汽轮发电机参数选型

1、百万千瓦等级超超临界机组汽轮发电机参数选型顾守录(上海汽轮发电机有限公司,上海 200240PARAMETERS SELECTION FOR 1000MW CLASS SUPER CRITICAL TURBINEGENERATORS SHOULU GUGU Shou-lu(Shanghai Turbine Generator Co. Ltd, Shanghai 200240ABSTRACT: The 1000MW class super critical turbine generators are becoming the key developing points dew to their

2、 excellent economical performances. This article is the analyzing and comprising to the design parameters of deferent capacities of 1000MW class super critical turbine generators.KEY WORDS: 1000MW class fossil power plant; Turbine generator摘要:百万等级超超临界机组由于具有良好的经济性而成为电力工业和电机制造业的发展重点。文K 对我国发展百万等级超超临界机组

3、汽轮发电机的容量参数和技术选型进行了分析,并对各方案进行了比较。关键词:火电百万级;汽轮发电机;1 世界百万千瓦级超临界火电机组装机情况国外发展超临界机组已有40余年的历史,超临界机组比亚临界机组的煤耗低,在一定范围内,汽机的进汽温度或再热温度每提高10,机组热耗一般可下降0.25%0.3%。在温度和其他条件相同情况下,初压23.5MPa与16.2MPa比较, 300MW、600MW、1000MW机组净热耗下降分别约为1.3%、1.6%、1.8%,由此可见机组容量愈大,采用超临界参数的效益越明显。要批量建设百万千瓦级超超临界火电机组,根据我国国情,必须考虑国产化,并从百万千瓦级超超临界火电站的

4、可靠性、经济性等方面进行论证。美国至20世纪80年代初期,超临界机组投运近170套,占装机总容量的25%,平均容量为一台1972年投产,1994年这种1300MW大容量机组已投运了9台。前苏联单机容量最大的1200MW单轴3000r/min机组是在1980年投入运行的,前苏联300MW以上机组采用超临界。到1985年底超临界机组达到182台,占当时火电总装机容量的50.5%。日本到1985年已有82台超临界机组投入运行,装机容量约46800MW,占当时火电总装机容量的51%以上,从单机容量450MW以上到1000MW火电机组,全部采用超临界及以上参, 350MW机组亦有采用超临界的。80年代以

5、后,日本还自行开发了超临界直流滑压运行锅炉。德国是研究、制造超临界机组最早的国家,到1972年投运了一台容量为430MW的超临界机组, 1979年投运了一台二次再热的475MW超临界机组,目前德国具有代表性的超临界机组是1992年8月投运的STARDINGER 5号机组,其毛出力为553MW,经试验验证机组的净效率可达到43%。据统计,至1995年,西屋公司制造850MW 及以上容量火电机组共13台,其中超临界火电机组6台,最大超临界双轴机组的容量为1390MW,最大的超临界单轴机组为893MW,最大单轴亚临界机组为890MW。GE公司生产850MW及以上容量火电机组共约10台,全部是超临界机

6、组,最大的超临界双轴机组为1050MW,最大的超临界单轴机组为884MW。ABB公司制造的850MW 及以上容量火电机组,共约有9台,全部是超临界双轴1300MW1428MW双速机组。西门子公司已有10余台3000 r/min(27kV百万千瓦级发电机投入运行或正在安装,其中由西门子公司制造的上海外高桥900MW (1000MV A 超临界单轴机组(共2台,#2发电机定子由上海汽轮发电机有限公司分包已于2003、及2004年投运。见下表:电厂地点容量 MV A 转速r/min 投运年份Goesgen 瑞士 1141 30001978Bergkamen 德国 911 30001981Heyden

7、 德国 950 30001987Trillo 西班牙 1147 30001988Schwarze Pumpe1# 德国 1000 30001997Schwarze Pumpe2# 德国1000 30001997Boxberg 德国 1144 30001999Niederaussem 德国 1223 30002002外高桥火电站 1# 上海1000 30002003外高桥火电站 2#(上海汽轮发电机有限公司与西门子公司合作生产上海1000 30002004中国国内单轴全速汽轮发电机组:电厂 数量(台 制造商容量MW 转速r/min 投运年份 大亚湾核电站2 GEC 900 30001987岭澳核

