400MW等級燃氣輪發電機結構設計特點

楊華峰，劉大鵬

(哈爾濱電機廠有限責任公司，哈爾濱 150040)

1 前言

根據電力工業的發展趨勢，國家要適度發展天然氣發電。燃氣蒸汽聯合循環電站具有能源利用率高，不污染環境，靈活性強等特點，特別適用于調峰運行，因此，國家未來幾年還要適度發展建設燃機電站，并以單機容量 400MW 等級為主。哈電機公司從引進美國通用電氣公司燃氣輪發電機設計與制造技術后開展了大量的國產化和科研工作，首臺機組進行了工廠試驗并獲得了可靠的試驗數據，其表明哈電機公司制造的 400MW 等級燃氣輪發電機性能到達國內外先進水平。

2 技術參數

發電機型號 QFN-400-2

額定容量(MVA)468

額定功率（MW） 398

額定電壓(kV)19

額定電流(A)14221

額定氫壓(MPa)0.414

額定頻率(Hz)50

額定功率因數 0.85

額定轉速(r/min)3000

勵磁方式 靜態

額定勵磁電壓(V)750

額定勵磁電流(A)2019

冷卻方式 氫內冷

支路數 3

3 發電機結構特點

3.1 總裝布置圖(見圖1)

3.2 通風冷卻系統

本型發電機采用氫內冷冷卻方式：轉子繞組采用氫內冷，定子繞組采用氫外冷，發電機定子鐵心和端部結構件采用氫氣表面冷卻。轉子采用副槽通風方式，定子采用三進四出通風方式。

氫氣依靠裝在轉軸兩端護環外側的單級槳式風扇在定子機座內密閉循環。被發電機損耗加熱的氫氣經過裝在機座內兩端的4個立式冷卻器冷卻，然后再循環。

3.3 定子

3.3.1 定子機座

機座外殼采用優質鋼板滾制拼焊而成，整個機座焊后經過消除焊接應力處理及嚴格的氣密試驗。首臺進行水壓試驗，機座、端蓋等均按不低于2倍額定氫壓設計，具有良好的防氫爆性能。

3.3.2 內、外底腳

發電機采用內、外底腳四角布置，內、外底腳均與機座止口配合并把緊在機座上，其單獨包裝運輸。

圖1 發電機總裝布置圖

3.3.3 定子鐵心

定子鐵心由高導磁、低損耗的有取向冷軋硅鋼板沖制并經絕緣處理的扇形片疊裝而成。端部邊段鐵心設計成階梯狀并粘接成整體，同時在齒部開槽，分割齒部渦流回路以降低損耗，提高發電機的進相運行能力。定子鐵心端部采用無磁性壓指和銅屏蔽的結構。定子機座與鐵心之間采用組合式彈性定位筋連接，將定子鐵心與機座有效隔離，減少機座振動。定子鐵心徑向由定位筋定位后，再由定位筋外側的夾緊環收緊。

3.3.4 定子線棒

定子上、下層線棒采用不同的截面，并在直線部分進行羅貝爾換位加空換位，可使因集膚效應引起的附加損耗和股間環流損耗、包括端部橫向磁場差異引起的附加損耗大為減少。定子線棒對地絕緣采用F級云母帶連續纏繞模壓成型。為消除定子繞組的電暈放電現象，在槽內采用低阻結構，端部采用低、中、高阻搭接過渡防暈結構，同時一次模壓成型。具有良好的絕緣強度、機械強度和防暈性能。

3.3.5 定子槽內固定

在槽底和上、下層線棒間分別墊有槽底墊條和層間墊條，在線棒的側面和槽壁之間塞入側面波紋板，使線棒表面良好接地，以降低線棒表面的電暈電位。定子槽楔由高強度F級玻璃布模壓成型，在槽楔下面采用彈性絕緣波紋板徑向壓緊線棒。端部槽楔具有可靠的防松結構。

3.3.6 定子繞組端部結構

定子繞組端部由3道綁環和1道永久支撐環及12個圓周分布的支架固定。綁環和支架為高強度絕緣材料制成。支架通過裝有具有滑移功能的滑移銷結構的夾板固定在壓圈上。當發電機運行時，由于溫度變化引起線棒軸向脹縮時，定子繞組端部整體可沿軸向伸縮，從而有效地減緩了繞組絕緣中的熱應力，并使發電機適于調峰運行工況。線圈端部斜邊間隙用適墊墊塊塞緊，層間墊有適墊材料。線棒端部之間、上下層之間、線棒與綁環之間、并聯環與支架之間均用浸膠玻璃絲束綁扎，繞組端部進行淋膠并涂一層覆蓋漆。

