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电力技术---三菱400MW全氢冷燃气轮发电机技术特点及分析

来源: 编辑: 发布时间:2005-08-17 点击数:3946

                                             东部电厂 王大江
    一、前言
    1、 燃机项目情况先容
    随着我国国民经济的快速发展,电力需求也跟随急速增长。结合西气东输和引进国外液化天然气工程的契机,2003年、2004年我国先后两次捆绑招标,以市场换技术,在引进国外先进燃气轮机电站设备的同时,引进重型燃机、发电机的制造技术,以及燃气和蒸汽联合循环电站设计技术。国内的东方电气亚洲城、上海电气亚洲城、哈电亚洲城等三大发电设备制造商,分别和日本三菱、德国西门子、美国通用电气等国外著名燃气轮发电设备制造商合作,引进F级重型燃机,燃机部分出力在270MW左右,汽机部分出力在135MW左右。这次招标的都为联合循环电站,采用燃机-蒸汽轮机-发电机单轴配置方式,和它相配套的燃气轮发电机为全氢冷(氢外冷)冷却方式,输出功率在400MW/台左右。
    全氢冷汽轮发电机大型化是发展方向。相比于水氢冷却发电机,全氢冷发电机具有辅助系统少,启停机迅速,运行维护简单的特点。因此,对400MW燃气轮机发电机技术特点进行分析和研究很有必要。
    2 、 国外目前发电机的制造水平
    根据在国外考察的情况,以三菱电机为例,如表一所示。

发电机冷却形式 已制造单机最大容量(MVA) 研发阶段的单机容量(MVA)
全空冷          286                      ——
氢外冷          530                       558
氢内冷 2极      868                       910
       4极      990                      ——
水冷   2极      990                      1375
       4极     1600                      1715
表一:三菱电机制造和开发发电机的能力

