毛国光中国电能成套设备总公司 (北京 100011)
近年来国内各大电网发展较快，东北、华北、华中、华东等电网已发展达到30多GW。目前已批量安装、投运300 MW级机组。就电网条件而言，都具备了安装600 MW及以上容量的机组。由于600 MW机组年国产台数有限，加上其他一些因素，需要进口部分国外机组，因此，国外一些大公司如美国通用电气公司(GE)、西屋公司(WH)，德国西门子公司(Siemens)、法国－英国AEG-Alsthom公司等纷纷来华推介所生产机组的技术性能和生产能力，以求扩大市场并寻找合作伙伴。本文就所了解到的600 MW级汽轮发电机的一些主要问题提出一些看法，供选择时参考。
1 发电机的冷却方式
发电机的冷却方式与容量关系十分密切，可以说冷却系统的发展直接影响汽轮发电机容量的发展。就600 MW发电机而言，国内外多数公司(或厂家)基本上采用水、氢、氢冷却方式，即定子线圈采用水内冷、转子线圈采用氢内冷、定子铁心采用氢冷，有少数公司仍采用全氢冷。
1.1 定子线圈冷却方式
国内外多数公司(厂家)生产的600 MW级发电机定子线圈采用水内冷，线棒由若干空心铜管和实心铜线组成，根据电流密度的取值和槽的尺寸排列组合。例如，哈尔滨电机厂、美国西屋公司、日本日立公司、东芝公司等采用槽内4排结构，德国西门子公司采用2排结构。
1.2 定子铁心冷却方式
定子铁心均采用氢气冷却，氢气在铁心里的路线与转子冷却方式和定子内部采用气隙隔板的型式有关，如转子采用气隙取气斜流式通风冷却的流向，与转子采用轴向、径向通风冷却方式的流向，在结构上完全不同。
1.3 转子冷却方式
转子采用氢内冷，目前国内外有几大流派，即气隙取气冷却、轴向－径向冷却和轴向冷却。
(1)气隙取气冷却。美国GE公司、日本日立公司、东芝公司以及哈尔滨电机厂(优化设计的发电机)采用这种冷却方式。其特点是，把转子分为若干个进、出口风区，进、出口风区相互间隔，将冷热风隔开，由于风区较多，冷却效果良好，转子温度分布均匀。关于风区长度和转子温度不均匀系数取值问题，据1989年原机电、能源2部考察结果，GE公司提供的数据为360～460 mm，东芝公司提供的数据为400 mm。转子温度不均匀系数为1.28以下。根据转子长度和风区长度推算出风区数为13个，即6进7出较为合理。
(2)轴向通风冷却。西屋公司、西门子公司生产的600 MW级汽轮发电机采用这种冷却方式。
对600 MW级汽轮 发电机来说，大多数定子绕组采用水直接冷却，定子铁心采用氢冷，转子绕组采用氢气轴向直接冷却如西门子公司的THDF型，美国西屋公司的机组基本类同。此外，西门子公司还生产过全氢冷的600 MW级发电机(THDD型)。
转子轴向通风冷却系统，是在汽轮机端轴上装有多级高压轴流式风扇，风扇将热风从间隙中抽出，然后通过冷却器冷却，冷却后的冷风分成若干路，一路从汽轮机端进入转子内，冷却1 /2转子长度到中部排至间隙；一路经铁心背部到励端进入转子内，也冷却1/2转子长度到中部排至间隙。另一部分冷风进入定子铁心通风道冷却铁心也到间隙，端部由隔板分成几个风区冷却端部线圈和引入冷却槽内线棒。
这种冷却方式风路比较复杂，如隔板不恰当会造成冷热风短路，降低冷却效果，多级高压风扇机械损耗较大，影响机组效率，两端和中间温差较大，大轴温度不均匀。
(3)转子有副槽的轴－径向通风冷却。这种通风冷却方式，基本采用水、氢、氢冷却，即定子绕组采用水直接冷却，定子铁心采用氢气冷却，有径向通风道。转子槽底开有副槽，转子绕组开有径向通风孔，氢气直接冷却，转子两端有风扇向里面压风。原法国阿尔斯通公司生产的600 MW发电机(元宝山电厂2号发电机)就是采用这种方式。这种冷却方式目前采用的较少，主要原因是转子平均温度有些偏高。
关于600 MW级汽轮发电机的冷却方式，笔者认为，水、氢、氢冷却方式是较成熟的冷却方式，目前国内外大多数公司都是采用这种方式，从安全性和经济性都较全氢冷优越。至于转子的冷却形式，气隙取气形式较佳，因为这种冷却形式，可使转子本体温度较均匀，冷却效果好，但风区的长度一般不大于500 mm为好。
2 定子额定电压的选择
发电机单机容量增大以后，电压和电流相应增高和增大，电压升高以后要求提高绝缘耐压水平。目前世界各大公司(厂家)对绝缘的技术水平有很大提高，基本解决了电机定子绝缘耐压问题。但电流增大则带来比较大的困难，一是发热增大(温度升高)，发热量Q∝I2r，对绝缘不利；一是电磁力增大F∝I2，电磁力增大可能会造成线棒振动磨损绝缘。有些发电机定子额定电压采用20 kV，其额定定子电流将达19.245 kA，计算得出定子基本铜 耗为1.649 MW(哈尔滨电机厂优化设计的发电机)，化为热量则达1.649 MJ/s。因此，需采用在空心铜线内通水来解决散热问题。大电流所产生的电磁力是相当可观的，正常运行时定子绕组在槽部和端部要承受相当大的电磁力，在槽部的电磁力与电流的平方成正比，最大的槽应力发生在同一相槽内的双线棒，这个力在0～2倍基频之间波动，力的方向作用在下层线棒上，如同一槽内双线棒不同相，力作用在上层线棒。由稳态电流在线圈端部上所产生的力，也是与电流有效值的平方成正比。
