第三章发电机培训教材102563课案.docx
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第三章发电机培训教材102563课案
第三章600MW发电机结构及其冷却系统
第一节概述
我国自20世纪80年代后期起，从国外进口了不同制造厂商生产的600MW汽轮发电机。
哈尔滨电机有限公司（原哈尔滨电机厂）生产的引进（美国西屋公司）型600MW汽轮发电机两台，于1989年和1992年先后在安徽平圩电厂投入运行。
1994年，我国首台国产化型600MW汽轮发电机也已装于哈尔滨第三发电厂正常运行。
到目前为止上海汽轮发电机有限公司引进美国西屋公司已生产QFSN－600－2型发电机近20台。
岱海发电有限责任公司一期工程汽轮发电机是上海汽轮发电机有限公司引进美国西乌公司技术生产的由汽轮机驱动的600MW水氢氢高速汽轮发电机，能与各种型号、规格的600MW亚临界、超临界、核电汽轮机相匹配。
本发电机是在电力部对引进技术600MW发电机组提出的优化和机组创优工程要求基础上进行优化设计的：
一发电机特点
该发电机容量上满足与600MW汽机匹配的最大出力要求，最大的连续出力可达648.4MW，设计效率高达99％。
发电机组沿用了引进的高起始响应的励磁系统，能在电力系统故障时0.1秒内达到顶值电压与额定电压之差的95％。
采用静止励磁方式顶值电压可大于2.5倍以上，并用数字式AVR代替模拟式AVR，提高励磁系统的可靠性。
转子采用国内有成熟经验的气隙取气冷却方式，其他主要结构均保留西屋公司原有的成熟可靠结构，如穿心螺杆、磁屏蔽、分块压板固定的定子铁心、上下层不同截面的定子线圈、刚一柔结构的定子端部固定、端盖式轴承、可倾瓦式轴瓦、双流双环式密封瓦等以保证足够的运行可靠性。
改进了转子阻尼结构，提高电机负序电流承载能力。
方便运输：
定子最大运输宽度从考核机组4．115米减小到4米，定子运输重量不超过320t。
对内陆地区，可采用分段式机座，运输重量为260t。
该发电机具有容量大、效率高、性能好和高可靠性等特点，是一个完全达到电力部门优化要求的、科技含量很高、相当于当代国际先进水平的新产品：
二遵循的标准
该600兆瓦级优化型水氢氢汽轮发电机的接收、吊运、储存、安装、运行、维护和检修遵循如下标准：
国标GB/T7064“透平型同步电机技术要求”
国标GB755“旋转电机基本技术要求”
IEC34-1（第八版）“旋转电机第一部分一额定值和性能”
IEC34-3“汽轮发电机的特殊要求”
国标GB7409“大中型同步发电机励磁系统技术条件”
IEC34-16（1991-02）“关于同步电机励磁系统的若于规定”
美标ANSIC50．13“隐极式汽轮发电机的技术要求”
标准编制中，同时也满足我国有关安全、环保等标准和规定，并在消化引进西屋公司300-600兆瓦级氢冷汽轮发电机组技术的有关技术资料（含最新信息）的内容后结合国产（300MW和600MW）定于水内冷技术以及转子气隙取气氢内冷技术编写而成。
三发电机型号的组成及代表意义
发电机型号QFSN-600-2所代表意义是：
QF―――-代表汽轮发电机
600―――代表600兆瓦额定容量
S――――代表定子水内冷
N――――代表氢内冷
2――――代表二极
四工作条件及使用环境
发电机长期连续运行的正常工作条件是：
1安装地点在海拔1000米及以下的一般室内场所。
2氢气冷却器、定子水冷却器及励磁机的空气冷却器循环水最高进水温度一般不超过33℃。
3其它各项技术要求及数据请见第二节。
4发电机在海拔超过1000米也能带额定容量运行；其条件是在机内冷却系统中作为初级冷却介质的氢气能保持额定的绝对氢压而与海拔高度无关，但在密封、机壳和辅机等方面应事先与生产单位达成协议。
