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汽輪發(fā)電機(jī)定子增容改造的分析 hc360慧聰網(wǎng)電氣行業(yè)頻道 2004-06-22 15:58:36 摘要：文章簡要介紹了發(fā)電機(jī)增容改造工程的概況?；趯ο拗瓢l(fā)電機(jī)容量因素的討論，主要對發(fā)電機(jī)定子部分在增容改造過程中所需解決的問題和采用的相應(yīng)技術(shù)措施進(jìn)行分析。 關(guān)鍵詞：汽輪發(fā)電機(jī)；增容；定子；冷卻器；擋風(fēng)圈，電屏蔽環(huán) 某公司5號發(fā)電機(jī)是上海電機(jī)廠生產(chǎn)的QFS-125-2型汽輪發(fā)電機(jī)，自1996年投入運(yùn)行以來，運(yùn)行狀況穩(wěn)定。為了進(jìn)一步挖潛增效，適應(yīng)今后公司發(fā)展的需要，參照同型號發(fā)電機(jī)組增容改造的經(jīng)驗，決定對5號機(jī)組進(jìn)行增容改造。改造后的汽輪發(fā)電機(jī)應(yīng)能達(dá)到最大連續(xù)出力135MW，比增容前增加10MW；改造后發(fā)電機(jī)在最大連續(xù)出力工作情況下，各部分溫升、振動等技術(shù)指標(biāo)均不超過相應(yīng)國家標(biāo)準(zhǔn)，發(fā)電機(jī)各項常規(guī)試驗數(shù)據(jù)均不低于改造前試驗數(shù)據(jù)；改造后發(fā)電機(jī)基本參數(shù)應(yīng)能達(dá)到規(guī)定值，具體參數(shù)參照表1。 1 增容改造工程概況 (1)對汽輪機(jī)通流部分進(jìn)行了改造，同時更換汽輪機(jī)低壓轉(zhuǎn)子，在汽缸不變的情況下，新轉(zhuǎn)子葉片的角度增大和長度加長，改造后汽輪機(jī)熱力性能達(dá)到了國內(nèi)同型機(jī)組的最好水平，使它在鍋爐未做改造的情況下，增大了輸出功率。 (2)發(fā)電機(jī)定子改造，針對增容后出現(xiàn)的散熱問題、電動力問題、電磁振動問題，進(jìn)行理論分析，并提出解決方案。 (3)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子勵磁回路改造，改為采用WKKL-2型數(shù)字式自動勵磁調(diào)節(jié)裝置。 (4)發(fā)電機(jī)冷卻水系統(tǒng)改造；由于發(fā)電機(jī)組在系統(tǒng)中擔(dān)負(fù)著調(diào)峰運(yùn)行任務(wù)，負(fù)荷經(jīng)常性變化較大，使得發(fā)電機(jī)溫度變化也比較大，造成諸多問題，如定、轉(zhuǎn)子線圈銅材長度發(fā)生變化而發(fā)生定子繞組端部及槽部磨損、高變熱應(yīng)力加速絕緣老化、熱不對稱引起的機(jī)械振動等問題。為比較好的解決以上問題，在冷卻水系統(tǒng)改造中采用了三通合流閥、分流閥、調(diào)節(jié)單位，可確保定、轉(zhuǎn)子線圈進(jìn)水、出水溫度保持相對穩(wěn)定。 2 發(fā)電機(jī)定子散熱問題的分析 2．1 散熱問題的提出 限制發(fā)電機(jī)的額定容量的主要因素之一是散熱冷卻問題。雖然QFS-125-2型汽輪發(fā)電機(jī)的效率很高(≥98.5％)，總損耗不到額定容量的.5％，但其絕對值還是相當(dāng)可觀的，增容到135MW后，損耗絕對值估算將達(dá)到2 000 kW，比增容前增加150 kW。該型發(fā)電 機(jī)的損耗主要為(1)基本銅損耗約占全部損耗15％；(2)基本鐵損耗14％；(3)勵磁損耗25％；(4)機(jī)械損耗24％；(5)雜散損耗22％。其中 (2)、(4)項在負(fù)載變化過程中基本不變；而因為 增容后滿載勵磁電流增加只有約2％(從1 635 A增至1 670 A)，所以(3)項在增容前后可以近似看作不變；增容后定子繞組滿載電流增加8％(從6150 A增至6 645 A)，因此(1)項基本銅損耗約增加17％，因基本銅損耗原因而增加的絕對發(fā)熱量估算約為50 kW，綜合以上的計算說明增容后損耗增加的大部分為(5)項雜散損耗，約為100kW。 