突然短路时， 在线棒上产生的力相当于100倍或更大的稳态电流所产生的力，与瞬态电流的峰值成正比，且与电流直流分量和漏磁饱和程度有关。
大电流会产生较大的电磁力，因此在工艺上要求对线圈在槽内和端部固定要牢靠，否则会产生较大的振动损坏线棒绝缘引起事故。
鉴于上述原因，对600 MW级汽轮发电机的定子电压要求选用高一些，尽量降低定子电流。
表1列出当前国际上几个主要大公司生产的600 MW级汽轮发电机部分主要参数，其中定子额定电压一项，从20 kV到24 kV。近年来，各公司使用的电机绝缘制造水平不断提高，因此，发电机定子线圈电压也相应提高，如日立公司与东方公司合作生产的DH-600，600 MW机组(安装在邹县电厂)，采用22 kV；ABB的600 MW机组(安装在上海石洞口二厂)采用24 kV。美国GE公司1905～1984年生产的600 MW级(650～771 MVA)发电机共72台，其中定子电压为20 kV的10台，占13.9%，22 kV的7台占9.7%，24 kV的55台占76.4%。
从发电机安全运行观点出发，以及由于当前绝缘制造水平的提高，关于600 MW级发电机额定定子电压以选用22 kV较为合适。
3 励磁系统型式
励磁系统是发电机主要组成部分。因它涉及到整个机组安全、经济、稳定、满发，其性能优良与否，直接影响发电机组的运行水平。
现今世界各主要公司(或制造厂)600 MW汽轮发电机励磁系统大致有以下几种型式。
3.1 交流励磁机静止整流器励磁系统
这种励磁系统如图1所示，它由同轴交流励磁机、同轴副励磁机、静止整流器灭磁开关和调节器(AVR)等部分组成。这种励磁方式的主、副励磁机与发电机同轴旋转，有滑环和炭刷，由整流器供给转子励磁，且有灭磁回路和开关。如元宝山电厂2号发电机，系法国A-A公司(Alsthom-Atlantiqne)生产，采用3机励磁系统。
图1 交流励磁机静止整流器励磁系统
1—永磁副励磁机；2—可控硅整流系统；3—主励磁机励磁绕组；
4—主励磁机；5—整流系统；6—发电机的励磁绕组；7—主发电机；
8—电压互感器；9—电流互感器；K—灭磁开关；R—非线性电阻
3.2 无刷励磁系统
这种励磁系统如图2所示，其特点是主、副励磁机和整流装置与发电机同轴旋转，无滑环和炭刷，主励磁机发出交流电经旋转整流器整流后直接送到发电机转子绕组上，励磁回路中无灭磁装置和开关，靠自然灭磁，因此，灭磁时间比其他励磁方式长。这种励磁方式最大优点是无炭刷和滑环，不会产生火花，维护工作量小。美国西屋公司、日本三菱公司、西门子公司生产的发电机均采用这种励磁方式，如引进西屋公司技术生产的600 MW发电机(安装在安微平圩电厂)，以及哈尔滨电机厂优化设计后生产的600 MW发电机(安装在哈尔滨第三发电厂和元宝山电厂)也采用无刷励磁系统。
表1国内外600 MW级汽轮发电机(水、氢、氢冷却)主要参数
项目 哈电－上电QFSN-
600-ZYH
WH(西屋)
考核机
2-105
×234 ABB(原
BBC)50
WT23
E-128 HITA-
CHI
(日立)
TOSH-
IBA
(东芝)
MITSU
BISHI
(三菱)
ANSAL
DO(意
大利)
KWU
(德国)
THDF
115/59 东芝
TAKS
-LCH
ALST-
HOM
(法国)
T264/640 功率/MW 600 600 600 600 600 600 600 600 659 621 出力/MVA 667 667 667 670 667 667 667 706 733 690 最大功率/MW 654644 666 657 650 681最大出力
/MVA 727716 740 730 722 757功率因数 0.9
(滞后) 0.9
(滞后) 0.9
(滞后) 0.9
(滞后) 0.9
(滞后) 0.9
(滞后) 0.9
(滞后) 0.85
(滞后) 0.9
(滞后) 0.9
(滞后) 额定频率/Hz 50 50 50 50 50 50 50 50 50 50 相数 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 额定定子
电压/kV 20 20 24 21 20 20 20 21 20 20 额定定子
电流/A 19245 19410 21149 19919 额定励磁
电压/V 429 477 490 457500 488 385 510 592 额定励磁电流/A 4 202 5 898 5 100 5 450 4 760 5 420 4 760 5 5922 983 额定氢压
/MPa 0.40 0.52 0.47 0.42 0.41 0.51 0.42 0.47 0.41 0.39 短路比 0.54 0.60 0.50 0.54 0.53 0.55 0.50 0.46 0.54 0.51 效率/% 98.94 98.67 98.91 98.87 98.90 98.84 98.90 98.73 98.90 98.94 Xd/X′d/X″d 216/26.5/
20.5 208.6/
25.9/21.8 ——此文章转载于互联网，文中观点与本网站无关，如有侵权请联系删除
