深度調峰對燃煤汽輪發電機定、轉子繞組的影響分析

張文明　張慶偉　宋貴濤

摘要：當前鄒縣發電廠四臺燃煤汽輪發電機組承擔電網調節任務的壓力越來越大，快速調整負荷的瓶頸問題突出。本文分析了當前鄒縣發電廠參與調峰的四臺發電機正常運行方式定、轉子典型故障，并對深度調峰時發電機定、轉子熱膨脹差值進行計算分析、評估，判斷定、轉子繞組熱膨脹差值是發電機深調的主要限制因素。本文的內容為適應深度調峰的燃煤汽輪發電機優化和改進提供了確切思路，為保證發電機參與深調的安全可靠運行提供有益參考。

Abstract： At present， the pressure of four coal-fired steam turbine generator sets of Zouxian Power Plant to undertake grid adjustment tasks is increasing， and the bottleneck problem of rapid adjustment of load is prominent. This paper analyzes the current normal operation mode and typical rotor failure of four generators involved in peak shaving in Zouxian Power Plant， and calculates and analyzes the difference between generator stator and rotor thermal expansion during deep peak shaving， and determines the stator winding. The difference in thermal expansion is the main limiting factor for the deep regulation of the generator. The content of this paper provides a clear idea for the optimization and improvement of coal-fired turbine generators for deep peak shaving， and provides a useful reference for ensuring the safe and reliable operation of generators participating in deep adjustment.

關鍵詞：深度調峰;汽輪發電機;運行方式;故障分析;熱膨脹差值

Key words： deep peak shaving;turbo generator;operation mode;fault analysis;thermal expansion difference

中圖分類號：TM311 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1006-4311（2019）23-0161-04

0 ?引言

目前我國電力系統存在超高壓、遠距離、交直流混合輸電的特點，加之風電、太陽能等分布式電源大量介入[1]。“十三五”期間能源清潔化和電力體制改革走向深入，電網和電站運行長距離輸電、新能源接入、節能和超低排放、靈活性運行、競價上網特點突出。燃煤火電機組運行的外部環境變革，運行方式從原來的主要承擔“基荷”運行轉變成調峰、調壓、調頻等靈活方式運行，新的運行方式對在役燃煤發電機的適應性、可靠性和經濟性等提出了更高的要求[2]。

在“十三五”期間，新增跨省跨區通道19條、輸電能力1.3億千瓦，新能源和可再生能源約7000萬千瓦，電力消費增速減速換擋、煤電機組投產過多、煤電機組承擔高速增長的非化石能源發電深度調峰和備用等功能的原因[3] [4]，火電機組尤其是煤電機組在未來幾年持續低負荷運行或者深度調峰將成為常態。煤電發展將從單純保障電量供應，向更好地保障電力供應、提供輔助服務并重轉變[5]。

1 ?深調方式簡介

深度調峰就是受電網負荷峰谷差較大影響而導致各發電廠降出力、發電機組超過基本調峰范圍進行調峰的一種運行方式;深度調峰的負荷范圍超過該電廠鍋爐最低穩燃負荷（一般深度調峰的調峰深度為60%-70%BMCR）。目前，燃煤火電呈現出參與調峰或調停機組數增多、利用小時數減少、機組負荷率低等特點。

鄒縣發電廠燃煤火電機組的調峰運行方式變負荷運行，且鄒縣發電廠深調超過一般調節深度負荷，負荷變化快。

過去大容量燃煤火電機組均以帶基礎負荷長期穩定運行為設計目標，關注的重點在于如何優化定轉子繞組和定子鐵心的冷卻方式，以提高滿負載工況下發電機的輸出效率和參數。但是當前由于電網外部運行環境的改變，發電機的運行方式與以往相比有很大的不同。調峰、調壓、進相運行的時間和次數都大大增加。雖然發電機在設計之初，考慮了各種運行環境對發電機的影響，也采取了相應的措施加以應對，但實際上之前很少有大容量汽輪發電機在長期的調峰、調壓包括進相下運行，行業內對這些運行方式的機理分析還不夠[4]。

