俄供TBB3202EY3型发电机超额定容量运行能力分析原稿刘溟江.docx
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俄供TBB3202EY3型发电机超额定容量运行能力分析原稿刘溟江
俄供TBB—320—2EY3型发电机超额定容量运行能力分析
1、TBB—320—2EY3型发电机与前苏联原型机比较
2、根据发电机运行规程分析发电机的带载能力
3、我厂发电机投产后出现的问题
4、TBB—320—2EY3型发电机340MW出力试验相关数据分析
5、TBB—320—2EY3型发电机340MW出力的综合分析
6、关于氢纯度
7、后续要做的具体工作
附：
12月19日发电机340MW出力1小时运行参数图
一、俄供TBB—320—2EY3型发电机与前苏联原型机的比较：
我厂现有两台俄供TBB—320—2EY3三相同步汽轮发电机是列宁格勒电机制造联合公司“电力”工厂制造，是原型机TBB—320—2的改进型，采用水—氢—氢冷却方式，定子线圈及出线套管采用水内冷，定转子铁芯及压圈等为氢气表面冷却，转子绕组槽部采用气隙取气斜流中部风沟氢内冷，转子端部绕组利用大轴花鼓筒通氢冷却。
发电机采用高氢压运行，额定氢压0.392MPa，氢气纯度98%。
发电机额定功率376MVA/320MW，定子额定电流10870A，额定电压20KV；转子电流3500A，额定电压340V；额定功率因素0.85，效率98.6%，强励倍数2.0，次暂态电抗0.179，短路比0.45。
以下是原型机和我厂改进型发电机技术参数的比较。
（参考高永祯《TBB—320型汽轮发电机主要技术特点和安装运行总结》）
表1.TBB—320—2与TBB—320—2EY3型发电机技术参数对比表
参数名称
单位
TBB—320—2
TBB—320—2EY3
视在功率
MVA
353
376
有功功率
MW
300
320
定子额定电压
KV
20
20
定子额定电流
A
10200
10870
功率因数
cos¢
0.85
0.85
冷却方式
水、氢、氢
水、氢、氢
额定氢压
MPa
0.35—0.4
0.392—0.49
励磁电压
V
447
340
转子额定定电流
A
2900
3500
额定负荷时效率
%
98.6
98.6
定子线负荷
A/cm
1386
1864
瞬变电抗
X`d%
26
30
超瞬变电抗
X``d%
17.3
19.7
定子铁芯外径
mm
2590
2470
定子铁芯内径
mm
1265
1225
定子铁芯长度
mm
6000
4600
定子硅钢片厚度
mm
0.5
0.5
每扎迭片厚度
mm
40
定子通风沟宽度
mm
5
5
定子通风沟数量
道
131
156
定子槽数量
道
54
66
定子槽尺寸
mm
33×（203+22）
30×（211+20.8）
定转子气隙
mm
95
75
定子接线方式
YY
YY
转子总长
mm
11870
11245
转子铁芯有效长
mm
6100
4650
转子铁芯外径
1075
1075
转子护环长
mm
607
695
转子护环外径
mm
1140
1160
转子有效槽数
道
36
32
转子槽尺寸
mm
32.5×（113.25+35+
16.25）
38（32）×170倒梯形
第一临界转速
转/分
900
960
第二临界转速
转/分
2600
2560
定子重
吨
203
183.25
转子重
吨
55
48.3
总重
吨
381
249
材料总耗率
Kg/KVA
0.93
0.66
短路比
0.45
由表1参数可见，原型机出力30万千瓦，为提高出力，前苏联制造单位对原型机做了以下改进工作：
1、定子线棒由54槽增加为66槽，同时减小了单根线棒的截面积。
2、降低励磁电压，提高励磁电流：
转子电流增加了600安培，增加了20%。
3、定子的线负荷增加：
线负荷从1386A/cm提高到1864A/cm，增加了34.5%，这与国内外同等容量的机组相比约高10%－30%。
定子线负荷是定子铁芯内径周向πD长度上负担的线棒电流与槽内线棒总数之乘积，即定子内膛周向单位上的电负荷。