五主要技术性能
1本型发电机具有调峰能力。
当电网需要时，发电机允许调峰运行和两班制运行。
在寿命期间允许启停次数不少于一万次。
2发电机在下列情况下能输出额定出力：
a）冷却氢气进口温度不大于46℃
b）氢冷却器冷却水进水温度不大于35℃
c）定于绕组内冷水进水温度不大于50℃
d）氢压不低于额定值，氢气纯度不低于95％。
3发电机在上述情况下，在所提供的出力曲线范围内能在超前0．95功率因数下带额定兆伏安长期连续运行。
4发电机在额定功率因数、电压变化范围为额定值土5％、频率变化范围为土2％时能按照IEC国际标准上的图形，连续输出额定功率。
5定子冷却水短时断水运行的持续时间应小于30秒。
6发电机机座的汽、励两端各有一组氢冷却器，每组在水路上独立地分成两个并联水支路，当停用一个水支路时，发电机能承担80％额定功率连续运行。
7发电机的定子和转子绕组允许短时过负荷。
六安全运行条件
发电机必须在其频率、电压、相序与电网完全同步后才能并入电网。
新安装发电机组轴系在轴径上的双幅振动值应不大于0．076毫米，在轴承座上的双幅振动值应不大于0.025毫米。
运行中的机组轴系在轴颈和轴承座上的双幅振动值如大于上述数值，而不大于国标GB／T7064中有关条款的规定时，机组的运行仍将是安全的。
但当运行中轴振大于0.25毫米时，机组应自动停机解列。
控制机内氢气含湿量折算到大气压的露点应＜5℃且不低于一25℃，以维持防止发电机绝缘性能下降发生短路事故和避免护环应力腐蚀而产主裂纹的机内环境。
当发电机机内充有氢气时或在置换氢气时，附近地区不得进行明火作业。
当发电机处于空气状态下，必须把供氢管道中一支可拆卸式氢气管路拆掉。
这样做了，即使误操作，也不可能将氢气送入发电机内；可以彻底排除形成爆炸性混合气体的可能性，确保机组的安全。
氢冷发电机机座都是设计成“耐爆”型压力容器，就是指机座应能承受氢气和空气混合体的最强烈的爆炸。
这类爆炸不得损伤电机外部的人员、器材和厂房。
这种事故只有在气体置换过程中，出现误操作的情况下才可能发生。
正常运行时氢压远大于大气压，空气是不可能直接进入机座的，故只要维持必要的氢气纯度，充氢运行时发电机是很安全的。
。
在氢气置换过程中必须确认气体的取样分析部位正确无误：
在用CO2置换H2或空气时；必须在机座顶部取样；在用H2或空气置换CO2，一定要在机座底部取样。
如取样不当，误报混合气体的成分，造成高纯度的假象，就潜伏着混合气体是爆炸性的可能性，或CO2实际上仍留在机内而使进入机内者有被窒息的危险。
在运转中，万一发生密封瓦烧毁或密封断油事故，氢气将会从密封支座与轴颈之间喷出。
此时，必须立即停机解列低速盘车，排氢降压，在低氢压时再用CO2置换氢气，一般情况由于高压氢气急速扩容，大量吸热，氢气喷出时不至于发生火灾，但在现场要杜绝一切火花以免引爆。
如果发生火灾应立即用也只能用CO2气体灭火，以资安全。
第二节600MW发电机的技术参数
引进型和国产优化型600MW汽轮发电机：
额定电压多为20KV和24KV，额定功率因数都为0.9，效率在98.7％以上；短路比都不小于0.5；定子绕组联结法都为YY结构。
冷却方式都为水氢氢，即定子绕组水内冷、转子绕组氢内冷、定子铁芯及端部构件氢冷。
岱海发电有限责任公司一期工程汽轮发电机设备是上海汽轮发电机有限公司生产的优化QFSN－600－2型，共计两台，总容量1200MW。
一发电机组技术数据
表3－1所列为经上海汽轮发电机有限公司优化后设计的岱电一期工程QFSN－600－2型汽轮发电机的主要技术数据。