3.3.7 定子引線

發電機采用3支路及上下出線方式，定子引線11排，引線數多至27支，連接處數比較多。在結構設計上，將定子引線整體旋轉180°就能得到另一種相序。定子引線由引線銅排搭接銀焊后采用熱收縮工藝固化成型，定子下線時利用“L”型連接銅排將定子引線與定子線棒完成電連接，“L”型連接銅排均留有一定余量，可根據實際情況修配，結構相對比較靈活，使得安裝定子引線相對方便。

3.4 轉子

3.4.1 轉軸

發電機轉軸由高強度高導磁性合金鋼鍛制而成，在壽命期內能承受起停機10000次以上。

3.4.2 轉子護環與中心環

轉子護環由非磁性高機械性能合金鋼鍛制而成。當轉子超速時，轉子本體與護環之間仍有足夠的過盈。為了防止護環相對于轉子本體有軸向移動，在護環與轉子本體配合處裝有環鍵。護環的另一端與中心環熱套配合，為了防止護環相對于中心環有軸向移動，在護環與中心環配合處裝有環鍵。發電機采用懸掛式中心環，中心環是從轉軸鍛件上加工下來的，它對護環起著固定、支撐、保持與轉軸同心的作用，同時也防止轉子端部繞組軸向位移。

3.4.3 轉子線圈

為了適應調峰運行的要求，轉子線圈采用含銀銅線冷拉成型，提高線圈的抗蠕變能力。每槽共12匝，槽部線圈沖孔以形成徑向冷卻風道，端部線圈銑有凹形溝槽，與相鄰匝形成冷卻風道冷卻線圈端部。轉子繞組槽內部分用開有風孔的高強度不銹鋼槽楔固定，槽楔下方分別設置阻尼條及楔下墊條。采用“L”型槽襯作為主絕緣，每槽兩件。通過槽內兩側的“L”型槽襯分別與楔下墊條、槽底墊條（副槽蓋板）搭接方式以滿足爬電距離的需要。

3.4.4 轉子阻尼系統

為提高發電機承受不平衡負荷能力，有效地削弱負序電流對轉子發熱的不利影響，發電機采用全阻尼系統。在護環下設有梳齒式阻尼環，齒部伸進轉子端部槽楔下，槽內設有槽楔下槽部阻尼條，各段槽部阻尼條間及與護環下梳齒式阻尼環齒部均采用彈簧片搭接過渡，這使感應電流能順利通過各段阻尼條間的接縫處，以防止在接縫處的槽楔齒部形成過熱點。這樣就將端部梳齒式阻尼環和槽部阻尼條并聯在一起，形成了可靠的籠式轉子阻尼系統。

3.4.5 集電環

集電環由高質量合金鋼制成，通過絕緣套筒熱套轉軸上。集電環外表面開有螺旋形溝槽來進行冷卻和去除粉塵，軸向開有通風孔，通過發電機勵端軸頭上小型槳式風扇加強集電環通風冷卻。通過控制集電環外徑（φ 344 mm）使集電環最大線速度處于較低水平，盡可能減少了電刷的摩擦損耗。

3.4.6 風扇

發電機采用單級槳式風扇，安裝在轉軸兩端護環外側的風扇座環上, 其中風扇座環與轉軸為一體加工而成的，每個風扇座環上裝有30只鍛制鋁合金風葉，并通過螺栓及鎖片將風葉固定。為了配合風扇增強通風效果分別在內端蓋上和端蓋內側裝有玻璃鋼導風環和內導風環。

3.5 隔音罩刷架裝配

隔音罩刷架裝配由刷架、隔音罩、引線銅排等組成。刷架由導電塊和底架組成。每個導電環上分別裝設有7個組合式可帶電插拔刷握，每個刷握并排四只電刷，由恒壓彈簧保持適當的壓力以使電流分布均勻，避免引起刷辮過熱。底架內設有抽屜式碳粉過濾器，維護方便。隔音罩裝配在底架上，內壁裝吸音和阻燃材料以降低機組運行時的噪音。隔音罩內配有1個防爆燈，兩側設2個檢修門，門上裝有觀察窗。通過勵端軸頭上的小型槳式風扇進行強制通風，將帶有碳粉的空氣排到室外。引線銅排從隔音罩一側引出。