8、电站 2 GEC 900 30002002外高桥火电站 2 西门子 900 30002003连云港核电站 2 俄罗斯100030002003玉环火电站 4 上海 100030002007邹县火电站2 东方1000300020082 百万千瓦级超超临界机组汽轮发电机参数与容量的选择超超临界火电机组的汽轮发电机与亚临界或核电机组一样,它与超超临界的蒸汽压力等参数的选用都没有关系,但它必须由汽轮机拖动,它的容量、转速主要是根据汽轮机来确定。当汽轮发电机的单机容量达到900MW 及以上容量时,由于汽轮发电机设计的固有特点,就必须对其选用的电压及绝缘水平、定子绕组电动力与振动、定子端部损耗与热点、转子各

9、部分的应力水平、转子临界转速、与汽轮机连接一起的轴系振动和扭振、发电机承受调峰、进相、负序和无励磁运行等非额定工况运行的能力等,进行分析论证,检查其已有的运行经验、试验数据和安全裕度。自从第一台超临界机组在北美问世后,锅炉、汽机和其辅助设备已有了许多改进。在机组容量、燃料形式(煤粉和通风型式(平衡通风相同的情况下,超临界机组的性能、可靠性已与亚临界机组一样好甚至更好。这些改进也使更大容量的超超界机组的性能与小容量超临界机组或亚临界机组的一样好。对汽轮发电机而言,单机容量在900MW (2极、50Hz 及以上的火电厂全球有数十家,核电厂也有十余家。各制造厂商具有运行业绩的最大容量发电机如下:西门

10、子公司为1100MW ,三菱公司为843MW ,阿尔斯通为930MW 。由上述情况表明,国内发展百万千瓦级超超临界机组(单轴全速的容量可在9001100MW 为宜。3 百万千瓦级超超临界机组(单轴全速分析国外发展超临界机组已有40余年的历史,超超临界机组比超临界及亚临界机组的煤耗低,在一定范围内,汽机的新汽温度或再热温度每提高10,机组热耗一般可下降0.25%0.3%。在温度和其他条件相同情况下,初压23.5MPa 与16.2MPa 相比较,300MW 、600MW 、1000MW 机组净热耗下降分别约为1.3%、1.6%、1.8%,由此可见机组容量愈大,采用超超临界参数的效益越明显。其优点如

11、下:1 从汽轮发电机组的布置上来说,单轴机组要比双轴机组节省投资。2 热耗与机组价格据ABB 提供的资料,双轴双速8排汽型式同单轴型式的1000MW 机组机比,其热耗要低0.2%,而双轴双速4排汽型式比单轴型式热耗低0.6%,但常规岛部分相应的成本却分别比单轴形式要高20%和30%。这是因为双轴机组占地面积大,而且有两个发电机。从经济角度来看,双轴较单轴(同容量本体价格高约10%。3 双轴双速机组由于两个轴系的功率相差很大,两者的转动惯量差距也非常大,且两轴系转速不同,使电气系统、尤其是保护系统的设计比较复杂,也给机组的控制和电厂的运行及管理等方面增加困难。但由于机组容量的增大,需重点对以下问

12、题进行研究:1 对于1000MW 级的两极汽轮发电机,其定子绕组上的电动力大,定子、转子动态特差,离心力引起的机械应力较大,由转子引起的疲劳应力也较大,对转子锻件、护环锻件等关键材料的要求高。2 1000MW 级机组采用单轴机组,转速只能是单一的3000r/min,此时,低压转子的末级叶片要超过1 m以上,为减轻重量及轴受离心力,需采用钛合金长叶片来满足强度的需要。我国在航空工业的基础上对钛材锻造加工等方面有一定经验,但在研制钛合金大叶片方面尚处于起步阶段。3 轴系及稳定性设计1000MW级机组,单轴转子长度增加,而且轴系的重量也比双轴机组大,轴承载荷加大,如采用六排汽式,加上高、中压缸和发电

13、机,将成为一个有6个转子的轴系。这样长的轴系在3000r/min下可能给机组带来如振动、轴系稳定性、扭振等一系列问题。从上述分析可知,超临界1000MW级机组,单轴机组厂房占地面积小,机组价格也较低,如果电厂所在位置离制造厂较近,水路运输条件好且地价较高,可考虑选用单轴机组。大型超超临界火电机组是我国火电机组的发展方向,国内研制超临界机组的起步容量为600MW,随着我国电网容量的不断增大,加上我国已具备开发研制超超临界9001000MW火电机组的条件,9001000MW机组已提到日程上来。就发电机来说,1000MW级单轴全速机组需重点研究。4 百万千瓦级汽轮发电机参数与容量选择对机组造价的影响

