秦山核電廠330 MW雙水內(nèi)冷汽輪發(fā)電機(jī)增容技術(shù)淺析

沈衛(wèi)玲，李 楊，陳富杰，韓 亮，程義巖，施蘭芳，郭桐岳，馮勇勝，汪運律

(中核核電運行管理有限公司,浙江 海鹽 314300)

秦山核電廠是中國大陸自主設(shè)計、建造、調(diào)試、運行管理的第一座壓水堆核電廠，于1991年12月15日正式并網(wǎng)發(fā)電。機(jī)組最初設(shè)計壽命為30年，至2017年年底已安全、穩(wěn)定運行26年。按照國外核電廠運行經(jīng)驗，通過技術(shù)改造可延長核電廠運行20年，為滿足機(jī)組運行許可證延續(xù)及增容需求，對秦山核電廠原330 MW雙水內(nèi)冷發(fā)電機(jī)進(jìn)行增容改造，提升發(fā)電機(jī)功率至350 MW。

1 改造方案

秦山核電廠330 MW雙水內(nèi)冷發(fā)電機(jī)(簡稱“發(fā)電機(jī)”)改造是在原有設(shè)備及結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上進(jìn)行，改造原則遵循額定電壓、發(fā)電機(jī)主尺寸、定轉(zhuǎn)子槽數(shù)、定轉(zhuǎn)子槽形、定子硅鋼片及轉(zhuǎn)子鍛件不變，將容量、功率、電流、勵磁等電磁參數(shù)作出相應(yīng)的提高，以滿足增容需求。改造方案情況如下：

(1)定子部分

線圈尺寸：增大線圈尺寸規(guī)格包括導(dǎo)電部分及通水部分，滿足電流提升后的載流以及冷卻需求。

絕緣尺寸：線槽體積不變的情況下，線圈尺寸擴(kuò)大勢必要適當(dāng)減小絕緣層厚度，以此保證槽內(nèi)布置空間，此外為滿足發(fā)電機(jī)電氣參數(shù)提高后的絕緣需求，需加強(qiáng)線圈絕緣性能，改善電場分布，提高起暈電壓。

測溫功能：減少發(fā)電機(jī)測溫盲區(qū)，做到“1∶1”測溫，實現(xiàn)實時監(jiān)控，同時增強(qiáng)測溫的精確性。

(2)轉(zhuǎn)子部分

線圈尺寸：發(fā)電機(jī)改造后，由于額定電流提升6.07%，勵磁電流提升4.40%，要增大線圈尺寸規(guī)格包括導(dǎo)電部分及通水部分，目的是滿足電流提升后的載流以及冷卻需求。

(3)改造實施后考核要求

端部溫升：改造前基座勵端溫度一直處于較高水平，夏季最高最高可達(dá)100 ℃，溫升約60 K，不利于機(jī)組安全穩(wěn)定運行。端部溫升貢獻(xiàn)來源于通風(fēng)冷卻及邊端漏磁通，因此需通過改善冷卻能力及優(yōu)化端部結(jié)構(gòu)，保證端部溫升不隨功率提升而進(jìn)一步提高。

端部阻尼：改造后發(fā)電機(jī)運行參數(shù)有所提高，相應(yīng)伴隨著更大的沖擊響應(yīng)幅度包括電網(wǎng)沖擊及機(jī)組振動，發(fā)電機(jī)端部地區(qū)相較于中部地區(qū)在結(jié)構(gòu)上具有較強(qiáng)的離散性，因此改造后端部阻尼需滿足機(jī)組運行要求。

