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空冷汽轮发电机国内外对比


时间:2004-11-2   阅读1424次

     当今世界火电设备市场需求热门产品就是燃气-蒸汽联合循环发电设备,比例高达80%以上。它的主要优点是高效、节能、环保,其效率高达60%以上。为了减少向大气排放CO2,防止地球变暖、气温升高,各国曾在日本东京签署"京都议定书"。为了改善能源结构,我国也在积极开发这种设备,而且已经成功地研制、投产了新系列透平发电机,然而远远不能满足市场需求。
    根据专家建议,本文简要介绍这种电机的主要差距和赶超措施,以供参考。
   
    1 电站运行方式
    与燃气发电的区别就是再次利用了燃气发电的废气余热进行蒸汽发电,故而称为燃气与蒸汽的联合发电。此时燃气轮机、蒸汽轮机与发电机共用一个轴,发电机不再称为燃气轮发电机,也不能叫蒸汽轮发电机,按照国际标准(IEC)统称为"透平发电机"。燃气轮机、蒸汽轮机、发电机的容量比分别为1:0.5:1.5。当今世界燃气轮机发展到最大容量约为300MW,其配套蒸汽轮机的容量应为150MW,发电机就是450MW,这也是我们的发展目标。
    用户对这种设备的要求是:结构简单、布置紧凑、起停频繁、运行可靠、安装迅速、调整灵活、维修方便、成本较低、占地较小。为了满足这些苛刻要求,首先必须进行结构调整,简化冷却方式,取消水冷、甚至氢冷时对所必须配备的庞大辅助设备,如氢油系统、水处理设备等,以便减少投资、成本和防止事故发生,如果冷却氢气中混入大约5%的空气就很容易引发爆炸危险;如果冷却水中含有杂质就会引起电气短路事故,因为冷却用蒸馏水是在通有高压电流的线圈铜排内部流动的。氢气和水的贮存、输送、监控、净化处理等一系列操作过程都要求配备大量辅助装置和仪器仪表,要求较大的投资和维护费用。
    这种电站的优点是运行效率高达60%,而普通火电即使采用超临界机组也不超过40%。起动停机很快,适于调峰。而且污染少,液化气燃料没有SOx,NOx也很少。缺点是初投资大,约为燃煤机组1.2倍,约为我国当前还在用的不脱硫降氮的非洁净煤燃煤机组的2倍。燃气轮机的寿命为20~30年。比蒸汽轮机低,而且每次大修都须更换叶片,维修费用较高,而且运行费用也高,燃气比煤价高。
   
    2 电机结构特点
    为了满足对这种设备的苛刻要求,发电机必须采取下述对策。
    2.1 减薄型主绝缘--减小定子线棒主绝缘厚度,使其单边厚度不超过4mm,以利于散热、降低温升。采用云母含量更高的粉云母带,可使电气强度提高到原来的1.2倍,同时要进一步解决定子线棒矩形截面四角部位的电场集中问题。这样可减薄绝缘厚度,而且可使电机容量增大16%。
    2.2高导热云母带--粉云母带的导热率应提高到原来的2倍,以便提高定子线棒的导热性能,强化传热、散热能力。采取这项措施可使电机容量增大15%。关键是环氧树脂脱胶,如果混入Al2O3粉末便可提高导热率1.7倍。
    2.3 H级高温绝缘--H级绝缘可承受高温达185℃、200℃ 或215℃。单发电机仍按F级(155 ℃)要求、考核,提供了较大的安全裕度。这项措施可使电机容量增大18%。
    2.4 定子整体浸渍--使环氧树脂胶在真空下充满定子铁心槽内所有间隙,提高整体结构强度和绝缘性能,加速热的传导和散发,降低其温升。采取这项措施可使电机容量增大15%。
    2.5 不同截面线棒--使定子槽内的下层线棒截面为上层的0.8倍,并在槽部和端部全部采用360°罗贝尔换位技术,以便减小涡流损耗和发热。
    2.6增加支路数目--增加定子绕组接线支路数目,采用3Y或4Y,使定子槽数增多,扩大散热面积,降低定子额定电压,减薄主绝缘厚度,提高绝缘散热能力 。采取这项措施结合上面第2.5项措施可使电机容量再增大12%。
    实践证明,采取上述6项措施后就可使发电机的容量增大约76%,使容量最大限值从原来的150MW提高到400MW(空气冷却时)和由原来的400MW提高到600MW(氢气冷却时)。
    2.7 转子增设副槽--采用轴向冷却通风,沿长度方向的中部是薄弱环节,通过副槽引风可以加强中部冷却,改善沿轴向的温升分布均匀度。
    2.8增设内冷却器--为改善定子铁心中部过热现象,可在中部单设内部冷却器,也可采用特殊的定子吸风式槽楔,即"工"字型截面的双层槽楔,来降低中部温升。
    2.9 转子线圈定位--增加转子线圈铜排与匝间绝缘之间的粘结力,采用套有绝缘的销钉将转子中间(长度方向)和铜排定位,从而可使铜排的轴向热胀冷缩向两端自由地伸缩。同时在转子槽底采用强力弹簧使转子铜排径向撑紧,即使在停机时也能保证匝间紧密接触,避免频繁起动停机而使其相对滑动磨损。
    3 世界最大产品
    从理论上讲,采用空气冷却方式,即使采用上述新措施,最大容量限值也不超过400MW,如果采用氢气冷却才能达到600MW。然而瑞士ABB公司(已进入法国阿尔斯通公司)却开发研制了单机容量为500MVA的空冷机,并于1998年5月成功地完成了型式试验,它的特点或许对我们有所启发。
    3.1 反向抽风冷却--装在转子两端的螺旋浆式轴流风扇是从转子里面向外抽出热风并输向冷却器进行冷却,而不是向传统结构那样是由风扇将来自冷却器的冷风压入转子。这种反向式抽风冷却原理可以避免风扇本身耗功、发热的热量也被输进转子内部,从而可使转子有效部分的温升进一步降低10k左右。
    3.2 双层特型槽楔--采用双罗贝尔完全换位的定子线棒嵌入铁心槽内后,由具有"工"字型截面的双层特殊形状的槽楔固定,这种槽楔的上表面与定子铁心内圆表面等高,形成光滑的内膛表面,可减小旋转时的摩擦损耗,提高电机效率。同时,双层槽楔本身所形成的两个平行的轴向冷却提到,还能使气流呈U形流动,可将轴向中部的转子热气流排出。
    3.3 高效轴流风扇--装在转子两端的螺桨十式轴流风能经过计算机进行了充水流态可视化解析,具有精确的几何形状、极低的流体损失和较高的效率。这种风扇带有经过优化的导流器和扩压器形状,并经过试验台上进行试验验证。实现了U形流动。
    3.4 圆形导风叶轮--根据流体力学研究,重点在于转子进风口部分的结构设计。在转子护环与轴之间装设圆形导风叶轮可使转子线槽在切向具有均匀的气流和温升,同时还能减小进风口处的压力损失。导风叶轮对转子槽间的气流分布有较大影响,它使冷却介质的切向分布非常均匀,提高了转子的热利用率,使转子槽间的热应力相等。
    3.5 耐热H级绝缘--ABB公司的F级绝缘已有40多年良好的运行经验。经过进一步改进,便达到了H级标准。主要改进在于浸渍树脂和云母带环氧树脂胶的配方。股线绝缘早已达到H级。新开发的H级绝缘达到了IEC60505"电机绝缘系统的评估及鉴定"的标准,在耐温方面又提高的温度在25K以上。转子绝缘为Nomex纸,它具有H级绝缘能力。
    3.6 光纤式测温器--在定子线棒主绝缘中装设了导线直径< 1mm的光纤温度传感器,不仅对槽内部分铜线,而且对端部绕组和联接部分进行了温度 测量 。这些新开发的工具和新元件,在高压电势作用下和在高压真空整浸过程中没有出现问题。在发电机内部还设置了280 个探测孔和探测元件,以及90个温度测量元件,他们分布在定子通风道和气隙中。
   
