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200MW氢冷发电机增容技术改造 |
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| 200MW氢冷发电机增容技术改造 |
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作者：佚名 文章来源：不详 点击数： 更新时间：2008-9-26 20:00:43  |
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国产200MW氢冷发电机增容技术改造
高 军
（浙江镇海发电有限责任公司）
摘要
为提高机组经济性能，镇海发电有限责任公司对国产200MW发电机进行增容改造。文中主要介绍增容改造的可行性分析，改造所采取的措施，改造过程中的问题，改造后性能的鉴定，发电机安全稳定运行。
题词：发电机；增容改造；试验；技术参数
镇海发电机有限责任公司200MW汽轮发电机组是20世纪80年代北京重型电机厂的产品，经济技术性能和调峰性能已不能满足电网要求。近年来随着改造技术的发展，200MW机组汽轮机改造使汽轮机效率提高了1.69%。为配合汽轮机效率的提高，发电机部分也需做相应的增容改造（增加20MW），以便能充分发挥其效率，同时为满足机组低负荷调峰运行，发电机做适当改造，以保证其在频繁启、停的条件下安全稳定的运行，从而延长机组的使用寿命。
1. 发电机改造前的运行状况
1.1. 发电机因结构原因，转子绕组在端部的局部范围内温度偏高，使转子绕组过热引起绝缘故障，我公司曾在1993年发生一起转子绕组在端部匝间短路并接地，在2001年发生一起转子绕组在端部匝间短路。
1.2. 随着系统容量的增大，200MW机组的调峰任务日趋频繁，发电机组的负荷频繁变动或起停，造成转子绕组匝间绝缘或槽楔下绝缘垫片移位，引起通风孔风路不畅。我公司四台200MW发电机均出现低于平均风速1/3的通风孔，其中最严重的是#4发电机转子励侧端部风区有两只通风孔只有2m/s和1.7m/s（平均风速为7.5m/s）。
1.3. 发电机因氢气冷却器冷却效果差，造成运行中发电机两侧进风温度偏高，进入夏季经常超过40℃，造成机组减荷运行。
2. 发电机增容改造的可行性分析
发电机运行时定、转子绕组、定子铁芯、机械运转所产生的损耗转换成热能，导致发电机各部分温度升高，发电机的允许出力主要由其有效部分的最高承受温度来确定。众所周知，发电机的有效部分中导磁材料和导电材料的工作温度在200℃以下时并不影响其电磁和机械性能，有效部分的绝缘材料耐热性能则较差，运行温度过高会加速绝缘老化和缩短绝缘寿命，故发电机各有效部分的允许温度，按该部分绝缘的耐热等级所决定。
2.1. 定子绕组、定子铁芯、转子绕组温度
2.1.1. 温升试验
我公司为摸清发电机各部分的温升，确保发电机的安全运行，由浙江省电力试验研究所于1992年对#3发电机进行了温升试验（采用直接负荷法）。为核查发电机经多年运行后状况有无变化，在发电机增容改造前又由浙江省电力试验研究所对#6发电机进行了温升试验。两次温升试验的结果如表1所示。
表1 发电机有功功率200MW、cosø=0.85时各部分的温度、温升情况 单位：℃
测试部件
定子绕组
定子铁芯
定子绕组冷却水（出水）
转子绕组
冷却风
#3机
#6机
#3机
#6机
#3机
#6机
#3机
#6机
#3机
#6机
最高温度
68
65.8
77
76.0
51
50.8
72.59
72.9
52
58.0
温度限额
90
120
85
110
-
最高温升
27.7
25.0
36.9
35.0
12.1
11.8
32.49
31.9
14.40
17.0
温升限额
50
80
45
70
-
2.1.2. 发电机定子内温度分析