發(fā)電機(jī)效率：降低定子線圈銅耗、轉(zhuǎn)子線圈銅耗、勵磁機(jī)損耗及附加損耗以此提高發(fā)電機(jī)效率。

2 定子改造技術(shù)要點

(1)定子線圈

1)改造前定子線圈線圈為24股2.44 mm×10.5 mm實心銅線，導(dǎo)電截面積25.62 mm2，6股4.9 mm×10.4 mm×1.5 mm空心銅線，導(dǎo)電截面積36.9 mm2，組合方式采用4∶1的間隔排列方式，即每根線圈有2排銅線，每排銅線包含12根實心扁銅線和3根空心扁銅線，保證散熱均勻，線圈連接方式采用雙星形結(jié)構(gòu)，共108根呈疊繞式放置在54槽內(nèi)，計算平均電流密度J=7.42 A/mm2。改造后銅線組合方式及線圈連接方式并未發(fā)生改變，尺寸更改為24股2.35 mm×11.55 mm實心銅線，導(dǎo)電截面積27.14 mm2，6股4.9 mm×11.52 mm×1.5 mm空心銅線，導(dǎo)電截面積40.26 mm2，計算平均電流密J=7.16 A/mm2，電流降低約3.5%左右。可見改造前后，定子線圈導(dǎo)電截面積增加保證載荷量，通孔截面積增加保證冷卻，平均電流密度下降保證降低定子銅耗，同時增強(qiáng)線圈載荷冗余能力。

2)羅貝爾540°銅線平面換位：線圈全長皆采用羅貝爾540°銅線平面換位的方式，使得銅線間互相交鏈的磁通平衡，消除互感，從而盡可能消除由于電位差產(chǎn)生的線圈內(nèi)部環(huán)流，降低定子銅耗，并且抑制由于端部漏磁引起的端部銅線環(huán)流，提高發(fā)電機(jī)運行效率。由于采用羅貝爾540°換位，各銅線換位角度大，因此相互之間的換位處受到擠壓及摩擦應(yīng)力較大，因此對每個換位處墊入0.5 mm厚絕緣紙板，補(bǔ)強(qiáng)換位處絕緣強(qiáng)度，防止換位處發(fā)生短路現(xiàn)象。

3)定子線圈二次膠化：第一次線圈膠化是在線圈包主絕緣前，對線圈直線及端部填充換位膩子并進(jìn)行膠化，通過采用工頻大電流加熱，使得原來分散的銅線粘結(jié)成一個整體，其一保證線圈的尺寸具備成形條件，其二考慮消除換位間隙防止發(fā)生電離，其三提高線圈剛度。第二次線圈膠化是在線圈主絕緣及防暈包扎后，采用少膠SVPI絕緣體系技術(shù)，與改造前的多膠模壓絕緣體系相比，少膠SVPI絕緣體系主絕緣的致密性更高，故介損增量優(yōu)于多膠模壓絕緣體系；少膠SVPI絕緣體系主絕緣中的云母含量更高，故其電老化性能優(yōu)于多膠模壓絕緣體系，因此通過二次膠化后的定子線圈使用壽命更長，絕緣損耗更低。

4)定子線圈主絕緣：原發(fā)電機(jī)采用9.7 mm(對地絕緣層)+0.3 mm(防暈層)，形成共10 mm厚的絕緣層。改造后發(fā)電機(jī)采用7.9 mm(對地絕緣層)+0.3 mm(防暈層)+0.71 mm(內(nèi)屏蔽層高)/0.6 mm(內(nèi)屏蔽層寬)，形成共8.91 mm厚的絕緣層，在定子鐵芯槽體積不變的情況下，通過減薄定子絕緣厚度，增大定子線圈截面積，帶來定子銅耗的降低。同時多設(shè)了線圈內(nèi)屏蔽層，目的是屏蔽線圈內(nèi)部的放電，降低介損及介損增量，改善電場分布、優(yōu)化角部場強(qiáng)，提升發(fā)電機(jī)的運行可靠性。

(2)定子線圈槽內(nèi)布置

改造后定子槽內(nèi)主要包括定子槽楔、楔下緊固、層間墊條、槽底半導(dǎo)體墊條和側(cè)面半導(dǎo)體墊條等材料，相較改造前，定子槽楔采用高強(qiáng)度模壓槽楔，滿足定子線圈及鐵芯齒根承受應(yīng)力要求，并且取消槽底適形材料，目的是在強(qiáng)電場作用下使得半導(dǎo)體材料優(yōu)先于空氣介質(zhì)導(dǎo)通，防止空氣介質(zhì)發(fā)生電離損壞線圈防暈層，因此通過半導(dǎo)體墊條與線圈表面直接接觸，可以使定子線圈絕緣表面更加良好的接地，防止產(chǎn)生電暈或者局部放電現(xiàn)象，達(dá)到降低定子附加損耗的目的。