电磁负荷的增加势必使得定子线棒，尤其是定子端部线圈所受到的电动力加大，线棒固定困难，在电动力和电磁振动的作用下，发生端部绑扎松动，断线，固定部件磨损的几率也大大增加，线负荷太大是改进型TBB—320—2EY3发电机设计上的重大缺陷。
4、漏磁通增加，压圈过热问题突出：
由于定子线负荷的增加，发电机端部的漏磁通亦随之增加，虽然前苏联设计部门采取了一些措施，如采用了无磁性材料制造的护环；端部区域的固定零件及屏蔽定子轭部磁通泄露的压圈、压指，在压圈下设置了铜屏蔽环和电磁屏蔽，内衬盖和导风圈采用了铝合金制造，但由于冷却部分设计不够合理，小压圈外无屏蔽层，改进型发电机的小压圈发热情况十分突出。
5、发电机结构上的变化：
改进型发电机减小了定转子间隙，缩短了定、转子的有效长度，但发电机的短路比降到0.45，比同容量国产和西方机组约小30－40%，发电机运行的稳定性大为降低。
电网要求发电机短路比不允许低于0.4，否则不允许上网运行。
6、提高了运行氢压，增加定子轴向风区隔板，提高了定、转子通风冷却效率，尤其是加装定子轴向风区隔板后提高了转子进风压力，增加了冷却风流量，在一定程度上改善了转子的冷却条件。
但改进型发电机仍采用的抽出式通风冷却系统对转子的冷却效果却并不理想，转子的冷却效果仍然较差。
综上所述：
改进型TBB—320—2EY3发电机在原有300MW基础上对定转子结构、尺寸，通风系统进行了较大改进，发电机的额定铭牌出力虽然增加了2万千瓦，但牺牲了发电机的性能，定子线负荷由原来的1386A/cm增加1864A/cm；短路比降到0.45，同时，还派生了许多难以解决问题（例如定子线圈端部的振动加剧、小压圈过热严重等），发电机运行的安全性、可靠性大大降低。
二、根据发电机运行规程分析发电机带载能力
1、《TBB—320—2EY3型三相同步汽轮发电机运行规程》关于发电机负荷有以下规定：
3.2.1定子机壳内的氢气：
额定表压（千帕）392
最大表压（千帕）490
冷却气体的额定温度（度）＋40
进风的最低温度（度）＋20
3.2.2定子绕组里的冷却水
绕组的额定进水表压/最大允许进水表压（千帕）343/392
冷却水的额定进水温度（度）＋40
允许偏差（度）-10
额定流量（立方米/小时）40
3.2.3氢冷却器里的水
冷却水的额定进水温度（度）＋33
冷却水的最低进水温度（度）＋15
3.2.4定子绕组水冷系统水冷器里的水
冷却水的额定进水温度（度）＋33
冷却水的最低进水温度（度）＋15
3.3冷却介质和发电机部件最高允许温度
定子绕组：
75℃（热电偶转换）
转子绕组：
115℃
定子铁芯：
105℃（热电偶转换）
定子绕组出水：
85℃（热电偶转换）
3.6.1最大稳定负荷：
当功率因数和冷却介质的温度都偏离额定值时，最大稳定负荷见下表
参数名称
测量单位
长时间允许负荷
实在功率
KVA
391000
414000
有功功率
KW
352000
352000
功率因数
0.9
0.85
电压
V
20000
定子电流
11290
11950
效率
不赋值
静态过负荷能力
不赋值
氢气压力
KPa
392（400）
氢气进风温度
℃
＋（40－20）
＋（27－20）
气冷器工业水进水温度
℃
＋（33－15）
＋（20－15）
3.6.2发电机功率与电压关系：
电压偏离额定值（20KV）±5％的范围内，能保证发电机的额定功率和最大长时间功率，电压超过额定值110％的运行状态是不允许的。
3.6.3发电机功率与功率因数的关系：
当功率因素偏离额定值时，应遵循3.6.1的规定并按照功率图运行。
3.6.4发电机功率与频率的关系：
频率偏离±2.5％时，能保证发电机的额定功率和最大长时间功率。
3.6.5发电机功率与冷却介质温度的关系：
1当冷氢温度低于额定值时，不允许提高发电机的功率，不提倡将发电机内气体温度降至20℃以下。
2当冷氢温度高于额定值时（40℃），发电机的功率应该下降，确保定子、转子绕组以及定子绕组出水等温度不超过最高允许温度。
3在带额定负荷和最大稳定负荷运行时最高允许运行温度是根据热试验来确定的，但不能超过3.3中所规定的数值。