由于发电机定子绕组是采用水内冷方式，其在运行中由铜耗产生的热量全部由冷却水带走，甚至还有一部分铁芯损耗产生的热量通过绕组绝缘传到铜导体冷却水带走。因此发电机定子其铁芯温度高于绕组温度，从温升试验的数据也证实了这一点，定子绕组温度在运行中温度较低，离绕组绝缘温度限额很远，同时发电机定子铁芯温度的裕量也很大。因此发电机增容后定子绕组和铁芯温度仍有裕量。
2.1.3. 发电机转子绕组温度分析
QFQS-200-2型发电机转子冷却方式为四进五出沿轴向共分9个风区，采用气隙取气斜流通风的方式，其转子绕组温度分布基本上是马鞍形，转子绕组的两个端部比槽部温度高。北重厂的QFQS-200-2型发电机转子绕组的热不均匀系数为1.45。，由表1温升试验测出在额定负荷工况下转子绕组平均温度为72.9℃，平均温升为32.9℃，计算其最热点温度为87.7℃，可见发电机转子绕组温度有较大裕量,但考虑到发电机增容要增加励磁电流127A，该温度裕量可能偏小。因此需要采取一定的措施。
2.1.4. 发电机转子绕组冷却方式改造分析
2.1.4.1. 转子端部冷却方式
北重厂在转子绕组端部的冷却方式采用单路通风，由于端部风道大长，沿着气流前进方向导线温度逐渐升高，使在槽部边端风区上产生转子的最高温度点；而采用端部两路通风，缩短风道，可使端部绕组温度明显下降。根据转子三维温度场的计算得出，端部绕组为两路通风方式，其在有功功率220MW、cosø=0.85时，绕组最高温度所在处位于槽轴向正中部断面，为116.61℃，比单路通风方式下降15.47℃，平均温升下降7.88℃,温升不均匀系数减小0.09。
2.1.4.2. 转子槽部冷却方式
由于发电机的气隙较大，故在冷、热风区间无气隙隔板的情况下，就存在冷、热风相混和，这对转子槽部的冷却十分不利。加装冷、热风区间的气隙隔板后，可以防止或减弱转子出口的热风与将要进入转子绕组的冷风相混和，以及未经冷却转子的冷风直接进入定子出风区的现象，以加强转子绕组槽部的冷却。根据有关转子三维温度场的计算得出，采用全气隙隔板措施，转子平均温升比仅在两端有气隙隔板的情况下降10.8℃。
综上所述，采用转子端部两路通风和全气隙隔板措施，使转子绕组温升明显降低，从而达到提高转子绕组温度裕量的要求。
2.2. 定子端部铁芯及结构件的温度
我们根据天津军粮城电厂#8发电机（同为北重厂生产的QFQS-200-2型发电机）进相运行试验报告，得到发电机进相运行时定子端部铁芯及结构件的温度，试验数据见表2所示。
表2 发电机有功功率180MW、cosø=-0.97时端部铁芯及结构件的温度 单位：℃
测试部件
铁芯端部
铁芯压指
铁芯压圈
最高温度
59.8
46.4
45.0
温度限额
130
110
200
从表2试验数据可知，定子端部铁芯及结构件的温度因素不构成发电机增容限制条件。
2.3. 机械强度
发电机的机械强度，一般是按承受定子出线端突然短路及转子超速考虑的，出线端突然短路的力矩一般是额定力矩的几倍，改造后定子电压不变，结构不变，因此不用考虑此方面问题。
2.4. 结论
从发电机各部件的温升发热、冷却方式、机械强度等方面分析，在额定工况（cosø=0.85、机内氢压为0.3MPa、氢气冷却器进水温度不高于33℃）下，只要改进转子冷却方式，提高转子冷却效果，，降低发电机转子绕组温度，北重厂生产的QFQS-20002发电机增容改造后，额定功率为220MW、cosø=0.85及最大输出功率为231MW是可行的。
3. 发电机增容改造的主要技术措施
3.1. 为降低发电机转子绕组端部温度，防止转子绕组过热造成绝缘故障等问题，提高发电机运行的可靠性，满足发电机容量增大的要求，更换了转子绕组和绝缘，将绝缘等级提高至F级，由原设计的转子端部一路通风结构改为两路通风结构，即在转子绕组端部的拐角处开两个进风口，使一路气流沿两根凹形铜线组成的中空导线的轴向通风道，从相通的槽内斜向风道流出，另一路气流沿两根凹形铜线组成的中空导线的周向轴流通风道，从在转子大齿上新开的月牙槽排出。