(3)定子線圈端部固定

1)背部支撐：線圈端部既漸伸線部分的固定基礎(chǔ)從環(huán)箍更改為一體式錐環(huán)，可防止異物從背部掉入線圈間隙。并且從離散的固定變成了整體固定方式，端部整體力學(xué)性能加強(qiáng)，并且對于端部振動，整體式相比離散式具有更好的振動阻尼，加強(qiáng)抗電網(wǎng)沖擊能力。

2)徑向固定：線圈端部的徑向固定方式從分塊壓板綁扎更改為弧形壓板整體灌膠的方式，即環(huán)氧灌注膠將定子線圈端部的間隙全部填滿，上、下層繞組間以及上層繞組上均覆蓋有整圈的弧形壓板，配合適形材料、絕緣墊塊和絕緣螺桿等結(jié)構(gòu)件將伸出鐵心槽口的繞組端部固定在絕緣大錐環(huán)內(nèi)，成為一個牢固的整體。加強(qiáng)端部強(qiáng)度及振動阻尼，減弱端部漸伸線間的起暈，具有優(yōu)良的防護(hù)等級。

3)定子線圈端部連接：改造前各定子線圈端部電的連接方式為焊接，水的連接方式為三通接頭，改造后更改為球形接頭及連接銅牌的方式，該方式實現(xiàn)了水電一體化連接，實現(xiàn)了上下水路層分離，方便有效地監(jiān)測各線圈水路情況，并且大大減少端部連接的復(fù)雜程度，且在不存在焊點的情況，可避免在電通路中產(chǎn)生多余的接觸電阻，可減少定子線圈銅耗。

4)定子線圈端部絕緣：端部絕緣從手包絕緣更改為絕緣盒灌膠，有效防止線圈端部放生放電，并且加強(qiáng)絕緣引水管緊固。

5)絕緣引水管：從以前的白軟管更改為聚四氟乙烯黑色成型管，表面光滑不易產(chǎn)生結(jié)垢堵塞異物吸附，且力學(xué)性能大大加強(qiáng)，滿足定子冷卻水大流量大壓力的流通需求。

(4)定子測溫功能優(yōu)化

1)改造后，通過上下層定子線圈水路分離實現(xiàn)了線圈水路“1∶1”的流通模式，在每個出水接頭處設(shè)置二線制單支PT100熱電阻，共108個測溫元件，配合線圈層間測溫元件，可實現(xiàn)全面監(jiān)視定子線圈運行狀況的功能。

2)銅屏蔽測溫元件由原來的銅-康銅T分度熱電偶升級為測量精度更高的二線制單支PT100熱電阻。

3)測溫元件出現(xiàn)板由原來的螺栓式改成了針插式，同樣空間尺寸下，可布置的接線柱數(shù)量增加約66%，滿足改造后新增測點的連接需求。連接方式則采用接觸性能優(yōu)越的MC套管連接，保證定子測溫元件的穩(wěn)定性及準(zhǔn)確性。

(5)定子端部通風(fēng)優(yōu)化

1)增加通風(fēng)孔：在勵端機(jī)座外壁上新增4個直徑約70 mm的通風(fēng)孔(共20個φ70通風(fēng)孔)，新增后勵端支路的風(fēng)量增加約22%，氣體溫升會降低的同時強(qiáng)化勵端機(jī)座端部區(qū)域的換熱，理論上表面換熱系數(shù)與流速的0.8次方成正比，可保證勵側(cè)端部溫升不隨功率提升而進(jìn)一步提高。

2)擋風(fēng)板高度調(diào)整：發(fā)電機(jī)冷卻風(fēng)從端部進(jìn)風(fēng)口由風(fēng)扇打入，進(jìn)入氣隙，吹拂轉(zhuǎn)子表面，從鐵心的徑向通風(fēng)道流向鐵心背部，冷卻定子鐵心，同時端部結(jié)構(gòu)件進(jìn)行表面冷卻，而端部鐵心所處位置離轉(zhuǎn)子風(fēng)扇最近，且位置為定子膛進(jìn)風(fēng)的最前端，即軸向風(fēng)路兩端，該位置的風(fēng)壓、風(fēng)速都是最大的，這樣端部冷卻風(fēng)在經(jīng)過端部鐵心時大都呈軸向流動，有很少的風(fēng)進(jìn)入徑向通風(fēng)道內(nèi)部對端部鐵心進(jìn)行冷卻，所以在汽勵端各裝氣隙擋風(fēng)板以加大端部鐵芯的冷卻效果，改造后擋風(fēng)板高度增加20 mm,進(jìn)一步增加端部鐵芯徑向進(jìn)風(fēng)量，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。

