QFSN型700MW級汽輪發電機研制

1 引言

近年來，隨著我國火電市場裝機容量的飛速發展，電網從以300MW級汽輪發電機為主力機組時代，發展到當前以600MW級汽輪發電機為電網主力機組的時代。為滿足市場需要，上海發電機廠以QFSN型、600MW級汽輪發電機為基礎，經優化設計，開發了QFSN型、660 MW級（0.9 PF、20kV）發電機。并于2007年對QFSN型700 MW級水氫氫汽輪發電機進行研發。目的是解決市場對700 MW，功率因數0.9發電機的需求，同時也可滿足用戶對額定功率660 MW，功率因數0.85發電機的需求。目前，上海發電機廠已承接的700MW級發電機組訂單超過20臺，全部為國外項目。該型號首臺發電機的全部設計、制造及試驗工作已完成，目前已運往電廠。

2 發電機技術參數及設計條件

2.1 技術參數（表1）

表1 發電機技術參數

額定電流 A 20377 20411額定頻率 Hz 50 50額定轉速 r/min 3000 3000極數 2相數 3絕緣等級 F級（按B級考核）冷卻方式 定子繞組水內冷，轉子繞組氫冷、鐵心氫冷勵磁方式 靜態或無刷勵磁勵磁電流 A 4669 4417勵磁電壓（90℃）V 491 465

2.2 設計條件

根據GB/T7064和IEC60034-3標準和國內外用戶的現場條件，確定上述工況下發電機的主要設計條件如下：

冷卻器最高進水溫度 38℃

發電機最高進風溫度 46℃

定子繞組冷卻水進水溫度 40～50℃

發電機內氫氣純度 95%

額定氫壓（表壓）0.45 MPa(g)

2.3 性能特點

上海發電機廠結合目前發電機技術的發展，并考慮滿足國外市場低功率因數、寬頻率范圍的要求，研制的水氫氫700MW級發電機可配套亞臨界、超臨界、超超臨界和核電機組。該產品具有以下特點：

(1)出力大，在功率因數為0.9（滯后）時，最大連續容量為774MW（860MVA），滿足110%最大連續輸出容量；

(2)該型發電機運行滿足0.85（滯后）功率因數，遠高于國標要求；

(3)發電機在700MW（0.9PF）配靜態勵磁時的效率計算值為99.036%，遠高于98.8%的國標要求；短路比達到0.5以上，高于國標GB/T 7064規定的0.35，符合用戶對短路比的期望；

(4)與同等級容量發電機相比，電壓高（22kV），相應地減小了定子電流和電動力；

(5)溫升低、裕度大，見表3。

3 發電機結構設計

3.1 發電機總體結構和通風方式

QFSN型700MW級發電機冷卻方式為水氫氫。定子線圈、連接線、主引線及出線瓷套端子均采用水直接冷卻，發電機定子鐵心、轉子采用了六進七出的多風區氣隙取氣通風結構。定子鐵心為徑向氫表面冷卻，端部結構件也為氫表面冷卻。轉子采用隱式風斗槽楔，線圈直線部分采用氣隙取氣斜流式通風冷卻，端部采用兩路進風的內冷結構。定、轉子各有多路并聯風區、冷熱風區相間，并在氣隙中設計熱風區隔環以加強對轉子的通風冷卻。由于氣隙取氣斜流通風為自通風方式，故發電機內氫氣可由對稱地裝在轉子兩端的單級軸流式低壓風扇在發電機內形成氫氣流動的閉合回路。氫氣冷卻器設置在定子汽、勵端的上部，橫向裝配在冷卻器外罩內，使兩端支承跨距成為最短，有利于轉子動力特性優化，同時也減輕了定子、轉子的運輸重量和尺寸。除了勵端的出線盒外，電機兩端的兩個氫氣流動回路幾乎是對稱的。

