi)冷汽輪發(fā)電機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)前，首先要對(duì)各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)的參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，主要包括700MW雙水內(nèi)冷汽輪發(fā)電機(jī)的定子鐵芯溫度、定子端部結(jié)構(gòu)件溫度、轉(zhuǎn)子繞組出水溫度以及碳刷與滑環(huán)接觸面溫度。通常在700MW雙水內(nèi)冷汽輪發(fā)電機(jī)中轉(zhuǎn)子繞組出水溫度最低，應(yīng)保持在90℃以下；其次，對(duì)于定子端部結(jié)構(gòu)件溫度以及碳刷與滑環(huán)接觸面溫度都應(yīng)設(shè)置為不超過(guò)130℃，而定子鐵芯溫度則保持在120℃以下，進(jìn)而在此基礎(chǔ)上進(jìn)行進(jìn)一步的試驗(yàn)。

對(duì)于700MW雙水內(nèi)冷汽輪發(fā)電機(jī)的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)的參數(shù)計(jì)算，應(yīng)如下所示，從而在進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)更好地對(duì)700MW雙水內(nèi)冷汽輪發(fā)電機(jī)的運(yùn)行性能進(jìn)行檢測(cè)，確保其符合試驗(yàn)要求。700MW雙水內(nèi)冷汽輪發(fā)電機(jī)功率（MW）分別為700、525、350時(shí)的參數(shù)為：定子電流（kA）20.08/15.60/35，冷卻水入口水溫（℃）36/36/35，線圈最高溫度（℃）60/51/43，空氣進(jìn)風(fēng)溫度（℃）40/40/40，鐵芯最高溫度（℃）82/79/77。

2.3 可行性分析

首先是對(duì)發(fā)熱部件損耗進(jìn)行分析。將700MW雙水內(nèi)冷汽輪發(fā)電機(jī)與660MW雙水內(nèi)冷汽輪發(fā)電機(jī)進(jìn)行對(duì)比和計(jì)算后可知，700MW雙水內(nèi)冷汽輪發(fā)電機(jī)整體工況較高，其額定電流和額定電壓都較大，因此發(fā)熱部件損耗也就更大；其次是對(duì)空氣冷卻器所帶走的損耗進(jìn)行分析，與660MW雙水內(nèi)冷汽輪發(fā)電機(jī)進(jìn)行對(duì)比可知，雖然發(fā)熱部件損耗更大，但在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中由于對(duì)運(yùn)行邊界條件進(jìn)行了優(yōu)化，使得空氣冷卻器的換熱能力得以提升，進(jìn)而讓空氣冷卻器帶走的損耗也更多，因此并不影響運(yùn)行性能；最后是對(duì)集電環(huán)損耗進(jìn)行分析，700MW雙水內(nèi)冷汽輪發(fā)電機(jī)出力能力更強(qiáng)，且發(fā)電機(jī)集電環(huán)損耗只有電損耗較高，其他損耗指標(biāo)與660MW雙水內(nèi)冷汽輪發(fā)電機(jī)相同。通過(guò)刷握數(shù)量能有效控制集電環(huán)損耗。

基于此，在660MW額定功率基礎(chǔ)上將雙水內(nèi)冷汽輪發(fā)電機(jī)的額定功率升級(jí)為700MW的試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)各項(xiàng)設(shè)備技術(shù)指標(biāo)的計(jì)算和對(duì)比分析，確定700MW雙水內(nèi)冷汽輪發(fā)電機(jī)增容提效具有可行性。

2.4 構(gòu)建試驗(yàn)方案

對(duì)于700MW雙水內(nèi)冷汽輪發(fā)電機(jī)的增容提效是在660MW雙水內(nèi)冷汽輪發(fā)電機(jī)的基礎(chǔ)上來(lái)進(jìn)行結(jié)構(gòu)改造和優(yōu)化的。在開(kāi)展試驗(yàn)的前期，最先是調(diào)整額定冷卻水的進(jìn)水溫度，在原有額定溫度基礎(chǔ)上進(jìn)行降低，由38℃降低為33℃，額定功率因素保持在0.9PF；對(duì)于空氣冷卻器的增容，必須要保證接口尺寸和安裝尺寸固定不變，主要是通過(guò)優(yōu)化空氣冷卻器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)來(lái)提高其容量和換熱能力，以便于能夠帶走更多的損耗，進(jìn)而降低定子鐵心及端部結(jié)構(gòu)件的溫升。對(duì)于轉(zhuǎn)子水冷卻器的增容，需在轉(zhuǎn)子水冷卻器中增加散熱板片的數(shù)量來(lái)提高其換熱能力，利用轉(zhuǎn)子水冷卻器帶走更多的損耗來(lái)降低轉(zhuǎn)子線圈出水溫升。