3 轉(zhuǎn)子改造技術(shù)要點

(1)轉(zhuǎn)子線圈

改造前發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子線圈銅線規(guī)格為16 mm×16 mm/圓孔7 mm，每槽12根共32槽，導(dǎo)電截面積為217.52 mm2，通孔截面積為38.48 mm2，計算平均電流密度J=8.46 A/mm2，改造后轉(zhuǎn)子線圈數(shù)量并未發(fā)生改變， 規(guī)格改為16.5 mm×16.5 mm/方孔6.5 mm，導(dǎo)電截面積為230 mm2，通孔截面積42.25 mm2，計算平均電流密度J=8.35 A/mm2，平均電流密度下降約1.3%，可見在導(dǎo)電截面積及通孔尺寸增加后，具備低電流密度、高水流量的優(yōu)點，在轉(zhuǎn)子槽形不變的情況下，改造后絕緣厚度從1.5 mm降低至1.2 mm，為增大轉(zhuǎn)子銅截面和通孔提供必要條件，達(dá)到降低轉(zhuǎn)子繞組的銅耗、改善轉(zhuǎn)子繞組冷卻的目的，滿足發(fā)電機(jī)增容和提高效率的要求。

(2)集電環(huán)結(jié)構(gòu)

由于勵磁系統(tǒng)改為靜態(tài)自并勵，將原有的主副勵磁機(jī)更替為集電環(huán)結(jié)構(gòu)，包括旋轉(zhuǎn)部件(滑環(huán)、離心風(fēng)扇、磁極引線)和靜止部件(刷架、外罩、底架、碳刷)，風(fēng)路動能是由離心風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)提供，冷風(fēng)從底架進(jìn)風(fēng)處進(jìn)入，冷卻碳刷滑環(huán)等電工部分，再從底架出風(fēng)處排出并帶走熱量，構(gòu)成下進(jìn)下出的冷風(fēng)形式，而刷架、碳刷、滑環(huán)、磁極引線構(gòu)成轉(zhuǎn)子電樞的勵磁回路。其中磁極引線采用室溫固化阻燃型溴化環(huán)氧膠黏劑能夠避免絕緣燒毀的可能，極大提高了勵磁可靠性。碳刷仍采用原恒壓鉗夾型單體式刷握固定，規(guī)格為25 mm×32 mm×64 mm，兩極滑環(huán)布置圓周10個、軸向8列，共80個碳刷，平均每個碳刷載流為47 A，電流密度為5.9 A/mm2，滿足勵磁參數(shù)提升條件。

(3)轉(zhuǎn)子動力特性分析

當(dāng)轉(zhuǎn)子處于臨界轉(zhuǎn)速時，旋轉(zhuǎn)振動頻率會和轉(zhuǎn)子固有振動頻率相同或呈整數(shù)倍，會引發(fā)共振現(xiàn)象，轉(zhuǎn)子振幅變大，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，臨界轉(zhuǎn)速應(yīng)避開額定轉(zhuǎn)速的±10%即2700～3300 r/min，對轉(zhuǎn)子動力特性進(jìn)行分析(三階臨界轉(zhuǎn)速理想狀態(tài)下可達(dá)6000 r/min且振幅較小，不作分析)，一階臨界轉(zhuǎn)速757 r/min，二階臨界轉(zhuǎn)速2145 r/min，臨界轉(zhuǎn)速符合標(biāo)準(zhǔn)要求，滿足功率提升要求。

(4)轉(zhuǎn)子應(yīng)力特性分析

改造后轉(zhuǎn)子線圈整體質(zhì)量從5.02 T增加至5.33 T，運行時相應(yīng)承受的應(yīng)力強(qiáng)度也會變大，主要包括徑向垂直方向離心力、徑向圓周方向擠壓力，徑向垂直方向離心力主要由轉(zhuǎn)子槽楔(中間鋁合金槽楔，兩端銅合金槽楔)承受，可知徑向圓周方向擠壓擠壓力主要由小齒承受，根據(jù)公式P=FS=mω2rS可知半徑最大處所承受應(yīng)力強(qiáng)度最大，因此分析槽楔和小齒根處的最大應(yīng)力強(qiáng)度能夠判斷轉(zhuǎn)子本體強(qiáng)度是否滿足功率提升要求，通過有限元計算方法對最大應(yīng)力強(qiáng)度進(jìn)行計算小于最大屈服強(qiáng)度，結(jié)果如下，可知強(qiáng)度滿足功率提升要求。