大型汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)受最大幾何尺寸的限制，所以采用高氣隙磁通密度。又因2極發(fā)電機(jī)定子線圈節(jié)距大，每個相帶線圈數(shù)量多，導(dǎo)致繞組端部長，這樣定子線圈端部形成了一個較大的旋轉(zhuǎn)漏磁場，此外隱極式轉(zhuǎn)子在線圈端部也有一個隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的漏磁場。端部漏磁通總要沿磁阻最小的路徑通過，因此漏磁通主要集中在定子端部鐵芯壓圈內(nèi)圓、壓指和端部最邊段鐵鐵芯齒處，導(dǎo)致這些部位渦流損耗增大，溫度升高。雜散損耗主要轉(zhuǎn)化為這些部位的鐵損渦流發(fā)熱，造成相應(yīng)部位的過熱故障，也就是說，定子端部部分發(fā)熱大量增加是增容后的突出問題。 2．2 散熱問題的解決方案 2．2．1 空氣冷卻器的配套改造 根據(jù)前面的估算，應(yīng)配套采用具有更大冷卻功率的空氣冷卻器，確保發(fā)電機(jī)在發(fā)熱量增加的情況下，溫升不超過相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)。原冷卻器采用繞簧式結(jié)構(gòu)，在實際運(yùn)行中冷卻效果不理想；而新的空氣冷卻器是在消化吸收法國ALSTOM的經(jīng)驗基礎(chǔ)上開發(fā)，采用高效穿片式結(jié)構(gòu)，將薄銅片壓套在冷卻水管上作為換熱元件，具有較高的換熱效率，并且由于風(fēng)阻降低，冷卻效果較好，另外由于結(jié)構(gòu)上的改進(jìn)，新冷卻器便于清理，減少了油垢積淀。確保在原工況不變情況下(即冷卻水壓、冷卻水流量、冷卻器幾何位置、水路支數(shù)等不變)，提高熱交換效率30％-35％，容量比原冷卻器提高240kW，達(dá)到1 100kW。 同時增加了空氣冷卻器清污間的補(bǔ)風(fēng)過濾裝置，在空氣冷卻器的清潔間內(nèi)，由于風(fēng)壓作用，造成漏風(fēng)嚴(yán)重，致使冷卻風(fēng)質(zhì)量下降，因此增加一組補(bǔ)風(fēng)過濾裝置，可減少漏風(fēng)損失，從而達(dá)到提高發(fā)電機(jī)冷卻效果的目的。 2．2．2 定子端部發(fā)熱突出問題的解決方案 解決定子端部發(fā)熱問題，采取的技術(shù)措施主要有以下3部分： (1)改變冷卻風(fēng)量分配，在定子鐵芯內(nèi)圓定轉(zhuǎn)子氣隙加裝擋風(fēng)圈，在定子端部退出封口槽楔，加裝擋風(fēng)槽楔及與之相配套適型的膠皮制擋風(fēng)圈，每節(jié)擋風(fēng)圈規(guī)格長為35mm，寬為5mm，這是個經(jīng)驗數(shù)值，高度為整個氣隙高度的45％-50％。這樣做可以減少氣隙進(jìn)風(fēng)量，同時相應(yīng)增加端部冷卻風(fēng)量。 (2)為了改善端部漏磁通造成的發(fā)熱問題，在定子鐵芯壓圈外側(cè)上加裝電屏蔽環(huán)，利用電屏蔽環(huán)內(nèi)的渦流阻止漏磁通進(jìn)入壓圈的內(nèi)圓，用"堵"的辦法將壓圈內(nèi)圓處集中的漏磁分散，以防止壓圈局部出現(xiàn)高溫和過熱現(xiàn)象。電屏蔽環(huán)材料選用電導(dǎo)率高的鍍銀銅制環(huán)(3mm30mm)，電屏蔽環(huán)和壓圈壓緊螺母可靠焊接，保證和壓圈接觸良好，以免兩者間電位差引起火花。 (3)為保證增容后定子繞組端接部位在局部溫升提高的情況下的絕緣可靠性，更換端接部位原有的手包粉云母絕緣材料(B級絕緣)，采用粉云母環(huán)氧聚脂粘合絕緣材料(F級絕緣)，提高定子繞組端部絕緣耐熱性，同時也加強(qiáng)了絕緣整體性。 