表3－2为QFSN－600－2YH发电机与QFQS－200－2发电机技术数据比较
表3－1岱电一期工程发电机组技术数据
制造厂家
上海汽轮发电机有限公司
发电机型号
QFSN-600-2
级数
2
相数
3
接线方式
YY
额定容量
667MVA
有功功率
600MW
无功功率
290MVAR
定子电压
20KV
定子电流
19250A
功率因数
0.9（滞后）
额定励磁电压（90℃）
407V
空载励磁电压（75℃）
139V
额定励磁电流
4145A
空载励磁电流
1480A
额定效率（保证值）
98.85%
额定频率
50HZ
额定转速
3000r/min
发电机主要性能参数
定子槽数
42
转子槽数
32
定子每相串联匝数
7
定子绕组对地主绝缘厚度
5.4mm
定子绕组匝间最大电压
7143V
定子绕组工频绝缘强度
≥43000V
短路比
0.54
发电机波阻抗
74.3Ω
定子绕组每相对电容
0.213uF（设计值）
转子每槽匝数
8
转子电流密度
9.23A/mm²
转子槽绝缘单边厚度
1.3mm
气隙磁密
10160Gs
转子匝间绝缘厚度
0.4mm
护环直径
1228mm
护环长度
825mm
集电环外径
380mm
转子绕组电感
0.701H
发电机负序承载能力I2（最大稳态值）
10%
I22*t（最大稳态值）
10S
发电机飞轮力矩
3.8×104Kg·m2
发电机临界转速一阶
731r/min
二阶
2136r/min
三阶
4483r/min
定子绕组直流电阻（75℃时）
1.443×10-3Ω
转子绕组直流电阻（75℃时）
0.0755Ω
直轴同步电抗Xd
215.5%
交轴同步电抗Xq
210%
零序电抗XO（非饱和值/饱和值）
10.1/9.59%
负序电抗XZ（非饱和值/饱和值）
22.1/20.3%
定子绕组漏抗XL
15.861%
转子绕组漏抗XF
15.304%
发电机噪声水平
≤85db（A）
发电机容积:
未插转子100M3
插完转子90M3
定子铁芯内径
1316mm
定子铁芯外径
2673mm
定子铁芯长度
6300mm
定子外壳压力
1.0MPa
定子绕组尺寸
空心m×h－壁厚
4.7×7.5-1.35mm
实心m×h
2.24×7.5mm
每槽线圈股数
空心
上层4×5，下层4×4n
实心
上层4×10，下层4×8n
定子电流密度
上层8.5，下层10.6A/mm²
定子线负荷
1955A/cm
定子绕组并联支路数
2
转子本体长度
6250mm
转子总长度
12420mm
转子直径
1130mm
发电机主要部件重量:
发电机总重量
485T
发电机定子总重量
320T
发电机定子运输总重量
345T
发电机定子运输尺寸L×W×H
10520×4020×4350mm
转子装配重量
66T
内端盖重量
440Kg
导风环重量
150Kg
外端盖重量（汽端/励端）
10874/10560Kg
冷却器外罩重量
12066Kg
出线盒重量
5154Kg
瓷套端子重量
287Kg
中性点外罩重量
258Kg
主引线端子重量
138Kg
发电机冷却方式：
水、氢、氢
定子线圈、引出线、出线瓷套端子
水冷
定子铁芯，转子线圈和气隙
氢冷
绝缘等级：
定子绕组
F级
转子绕组
F级
定子绕组冷却水流量
100t/h
定子绕组冷却水压力
1.5-2.0MPa
发电机各部温度极限：
定子绕组冷却水进口水温
定子绕组冷却水电导率
定子绕组出水
定子绕组上、下层线棒间
定子铁芯
定子端部构件
≤50℃
0.5-1.5us/cm
85℃
90℃
120℃
120℃
发电机氢气及冷却系统
气体冷却器数目
2台4组
每组冷却器百分比容量
25%
退出一组冷却器发电机出力