    4 国内主要差距
    我国正在开发这种发电设备,首先采取招标方式,引进制造技术,逐步实现自造。要建23套设备,单机容量为350MW~400MW 级,均属世界先进水平。然而国外引进,永远不如自行开发,因为关键技术是绝对保密的,代价是昂贵的。交流电机变频调速,交流励磁风力发电机,三峡机组绝缘系统等等,都是国内自行开发研制成功的。用于联合循环电站的透平发电机,国内也已开发成功新系列,与国外比还有差距。
    4.1 单机容量--国外厂家,如美国西屋、GE、德国西门子、法国阿尔斯通、瑞士ABB、日本东芝、日立、三菱等的空冷系列最大容量不超过260MW,国内哈电开发投运的新系列最大容量为135MW,差距在一倍左右。
    4.2 整机效率--以135MW机为例,阿尔斯通的效率为98.79%,哈电为98.664%,低了0.13%。
    4.3 生产周期--阿尔斯通为6个月,而国内的交货期为12个月,相差一倍。
   
    5 今后赶超措施
    专家指出,根据哈电的制造能力,最近3~5年内完全可以开发市场急需的200MW和300MW透平发电机。主要应当采取下述措施。
    5.1 提高绝缘性能--最关键的是提高绝缘的导热率并达到H级耐温等级(180℃以上)。在环氧树脂中混入Al2O3粉末来提高导热性能。
    5.2 优化风扇设计--对于高速旋转的螺桨式轴流风扇,采用流态解析(CFD)新技术进行精确的优化设计,把其损耗减到最小,效率增到最大。国外设计的这种风扇带有导流增压部分,可以获得约50%的动压头,从而增加风扇效率,值得参考。
    5.3 改善结构工艺--国内生产周期较长、成本较高。主要原因就在于结构工艺比较复杂。下面以135MW机为例对比。
    ① 定子铁芯--国外在铁芯外圆电焊成为一体,两端采用铝合金压圈压紧,还带有自锁装置,其锥度能防止铁心松动。国内采用穿心螺杆和扇形压块固紧。
    ② 定子机座--外机座国外焊后不加工,国内焊后需要加工。内机座国外采用钢管焊接构架进行弹性吊挂,形成隔振结构。国内采用立式弹簧板连接。
    ③ 定子整浸--国外是将带有绕组、铁心和内机座的整个内定子在卧式浸渍罐内进行整体浸渍,结构坚固。国内是线棒先模压成型后再整浸渍。
    此外,阿尔斯通公司的专业化生产程度较高,外机座、轴泵装配、冷却器、励磁装置等属定点外购,发电机定子与转子是分别在异地平行生产,其铸锻件标准化程度也很高,储备充分,这对我们也很有启发。
   
   

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