14、一般来说,汽轮发电机的造价是与发电机的容量成正比关系的,如以900MW汽轮发电机(单轴全速为例,造价约为1.3亿元人民币,那么, 1000MW汽轮发电机(单轴全速就为1.43亿元人民币。另外,发电机的冷却方式、氢压等参数也与发电机的造价有关系。5 百万千瓦级汽轮发电机(单轴全速初步方案设计5.1 研究确定方案设计时的基本原则研究确定百万千瓦级汽轮发电机方案时遵循以下四条基本设计原则要设法做到“设计自主化”、“设备国产化”及“以我为主,中外合作”。设计各方案时,尽量吸取外国的经验,并考虑我国国情,做到每个方案将来如必要与外国公司合作时,都能切实做到国产化。性能参数符合IEC、国标对汽轮发电机的要

15、求。把可靠性放在首位,各方案所选用的铁心磁通密度等都不应超过其参考方案,并充分考虑在结构设计时采用外国公司百万千瓦级发电机和中国国内制造300MW、600MW机组中成熟可靠结构的可能性。在确保可靠性的前提下,力求采用国内材料以降低成本,提高综合经济指标。5.2 两极3000r/min发电机的四个设计计算方案方案 1 系按德国西门子公司提供给上海外高桥电厂的超临界火电900MW 27kV 3000r/min 发电机组的设计尺寸复核计算,冷却方式也完全按原设计:即定子水内冷、转子绕组轴向径向氢内冷,定子铁心轴向氢气冷却,转子本体直径1250mm。发电机在额定氢压0.5MPa、冷水温度为38时,额定

16、功率为900MW, 功率因数为0.9,此时氢气温升为33K。若冷水温度为25时,在工况1006MW,功率因数为0.9,氢压为0.5MPa 时,氢气温升为37K。计算中,主要尺寸、槽数及绝缘规范等按有关资料保持不变,但在上层定子线棒中,西门子资料中空实心导线组数由2×5组改为2×6组。方案 2 系按上海外高桥电厂超临界火电900MW火电机组招标时,美国西屋公司投标书的设计尺寸复核计算。其冷却方式与方案1相同,即定子水内冷、转子绕组轴向径向氢内冷、定子铁心轴向氢气冷却,该发电机设计是在889MW 60Hz 3600r/min 发电机的基础上放长铁心设计而成(相当于珠海电厂中74

17、6MW发电机机座号2-110×250放长到2-110×290而来,其转子直径为1168mm,和原WH公司机座号2-118×280的发电机一致。在额定氢压为0.5Mpa时,发电机的额定功率为900MW,功率因数为0.9。计算中,转子槽内布置参照珠海746MW发电机。方案 3 系按大亚湾核电站GEC900MW 3000r/min发电机的设计尺寸复核计算。转子本体直径1275mm,通风冷却方式按原设计即定子水内冷、转子副槽槽部(槽部轴向对流再径向通风氢内冷,定子铁心径向氢冷,抽风式。根据大亚湾核电站第一台机组在制造厂的温升试验时测量的转子线圈最热点温度最后仍有121.8

18、(25槽第4匝,本课题组将转子线圈端部改为两路通风,降低最热点温度。发电机在额定氢压0.425MPa,海水温度为33时,额定功率为900MW,功率因数为0.85;若氢压为0.5MPa,海水温度为23,可运行工况为984MW,功率因数为0.85。方案 4 系参照大亚湾核电站GEC900MW 3000r/min发电机的基本设计尺寸重新设计,定子完全不变,转子绕组采用气隙取气氢内冷,定子铁心径向氢冷。转子槽形尺寸、转子铜线外形尺寸都不变,转子绕组为气隙取气而开两排孔,取消转子通风副槽。由于取消了副槽,使发电机转子满载励磁电流用西屋计算方法减小了约2%,用我国(DZ2863计算公式计算约减少为5.5%

19、。5.3 电磁设计方案分析1 方案1(参考KWU方案1和方案2相似,定子铁心为轴向通风孔,转子绕组槽内和端部为线匝中的轴向通风孔冷却。由于铁心采用轴向通风孔冷却,总铁心散热面积小,需要加快气体流速,又风道长,需要多级串联的风扇率达到高压头。方案1的风扇为4级串联,压头为23.1KPa。但定子铁心采用轴向通风孔冷却时,因没有径向风道,在定子铁心相同名义尺寸下,有效定子铁心长度长了,齿轭具有更大的导磁面积。方案1和方案2的转子绕组为线匝轴向通风孔冷却。风道长,并且转子电密高,也需要更高风扇压头来达到冷却效果;相对于方案3,冷却能力更强,特别是转子绕组端部,因此几个方案通风方式中,方案1和方案2的风

