秦山核電30萬千瓦級機組主發(fā)電機端部發(fā)熱改進措施淺析

李 楊，沈衛(wèi)玲，韓 亮，程義巖，陳富杰，馮勇勝，汪運律，郭桐岳

(中核核電運行管理有限公司,浙江 海鹽 314300)

秦山核電1號機組發(fā)電機是上海汽輪發(fā)電機公司生產(chǎn)的310 MW雙水內(nèi)冷型發(fā)電機，即采用水—水—空的冷卻方式，發(fā)電機的定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組采用水內(nèi)冷，定子鐵芯及端部結(jié)構(gòu)件采用空氣冷卻，型號為QFS-310-2，其設(shè)計壽命為30年。該發(fā)電機在2007年進行了定子局部改造，改造主要解決了發(fā)電機端部壓圈冷卻水銅管漏水隱患，在改造的同時發(fā)電機有功功率從原來的310 MW擴容到330 MW。2007年主發(fā)電機改造后，在機組運行期間，維修人員通過對發(fā)電機周檢以及現(xiàn)場巡檢，發(fā)現(xiàn)發(fā)電機端部溫度存在偏高現(xiàn)象，尤其是在勵端端部發(fā)熱現(xiàn)象比較明顯(見圖1)，最高溫升可達100 ℃，顯然不利于發(fā)電機的安全穩(wěn)定運行，必須采取措施解決端部過熱，以保證發(fā)電機組運行的可靠性。

圖1 紅外熱像

1 發(fā)電機端部發(fā)熱原因分析

1.1 原理分析

發(fā)電機在正常運行期間，定子繞組端部會產(chǎn)生一定的漏磁現(xiàn)象，這勢必會造成定子端部空間漏磁的冗聚，定子端部區(qū)域寄生的漏磁通一方面會在端部各金屬結(jié)構(gòu)件中感應(yīng)出渦流，引起結(jié)構(gòu)件發(fā)熱；另一方面會使端部導(dǎo)磁屏蔽和邊段鐵心出現(xiàn)磁飽和現(xiàn)象，如果控制不好，可能會對發(fā)電機的振動、損耗、溫升等帶來一系列影響，嚴(yán)重時會引起發(fā)電機絕緣老化、鐵心松動和非正常停機的發(fā)生。當(dāng)轉(zhuǎn)子以3000 r/min旋轉(zhuǎn)時,端部空間各處的磁場也隨之旋轉(zhuǎn),定子端部各金屬結(jié)構(gòu)件因相對運動而切割磁力線,并產(chǎn)生感應(yīng)電勢,該感應(yīng)電勢的方向與磁感應(yīng)強度的方向垂直,因此也有軸向、徑向等多種方向。發(fā)電機大端蓋上必然也產(chǎn)生軸向的感應(yīng)電勢,該方向的感應(yīng)電勢將形成從端蓋到發(fā)電機本體機殼、底部機座再到端蓋的一個電流環(huán)路，經(jīng)過的漏磁電流必定會引起端部結(jié)構(gòu)件發(fā)熱，因此從原理上可以判斷端部漏磁帶來的發(fā)熱是引起發(fā)電機端部過熱的重要原因之一。

1.2 結(jié)構(gòu)分析

1)本體結(jié)構(gòu)：轉(zhuǎn)子線圈汽端端部軸向長達523 mm,勵端端部軸向長達523 mm,最長轉(zhuǎn)子線圈軸向長達6446 mm,超出鐵芯有效長度1186 mm,轉(zhuǎn)子線圈兩端端部(大小護環(huán))完全處于定子鐵心外部,轉(zhuǎn)子本體產(chǎn)生的磁場沿壁隙和定子鐵心構(gòu)成主磁通回路,但轉(zhuǎn)子端部漏磁通則通過端部空間至機座端蓋形成回路，因此雙水內(nèi)冷發(fā)電機固有結(jié)構(gòu)特點勢必會造成端部漏磁場的形成，從而影響端部構(gòu)件發(fā)熱。