4在热试验进行之前，当进风温度升高时，发电机的功率应下降至下表规定的数值：
进风温度（度）
40
45
50
55
功率因数
0.85
0.85
0.85
0.85
允许功率（相对于额定值320MW）％
100
92.5
82.5
67.5
允许定子电流（A）
10870
10060
8970
7340
5发电机不允许在冷氢温度55℃以上运行。
6热氢温度不允许超过75℃，否则降负荷或停机。
3.6.6发电机功率与氢压的关系：
机壳内的氢压不低于额定值（392Kpa）,最好不得超过490Kpa，当氢气压力相对于额定值升高或降低时，只有同制造厂协商并进行相关的试验之后，方可投入运行。
3.6.7不对称负荷（负序电流）：
在对称负荷下，如果任一相电流不超过额定值时，且负序电流不超过额定电流的8％，发电机可以长时间运行，允许温度高于3.6.5所规定的最大允许温度5℃
2、TBB—320—2EY3型发电机的容量分析：
1、根据发电机的运行规程和在原型机基础上做的诸多改进，前苏联制造厂和设计单位对改进型TBB—320—2EY3型发电机的目标额定容量是350MW，不是现有的铭牌容量320MW，但同时，对冷却介质（冷氢温度、冷却水温）提出了苛刻的要求。
2、较原型机相比，改进型发电机在结构、定转子长度、通风冷却方面做了很大改动，前苏联设计部门试图充分挖掘原型机的潜力，不用重新设计机型，即可完成350MW发电机的设计和定型。
3、值得注意的是俄方在给出上述条件下长时间最大稳定负荷的同时却没有提供此时的机组效率和静态过载能力的数据。
这一方面说明该型机组还是有一定的富余带载能力的，从另一个角度也表明该机组的电、磁材料的电、磁密度在现有冷却条件下可能已接近饱和（拐点），继续增加负载，其效率（经济性）、抗干扰稳定能力可能要受到影响。
4、根据发电机目前的情况，推测改进型TBB—320—2EY3发电机在前苏联制造厂出厂性能试验过程中，已发现诸多无法克服和解决的问题，无法达到设计额定容量350MW长期稳定运行，因此前苏联制造厂只能将这种机型额定容量定为320MW，因此改进是有缺陷的，同时还留下较多的问题，前苏联设计部门和制造厂也对此心知肚明的，但在说明书中没有任何反映，可查的资料也很少。
5、TBB—320—2EY3型发电机固有问题是：
定子线负荷太大，导致小压圈过热，端部线棒振动大；端部结构工艺落后；短路比低，发电机的稳定性差，机组的性能受限。
同时，在前苏联发电机手册中也没有该机型的资料（原型机有），国内发电机制造厂该机型的资料也很少，同时该型号发电机的产量也很少（目前只有营口两台，我厂两台，阿塞拜疆少量,汕头电厂的发电机是300MW的原型机），因此，可以推断，我厂使用TBB—320—2EY3是过渡型号的发电机，非定型产品，前苏联在对300MW发电机改进后,没有再继续研制350MW的发电机，而是直接研制了500MW发电机，根据国内专家研究，前苏联500MW发电机相对来说比较成熟。
我厂发电机的这种情况与国华绥中电厂发电机比较相似，该厂800MW发电机也是前苏联500MW发电机向1000MW发电机的过渡机型（国内只有两台），投产以来，故障率极高，2台机组已整体更换过3次线棒，该厂正准备明年更换法国阿尔斯通的进口线棒，对发电机端部结构彻底改进。
6、TBB—320—2EY3型发电机虽达不到改进的目的，不能长时间350MW容量运行，但超320MW额定容量运行还是有一定潜力的，超容量运行时，运行人员要严格监视和控制发电机的主要运行参数和冷却介质温度，同时密切检查转子滑环的运行情况。
三、我厂发电机投产后运行、检修中发现的问题：
我厂发电机自1994年双投后，陆续暴露出设计结构、安装工艺、材质上的诸多问题，充分说明该机型本身存在的固有问题。
1、发电机漏水：
先后出现过两次定子漏水的情况，分别发生在三个部位，其中两处在端部引线上，一处在鼻端靠近水电接头的空心铜线上。