480MW
气体冷却器进水温度
33℃
气体冷却器出水温度
37℃
气体冷却器水流量
900t/h
额定氢压（表压力）
0.4MPa
最大压力（表压力）
0.5MPa
冷氢温度
46-48℃
发电机出口风温
≤80
额定纯度
98%
最低允许纯度
95%
含氧量
＜1%
漏氢量
10/9M3/24h
定子绕组内冷却水
入口处压力（表压）
0.15-0.2MPa
入口处温度
45～50℃
流量
90-105m3/h
20℃时的导电率
0.5～1.5us/cm
20℃时的PH值
6.8～7.3
表3－2QFSN－600－2YH发电机与QFQS－200－2发电机技术数据比较
额定数据
型号
QFSN－600－2YH
QFQS－200－2
额定容量
666.67MVA
235.3MVA
额定功率
600MW
200MW
最大连续出力
654MW
额定功率因数
0.9
0.85
额定电压
20KV
15.75KV
额定电流
19245A
8625A
额定转速
3000RPM
3000RPM
额定频率
50Hz
50Hz
相数
3
3
定子接法
YY
YY
冷却方式
水氢氢
水氢氢
额定工作氢压
0.4Mpa
0.3Mpa
短路比
0.542
0.534
效率
98.94%
98.2%
稳态
I2≤8%In
I2≤10%In
暂态
（I2／In）2·t≤10
（I2／In）2·t≤10
定子槽数
42
54
每极每相槽数
7
9
并联支路数
2
2
极数
2
2
绕组节距
1～23
转子槽数
32
32
每根线棒实心导线
72
24
每根线棒空心导线
36
6
实心导体尺寸W×H
7.5×2.24mm
空心导体尺寸W×H×δ（壁厚）
7.5×4.7×1.35mm
定子电流密度J
8.33／10.41A／mm2
定子线负荷Ast
1955A／cm
1290A／cm
定子铁芯外径Da
2673.4mm
定子铁芯内径Di
1316mm
1150mm
定子铁芯长度Li
6300mm
5370mm
气隙（单边）g
88mm
70mm
定子总重量
300T
189T
转子重量
65T
43T
转子外径D2
1140mm
1010mm
转子本体有效长度
6250mm
5470mm
转子运输长度L2
12670mm
10680mm
护环直径Dk
1238mm
护环长度Lk
890mm
集电环外径
380mm
定子绕组绝缘等级
F
B
定子铁芯绝缘等级
F
B
转子绕组绝缘等级
F
B
噪音
＜85dB
＜85dB
轴承座最大振动值（水平、垂直）
＜0.025mm（双幅值）
＜0.025mm（双幅值）
轴承相对位移值
＜0.076mm（双幅值）
＜0.076mm（双幅值）
端部绕组固有振频率合格范围
fZ＜94Hz，fZ＞115Hz
fZ＜94Hz，fZ＞115Hz
端部绕组自振频率
避开基频+15%和倍频
－10%
避开基频+15%和倍频－10%
发电机转向
汽侧看顺时针方向
汽侧看顺时针方向
励磁方式
静止自并励
交流主励磁机、中频副励磁机同轴
额定励磁电压
励磁变压器20KV／0.893KV额定容量3×2000KVAY，D－11（Y／△）接线方式
453V
额定励磁电流
4202A
1749A
氢气纯度
≥98%
≥98%
氢气湿度（露点）
≤－5℃
≤0℃
进入定子绕组冷却水水量
93M3／h
30M3／h
进入定子绕组冷却水温度
50℃
40±2℃
定子绕组出水温度
≤90℃
≤70℃
冷却水进水导电率
0.5～1.5μS／cm（常温）
0.5～1.5μS／cm（常温）
系统软化器出水导电率
0.1～0.5μS／cm
0.1～0.5μS／cm
PH值
7～8
7～8