2)端部銅屏蔽結(jié)構(gòu)：發(fā)電機定子端部的材質(zhì)和結(jié)構(gòu)尺寸也是影響結(jié)構(gòu)件發(fā)熱的重要因素，其中結(jié)構(gòu)件中的銅屏蔽、磁屏蔽是保護壓圈和端部鐵心免受漏磁通引發(fā)的局部發(fā)熱而采用的主要部件。銅屏蔽是由10 mm厚的銅板構(gòu)成，結(jié)構(gòu)上與壓圈接觸良好。在發(fā)電機運行時，定轉(zhuǎn)子繞組在發(fā)電機端部產(chǎn)生交變的感應(yīng)磁場，銅屏蔽在此磁場下會產(chǎn)生渦流來阻礙磁場的透入。電磁場在導(dǎo)體中的穿透深度是磁場頻率、導(dǎo)體磁導(dǎo)率和電導(dǎo)率的函數(shù)。用解析公式(1)估算磁場的透入深度。

(1)

式中：δ——透入深度；

f——磁場頻度；

μ——絕對磁導(dǎo)率；

σ——電導(dǎo)率。

銅的電導(dǎo)率為57.7×106s/m，根據(jù)公式估算透入深度約為9.375 mm。由于銅屏蔽厚度大于磁場的透入深度，所以在理論上銅屏蔽可以有效屏蔽外部磁場，在整個端部結(jié)構(gòu)中起到十分重要的作用，而我廠采用的厚度為15 mm的銅板壓制而成。

3)銅屏蔽損耗：發(fā)電機端部結(jié)構(gòu)中，除壓圈為一純機械構(gòu)件，銅屏蔽和磁屏蔽均為邊端區(qū)域的磁通控制構(gòu)件。通過有限元計算，建立發(fā)電機端部三維渦流場的數(shù)學(xué)模型，采用二維或者三維磁場相耦合的方法，加載定轉(zhuǎn)子鐵心端部壓圈、壓指、磁屏蔽、銅屏蔽等有效負(fù)荷，從而求得端部區(qū)域磁場、渦流和損耗。定子鐵心端部溫度隨發(fā)電機的運行工況而變化，即定子鐵心溫度與發(fā)電機的有功功率、無功功率等密切相關(guān)，計算結(jié)果如表1所示(發(fā)電機進風(fēng)溫度按40 ℃計算)。

表1 330 MW發(fā)電機(定子端部壓圈外無銅屏蔽)典型工況下?lián)p耗和溫度

利用有限元的計算程序?qū)FS-330發(fā)電機定子端部(增加銅屏蔽后)的電磁場和溫度進行了計算，主要結(jié)果如表2所示。

表2 330 MW時發(fā)電機(定子端部壓圈增加銅屏蔽后)典型工況下?lián)p耗和溫度

雖然從理論上計算得出銅屏蔽可以有效地減少端部漏磁所帶來的發(fā)熱影響，但是從2007年改造增加銅屏蔽后，現(xiàn)場實際情況反映并沒有徹底解決發(fā)熱問題，反而在近年出現(xiàn)了端部溫度升高的情況。因此，加裝銅屏蔽后效果不佳也是影響發(fā)電機端部發(fā)熱的原因之一。

4)發(fā)電機通風(fēng)結(jié)構(gòu)：我廠雙水內(nèi)冷發(fā)電機的定子鐵心和端部結(jié)構(gòu)件及轉(zhuǎn)子表面是依靠空氣進行冷卻，冷風(fēng)由裝在發(fā)電機軸上的風(fēng)扇提供，與空冷器組成一個封閉的循環(huán)系統(tǒng)，采取兩邊進風(fēng)，中部出風(fēng)的方式。在2007年改造過程中發(fā)現(xiàn)，發(fā)電機內(nèi)部風(fēng)路的走向在端部位置還是存在“死角”，為此在發(fā)電機定子鐵心的汽端和勵端各裝氣隙擋風(fēng)板，以加大端部鐵心的冷卻效果。所以發(fā)電機內(nèi)部冷卻風(fēng)路的走向和冷卻效果也是導(dǎo)致端部溫度發(fā)熱的原因之一。