20、扇压头最大。方案1和方案2的转子冷却效果好,转子线圈电密大,在相同的励磁电流下,相对方案3可以取较小的槽形尺寸。而方案1的转子外径比方案2要大的多,当槽分度数相同时,因为方案1可以取较大的齿槽宽,较少的槽数,并采用矩形槽,其槽分度比为28/45,有利于降低转子绕组和转子加工的成本。方案1的气隙长度为80mm,在各方案中最小,可以减小励磁电流,但它的短路比也相对较小。据有关资料介绍,两极汽轮发电机转子本体的直径为1250mm时,其中心孔的切向引力已接近目前锻件许用应力的极限,但1250mm直径的转子已在BBC公司和原苏联电力厂得到应用, 1275mm直径的转子已在GEC公司得到应用。方案1的转子

21、本体直径D为1250mm,方案2为1168mm。方案1和方案2的转子通风方式都是线匝中的轴向通风孔通风,冷却能力相似,且额定容量MV A相同时,D22L2差不多,分别为10.51m3和9.98 m3,因此方案1转子本体长度L2最短为为6730mm。方案1的D22L2较小,而其线电压最高,铁心为轴向通风冷却,在齿部要开轴向孔所以必须增大齿宽来维持一定磁密。为此方案1定子槽形设计较狭长,槽底处直径相对较大,其铁心外径相对也较大,为3280mm,轭部磁密为1.35T,远低于其他两个方案。而它的定子铁心外径大,叠片总重320吨,定子运输重为450吨。方案1的定子线圈采用双排导线布置,其空心导线采用不锈

22、钢材料,高度4mm,壁厚0.9mm。采用不锈钢导线后,附加损耗减小,因壁厚减小,相对的可以增大通水面积。同时相对于空心铜线,水流速度可以增加,来加强冷却效果。但采用不锈钢导线使定子线棒导电面积减小,定子直流电阻稍增大。2方案2(参考WH方案2的转子本体直径D2为1168mm,小于其他方案。D2为1168mm的转子已在珠海电厂中得到应用。转子槽数为32,转子槽形为半平行梯形槽,相对于方案1平行槽,可以相对增大槽内铜导线的面积。定转子间隙为96.52mm,比方案1的大,因此短路比也比方案1的大。方案2的轭部磁密和齿部磁密比方案1大,而且铁心长度长,因此需要更高的风扇压头达到其冷却效果。方案2计算得

23、出额定励磁电流I fN最大,转子励磁损耗也最大,需要更大的励磁机容量,其对励磁系统的要求更高。3方案3(参考GEC方案3的转子直径D2为1275mm,是目前世界上两极发电机最大的转子本体外径,GEC公司是基于80年代初期可以提供的锻件最高强度水平,采用副槽通风也需要较大的转子直径,靠近大齿槽采用短槽以减小大齿根部磁密。由于方案3的转子槽内通风方式为副槽通风,所以MV A/D22L2较小。方案3和方案4的定子铁心采用径向通风冷却方式,铁心散热面积大,冷却效果好。总风路通道面积大,风路相对较短,所需风扇压头较小,便于和需风扇压头较小的转子绕组通风方式如副槽通风、气隙取气通风方式相配合。方案3的转子

24、绕组通风方式为副槽通风,冷却转子槽内导体的气流全部从副槽进入,利用绕组自身的离心风压(加上部分风扇压头形成冷却气流,从而不需要设置多级高压风扇。一般全径向出风的副槽通风转子铜线风道的面积约为副槽风道面积的68倍,在满足铜线风道风速的前提下,副槽口的风速可能达到难以实现的数据。而方案3中,从副槽进入铜线的气流先进入径向风道,再流入铜线中的轴向风道,充分冷却铜线。并且铜线内采用双风道,双风道内的气流按相对方向流动。使得其铜线风道面积仅为副槽口面积的大约 2.4倍。方案3的转子端部铜线为线匝通风孔轴向冷却,其风扇压头较低,采用加大风道截面积来增加冷却气流。其转子电密为9.42A/mm2,比方案1(1

25、1.6A/mm2和方案2(11.54A/mm2的要小。方案3的转子槽数为32,转子槽形为矩形的梯形槽,可以提高槽满率,加上副槽平均高度后,其槽高为194.5mm。方案3的定转子间气隙为的117.5mm,虽然其功率因数为0.85,但它的短路比仍为最大,静态稳定能力强,但成本也略有增加。为加大定子线圈通水面积,方案3的所有铜线均采用空心铜线,同时为减小环流附加损耗。其内两排铜线和外两排铜线分别单独换位。这样的换位一个线圈需要增加2个空心铜线高度,比一般的换位多1个空心铜线高度。该方案按其最大出力计算,定子线圈电流密度较大。方案3的额定励磁电压最高,励磁机的制造更难。但如果工况与方案1和方案2相同,