表2 QFSN型700MW級發電機結構特點

QFSN型700MW級發電機主要結構及通風方式見圖1所示，結構特點見表2。

圖1 發電機總裝及風路布置

3.2 定子機座、隔振結構及定子鐵心

定子機座是用優質中厚鋼板及鍋爐鋼板冷作拼焊而成，每個機座都經過水壓試驗、消除應力處理和0.5MPa氣密試驗的考核。鐵心是通過高強度彈簧鋼板組成的高效隔振裝置固定在機座內的。當發電機運行時，轉子和定子鐵心之間的磁拉力在定子鐵心中產生倍頻振動，定子鐵心裝配和發電機機座部件之間采用隔振性能好的彈簧板彈性支撐結構，減小了定子鐵心傳到機座和基礎上的倍頻振動。定子機座為整體式設計，整體式機座更便于現場安裝，且可采用D38鉗夾車滿足鐵路運輸。

鐵心采用 0.5 mm厚扇形高導磁率、低損耗的無取向冷軋硅鋼片疊裝而成。在扇形硅鋼片的兩側表面涂有F級環氧絕緣漆。定子鐵心軸向用支持筋螺桿和對地絕緣的高強度反磁鋼穿心螺桿，通過兩端的壓指、壓圈及分塊壓板用螺母擰緊成為整體，經過數次冷態和熱態加壓、并緊固螺母而成為一個結實的鐵心整體。在兩端壓圈與反磁性分塊壓板之間設有用硅鋼片疊壓并加以粘結起來形成內圓為階梯形的磁屏蔽，這些措施減少了端部漏磁引起的附加損耗，故端部溫升較低，使發電機具有進相運行的能力。

鐵心內設有許多徑向通風道組成氫氣表面冷卻、多路并聯通風、對應轉子進風和出風相互間隔的十多個風區。在鐵心內圓上進風和出風風區之間、環繞氣隙上部六分之五的圓周上裝設了風區隔環以減少串風，提高了通風散熱的效能。

3.3 定子繞組、繞組裝配及端部固定

水內冷的定子線圈是由實心銅線和空心銅線交叉組成，上層線棒的導電截面積要比下層的大，可降低線棒附加損耗。槽內股線間進行了540°羅貝爾換位，也起到減少繞組附加損耗的作用。定子繞組為60°相帶、三相、雙層繞組，雙支路并聯、Y連接。定子線圈對地絕緣采用 F級環氧云母帶連續絕緣B級溫升限值使用，確保使用壽命，并對定子繞組進行了有效防電暈處理。定子線圈在槽內固定于高強度模壓槽楔下（圖2），在鐵心兩端用關門槽楔就地鎖緊，防止運行中因振動而產生的軸向位移。楔下設有高強度彈性絕緣波紋板，在徑向壓緊線棒，側面用半導體板塞緊線棒。在槽底和上、下層線棒之間都墊以熱固性適形材料，使相互間保持良好接觸。并采用了漲管熱壓工藝，使線棒能在槽內可靠地就位。

定子繞組的端部采用成熟可靠的剛-柔固定結構（圖3）。它由充膠的層間支撐軟管、可調節綁環、徑向支撐環、絕緣楔塊和絕緣螺桿等結構件以及綁帶、適形材料等將繞組端部固定在絕緣大錐環上，成為一個牢固的整體，而絕緣大錐環則固定在絕緣支架上，支架的下部又通過彈簧板固定在鐵心端部的分塊壓板上，形成沿軸向的彈性結構。該結構使繞組在徑向、切向具有良好的整體性和剛性，而沿軸向卻具有自由伸縮的能力，能充分地適應機組的調峰運行方式。

圖3 定子端部繞組結構示意

3.4 轉子

發電機轉軸由高機械性能和導磁性能良好的鉻鎳鉬釩合金鋼鍛件加工而成，材料的屈服強度為660 ～760MPa。在轉軸本體大齒中心沿軸向均布地開了多個橫向月形槽，又在勵端軸柄的小齒中心線上開有兩條均衡槽，以上結構有效地均勻了轉子垂直、水平兩個方向的剛度，減小了轉子的倍頻振動。轉軸本體大齒上開有阻尼槽，使發電機在不平衡負載時可以減少在橫向槽邊緣處的阻尼電流和由此引起的在尖角處的溫度急劇升高，提高了發電機承受負序的能力。