2 ?正常運行方式與深度調峰對發電機定、轉子繞組及鐵芯的影響對比分析

鄒縣發電廠在役8臺燃煤汽輪發電機，其中635MW、1000MW發電機均參與深調，針對深調可能存在的問題，在歷次大小修期間對發電機定、轉子細致檢查，深調期間著重對發電機定、轉子鐵芯與線棒的熱膨脹差值進行數據分析，以期分析深調對電氣系統的影響程度，作出研究、應對措施。

2.1 正常運行方式發電機定、轉子典型故障分析

2.1.1 定子端部松動

2014年1000MW機組大修，檢查發電機定子端部L型支架滑銷有六處磨損，定子勵端支架與環形引線之間10、11、12、1、2、4、5點鐘支架有不同程度的磨損，勵端11點鐘引線與支撐環之間有磨損，有輕微黃粉。處理情況：清理、檢查、復位滑銷，并粘結固定滑移銷套。鏟開松動的定子環形引線綁繩，環形引線加間隔塊，并用Φ5，浸NAZ膠的滌波繩綁扎牢固。

2.1.2 轉子繞組匝間短路

檢查發電機轉子存在輕微匝間短路現象。解體后發現，護環下轉子線圈頂匝在R處變形嚴重;#9槽勵側護環下1～2匝間絕緣紙破損，且有放電痕跡;#19槽的勵側護環下1～2匝間有放電痕跡。

以上為機組正常方式運行中，發生的定轉子繞組異常情況的典型故障記錄。

2.1.3 故障分析

由于定轉子繞組、鐵芯、絕緣材料等熱膨脹系數不同，加上定子繞組本身的電磁振動加上循環熱應力的影響，可能會加劇類似磨損、振動情況，甚至導致定子繞組出現端部支架斷裂等故障。轉子繞組承受高速旋轉的離心力，可能會使轉子銅線產生蠕變，進而造成端部頂匝線圈的銅線因應力蠕變而發生變形，甚至可能發展成匝間短路。發電機定子鐵芯在外部運行方式變化引起的諧振下，存在出現鐵芯松動、造成鐵芯振動幅值加大的問題。

根據當發電機從常規運行轉向頻繁調峰時，應對機組進行全面檢查，對于以上常態運行多發故障重點關注。結合深調時溫度變化速率快的特點，初步判斷定、轉子繞組熱膨脹差值將成為發電機深調的主要限制因素。

2.2 深調運行方式定、轉子熱膨脹差值分析

2.2.1 發電機運行參數

鄒縣發電廠#5機組635MW，截取3月5日13：00至18：00運行參數曲線，分析如下：

發電機有功在224MW至606MW，有功、無功均在發電機PQ曲線以內，符合運行要求。發電機端電壓、發電機定子電流、勵磁電壓、勵磁電流均不超過額定限值。

2.2.2 發電機各部溫度

截取3月5日13：00至18：00溫度曲線，分析如下：

發電機深調有功224MW時，發電機各部溫度均不超限，定子最高定子鐵芯夾2-43點74℃，轉子溫度66℃。

發電機有功在224MW至606MW，定子溫升最大點定子鐵芯夾2-53，溫升17℃，平均2.6℃/小時，轉子溫升13℃，平均2℃/小時，遠低于20℃/小時的要求。

2.2.3 熱膨脹值計算

考慮發電機定子線圈及轉子線棒的物理性狀，熱膨脹值偏差主要集中在軸向方向，并近似看做一維的物體，且銅、鐵金屬均具備各向同性，其軸向長度就是衡量其體積的決定因素，這時的熱膨脹系數可簡化定義為：單位溫度改變下長度的增加量與的原長度的比值，即線膨脹系數。線脹系數是指固態物質當溫度改變攝氏度1度時，其長度的變化和它在0℃時的長度的比值。各物體的線脹系數不同，一般金屬的線脹系數約為度（攝氏）。

由線膨脹系數α=ΔL/（L*ΔT）

即：ΔL=α*L*ΔT

式中ΔL為所給溫度變化ΔT下物體長度的改變，L為初始長度;

