世界首臺700MW級雙水內(nèi)冷汽輪發(fā)電機的可行性研究

（京能（錫林郭勒）發(fā)電有限公司，內(nèi)蒙古錫林郭勒 026000）

1.項目背景

隨著我國經(jīng)濟發(fā)展水平的提升，人們的用電需求也在不斷增大，根據(jù)近年來華北電網(wǎng)日用電量曲線來看，總體的電量缺口仍比較大。面對這樣的問題，有必要在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上進一步突破雙水內(nèi)冷發(fā)電機組的容量，也就是開啟世界首臺700MW雙水內(nèi)冷發(fā)電機組的研究，如果可以取得進展就可以有效彌補當(dāng)前的電量缺口，進而整個行業(yè)的發(fā)展都有著至關(guān)重要的意義[1]。全球首批兩臺660MW雙水內(nèi)冷發(fā)電機現(xiàn)階段已經(jīng)成功投入商業(yè)運營，據(jù)實際的運行情況來看，該發(fā)電機具有效率高、溫升低以及振動小等優(yōu)勢，有效彌補了傳統(tǒng)發(fā)電機的技術(shù)缺陷。與此同時，該發(fā)電機技術(shù)最為突出的特點就是用水替換了傳統(tǒng)的氫氣冷卻方法，進而大大提升了整體設(shè)備運行的安全性，最大限度地避免了氫氣爆炸安全事故的發(fā)生。如果站在運維檢修的角度上來說，相較于傳統(tǒng)的發(fā)電機技術(shù)，660MW雙水內(nèi)冷發(fā)電機具有操作量少、運維成本低以及檢修周期短等優(yōu)勢，因此進一步加強對相關(guān)技術(shù)的深化研究具有十分關(guān)鍵的現(xiàn)實意義。然而當(dāng)前行業(yè)內(nèi)對700MW雙水內(nèi)冷發(fā)電機的研究仍然處于空白狀態(tài)，國內(nèi)外目前都沒有相關(guān)技術(shù)的研究與應(yīng)用案例。就當(dāng)前實際的商運效果來看，該技術(shù)的各項運行指標(biāo)都處于良好的狀態(tài)，在此過程中以現(xiàn)有的運行參數(shù)為基礎(chǔ)又進一步展開了720MW大負荷試驗以及732MW VWO工況試驗，進而有效對相關(guān)設(shè)備的性能進行驗證，為后續(xù)700MW雙水內(nèi)冷發(fā)電機的研究提供了豐富而寶貴的研究數(shù)據(jù)。

2.以往雙水內(nèi)冷汽輪發(fā)電機存在的問題

2.1 對水質(zhì)的要求較低

就早期雙水內(nèi)冷汽輪發(fā)電機水系統(tǒng)的運行情況來看，并沒有對水質(zhì)的情況提出明確的要求與標(biāo)準，這導(dǎo)致水導(dǎo)電的效果大大降低，實際上的電導(dǎo)率只有10μs·cm-1。

2.2 過濾器精度不足

早期的雙水內(nèi)冷汽輪發(fā)電機水系統(tǒng)過濾器的精度較低，通常情況下只有40～80目，同時采用的是網(wǎng)布式結(jié)構(gòu)不僅難以提升精度，還容易在水的沖擊下造成破壞，破損的網(wǎng)布容易隨著發(fā)電機運轉(zhuǎn)進入到定子線圈當(dāng)中，進而造成定子線棒堵塞、發(fā)動機運行故障等不良影響。

2.3 冷卻器效率較低

早期的雙水內(nèi)冷汽輪發(fā)電機水系統(tǒng)并沒有將研究的重點放在冷卻器上，致使冷卻器的冷卻效率十分低下。與此同時，在設(shè)備運行的過程中，二次水和一次水并不能實現(xiàn)完全的熱交換，進而導(dǎo)致線圈進水過程中的溫度過高，限制發(fā)電機的正常運行[2]。

2.4 儀表問題

在早期相關(guān)設(shè)備運行的過程中，所能采用的儀表技術(shù)以及控制技術(shù)并不能有效滿足當(dāng)時設(shè)備的運行需求，因此在儀表安裝的時候只能采用就地儀表；與此同時使用控制儀表的時候也只能采用基地式調(diào)節(jié)模式，這也導(dǎo)致了很多時候相關(guān)人員需要去到現(xiàn)場完成相應(yīng)的手動操作。

2.5 散裝件供貨問題

早期的雙水內(nèi)冷汽輪發(fā)電機水系統(tǒng)采用的是散裝件供貨模式，進而導(dǎo)致在實際安裝的過程中會出現(xiàn)一定問題，設(shè)備與設(shè)備之間的具體位置需要依靠設(shè)計院的要求加以布置，這大大限制了整體工作的有效開展，降低了發(fā)電機的安裝效率。