    需要说明的是,表一中的全氢冷包括氢外冷、氢内冷两种冷却方式:氢外冷是指定子线圈采用氢气表面冷却,氢内冷是指定子线圈采用空心管氢气内部冷却,本文所指的全氢冷发电机指的是氢外冷发电机。表一中的水冷包括水氢氢、双水内冷两种冷却方式:水冷发电机的定子线圈采用空心管水内部冷却,考虑到水的冷却效果最好,但对于发电机的安全性能有很大的影响,故国外厂家尽可能在超大容量发电机上才采用水冷方式。
    3 、 全氢冷发电机的引进对国内发电机制造业的影响
    同样冷却方式发电机单机最大容量,目前,我国和国外厂家的制造水平还存在不少的差距。迄今为止,汽轮发电机国内状况是: 150MW及以下容量为全空冷或氢外冷形式;200MW及以上容量为水氢氢或双水内冷的形式,大型发电机以水氢氢冷的形式为主。
    全氢冷燃气轮发电机实现国产化,将意味着我国的发电机制造水平跃上了一个新台阶。可以把这项技术推广到燃煤机组和小型核电机组中去,届时可在300MW的燃煤发电机上实现全氢冷,消除定子线圈的水系统所带来的关联故障。
    二、燃气轮机大型全氢冷发电机技术特点及分析
    相对于水氢氢冷的汽轮发电机来说,全氢冷(氢外冷)的燃气轮发电机在结构上更简单,易于维护,安全性高,而且不需要辅助的定子冷却水系统,减少了投资运行费用。由于采用一系列先进的冷却技术,使得其运行效率有提高。下面是三菱燃气轮全氢冷发电机的主要特点:
    定子线圈/定子铁心氢外冷,
    转子径向氢内冷却结构,
  真空压力浸漆(VPI)定子线圈,
  定子铁心外装压工艺,
  定子铁心端部磁屏蔽结构,
  立式弹簧板隔震结构,
 “机端变”励磁方式。
    1、定子线棒及铁心
    汽轮发电机的容量提高主要通过增大发电机的线性尺寸和增加电磁负荷两种途径实现。相对于水氢氢冷却方式,燃机全氢冷发电机的电磁负荷较低,定子线棒无空心导线,线棒的散热主要靠铁心热传导和径向通风表面冷却,为了增加线圈的散热面积,线圈截面设计成扁高型,400MW的燃气轮发电机定子线圈的宽度还不到300MW水氢氢冷发电机的2/3。定子线棒采用少胶绝缘体系和真空压力浸胶绝缘技术(Vacuum Pressure Impregnating 简称VPI),工艺要求相当高,这也是全氢冷发电机关键技术之一。VPI绝缘技术的定子线棒,相比模压多胶绝缘体系具有较高的绝缘性能和可靠性。定子有72槽,定子线圈采用三支路连接方式,可以以减少定子支路电流,从而降低单根定子线棒的热负荷。
    定子线棒的主要特点:
    线棒VPI绝缘,
    股线双股540度换位,
    大高宽比线棒,
    楔下波纹板固定。
    定子铁芯由0.5mm厚无方向性硅钢片叠装而成,铁芯沿轴向由通风沟分成若干段,冷却气体径向流过铁芯通风沟冷却铁芯段两侧表面。铁芯由两端的压板通过穿心螺杆和定位筋夹紧形成一个整体,端部铁芯外部装设有磁屏蔽结构以保护端部铁芯不受杂散磁场的影响。定子铁芯采用立式弹簧板系统,最大限度地减弱铁芯振动传到定子机座和基础上。
    定子铁芯采用“外装压”并行生产工艺,以缩短生产周期。
    2、冷却方式和冷却技术
    对于通风冷却系统总的要求是结构合理,以最经济的风量带走发电机内部产生的热量,燃气轮发电机在设计时做到各部分风量的分布合理;合理布置风路,尽可能合理分配其风阻;转子齿表面热负荷较集中,应保证转子较好的冷却。
    定子绕组采用外部冷却方式,转子绕组采用副槽通风、径向冷却方式。发电机总的冷却特点为: 单级风扇/转子径向通风/定子全出风/定子线棒外冷/转子内冷
    转子冷却:转子为槽部径向内部通风冷却,较斜槽的通风方式风路简单。由发电机风路图可以看出:从发电机两端风扇鼓入冷风,沿转子槽部通风,经转子线圈的开孔出风,然后再进入定子径向冷却风路。
出线部分的冷却:由于出线部分的电流大,为了带走这部分热量,三菱电机采用氢内冷出线套管技术,即从出线套管内部通冷风冷却。
    氢气冷却器:大型汽轮发电机通常采用水-氢冷却器,其氢侧的散热能力是决定冷却器性能的关键。由图六可以看出,由于风路的设计不同,三菱的全氢冷发电机冷却器为两组轴向平行布置冷却器,这和国内的300MW、600MW布置4组径向冷却器不同。该冷却器为套片式,长度为10米,重10吨左右,国内冷却器生产厂家也是首次生产单个这么大的冷却器,需要对冷却器的传热特性和阻力特性进行详细研究,同时要考虑好冷却管的机械性能,这对于提高冷却器生产厂家的技术水平也是起一个促进作用。
    三、 静止变频 (Static Frequence Converter)启动方式
    燃气轮发电机组由于自身上的一些特点决定了和燃煤的汽轮发电机在启动上有较大的区别。燃煤汽轮发电机的启动是通过锅炉蒸汽冲转蒸汽轮机从而带动整个机组轴系转动,而三菱燃气轮发电机组的启动是将轴系上的发电机外接变频电源,当作同步电动机使用,从而带动整个机组轴系转动。静止变频器(简称SFC)供给发电机的电源频率从0 Hz逐步升高,发电机也就带动机组的转速逐步升高。在机组转速升高到500r/min左右时,燃气轮机点火,然后发电机和燃气轮机共同推动整个轴系升速到2000转/分钟,之后SFC退出运行,由燃气轮机自身升速到3000转/分钟。
    燃气轮发电机组启动时,需在发电机定子绕组上加变频交流电源和在发电机转子上加励磁电源,这些电源均来自于厂用电系统。这套变频装置的功率为6600KVA,对可控硅制造提出了比较高的要求。具体接线图如下:
    四、  结论
    三菱全氢冷燃气轮机发电机是目前世界顶尖级、单机容量最大的全氢冷(氢外冷)发电机,其实际最大容量可以达到 530MVA。全氢冷400MW汽轮发电机的冷却技术和线圈制造技术是最先进的,此项技术引进,使得我国发电机制造技术向前迈进了一大步,完全可以把这些技术推广到原先低于400MW的发电机制造上,对整个发电机的制造有相当大的促进作用。要利用这一契机,尽快提高技术水平,缩短与国外先进水平的差距,在国际发电机市场上取得一席之地。

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