3.6 端蓋及軸承

發電機采用端蓋式軸承，橢圓型軸瓦。端蓋采用優質鋼板焊接結構。具有足夠的強度、剛度和氣密性，焊后消除應力。上半端蓋設有兩個人孔，下半端蓋設有較大的回油孔，保持回油通暢。端蓋和軸瓦左右兩側均設有進油接口，可根據安裝需要選取。軸瓦與端蓋為球面接觸，可以起到自調心作用。為防止軸電流造成危害，在勵端軸瓦與端蓋及高壓頂起油管之間均設有絕緣。此外，在發電機勵端密封座與端蓋之間設有絕緣，發電機汽端設有轉子接地裝置。

3.7 油密封裝置

發電機油密封裝置采用單流雙環式，密封瓦由鍛鋼加工而成，內圓表面鑄有軸承合金。密封瓦分為內（氫側）和外（空側）兩個。密封瓦分成兩個半圓并且用上下彈簧支撐以保證密封瓦和轉軸隨動，同時密封瓦的設計還可以保證油膜的連續性。單流雙環意即密封瓦的氫側和空側共用同一股油源，空側回油直接返回回油箱，氫側回油返回氫油分離箱，以消除油中少量的氫。密封油與氫氣的壓差通過壓差閥自動維持，在任何運行狀態下油壓保持比氫壓高0.035 MPa。

3.8 氫氣冷卻器

四個氣體冷卻器分別垂直安裝在定子機座的四個角部。氣體冷卻器用冷卻水帶走氫氣在發電機內部循環時產生的熱量。氫氣冷卻器由熱交換區、上下管板和上下水箱組成。熱交換區內裝有一簇帶翅片的管，在上下兩端由管板支撐。冷卻水和氫氣的熱轉換通過逆流系統完成。熱氫氣從冷卻水排水側進入冷卻器，冷卻后的氫氣從冷卻水進水側出來。氫氣冷卻器穿出定子機座的部分要全部密封以防止氫氣泄漏。在底部，采用可滑移的密封套管式密封結構，能夠吸收冷卻器由于溫度變化所產生的熱脹冷縮。

3.9 高壓出線套管裝配

發電機采用上下出線結構，上部3個高壓出線套管端子為中性點，下部3個為主出線，分別與定子引線連接，高壓出線套管端子采用氫氣內部冷卻。每個高壓出線套管端子上裝有4只套管式電流互感器。

3.10 電加熱器

機座汽、勵兩端端部分別裝設一只電加熱器，在發電機停機時無氫情況下投入工作，以防止機內受潮。同樣，為防止隔音罩內受潮，在隔音罩內也裝設了一只電加熱器。

4 工廠試驗

為全面檢驗該型發電機的性能，首臺機組進行了工廠試驗并獲得了可靠的技術數據。從表1與GE公司的試驗數據的對比中看出哈電機公司制造的燃氣輪發電機的性能已達到了國內外先進水平。

表1

5 結論

本型發電機采用氫內冷冷卻方式, 轉子采用副槽通風方式同時采用全阻尼系統以提高發電機承受不平衡負荷能力；定子邊段鐵心設計成階梯形狀并粘接成整體同時在齒部開槽，定子鐵心端部采用了無磁性壓指和銅屏蔽的結構以提高發電機的進相運行能力，定子繞組端部采用支架綁扎和滑移銷結構以適應調峰運行工況?？傊拘桶l電機具有良好的負序、進相、調峰運行能力，與常規水氫氫汽輪發電機相比結構簡單，輔助系統少，運行可靠及維護簡單。各項試驗技術指標均達到國家標準要求，同時也驗證設計、工藝等方面技術的正確性和可靠性，這為今后開發更大單機容量的氫內冷燃氣輪發電機和汽輪發電機提供了寶貴的經驗。

[1]汪耕, 等. 大型汽輪發電機設計、制造與運行[M].上海: 上?？茖W技術出版社, 2000.

[2]張道綱, 等. 大功率汽輪發電機及其運行[M]. 北京: 水利電力出版社, 1986.