3.700MW級雙水內(nèi)冷汽輪發(fā)電機的技術(shù)方案

700MW級雙水內(nèi)冷汽輪發(fā)電機技術(shù)的主要落實機制是通過在原有的基礎(chǔ)上進一步優(yōu)化發(fā)電機運行邊界條件以及完成對少量部件的改造與優(yōu)化，將原有的660MW額定功率提升到700MW，從而實現(xiàn)發(fā)電機組運行性能的顯著提升。就實際的試驗情況來看，其具體的技術(shù)方案主要涉及到如下幾個方面：（1）將原先設(shè)定的額定冷卻水進水溫度從38℃調(diào)整到33℃，同時額定功率因素則與之前的0.9PF保持一致；（2）針對空氣冷卻器增容技術(shù)的研究可以在保持接口尺寸和安裝尺寸大小不變的情況下，進一步對內(nèi)部結(jié)構(gòu)加以優(yōu)化，從而有效提升冷卻器容量，這樣就可以保證雙水內(nèi)冷汽輪發(fā)電機組在運行的過程中可以通過空氣冷卻器帶走更多的損耗，幫助定子鐵心及端部結(jié)構(gòu)件的溫升可以穩(wěn)定在一個較低的狀態(tài)；（3）針對轉(zhuǎn)子水冷卻器增容技術(shù)的研究可以在原有的基礎(chǔ)上增加散熱板片數(shù)量，進而有效提升轉(zhuǎn)子水冷卻器換熱的容量與效率，使得發(fā)電機的運行期間可以通過轉(zhuǎn)子水冷卻器更好地完成損耗搬運，以實現(xiàn)轉(zhuǎn)子線圈出水溫的降低；（4）針對集電環(huán)刷架結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)的研究可以通過增加圓周向布置刷握以及碳刷的數(shù)量，提升可降低電刷載流密度，降低與碳刷接觸面的溫升；（5）當(dāng)相應(yīng)的工業(yè)化應(yīng)用試驗進展到一定階段的時候，其預(yù)計的應(yīng)用效果為額定功率提高至700MW、發(fā)電機效率提高到98.94%、定子繞組以及轉(zhuǎn)子繞組的出水溫度低于＜90℃、定子鐵芯溫度低于120℃、定子端部結(jié)構(gòu)件溫度低于120℃。

4.700MW級雙水內(nèi)冷汽輪發(fā)電機的發(fā)展前景

4.1 技術(shù)前景

700MW級雙水內(nèi)冷汽輪發(fā)電機技術(shù)方案的落實以及相關(guān)試驗的開展具有十分重大的指導(dǎo)意義，如果站在技術(shù)前景的角度來看，其優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下幾個方面：第一，雙水內(nèi)冷汽輪發(fā)電機水系統(tǒng)的應(yīng)用將完全代替?zhèn)鹘y(tǒng)發(fā)電機設(shè)備中的氫氣系統(tǒng)，最大限度地避免了發(fā)生氫爆的危險；在進行安裝的過程中，取消了機座以及端蓋上的防爆和密封結(jié)構(gòu)，大大簡化了發(fā)電機的整體結(jié)構(gòu)，提升了安裝效率；較以往的發(fā)電機技術(shù)，700MW級雙水內(nèi)冷汽輪發(fā)電機技術(shù)將在安裝、運行、維護及檢修等環(huán)節(jié)取得更進一步的提升，顯著降低設(shè)備的運行成本；明顯提升了換熱效率，降低了轉(zhuǎn)子繞組溫升，延長整體設(shè)備的使用效率。第二，700MW級雙水內(nèi)冷汽輪發(fā)電機技術(shù)具備十分優(yōu)異的絕緣性能，其空載和短路特性都完全符合相關(guān)冷卻方式機組的運行標(biāo)準規(guī)范，各項電氣特性在實際運行的過程中均體現(xiàn)出較強的規(guī)范性與穩(wěn)定性。第三，將相應(yīng)雙水內(nèi)冷汽輪發(fā)電機參與各種負荷條件下的試驗，其各類性能以及振動水平均處于優(yōu)良標(biāo)準，同時振動參數(shù)距離其預(yù)先設(shè)定的報警值也有著較遠的距離，顯著提升了機組在惡劣工況下的穩(wěn)定性及安全性。第四，該發(fā)電機雙水內(nèi)冷方式下具有十分良好的冷卻性能，不僅可以實現(xiàn)設(shè)備的穩(wěn)定運行，還可以有效將各部件的溫度水平保持在良好的運行范圍內(nèi)，進而對于整個機組的安全運行提供有力的保障。第五，700MW級雙水內(nèi)冷汽輪發(fā)電機的試驗成功將會進一步為更大單機容量的雙水內(nèi)冷發(fā)電機組提供參考價值，進而以相關(guān)的運行參數(shù)為基礎(chǔ)，有效實現(xiàn)發(fā)電機結(jié)構(gòu)的改良優(yōu)化，為相關(guān)領(lǐng)域的工業(yè)化發(fā)展奠定基礎(chǔ)[3]。

4.2 社會效益

當(dāng)前700MW級雙水內(nèi)冷汽輪發(fā)電機的試驗仍然處于研究與設(shè)計階段，但已經(jīng)可以體現(xiàn)出十分良好的運行性能與合理的設(shè)備構(gòu)造，大大提升了原有技術(shù)的先進性、安全性和經(jīng)濟性。700MW級雙水內(nèi)冷汽輪發(fā)電機的試驗在京能五間房電廠內(nèi)部完成，不僅可以有效推進工業(yè)化應(yīng)用研究階段的發(fā)展進程，還可以進一步彌補雙水內(nèi)冷發(fā)電機技術(shù)在700MW容量等級上的空白。相關(guān)試驗的完成在660MW級雙水內(nèi)冷發(fā)電機的基礎(chǔ)上進一步提升單機容量至700MW級，這樣的轉(zhuǎn)變將推動雙水內(nèi)冷發(fā)電機技術(shù)領(lǐng)域在未來的發(fā)展進程，從而加速無氫電站的創(chuàng)新化發(fā)展，引領(lǐng)新技術(shù)在市場當(dāng)中的新發(fā)展與新變革，不僅可以繼續(xù)推進發(fā)電機技術(shù)朝向無氫化與經(jīng)濟化的發(fā)向發(fā)展，還可以有效為電廠的安全、穩(wěn)定運行與可持續(xù)發(fā)展奠定基礎(chǔ)。