汽轮发电机定子增容改造的分析.doc

汽轮发电机定子增容改造的分析hc360慧聪网电气行业频道 2004-06-22 15:58:36摘要：文章简要介绍了发电机增容改造工程的概况。基于对限制发电机容量因素的讨论，主要对发电机定子部分在增容改造过程中所需解决的问题和采用的相应技术措施进行分析。 关键词：汽轮发电机；增容；定子；冷却器；挡风圈，电屏蔽环 某公司5号发电机是上海电机厂生产的QFS-125-2型汽轮发电机，自1996年投入运行以来，运行状况稳定。为了进一步挖潜增效，适应今后公司发展的需要，参照同型号发电机组增容改造的经验，决定对5号机组进行增容改造。改造后的汽轮发电机应能达到最大连续出力135MW，比增容前增加10MW；改造后发电机在最大连续出力工作情况下，各部分温升、振动等技术指标均不超过相应国家标准，发电机各项常规试验数据均不低于改造前试验数据；改造后发电机基本参数应能达到规定值，具体参数参照表1。1 增容改造工程概况 (1)对汽轮机通流部分进行了改造，同时更换汽轮机低压转子，在汽缸不变的情况下，新转子叶片的角度增大和长度加长，改造后汽轮机热力性能达到了国内同型机组的最好水平，使它在锅炉未做改造的情况下，增大了输出功率。 (2)发电机定子改造，针对增容后出现的散热问题、电动力问题、电磁振动问题，进行理论分析，并提出解决方案。 (3)发电机转子励磁回路改造，改为采用WKKL-2型数字式自动励磁调节装置。 (4)发电机冷却水系统改造；由于发电机组在系统中担负着调峰运行任务，负荷经常性变化较大，使得发电机温度变化也比较大，造成诸多问题，如定、转子线圈铜材长度发生变化而发生定子绕组端部及槽部磨损、高变热应力加速绝缘老化、热不对称引起的机械振动等问题。为比较好的解决以上问题，在冷却水系统改造中采用了三通合流阀、分流阀、调节单位，可确保定、转子线圈进水、出水温度保持相对稳定。2 发电机定子散热问题的分析21 散热问题的提出 限制发电机的额定容量的主要因素之一是散热冷却问题。虽然QFS-125-2型汽轮发电机的效率很高(98.5)，总损耗不到额定容量的.5，但其绝对值还是相当可观的，增容到135MW后，损耗绝对值估算将达到2 000 kW，比增容前增加150 kW。该型发电 机的损耗主要为(1)基本铜损耗约占全部损耗15；(2)基本铁损耗14；(3)励磁损耗25；(4)机械损耗24；(5)杂散损耗22。其中 (2)、(4)项在负载变化过程中基本不变；而因为 增容后满载励磁电流增加只有约2(从1 635 A增至1 670 A)，所以(3)项在增容前后可以近似看作不变；增容后定子绕组满载电流增加8(从6150 A增至6 645 A)，因此(1)项基本铜损耗约增加17，因基本铜损耗原因而增加的绝对发热量估算约为50 kW，综合以上的计算说明增容后损耗增加的大部分为(5)项杂散损耗，约为100kW。 大型汽轮机发电机受最大几何尺寸的限制，所以采用高气隙磁通密度。又因2极发电机定子线圈节距大，每个相带线圈数量多，导致绕组端部长，这样定子线圈端部形成了一个较大的旋转漏磁场，此外隐极式转子在线圈端部也有一个随转子旋转的漏磁场。端部漏磁通总要沿磁阻最小的路径通过，因此漏磁通主要集中在定子端部铁芯压圈内圆、压指和端部最边段铁铁芯齿处，导致这些部位涡流损耗增大，温度升高。杂散损耗主要转化为这些部位的铁损涡流发热，造成相应部位的过热故障，也就是说，定子端部部分发热大量增加是增容后的突出问题。 22 散热问题的解决方案 221 空气冷却器的配套改造 根据前面的估算，应配套采用具有更大冷却功率的空气冷却器，确保发电机在发热量增加的情况下，温升不超过相应标准。原冷却器采用绕簧式结构，在实际运行中冷却效果不理想；而新的空气冷却器是在消化吸收法国ALSTOM的经验基础上开发，采用高效穿片式结构，将薄铜片压套在冷却水管上作为换热元件，具有较高的换热效率，并且由于风阻降低，冷却效果较好，另外由于结构上的改进，新冷却器便于清理，减少了油垢积淀。确保在原工况不变情况下(即冷却水压、冷却水流量、冷却器几何位置、水路支数等不变)，提高热交换效率30-35，容量比原冷却器提高240kW，达到1 100kW。 