#1机组98年运行期间，在发电机汇水管顶部的取样管中漏氢仪检测到氢气，其含量曾超过俄供机组注意值3%，且发电机的排污次数较多排污量均较大，9月份小修时定子一通水就在励侧端部引线发现了漏水现象，剥开绝缘检查在11点位置B相中性点引线2C2有一条横向贯穿裂纹，裂纹打磨坡口后使用铜焊料进行氩弧焊处理，并通过水压试验，为了保险起见在引线补焊部位外加紫铜套并灌锡处理以加固密封。
2002年5月#2发电机中修，在检修前发电机运行稳定，水中含氢量一直不高在0.5%左右，但检修中，在发电机反冲洗结束后，进行膛内检查发现有水迹，后提高水压进行检查，发现励侧3点钟位置1C2引线，在水压5Kg时发现漏水，检查引线第1个弯头内侧发现裂纹，补焊处理。
在随后的水压试验中，发现仍然有水渗出，但渗漏的速率非常慢，渗漏点在此线圈的端部最外一道箍环里面，如要处理需将端部固定整体打开方可进行，从水压现场的实际情况和设备本身的情况来看，我厂里决定暂时先不处理，待做好充分准备后，在机组检修中处理。
2003年4月#2机组第2次中修，发电机更换了漏水的23槽上层线棒，由于避免影响其他线棒，与23槽线棒相连的1C2引线锯断，用加工好的铜套进行焊接连接，两侧的并头套绝缘盒更换了备品，更换了部分损坏的绝缘螺杆，损坏的槽楔也进行更换，松动的槽楔重新打紧。
水压试验及其他试验均合格。
2、气隙隔板磨损支架断裂：
发电机端部两侧气隙隔板由于运行中振动大，而原固定结构比较单薄，检修中发现了多次磨损情况，其中98年#2发电机最为严重，已威胁到了发电机护环，兄弟单位还发生了气隙隔板磨损护环的现象，也进行了修改加固。
98年4月#2发电机小修励侧端盖打开后，检查发现老厂侧上部径向气隙隔板支架断裂两处，拆下检查发现隔板连接处磨损严重，固定螺丝已快磨完，将气隙隔板拆下支架逐个检查，有两个有裂纹，均补焊处理。
根据这种情况决定汽侧端盖也打开检查，汽侧打开上端盖检查，气隙隔板均紧固。
盘山电厂也出现过同样的情况，将转子护环磨出一道槽。
分析由于气隙隔板为四块拼装而成整体刚性较差，运行中容易产生振动磨损，而支架的结构又比较单薄，气隙隔板长期振动又使得支架疲劳断裂，1999年11月#2发电机大修期间将气隙隔板更换为两半结构，并加强了固定结构。
2001年11月#1发电机大修气隙隔板更换为两半结构，并加强了固定结构。
3、励磁定子端部引线固定问题：
发电机励侧定子端部空心引线因固定点少，跨距大（约900多毫米），在电磁振动的作用下极易造成疲劳断裂，特别引线上的直角弯头更加容易开裂。
为此，利用机组检修机会用40mm厚的环氧板加工的托架将12根引线加固，效果较好。
4、定子线圈鼻端固定：
发电机定子鼻端并头套处只有内撑环，并头套和内撑环是靠锲形垫块与环氧绝缘螺杆进行固定的，因为受到线圈引线安装位置的影响，不是每两个并头套之间都有锲形垫块，这样造成鼻端并头套部分不能固定为整体结构，空心铜线靠近鼻端处由于电磁振动易发生疲劳断裂。
5、端部结构在机组检修中不易检查：
TBB－320－2EY3型发电机的端部结构总体说来是整体性封闭式结构，而这种结构除非彻底解体，否则不具备彻底检查内部紧固结构是否良好的条件，无法在大、小修中及时发现局部松动等故障前兆，因此，不能像采用再紧固式结构的国产发电机那样，在预防性检修中可以及时发现和消除紧固结构的局部松动，而一旦产生了局部松动，很可能会导致严重的发电机线棒损坏事故。
6、端部结构分散性较大，安装、加工工艺较差。
俄供TBB-320-2EY3型汽轮发电机端部为端环绑扎结构，分散性较大，不同与国产汽轮发电机的端部整体绝缘压板固定结构（端部采用整体绝缘压板、线圈层间采用充胶支撑管，固定结构较好），加之装配施工难度较高，在线棒安装时工艺上可能存在较大分散性，在绑扎的紧固程度上不够理想，线圈和绑环、绑环和绑环、线圈隔块等之间的适型毡填充得不够紧密，长期运行后，受到电磁力产生振动及热胀冷缩时各部分不是整体位移，而是产生相互位移，绑绳紧固的部位将会出现普遍磨损、松动，发电机每次大小修中皆发现端部箍环与线圈之间有黄粉出现，端部托架与箍环间的间隔垫块有黄粉，在发电机不取出线棒的条件下，处理垫块松弛，杜绝黄粉是有困难的，在常规大小修中也做不到。
7、定子压圈过热