4 改造后效果

(1)發(fā)電機(jī)運行效率提高

發(fā)電機(jī)損耗主要存在定子銅耗PCU1、定子鐵耗PFE、附件損耗Pad、轉(zhuǎn)子銅耗PCU2、勵磁設(shè)備損耗PEXC、風(fēng)損耗Pwin、軸瓦損耗Pm、甩水損耗Pw。在350 MW工況下，改造后損耗相比改造前低了約251 kW，效率提高約0.071%，影響損耗的主要原因如下：

1)定子線圈銅截面積增加，平均電流密度下降約3.5%，定子銅耗降低約107 kW，效率提高約0.031%；

2)將三機(jī)勵磁更替為靜態(tài)自并勵方式，移除了主、副勵磁機(jī)，所以碳刷使用量減少、轉(zhuǎn)子磨損降低、勵磁設(shè)備損耗降低，勵磁部分損耗降低約49 kW，效率提高約0.014%；

3)轉(zhuǎn)子線圈銅截面積增加，平均電流密度下降1.3%，轉(zhuǎn)子線圈銅耗降低約67 kW，效率提高約0.019%；

4)轉(zhuǎn)子線圈通空截面積增加約9.7%，轉(zhuǎn)子水流量增大，轉(zhuǎn)子甩水損耗增加約6 kW，效率降低約0.002%；

5)線圈制造工藝優(yōu)化、槽內(nèi)布置優(yōu)化及端部結(jié)構(gòu)優(yōu)化，比如線圈采用內(nèi)屏蔽、槽內(nèi)布置側(cè)面放置半導(dǎo)體材料、SVPI及模壓成型、端部整體灌膠，降低附加損耗約34 kW，效率提高約0.009%。

(2)機(jī)座端部溫升降低

針對歷年機(jī)座勵側(cè)端部溫升過高的問題，改造中對定子通風(fēng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，改造前在夏季發(fā)電機(jī)勵端最高溫度最高可達(dá)100 ℃，溫升可達(dá)約60 K，改造后通過巡檢統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)在夏季最高溫時，機(jī)座勵側(cè)端部溫升最高可達(dá)約30 K，相較改造前溫升降低約50%，溫升降低主要原因如下：

1)定子端部通風(fēng)優(yōu)化：勵端機(jī)座新增的通風(fēng)孔帶來22%通風(fēng)量的提高；

2)氣隙擋風(fēng)板增加：擋風(fēng)板高度的調(diào)整使得邊端鐵芯冷卻效果加強(qiáng)；

3)端部結(jié)構(gòu)優(yōu)化：端部結(jié)構(gòu)件采用高磁阻性材料，并采用整體灌膠的技術(shù)，減少端部漏磁通產(chǎn)生。

(3)發(fā)電機(jī)溫升滿足標(biāo)準(zhǔn)要求

發(fā)電機(jī)功率提升改造后，對發(fā)電機(jī)整體進(jìn)行額定工況下的溫升試驗，溫升主要測點主要有54支定子線圈層間PT100、108支定子線圈出水PT100、44支定子鐵芯PT100、16支銅屏蔽PT100及4支外磁屏蔽PT100，溫升試驗結(jié)果皆符合運行標(biāo)準(zhǔn)要求，其中定子線圈溫升裕度44%、定子線圈出水溫升裕度41%、轉(zhuǎn)子整體溫升裕度53%，具有較大的空間，證明定轉(zhuǎn)子線圈導(dǎo)電截面及流量通孔設(shè)計合理，滿足功率提升要求。

5 結(jié)束語

在秦山核電廠330 MW雙水內(nèi)冷發(fā)電機(jī)增容改造的基礎(chǔ)上，消除了機(jī)座端部過熱的安全隱患、提高發(fā)電機(jī)運行效率0.071%，且改造后，定轉(zhuǎn)子運行溫度余量較大，發(fā)電機(jī)整體運行性能穩(wěn)定，客觀證明了發(fā)電機(jī)改造的成功性，也對類似機(jī)組的擴(kuò)容改造工程起到借鑒作用。