測定溫度條件及單位：20℃，（單位1E-6 /K或1E-6 /℃）

查詢深調始末測溫記錄，計算相對應的熱膨脹差值，詳見表2。

由表2可知：

①定子鐵芯最大膨脹點位于發電機定子鐵芯卡表面溫度2-53，熱膨脹量2.10938mm，發電機定子線棒最小膨脹點位于發電機定子線棒溫度1-20，熱膨脹量1.225mm;計算定子鐵芯與定子線棒熱膨脹差值：為2.10938-1.225=0.88438mm。

②轉子熱膨脹量因只有線棒溫度可供參考，轉子鐵芯使用相同參數，僅考慮不同金屬膨脹差別，計算轉子鐵芯與轉子線棒熱膨脹差值：為2.32932-1.6238688=0.7054512mm。

另：發電機由低負荷迅速增加至高負荷時銅材質的轉子線棒溫升將快于鐵芯溫度，取鐵芯溫差經驗值10℃，其熱膨脹差值為2.32932-1.22=1.10932mm。

2.2.4 發電機深調定、轉子影響分析

由上可知，定子鐵芯和定子繞組之間熱膨脹系數不同，相對速率較快的負荷深度調整引起的溫度變化速率也差異較大，造成在發電機鐵芯和繞組之間的軸向膨脹和收縮量不一樣，產生銅鐵膨脹差。機組正常運行時或負荷緩慢調整時定、轉子熱膨脹差值均在可控范圍內，但長期、頻繁深調運行可能會因絕緣材料與銅導體膨脹系數不同形成剪切應力，造成二者間的聯接破壞，使得銅導體表面的環氧云母絕緣發生分層或脫殼，降低絕緣材料的性能，進而加劇定子繞組的松動。

長期、頻繁的脹縮會使轉子銅線，特別是轉子端部頂匝線圈的銅線容易因應力蠕變而發生變形，進而可能發展成匝間短路。

3 ?小結

結合正常運行方式故障與深調方式定、轉子繞組熱膨脹差值分析，可知長期、頻繁深度調峰確會導致定、轉子繞組熱膨脹差值增大，進而導致發電機定子線棒絕緣松動及轉子繞組匝間短路故障加劇。定、轉子繞組熱膨脹差值是發電機深調的主要限制因素。

此類故障建議通過對機組繞組、鐵芯、絕緣材料、工藝等進行適應性的改造，完善運行調整措施，改進定子槽楔結構以提高定子線棒槽內固定的可靠性;優化和改進轉子線圈端部墊塊固定結構以限制線圈變形等，以適應新的運行方式需求。

下一步仍需對長期、頻繁深度調峰的發電機定、轉子繞組及鐵芯的影響程度進行記錄觀測，以確定是否還存在其他不可控因素。應考慮完善轉子線圈匝間短路在線監測手段、加裝定子線棒在線監測裝置測振、軸電壓軸電流等在線監測裝置，隨時掌握深度調峰引發的發電機相關參數變化，以便應對深調的變化，為機組的可靠運行提供更好的保障。

參考文獻：

[1]盛德仁，韓旭，陳堅紅，李蔚.能源“互聯網”下特高壓輸電對汽輪幾組的影響分析[J].中國電機工程學報，2015，35：132-137.

[2]Jürgen R. Weidner，Ana Joswig，etc. Generator reliability and life tim extension management at new highly flexible grid conditions[J].CIGER，2015.

[3]趙良，郭強，等.特高壓同步電網穩定特性分析[J].中國電機工程學寶，2008，28（34）：47-51.

[4]Li Y，He J L，et al.Failure risk of UHV AC transmission line considering the statistical characteristics fo switching overvoltage waveshape [J].IEEE Transascitons on Power Delivery，2013，28（3）：1731-1739.

[5]Mejia-Girldo D，Mccalley J D.Maximizing future flexibility in electric generation portfolios [J].IEEE Trans on Power Systems.2014，29（1）：279-288.

[6]楊國龍，陳文學，令紅兵.燃煤機組新運行方式對在役汽輪發電機的影響[J].大電機技術，2018，5：48-53.