压力
0.25～0.36MPa
0.1～0.2MPa
离子交换柱出水量
40～60L／min
二次进水温度
≤33℃
≤33℃
二次水量
170M3／h
30M3／h
氢气冷却器进水温度
20～33℃
15～30℃
发电机进风温度
≤40℃
≤40℃
发电机内部充气容积
110M3
83M3
密封油压高于氢压
0.05±0.01Mpa
0.05±0.01Mpa
氢气冷却器用水量（4个）
620T／h
300T／h
发电机漏氢量（保证值／期望值）
11／8（m3／d）
14m3／d
续表QFSN－600－2YH发电机设计参数
设计参数
单位
数值
定子每相直流电阻（75℃）
Ω
0.00149
转子绕组直流电阻（75℃）
Ω
0.098
定子每相对地电容（A、B、C）
μF
0.22
转子绕组自感
H
0.38
直轴同步电抗Xd
%
228.62
横轴同步电抗Xq
%
226.58
直轴瞬变电抗（不饱和值）Xdu′
%
28.87
直轴瞬变电抗（饱和值）Xd′
%
25.40
横轴瞬变电抗（不饱和值）Xqu′
%
44.14
横轴瞬变电抗（饱和值）Xq′
%
34.84
直轴超瞬变电抗（不饱和值）Xdu″
%
23.54
直轴超瞬变电抗（饱和值）Xd″
%
21.66
横轴超瞬变电抗（不饱和值）Xqu″
%
20.59
横轴超瞬变电抗（饱和值）Xq″
%
18.94
负序电抗（不饱和值）X2u
%
22.06
负序电抗（饱和值）X2
%
20.30
零序电抗（不饱和值）X0u
%
9.94
零序电抗（饱和值）X0
%
9.14
直轴开路瞬变时间常数Tdo′
s
8.27
横轴开路瞬变时间常数Tqo′
s
1.14
直轴开路超瞬变时间常数Tdo″
s
0.04
横轴开路超瞬变时间常数Tqo″
s
0.06
直轴短路瞬变时间常数Td′
s
1.35
横轴短路瞬变时间常数Tq′
s
0.13
直轴短路超瞬变时间常数Td″
s
0.04
横轴短路超瞬变时间常数Tq″
s
0.04
灭磁时间常数T
s
＜3
转动惯量（GD2）
N·M2
3.7×105
失磁异步运行能力
MW
240
失磁异步运行时间
min
15
进相运行能力
MW
600
进相运行时间
h
连续运行能力
三相短路稳态短路电流
%
180
失步功率
MW
240
额定负荷下的不同步能力
20振荡周期
电动机状态运行能力
s
60
发电机使用寿命
年
＞30
二漏氢量
当发电机在额定氢压0.4兆帕下运行，保证漏氢量每天不大于11．3立方米（常压下的体积），当在额定氢压为0．50兆帕下运行时，则不大于13．4立方米。
总装后机内的气体容量约为110立方米，上述漏氢量低于能源部规定要低于5％机内气体容量的要求。
发电机内定子绕组水支路的容积约为0．36立方米，在额定氢压下做空气气密试验时气体泄漏量每天不超过绕组水支路容积的4％。
三励磁系统主要特征
岱海电厂QFSN－600－2型发电机采用具有高起始响应性能的静止自并励励磁系统。
在额定工况下，发电机励磁电压能在0．1秒内从额定电压值上升到顶值电压与额定励磁电压差值的95％。
强励顶值电压：
2倍额定励磁电压。
采用静态励磁顶值电压可大于2．5倍以上。
允许强励时间：
10秒
第三节发电机的结构
一发电机的冷却
发电机的发热部件，主要是定子绕组、定子铁芯（磁滞与涡流损耗）和转子绕组。
为使这些部件发出的热量散发出去，必须采用高效的冷却措施，保证发电机各部分温度不超过允许值。
在汽轮发电机的发展过程中，冷却方式的发展一直占有主导地位。
它关系到整个发电机的技术经济指标以及运行的可靠性，因此，发电机运行中的各部件冷却质量十分重要。