26、它的励磁电压将降为473伏。在相同的工况900MW,功率因数为0.90时,方案1、方案2和方案3的效率根据KWU、WH、GEC分别为98.91%、98.94%、98.88%.在相同工况下,方案3的附加损耗要比方案2大1156kW。方案3的氢压较小且所需风扇压头较低,根据GEC、WH的资料,方案3的通风损耗比方案2小452kW。其铁耗比方案2大207kW。方案3的额定工况为900MW,功率因数为0.85,相对于功率因数为0.90,其转子励磁损耗、定子铜耗、附加损耗分别增加456kW、191kW、316kW,使得其效率降为98.77%。4方案4 (STGC方案4和方案3相比,转子取消副槽,因而其转

27、子额定励磁电流减小,转子铜耗减小,提高效率。5.4 通风系统计算说明通风冷却方式是大型汽轮发电机设计的主要问题之一,发电机单机容量增加是依靠材料进步和电磁负荷密度提高来实现的。有效材料主要是转子锻件受机械性能和轴系动力特性的限制,是有限度的。电磁负荷密度的提高导致单位体积发热的增加,需要通过改进冷却方式来解决。综观世界各主要发电设备制造厂家的情况,在百万千瓦容量等级,无论是两极或是四极机组,冷却方式主流是水氢氢,定子线圈水内冷是比较普遍的。各家公司的技术特点主要是转子线圈的氢内冷方法。在从50年代开始起的半个世纪内,一些具有创新的公司各自发展了自己独特的转子通风系统,并随着单机容量的增加,积累

28、了大量的研究、试验、设计、运行数据,可以说都已趋于成熟阶段,每种通风方式都有许多台机组成功的运行。只要充分掌握每种通风系统的特点和局限,哪一种方式都是可行的。气隙取气斜流通风这是一种自通风方式,维持气体在导体内循环的压力主要来自转子自身的泵压作用,转子槽楔进风斗和出风斗合理的空气动力形状是保证导体内有足够气体流量的关键因素。在斜流流道内气体具有较高的流速,是充分发展的紊流,流道又呈长径比较大的长方形,因此具有较高的散热系数。一般用吸风系数表示系统的通风性能u=kvu- 斜流风道气体速度k- 吸风系数v- 转子表面线速度可见这种通风系统在转速高的两极机组上能充分发挥其长处。在整个转子长度方向,进

29、出风区是交替布置的,形成多个并联支路。发电机容量增加,只要增加并联风区数。设计具有很大灵活性。槽底副槽径向通风本质上这也是一种自通风方式,转子表面和副槽底部位置处离心力差是构成气体循环之压中国 海南 中国科协 2004 年学术年会电力分会场暨中国电机工程学会 2004 年学术年会论文集 31 力。决定系统流量大小的主要因素是副槽轴向风 道面积， 副槽进风口流速一般在 100m/s,该处具有 最大的流动阻力，气流压力降大部分发生在副槽 轴向风道内。发生热交换的导体径向风道内气体 流速大约在 20m/s 左右，相应雷诺数 30005000 范围，是尚未充分发展的紊流区。转子直径较大 也是其设计特点

30、之一。 传统的导体内径风道是单排或双排的径向狭 长孔。近来出现了一些创新的结构，气流并非完 全径向流动，有部分路径是轴向，呈轴向和径向 混合型。 轴向-径向通风 轴向径向通风是一种主要依靠外加高压多 级风扇来维持气体在导体内流动的通风方式。气 体经位于绕组端部的进风孔从两端分别进入导体 的轴向风道，在转子中间经径向孔从槽楔排出。 随着单机容量增加，转子长度放长，需要的风扇 级数也增加。转子冷却风量几乎完全由风扇压力 来调节。导体内轴向流速在 60100 m/s 范围， 雷诺数远大于 10，000。 由于高压风扇的存在，定子铁心一般采用轴 向通风，这也是本系统的一个特点。 两极 900MW 发电