集電環(huán)刷架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，只需在其周?chē)黾铀⑽盏臄?shù)量來(lái)提高集電環(huán)的刷碳量，同時(shí)還能夠降低電刷載流密度，進(jìn)而降低滑環(huán)與碳刷接觸面的溫度；在試驗(yàn)過(guò)程中，需對(duì)700MW雙水內(nèi)冷汽輪發(fā)電機(jī)中各個(gè)組成部件的溫升值進(jìn)行計(jì)量，還需收集繞組端部、主引線等結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的模態(tài)變化等數(shù)據(jù)，用來(lái)評(píng)估其運(yùn)行性能，并進(jìn)一步判斷是否存在運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。此時(shí)可對(duì)其進(jìn)行溫升試驗(yàn)或額定出力試驗(yàn)，來(lái)確保所收集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和全面性。此外，在進(jìn)行700MW雙水內(nèi)冷汽輪發(fā)電機(jī)增容提效試驗(yàn)時(shí)，還要通過(guò)短路及空載試驗(yàn)確定其特性參數(shù)，以及進(jìn)相試驗(yàn)判斷其進(jìn)相能力[2]。

3 結(jié)果與評(píng)價(jià)

通過(guò)對(duì)700MW雙水內(nèi)冷汽輪發(fā)電機(jī)開(kāi)展增容提效的試驗(yàn)，可以明確700MW雙水內(nèi)冷汽輪發(fā)電機(jī)的技術(shù)線路具有合理性，能夠滿足當(dāng)前雙水內(nèi)冷汽輪發(fā)電機(jī)的運(yùn)行要求，并且沒(méi)有影響雙水內(nèi)冷汽輪發(fā)電機(jī)的穩(wěn)定性；同時(shí)在700MW雙水內(nèi)冷汽輪發(fā)電機(jī)增容提效的試驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)對(duì)其運(yùn)行邊界條件的優(yōu)化以及試驗(yàn)，得到了700MW雙水內(nèi)冷汽輪發(fā)電機(jī)中各項(xiàng)設(shè)備技術(shù)指標(biāo)的參數(shù)，從而與660MW雙水內(nèi)冷汽輪發(fā)電機(jī)進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)700MW雙水內(nèi)冷汽輪發(fā)電機(jī)的運(yùn)行效果更好?；诖?，可以明確不僅700MW雙水內(nèi)冷汽輪發(fā)電機(jī)的運(yùn)行性能良好，對(duì)于雙水內(nèi)冷汽輪發(fā)電機(jī)的增容提效也有著充分的可行性，通過(guò)此次試驗(yàn)，為后續(xù)雙水內(nèi)冷汽輪發(fā)電機(jī)改善和升級(jí)提供了更加有效地幫助[3]。

4 結(jié)語(yǔ)

在660MW雙水內(nèi)冷汽輪發(fā)電機(jī)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)對(duì)700MW雙水內(nèi)冷汽輪發(fā)電機(jī)的增容提效，通過(guò)進(jìn)行升溫實(shí)驗(yàn)滿足了其可行性的指標(biāo)。值得注意的是，在試驗(yàn)的過(guò)程中需要嚴(yán)格把控試驗(yàn)時(shí)間，避免700MW雙水內(nèi)冷汽輪發(fā)電機(jī)的運(yùn)行時(shí)間過(guò)短，以便于更準(zhǔn)確地反映700MW雙水內(nèi)冷汽輪發(fā)電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中的實(shí)際溫度，從而更好地驗(yàn)證700MW雙水內(nèi)冷汽輪發(fā)電機(jī)增容提效技術(shù)的有效性。