对于200MW及以上汽轮发电机组主要是使用冷却效果好的冷却介质，并发展了把冷却介质引入载流导体内的直接冷却技术，即所谓绕组的内部冷却方式。
目前用以大型发电机冷却的介质有氢气、水和油。
它们的冷却能力都比空气强，表3－3列出了氢气、油和水与空气之间冷却能力的比较。
从表中可以看出，水的冷却能力最好。
表3－3各种冷却介质的冷却能力比较（设空气＝1.0）
冷却介质
相对比热
相对密度
相对流量
相对冷却能力
空气
1.0
1.0
1.0
1.0
氢气（414Kpa）
14.35
0.35
1.0
5.0
油
2.09
0.848
0.012
21.0
水
4.16
1.0
0.012
50.0
在发电机冷却系统中，冷却介质可以按不同的方式组合。
对于容量600MW的汽轮发电机，其定、转子绕组都采用内冷方式。
按定、转子绕组和铁芯的冷却介质的不同组合，600MW汽轮发电机的冷却方式主要有以下几种。
1）全氢冷：
定、转子绕组采用氢内冷，定子铁芯采用氢冷。
2）水氢氢冷：
定子绕组水内冷、转子绕组氢内冷、定子铁芯及定、转子表面构件氢冷。
3）水水氢冷：
定子绕组水内冷、转子绕组水内冷、定子铁芯氢冷。
汽轮发电机结构与冷却方式密切相关。
国内外生产的600MW汽轮发电机大部分为水氢氢冷却方式，也有全氢冷或水水氢等型式。
国内电厂已装设或正在计划装设的，以及国产的600MW汽轮发电机都为水氢氢冷却方式，因此以下几节将分别介绍相关电厂这种型式的汽轮发电机组成部分的结构特点。
图3－1是上海汽轮发电机有限公司为岱
图3－1QFSN－600－2水氢氢冷汽轮发电机结构与外形
1－轴承、油封、端盖；2、冷却器；3、定子绕组；4、转子；5、定子铁芯；6、导风环及内端盖；7、风扇；8、引出导线
海电厂生产的引进美国西屋公司技术优化设计制造的QFSN型600MW水氢氢冷汽轮发电机的结构与外形。
岱海电厂QFSN－600－2型汽轮发电机采用氢气为冷却介质。
其特点如下：
1氢气密度很小，纯氢仅为空气的7％；即使在发电机机座内氢压0．4兆帕下，其密度亦只有空气的50％，因此大大降低了通风损耗。
2氢气具有高导热性（约为空气的7倍）和高的表面热传递系数（约为空气的1．35倍）。
故氢冷发电机具有较大的有效材料单位体积的输出容量，特别是氢内冷结构中氢直接与发热导体接触，提高氢压可使发电机容量显著地提高。
3氢气冷却都为密闭循环系统，机内长期运行干净无尘，减少检修费用。
4机内无氧无尘，减少了异常运行状态下发生电晕所导致的对绝缘的有害影响，有利于延长绝缘寿命。
5氢气密度很低又密闭循环于由中厚钢板焊成的机座内故环境噪音较小。
现今商业性氢气纯度完全是惰性的和非爆炸性，而且不会助燃，所以使用是安全的；但亦必须指出当氢气与空气混合之后，在体积中含有氢气如在5～70％的比例范围内，可能会发生爆炸。
所以在发电机结构设计、安装及运行规程中必须确保在任何运行工况下，氢混合气体的比例远高达到爆炸的危险比例范围。
为此在机座两端的端盖上装有轴密封装置。
本型发电机采用了供油量较少，耗氢量也小，随动性好，运行安全的双环双流环式轴密封装置，并设有油密封供油系统和氢气置换及供应系统，将氢与外界大气严密隔离开来。
同时，必须考虑到误操作可能导致爆炸事故，故把机座设计成为“耐爆型”。
本型水氢氢汽轮发电机采用焊接的机座结构。
两端焊接式端盖支撑着对地绝缘的可倾式分块轴承。
机座底脚与底板（台板）之间设置阶梯形垫片使机座的负荷集中作用在基础的两端，对称分布在两侧，很快向中间衰减，并在现场测试发电机底脚应力分布加以复核调整，确保定子机座两端的载荷分布，以改
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