31、机通风计算的四种方案 在两极 900MW 全速发电机中，共列出了三 种通风方式 4 个方案。方案 1 和方案 2 同为轴向 径向通风系统，定子铁心都是轴向通风。方案 3 是副槽通风，方案 4 是气隙取气斜流通风，两 者铁心是径向通风。方案 3 是单路抽风式。方案 4 是多进多出系统。各方案计算结果见下表 1。 轴向-径向通风 轴向-径向通风的两个方案中， 方案 1 来源于 西门子外高桥 900MW，方案 2 是西屋公司系列 设计中转子外径 46 英寸的一个设计。 这种通风系 统是西屋公司的传统，从中等容量到大容量，无 论是两极还是四极，都是统一的通风系统。据其 发布的信息已经有 20 余台 7

32、00MW 以上容量的机 组投入运行。对其成熟性是无庸质疑的。上海汽 轮发电机公司分享其全部技术成果。转子导体高 电流密度是其设计特点，与之相应，导体内高气 流速度、高雷诺数、高散热系数。与其他通风方 式相比，转轴本体的有效尺寸 D2L 较小，转子用 铜较少。高压多级风扇是这种通风方式的特点。 这两个方案转子绕组温度计算所用程序都是西屋 公司标准程序 TG3248 和端部 TG3255， 额定功率 时方案 1 转子绕组最高温升和平均温升分别是 56K 和 36K，最大容量时最高温升 70K。额定功 率时方案 2 转子绕组最高温升和平均温升分别是 63.4K 和 39.2K，最大容量时最高温升 7

33、9.2K。 副槽通风 方案 3 是副槽通风，其主要尺寸按大亚湾 2 极 900MW 复算。需要说明的是，大亚湾的转子 通风并非传统副槽通风中气体在导体上是单径向 流动，它是一种轴向和径向的混合型流动。由于 暂时未获得其结构的详细资料，我们在这里引用 了该机组满电流试验的温度数据，转子绕组最高 温升 80K，平均温升 30.5K。与传统的单径向流 动相比，这种混合型流动显然要好。在单径向流 动的副槽通风系统中，尽管可以采用多种方法， 如副槽槽形的锥形、阶梯形，槽楔出风口的孔尺 寸的多样化，变节距通风孔，总不能使径向风道 分布完全均匀， 这就导致存在一定的轴向温度差， 限制了发电机出力。混合型通风

34、则克服了这一缺 点，使轴向温差更小。因此下一步的任务是开发 这种结构型式的转子风量和温度分布程序，作为 起点， 应该从单件模型试验入手， 再做整机模型， 直至编制出符合实际的温度计算分析软件。 气隙取气斜流通风 方案 4 气隙取气斜流通风，从通风性能来评 价，是最适合两极发电机的。本公司设计基础是 600MW 发电机。该机是 1987 年中国两家厂的联 合设计，集两家多年的设计和制造经验，又吸收 了西屋公司的成熟结构。在首台机组投产前，本 公司又做了大量基础性科研工作，其中一项就是 转子槽楔进、出风斗的空气动力性能测试，对多 种结构形状进行了对比试验，确定了最适合的方 案用于产品。和 600M

35、W 相比，本方案最大的变 化是增加了并联风区数，从五进六出调整为七进 八出，风区长度从原 511mm 缩短为 400mm。所 用程序是 600MW 发电机设计时，联合设计组编 制的，首台 600MW 发电机工厂试验又验证了转 子绕组平均温升，600MW 额定工况转子绕组温 升平均值的计算值是 44K，工厂试验（由空载短 路法试验值推算）值是 41.3K。本设计额定工况 时转子绕组最高温升和平均温升分别是 63K 和 52K。 32 中国科协 2004 年学术年会电力分会场暨中国电机工程学会 2004 年学术年会论文集 表1 方案 1 水氢氢 轴向径向 轴向 0.50 MPa /0.50 mm

36、6730 mm 1250 mm 5753 A /6343 56.0 K /70.0 36.0 K /41.0 m/s 66.0 37700 kPa 23.1 K 49.0 32 m3/s 两极 方案 2 方案 3 方案 4 水氢氢 水氢氢 水氢氢 轴向副槽 气隙取气 径向 轴向 径向 径向 0.51 0.425 0.425 /0.51 /0.50 /0.50 7315.2 7125 7125 1168 1275 1275 35.8×31 6740 5287 5187 /7418 /5664 /5564 63.4 63.0 80* /79.2 /62.0 39.2 52.0 34* /