1.3 運行工況分析

發(fā)電機的增容主要是通過增大發(fā)電機的線性尺寸和增加電磁負(fù)荷(即線負(fù)荷)兩種途徑實現(xiàn)，這樣就會增加線棒的損耗，從而導(dǎo)致端部漏磁的增加，造成定子端部空間漏磁進一步的冗聚。秦山核電30萬千瓦級機組在兩次增容改造中，必然會帶來定子電流增大、定子線負(fù)荷增加的情況。由于雙水內(nèi)冷發(fā)電機的線負(fù)荷較高(約1702 A/cm)，隨著發(fā)電機單機容量增大時，一方面帶來發(fā)電機定子電流的增加，另一方面發(fā)電機內(nèi)較高的電磁負(fù)荷會使電機端部漏磁增大，汽輪發(fā)電機端部漏磁場作為一種無用寄生場，將直接導(dǎo)致端部區(qū)域結(jié)構(gòu)件渦流損耗增加，是引起發(fā)電機端部結(jié)構(gòu)件局部過熱、產(chǎn)生破壞性電磁力的原因之一。

1.4 原因分析小結(jié)

綜上所述，發(fā)電機端部發(fā)熱主要原因：一是基于雙水內(nèi)冷發(fā)電機固有的結(jié)構(gòu)特點；二是基于發(fā)電機端部存在不可避免的漏磁場作用和發(fā)電機通風(fēng)、端部結(jié)構(gòu)特點；三是由于發(fā)電機增容后漏磁場的增加，三者共同作用引起端部結(jié)構(gòu)件的發(fā)熱。

2 端部發(fā)熱改進措施

針對以上原因分析，在“對以上原年發(fā)電機定子局部改造”以及“發(fā)電機定年OLE項目常規(guī)島設(shè)備更新——發(fā)電機本體改造”中采取了相應(yīng)改進措施來改善端部發(fā)熱狀況。理論上主要是通過減少端部漏磁以及減少渦流損耗兩種方式，其中對發(fā)電機端部結(jié)構(gòu)的優(yōu)化是減小端部漏磁和渦流最直接有效的方法，一般采取在端部加裝兩道磁屏蔽環(huán)、加裝銅屏蔽，以及壓圈采用特殊非磁性材料、端部結(jié)構(gòu)改善、優(yōu)化通風(fēng)效果等方法來實現(xiàn)。

2.1 發(fā)電機端部結(jié)構(gòu)概述

鐵心邊段階梯狀：將定子鐵心的端部疊成階梯狀，即定子邊段鐵心段設(shè)計有小階梯，在齒中間開有窄槽，主要是為了增大氣隙，以減少軸向漏磁通在端部鐵心中產(chǎn)生的損耗。定子鐵心為0.35 mm厚的高導(dǎo)磁、低損耗的DQ157-35方向性硅鋼片材料。端部結(jié)構(gòu)件材料采用特殊非磁性材料壓圈和非磁性鍛鋼壓指，以降低壓圈、壓指自身損耗。機座和端蓋是由不同材料制作而成的，機座是鋼板制成的，端蓋是鑄鋁合金ZL2，在端部線圈和極間引線的漏磁場作用下，產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。機座鋼板為高導(dǎo)磁材料，而鋁制端蓋為低導(dǎo)磁材料，所以漏磁大部分是通過機座產(chǎn)生渦流損耗。為此，在機壁增加磁分路的結(jié)構(gòu)，目的就是讓端部的漏磁從這里通過，達到降低端蓋溫度的效果。

2.2 增容至330 MW時改進措施

1)加裝銅屏蔽：將定子壓圈內(nèi)原冷卻銅管拆除，在定子鐵心端部壓圈外加裝銅屏蔽，以減少漏磁進入定子壓圈。為防止銅屏蔽發(fā)熱，在損耗密度較大的內(nèi)圓焊接冷卻銅管通水加強冷卻。