小压圈过热是本机型的一个通病，每次大修解体检查，小压圈表面的漆膜均已炭化，我们曾经根据漆膜炭化的颜色，在烘箱中做试验后，估计运行中压圈的温度至少在200度以上；根据兄弟电厂的相关试验记录，压圈在进相运行时温度将近270度。
四、TBB—320—2EY3型发电机335MW、340MW出力相关数据分析
12月18日、12月19日，汽轮机通流改造后带负荷试验，发电机335、340MW出力时的相关数据和计算数据：
12月18日发电机335MW、340MW出力时的运行参数，（汽机房环境温度16度）
时间
有功MW
无功
Mvar
功率因素
COSφ
定子最大电流
（B相）
A
220kV母线电压
kV
发电机定子最高电压kV
6KV
母线电压（2BB）
kV
氢压MPa
氢纯度
氢冷器冷却水进水温度℃
冷氢
平均
温度
℃
热氢平均温度℃
定子铁芯最高温度
℃
励扩压圈温度
℃
励固压圈温度
℃
汽扩压圈温度
℃
汽固压圈温度
℃
内冷水冷却器进水温度℃
定子线圈冷却水进水温度℃
定子线圈出水温度℃
定子线圈最高温度
℃
转子
电流
A
转子电压
V
转子
阻抗
Ω
（计
算
值）
转子平均温度
（计算
值）
转子最高温度（计算
值）
滑环温度
℃
9点39分
340.29
111.41
0.96
10038
230.2
20.19
6.16
403.5
97.1
12.6
21.1
48.6
53.1
179.9
167.8
149.1
134.4
12.4
28
49.6
51
2979
268.25
0.090047
62.47357
78.09196
9点47分
348.11
111.16
0.96
10284
229.87
20.18
6.13
401.7
97.1
12.7
21.2
48.9
53.6
182.6
170.6
151.9
136.2
12.4
28.3
50.1
51.3
3019.2
272.25
0.090173
62.88982
78.61227
9点53分
345.53
116.4
0.96
10240
229.71
20.18
6.16
403.8
97.1
12.7
216.
49.3
54
183.9
172.3
153.3
137.4
12.5
28.5
50.5
51.7
3027
273.6
0.090387
63.59677
79.49597
10点03分
342.62
112.74
0.96
10112.4
230.2
20.19
6.15
406.02
97.1
12.7
21.9
49.7
54.5
184.6
173.1
153.9
137.4
12.5
28.9
50.8
52.1
2997
270.35
0.090207
63.00214
78.75267
10点11分
344.7
112.74
0.96
10182
229.96
20.19
6.14
407.52
97.1
12.7
21.9
50
54.6
184.2
172.7
153.6
137.3
12.5
28.8
50.7
52.2
3006
271.85
0.090436
63.75865
79.69831
10点24分
343.2
114.82
0.96
10164
229.87
20.18
6.14
403.92
97.1
12.7
22.2
50.4
54.8
184.6
172.9
153.8
137.3
12.5
28.9
51
52.5
3009
272.35
0.090512
64.00972
80.01215
10点36分
347.11
114.82
0.96
10266
229.87
20.19
6.16
55.1
184.9
173.6
154.7
138.1
52.7
3028.2
274.75
0.09073
64.72989
80.91236
75
1小时温升
1.1
1.8
2
5
5.8
5.6
3.7
0.1
0.9
1.4
1.7
10点45分
334.31
146.49
0.93
10130.
230.81
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