3發(fā)電機(jī)定子繞組端部電動力問題的分析 限制發(fā)電機(jī)容量的另一個主要因素是發(fā)電機(jī)的機(jī)械強(qiáng)度問題。這里主要考慮發(fā)電機(jī)容量增加后，定子繞組電流增加而產(chǎn)生的電動力增加問題。根據(jù)安培定律，兩相鄰載流導(dǎo)體相互間產(chǎn)生的電動力的大小與各自導(dǎo)體內(nèi)電流的乘積大小成正比。增容后發(fā)電機(jī)額定電流增加了8％，也就是繞組間的電動力增加了17％(1.08X1.08)，而大容量發(fā)電機(jī)在運(yùn)行中發(fā)生不對稱短路故障時短路電流是非常大的。當(dāng)發(fā)電機(jī)在空載電壓為額定值，發(fā)生三相對稱短路時，在最不利的情況下最大瞬時沖擊電流將達(dá)到額定電流的10-20倍。因此，作為薄弱點，定子繞組在鐵芯槽外部分，包括漸開線部位及端部連接部位等處的機(jī)械強(qiáng)度需要加強(qiáng)。具體措施為： (1)采用適形材料，在繞組端部連接部位后根部兩根線棒間增加絕緣填充料，用滌綸適形材料預(yù)浸環(huán)氧膠后加強(qiáng)綁扎。 (2)端部繞組漸開線部位的壓板間的空檔楔人環(huán)氧板，用適形材料緊固后用無堿玻璃絲帶橫三縱四的綁扎，扎緊后涂刷環(huán)氧膠。 采取以上措施加強(qiáng)了相應(yīng)部位的機(jī)械強(qiáng)度，同時提高了端部的整體性，降低了端部振動的幅值以及振動引起的部位間相對位移對絕緣的磨損。 4 發(fā)電機(jī)定子繞組端部電磁振動問題的分析 對定子繞組的機(jī)械薄弱部位進(jìn)行加固前、后，還需對定子繞組端部做固有頻率檢測，這涉及發(fā)電機(jī)的電磁振動問題。轉(zhuǎn)子磁極產(chǎn)生使定子變形的磁拉力，轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)造成拉力的周期性變化，2極的轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)1次，拉力變化2次，因而形成定子鐵芯2倍電網(wǎng)頻率的振動。在汽輪發(fā)電機(jī)中，由于定轉(zhuǎn)子氣隙較大以及整塊實心轉(zhuǎn)子對諧技磁場的阻尼作用，所以產(chǎn)生的高頻電磁振動較小。較為重要的就是上述原因產(chǎn)生的由氣隙中的主波磁場產(chǎn)生的2倍電網(wǎng)頻率的定子鐵芯振動。 推導(dǎo)公式：P=(Bσ2/4Uo) COS(2Pθ-2ωt-2φ)，可知產(chǎn)生鐵芯振動的力波次數(shù)較低，為r=2p(對于2極汽輪發(fā)電機(jī)而言即為2)。而在這樣的情況下，定子鐵芯的剛度又較差。這種2倍工頻(100HZ)的振動是由氣隙主波磁場產(chǎn)生，所以是不可避免和消除的，為了防止共振，應(yīng)該使定子鐵芯、繞組、機(jī)座及其附件等的固有頻率遠(yuǎn)離100 HZ加固定子繞組端部可以在加強(qiáng)其機(jī)械強(qiáng)度的同時，加強(qiáng)繞組端部的整體性，降低端部振動的幅值，固有頻率檢測的目的就是確保定子繞組端部的固有振動頻率遠(yuǎn)離電磁振動頻率(100 HZ)。從試驗結(jié)果來看，加固后的實驗數(shù)據(jù)優(yōu)于加固前，完全符合標(biāo)準(zhǔn)。 5 總結(jié) 5號發(fā)電機(jī)組增容改造完成后，運(yùn)行至今(2001年11月-2003年7月)，共20個月，運(yùn)行情況良好，運(yùn)行完全符合改造前制訂的參數(shù)要求，期間數(shù)次小修檢查也未發(fā)現(xiàn)異常。增容前的2000年利用小時數(shù)為6489 h，發(fā)電量為7.32億kWh，增容后的2002年利用小時數(shù)為6563 h，電量為7.87億kWh(這2年均無大修)，從機(jī)組的利用小時數(shù)的比較說明改造后運(yùn)行是可靠的，而發(fā)電量的前后比較說明改造產(chǎn)生明顯的經(jīng)濟(jì)效益，據(jù)計算，2年內(nèi)即可收回改造投資。