3.2. 为防止转子绕组匝间短路故障，适应机组调峰运行的要求，在转子槽楔垫条下及护环绝缘瓦内侧增加滑移层（即覆盖一层聚四氟乙烯滑移材料）以使铜线温度变化时，能较容易地沿轴向滑动或伸缩。
3.3. 为降低转子绕组温度，在发电机定子内圆上增装风区隔板，把气隙中热风和冷风分开，避免混风。在发电机气隙沿轴向9个风区间，安装十道风区隔板，风区隔板在设计上充分考虑到抽转子方便，隔板材料采用耐油、耐温和防老化的材料，并有足够的强度和韧性。
3.4. 为降低发电机氢气进风温度，满足发电机增容后对进氢温度的要求，将原配套的每组换热容量为490KW的绕簧式氢冷器，更换为单组换热容量为600KW高效穿片式氢冷器。
3.5. 由于额定励磁电流的增加，更换一套发电机转子集电环刷架，每极增加八块电刷，在励磁机集电环上每极增加一块电刷。
4. 发电机增容改造前后的主要技术参数对比（如表3）
表3 发电机增容改造前后的主要技术参数对比
参数名称
增容前
增容后
型号
QFQS-200-2
QFSN-220-2
功率（kW）
200
220
功率因数
0.85
0.85
额定电压（V）
15750
15750
额定电流（A）
8625
9488
额定励磁电压（V）
452
472
额定励磁电流（A）
1768
1895
绝缘等级
B/B
B/F
效率
98.65
98.65
5. 发电机增容改造过程中要注意的问题
5.1. 防止发电机集电环、电刷发热
由于发电机励磁电流增大，电刷数量的增加，对转子集电环的椭圆度和不平度的要求比增容前更高，否则就造成发电机集电环和电刷发热。我公司#6发电机增容后，正极的椭圆度有0.06mm和0.07mm（超过标准0.01～0.02mm），发电机集电环和电刷在运行中发热，集电环温度达到160℃，电刷温度达到217℃，严重超过允许值，造成停机。此现象在华能淮阴电厂和山东龙口电厂的同型号发电机增容改造中都曾出现过。因此在增容改造中，必须精确测量发电机集电环椭圆度和不平度，对达不到0.03mm要求的进行车削打磨或更换集电环。既便是在集电环达到要求的情况下，由于电刷的增加，机械性产生的热能使其温度比增容前高10℃ 以上，因此可参照进口600MW发电机在集电环小室内实现冷却空气循环，还装有空气加湿系统，设温湿度计监视，能使集电环在相对湿度45%环境下可靠运行。这一措施在夏季环境温度高的南方更为适用。
5.2. 防止转子绕组匝间短路
直接氢冷发电机转子绕组铜线在拉制及铣槽后，制造厂的工作人员对毛刺的清理和检查不严格，极易产生转子匝间短路。我公司第一台发电机增容改造过程中，就曾因此问题产生过转子匝间短路而延迟工期。因此建议制造厂参照美国GE公司的工艺要求，在下线前对绕组铜铜线进行退火处理，并用打磨机对转子线进行全面打磨和清理，从而确保铜线无毛刺和加工后的金属微粒。
6. 发电机增容改造后技术性能的鉴定
在发电机增容改造后，由浙江省电力试验研究所采用直接负荷法进行温升试验。试验的结果如表4所示。
表4 发电机有功功率220MW、cosø=0.85时各部分的温度、温升情况 单位：℃
测试部件
定子绕组
定子铁芯
定子绕组冷却水（出水）
转子绕组
冷却风
最高温度
64.2
72.1
53.6
90.4
56.6
温度限额
90
120
85
110
-
最高温升
24.3
32.2
13.7
50.5
16.7
温升限额
50
85
45
70*
-
注：转子绕组温升按B级考核。
从试验结果看，发电机在增容改造后额定工况下，发电机各部件温升均未超过限值，发电机可安全稳定运行，达到预定的要求。
镇海发电有限责任公司成功对国产200MW发电机进行了增容改造，使发电机额定出力增加了20MW，并与汽轮机通流部分改造相配合，使整台汽轮发电机组的效率提高了3.75%。这在当前电力形势日趋紧张之际，充分发挥原有发电设备的潜力，缓解电力紧张局面具有现实意义。同时通过设备改造加强了公司200MW机组的市场竞争力，提高了经济效益。
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