37、48.6 /51.0 94.0 16.0 40.0 57000 3250 13600 46.0 12.8 6.0 48.0 29.0 30.2 32 40 40 同步电抗 xd 直轴暂态电抗 xd 直轴次暂态电抗 xd” 短路比 冷却氢气流量 冷却氢气温升 冷氢气温度 m3/s K % unsat. %sat. %sat. 234.2 20.7 15.9 0.52 33 33 43 中国海南 224 28.2 22.0 0.56 33 35 46 冷却型式 转子通风方式 铁心通风方式 氢气表压 转子本体长度 转子本体直径 副槽尺寸(高×宽 励磁电流额定/最大 转子绕组最高温升 转子绕

38、组平均温升 转子导体内风速 导体内流动雷诺数 风扇压力 铁心热点温升 发电机总风量 带#为试验数据 方案 1 的转子外径比方案 2 要大，当槽分度 数相同时，方案 1 可以取较大的齿槽宽，较少的 槽数,并采用矩形槽,其槽分度比为 28/45，有利于 降低转子绕组和转子加工的成本。其气隙长度仅 为 80mm， 可以减小励磁电流， 但它的短路比也相 对较小。方案 1 的转子本体直径 D2 为 1250mm， 转子本体长度 L2 较短为 6730mm，相对方案 2 轴 系具有较好的稳定性。 方案 1 线电压最高为 27 kV， 定子电流相对方 案 2 要小，定子损耗也小。铁心为轴向通风冷却， 在齿部

39、要开轴向孔所以必须增大齿宽来维持一定 磁密，所以定子槽形设计较狭长，槽底处直径相 对较大，其铁心外径相对也较大，为 3280mm，轭 部磁密为 1.35T,低于方案 2。而它的定子铁心外径 大，定子运输重为 450 吨。 方案 1 的定子线圈采用双排导线布置，其空 心导线采用不锈钢材料， 高度 4mm， 壁厚 0.9mm。 采用不锈钢导线后， 附加损耗减小， 因壁厚减小， 相对的可以增大通水面积。同时相对于空心铜 线，水流速度可以增加，来加强冷却效果。但采 用不锈钢导线使定子线棒导电面积减小，定子直 流电阻稍增大。 小于 方案 2 的转子本体直径 D2 为 1168mm， 方案 1，D2 为

40、1168mm 的转子已在珠海电厂中得 到应用。 转子槽数为 32， 转子槽形为半平行梯形 槽，相对于方案 1 平行槽，可以相对增大槽内铜 导线的面积。定转子间隙为 96.52mm，比方案 1 的大，因此短路比也比方案 1 的大。其轭部磁 密和齿部磁密比方案 1 大，而且铁心长度长，因 此需要更高的风扇压头达到其冷却效果。 方案 2 计算得出额定励磁电流 IfN 较大，转 子励磁损耗也大，需要更大的励磁机容量，其对 励磁系统的要求更高。 方案 1 的发电机效率高于方案 2。 这两个方案转子绕组温度计算所用程序都是 *所列温度系 GEC 两极 900MW 额定工况试验值 5.5 900MW 发电机

41、西门子外高桥(方案 1 和西屋公司(方案 2比较 两个方案均为定子水内冷、转子绕组轴向径 向氢内冷，定子铁心轴向氢气冷却，方案 1 转子 本体直径 1250mm。发电机在额定氢压 0.5MPa、 冷水温度为 38时,额定功率为 900MW, 功率因 数为 0.9,此时氢气温升为 33K。方案 2 是西屋公 司在 889MW 60Hz 3600r/min 发电机的基础上放 长铁心设计而成（相当于珠海电厂中 746MW 发 电机机座号 2-110×250 放长到 2-110×290 而 来） ，其转子直径为 1168mm，在额定氢压为 0.5Mpa 时，发电机的额定功率为 90

42、0MW，功率 因数为 0.9。 西门子外高桥(方案 1 额定容量 额定功率 额定电压 额定电流 额定功率因数 频率 极数 额定氢压(表 负序能力 (I2/IN2t 电压调节 额定功率因数下 的效率 励磁方式 额定励磁电流 额定励磁电压 A V MPa s % % Hz MVA MW kV A 1000 900 27 21383 0.9 50 2 0.5 5 ±5 98.92 (#99.01 无刷 (#5355 (#394 西屋公司(方案 2 1000 900 26 22206 0.9 50 2 0.5 5 ±5 98.9 无刷 6740 440 中国 海南 中国科协 200

43、4 年学术年会电力分会场暨中国电机工程学会 2004 年学术年会论文集 33 西屋公司标准程序 TG3248 和端部 TG3255， 额定 功率 900MW 时方案 1 转子绕组最高温升和平均 温升分别是 56K 和 36K，最大容量时最高温升 70K；方案 2 转子绕组最高温升和平均温升分别 是 63.4K 和 39.2K，最大容量时最高温升 79.2K。 总之， 两个方案各有特点， 西门子外高桥(方 案 1发电机的总体性能和参数略优于西屋公司 (方案 2， 而且上海汽轮发电机有限公司已制造过 西门子外高桥 900MW 发电机的定子，获得了 900MW 汽轮发电机制造的许多宝贵经验，因此 优