2)加裝外磁屏蔽：由于定子端部裝了銅屏蔽，漏磁就集中到機座上。為此在原來齒壓板旁邊磁屏蔽保留基礎(chǔ)上，在機座內(nèi)加裝導(dǎo)磁性的外磁屏蔽，可降低機座外圓和端蓋等處的溫度，以保證機座導(dǎo)磁及溫度均勻。

3)加裝擋風(fēng)板：在發(fā)電機定子鐵心的汽端和勵端端部各裝氣隙擋風(fēng)板，以加大端部鐵心的冷卻效果，氣隙擋風(fēng)板采用8 mm厚的耐高溫材料做成。采用氣隙擋風(fēng)板后，能改變該風(fēng)區(qū)進風(fēng)的風(fēng)速，使通風(fēng)道內(nèi)的動壓頭和靜壓頭分布合理，可使最高處溫升下降約15 K。

2.3 增容至350 MW時改進措施

1)壓圈與機座間等電位：在壓圈與機座間采用周向布置銅辮子實現(xiàn)兩者之間的短接，將壓圈與基座之間等電位，防止產(chǎn)生渦流發(fā)熱。

2)端部結(jié)構(gòu)改善：改造前，發(fā)電機定子繞組端部一直采用支架、端箍、壓板式綁扎固定結(jié)構(gòu)。改造后，定子繞組端部采取全新模塊化設(shè)計固定結(jié)構(gòu)，包括壓板、徑向螺桿、錐環(huán)和擋膠墊塊等部分。通過采用定子繞組端部整體灌膠和絕緣盒灌膠設(shè)計，與改造前的端箍綁扎結(jié)構(gòu)相比，極大提高了端部繞組防油、防塵、防異物和防電暈的能力。

3)風(fēng)路優(yōu)化：在勵端機座外壁上再增加4個直徑約70 mm的通風(fēng)孔。通過計算，此時勵端支路的風(fēng)量約增加22%，一方面氣體溫升會降低，另一方面，流量增加會強化勵端機座端部區(qū)域的換熱，表面換熱系數(shù)一般與流速的0.8次冪成正比，勵端機座端部的溫度約降低5 K左右，可基本實現(xiàn)勵端機座端部溫度不隨此次增容而進一步上升。

3 端部發(fā)熱處理效果

發(fā)電機經(jīng)改造完成后，為了驗證改造后端部發(fā)熱效果，在發(fā)電機進行相關(guān)修后試驗及機組并網(wǎng)調(diào)試過程中對發(fā)電機端部溫度進行了觀察和記錄，分別在30%、50%、75%、100%功率平臺下，觀察汽側(cè)、勵側(cè)兩端端部溫度無異常變化，均保持在正常范圍內(nèi)。在機組并網(wǎng)后的100%工況全功率運行中，通過有效統(tǒng)計，汽側(cè)、勵側(cè)兩端端部溫升較改造前降低約50%，取得了較為明顯的效果，與過往同期數(shù)據(jù)相比較，取得了較為明顯的效果。

4 結(jié)束語

通過此次OLE項目的改造，秦一廠30萬千瓦級機組主發(fā)電機機組狀況和性能得到了進一步提升和改造，也徹底解決了端部發(fā)熱問題。在改善方法上，不論是對發(fā)電機其制造工藝、通風(fēng)設(shè)計、還是對定子繞組端部結(jié)構(gòu)等都進行了優(yōu)化改進，但發(fā)電機定子繞組端部的漏磁現(xiàn)象還是不可避免的，如果控制不好，還是會對發(fā)電機的振動、損耗、溫升等帶來一系列影響，造成發(fā)電機不能安全可靠地運行。因此，在以后機組正常運行期間，還是要對端部溫度加以監(jiān)測和記錄，特別是要注意在發(fā)電機運行過程中是否還會出現(xiàn)溫度持續(xù)偏高的現(xiàn)象，以保證整個機組的安全可靠運行。