同时增加了空气冷却器清污间的补风过滤装置，在空气冷却器的清洁间内，由于风压作用，造成漏风严重，致使冷却风质量下降，因此增加一组补风过滤装置，可减少漏风损失，从而达到提高发电机冷却效果的目的。 222 定子端部发热突出问题的解决方案 解决定子端部发热问题，采取的技术措施主要有以下3部分： (1)改变冷却风量分配，在定子铁芯内圆定转子气隙加装挡风圈，在定子端部退出封口槽楔，加装挡风槽楔及与之相配套适型的胶皮制挡风圈，每节挡风圈规格长为35mm，宽为5mm，这是个经验数值，高度为整个气隙高度的45-50。这样做可以减少气隙进风量，同时相应增加端部冷却风量。 (2)为了改善端部漏磁通造成的发热问题，在定子铁芯压圈外侧上加装电屏蔽环，利用电屏蔽环内的涡流阻止漏磁通进入压圈的内圆，用堵的办法将压圈内圆处集中的漏磁分散，以防止压圈局部出现高温和过热现象。电屏蔽环材料选用电导率高的镀银铜制环(3mm30mm)，电屏蔽环和压圈压紧螺母可靠焊接，保证和压圈接触良好，以免两者间电位差引起火花。 (3)为保证增容后定子绕组端接部位在局部温升提高的情况下的绝缘可靠性，更换端接部位原有的手包粉云母绝缘材料(B级绝缘)，采用粉云母环氧聚脂粘合绝缘材料(F级绝缘)，提高定子绕组端部绝缘耐热性，同时也加强了绝缘整体性。3发电机定子绕组端部电动力问题的分析 限制发电机容量的另一个主要因素是发电机的机械强度问题。这里主要考虑发电机容量增加后，定子绕组电流增加而产生的电动力增加问题。根据安培定律，两相邻载流导体相互间产生的电动力的大小与各自导体内电流的乘积大小成正比。增容后发电机额定电流增加了8，也就是绕组间的电动力增加了17(1.08X1.08)，而大容量发电机在运行中发生不对称短路故障时短路电流是非常大的。当发电机在空载电压为额定值，发生三相对称短路时，在最不利的情况下最大瞬时冲击电流将达到额定电流的10-20倍。因此，作为薄弱点，定子绕组在铁芯槽外部分，包括渐开线部位及端部连接部位等处的机械强度需要加强。具体措施为： (1)采用适形材料，在绕组端部连接部位后根部两根线棒间增加绝缘填充料，用涤纶适形材料预浸环氧胶后加强绑扎。 (2)端部绕组渐开线部位的压板间的空档楔人环氧板，用适形材料紧固后用无碱玻璃丝带横三纵四的绑扎，扎紧后涂刷环氧胶。 采取以上措施加强了相应部位的机械强度，同时提高了端部的整体性，降低了端部振动的幅值以及振动引起的部位间相对位移对绝缘的磨损。4 发电机定子绕组端部电磁振动问题的分析 对定子绕组的机械薄弱部位进行加固前、后，还需对定子绕组端部做固有频率检测，这涉及发电机的电磁振动问题。转子磁极产生使定子变形的磁拉力，转子的旋转造成拉力的周期性变化，2极的转子每转1次，拉力变化2次，因而形成定子铁芯2倍电网频率的振动。在汽轮发电机中，由于定转子气隙较大以及整块实心转子对谐技磁场的阻尼作用，所以产生的高频电磁振动较小。较为重要的就是上述原因产生的由气隙中的主波磁场产生的2倍电网频率的定子铁芯振动。 推导公式：P=(B2/4Uo)COS(2P-2t-2)，可知产生铁芯振动的力波次数较低，为r=2p(对于2极汽轮发电机而言即为2)。而在这样的情况下，定子铁芯的刚度又较差。这种2倍工频(100HZ)的振动是由气隙主波磁场产生，所以是不可避免和消除的，为了防止共振，应该使定子铁芯、绕组、机座及其附件等的固有频率远离100 HZ加固定子绕组端部可以在加强其机械强度的同时，加强绕组端部的整体性，降低端部振动的幅值，固有频率检测的目的就是确保定子绕组端部的固有振动频率远离电磁振动频率(100 HZ)。从试验结果来看，加固后的实验数据优于加固前，完全符合标准。5 总结 5号发电机组增容改造完成后，运行至今(2001年11月-2003年7月)，共20个月，运行情况良好，运行完全符合改造前制订的参数要求，期间数次小修检查也未发现异常。增容前的2000年利用小时数为6489 h，发电量为7.32亿kWh，增容后的2002年利用小时数为6563 h，电量为7.87亿kWh(这2年均无大修)，从机组的利用小时数的比较说明改造后运行是可靠的，而发电量的前后比较说明改造产生明显的经济效益，据计算，2年内即可收回改造投资。