44、先推荐西门子外高桥方案 1。 5.6 SIEMENS THDF 125/67 发电机在出 THDF 125/67 发电机容量 发电机功率 定子电压 定子电流 功率因数 频率 极数 额定氢压(表 电压调节 额定功率因数下的效率 励磁方式 励磁电流 励磁电压 同步电抗 xd 直轴暂态电抗 xd 直轴次暂态电抗 xd” 短路比 冷却氢气流量 冷却氢气温升 冷氢气温度 m3/s K A V % unsat. %sat. %sat. MPa % % Hz MVA MW kV A 1111.11 1000 27 23759 0.9 50 2 0.5 ±5 98.92 无刷 5883 438 26

45、1.22 23.76 18.22 0.47 33 35.9 40 虽已有西门子-西屋公司的百万千瓦级发电机有 关资料，并且与桂林、上海交大合作完成了 26 27kV 定子绕组绝缘及防晕层的课题研究， 但是正 式将百万千瓦级 2627kV 发电机定子绕组绝缘 国产化，尚需进行线棒模型试验。现上海汽轮发 电机有限公司拥有多胶模压绝缘和少胶 VPI 绝缘 （真空压力浸漆）两种体系，多胶模压绝缘体系 目前拥有的技术可以做到额定电压 20kV， 成熟的 产品最大容量 600MW。少胶 VPI 绝缘体系目前 通过了西门子西屋公司和伏依特西门子两家考 证。只制造过半组式线棒试验线棒，没有做过整 台线棒。目前

46、拥有的技术可以制造额定电压为 27kV 的定子线棒。 根据百万千瓦级汽轮发电机对 主绝缘的要求以及汽发公司的技术特点，汽发公 司将采用 VPI 绝缘体系作为百万千瓦级汽轮发电 机主绝缘体系。额定电压 26kV27kV，防晕体 系采用一次成型防晕或者涂刷型防晕，关键绝缘 材料将部分进口。 6.2 转子及护环锻件材料的试制 百万千瓦级两极汽轮发电机转子锻件需要很 高的屈服强度等性能，因此转子锻件供应，曾经 是制造百万千瓦级 3000r/min 汽轮发电机的主要 问题之一， 年代国外一些锻件制造厂已经能够 90 提供这种转子锻件，国内目前只有少数几家锻件 制造厂能制造 600MW 汽轮发电机转子的锻

47、件。 护环是汽轮发电机运行中承受应力最高的部件。 20 世纪 70 年代以前各公司汽轮发电机护环皆采 用非磁性奥式体系高强度合金钢（18Mn5Cr） 。70 年代欧洲连续发生了几次汽轮发电机护环因潮湿 引起应力腐蚀断裂的事故，因而发展了 18Mn18Cr 护环，其抗应力腐蚀性能好，美国已 运行的大型汽轮发电机，近年来已在逐步更换为 18Mn18Cr 护环，但能供应 18Mn18Cr 护环的， 目前在世界上仅有日、德、法少数几家厂商。总 之对采用 18 Mn18Cr 护环的运行条件，尚需研究 分析。百万千瓦级全速汽轮发电机转子护环承受 的应力，已接近于护环允许的应力水平，大亚湾 核 电 站 GE

48、C 900MW 3000r/min 护 环 设 计 成 3300r/min 时与转子分离，以降低护环承受应力， 此设计需进一步分析研究。 6.3 定子绕组端部振动的防止与振动频率、 振幅标准的研究 广东沙角 C 厂 3 台 660MW（法国 Alstom 力 1000MW 时的主要技术数据如下 6 百万千瓦级汽轮发电机研制技术攻关 的主要内容 6.1 2627kV 定子绕组主绝缘及防晕层的 设计开发研究和线棒试制 百万千瓦级单轴 2 极汽轮发电机需要采用 2627kV 电压。300MW、600MW 汽轮发电机向 美国西屋公司引进技术时，虽已引进了 24kV 绝 缘技术，但上海、哈尔滨制造的 600MW 汽轮发 电机皆为 20kV 电压，四川 600MW 汽轮发电机 为 22kV。我国尚没有制造 24kV 定子绕组绝缘及 防晕层的经验。近几年上海汽