轉子線圈由冷拉含銀無氧銅線加工而成，因此既抗蠕變，又防氫脆。轉子嵌線槽內采用氣隙取氣、斜流通風的隱風斗通風結構，由轉軸表面導風口、轉子槽楔通風道和轉子線圈斜流通風道等構成，端部線圈為軸向氫內冷。護環絕緣為分塊式絕緣。在槽絕緣、護環絕緣和楔下墊條與轉子銅線接觸處均壓粘有聚四氟乙烯滑移層，使銅線在離心力高壓下能自由熱脹冷縮，避免永久性殘余變形，以適應調峰運行工況的需要。轉子線圈端部由具有良好的耐應力腐蝕能力的整體鍛制的高強度反磁合金鋼護環來支撐，護環熱套在轉子本體端部的配合面上，為懸掛式結構。中心環、風扇環、聯軸器均為合金鋼鍛件，風扇葉片為鋁合金鍛件。單級螺漿式風扇對稱布置在轉子兩端，提供發電機冷卻所需的風量。

3.5 端蓋、軸承及油密封

發電機采用端蓋軸承結構，端蓋設計為厚鋼板拼焊結構，采用氣密性焊縫，焊后進行焊縫的氣密試驗和退火處理，并進行水壓試驗。軸承與密封支座都裝在端蓋上，可以縮短轉軸長度并具有良好的支承剛度。軸瓦與端蓋間在發電機勵端設置有雙層絕緣，可以在運行中檢測軸承絕緣狀況。油密封結構為雙流雙環結構。

4 汽輪發電機型式試驗

上海發電機廠現已完成第一臺700MW級發電機，運行工況為額定有功660MW，功率因數0.85，并于2010年8月進行了工廠型式試驗。工廠型式試驗包括氫氣狀態下的空載溫升試驗、穩態三相短路溫升試驗、熱水流試驗、電抗測量試驗、整機氣密試驗、振動測量（包括定子鐵心、機座、定子繞組端部）、小軸系超速及動力特性試驗、突然短路試驗、損耗測量等。溫升試驗結果表明發電機各部件的溫升值在額定運行和110%過負荷時均在標準規定范圍內。

4.1 發電機主要電氣性能

該型號發電機在有功出力660MW、0.85PF和700MW、0.9PF時主要電氣性能試驗數據見表3。

4.2 發電機定轉子模態和振動值

該型發電機進行了定子機座、定子鐵心、定子端部繞組、轉子的模態試驗和振動值測量。

定子機座和定子鐵心的橢圓形固有頻率避開了90～110Hz的范圍，定子端部繞組的橢圓形固有頻率避開了95～112Hz的范圍，轉子的一階臨界轉速為690r/min，二階臨界轉速為1800r/min，避開了2700～3300r/min的要求范圍。

表3 主要電氣性能設計及試驗數據

定子機座在額定空載時的倍頻振動測量值(峰-峰值）小于15μm，定子鐵心在額定空載時的倍頻振動測量值（峰-峰值）小于50μm，定子端部繞組在額定空載或額定短路時的倍頻振動測量值（峰-峰值）小于100μm，轉子在額定轉速時的振動測量值（峰-峰值）小于80μm。

5 小結

700MW級水氫冷汽輪發電機的型式試驗結果表明該型發電機各項性能指標符合國家標準GB/T 7064，國際標準IEC 60034-3的規定。其中：

(1)發電機效率在700MW，0.9PF時設計值99.036%，試驗值為99.034%，在660MW，0.85PF時，設計值為98.945%，試驗值為98.94%，都優于國標98.8%的規定。

(2)定、轉子繞組和定子鐵心的溫升均在允許限值以內，并有一定的裕度。

(3)定子機座、鐵心、端部繞組和轉子的模態及振動均滿足標準要求。

700MW級水氫冷汽輪發電機的研制成功，對推進國內電力工業的發展具有重要的意義，也為國內電站裝備走向世界打下了基礎。