深度調峰對發電機的影響及靈活性改造方案

大唐秦嶺發電有限公司 梁忠海

引言

隨著我國電力系統風能、太陽能光伏發電等分布式發電的發展，新能源發電在電力系統所占的比例不斷提升，目前在西北地區的占比已達20%～30%左右，部分地區占比高達40%。為提高對新能源的吸納，降低棄風、棄光率，電網對燃煤火電機組實行競價上網、靈活性調峰，使得燃煤火電機組原來主要承擔“基荷”運行轉變成調峰方式運行，并且機組深調幅度不斷提高，最高深調幅度已達90%。頻繁深調的運行方式對燃煤發電機的靈活性、可靠性、安全性等提出了更高的要求。

某公司#7、#8機由東方電機有限公司供貨，發電機型號QFSN-660-2-22，額定容量630MW。其中#7機出廠編號HD270-1-12，于2011年12月投運；#8機出廠編號為HD270-2-12，于2012年12月投運。兩臺機組投運至今已有近11年。

1 深度調峰對發電機的影響

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，一般燃煤火電機組的深調幅度為30%～50%額定負荷。目前，燃煤火電呈現出參與調峰、啟停調峰機組數增多、利用小時數減少、機組負荷率低、負荷變化快等特點。

基于行業需求，燃煤火電發電機在最初設計制造時，主要考慮以帶基負荷長期穩定運行為主，具備一定程度上的調峰運行能力。但近年來的能源行業發展對基荷型發電機運行方式不斷帶來了新的挑戰，煤電機組由基荷電源向調節電源進行轉變，因此煤電機組的調峰調頻、輔助服務等功能將愈發突顯。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，具備一定的適應性。但是由于深調為近幾年才出現的，之前很少發電機廠家及發電企業對此進行跟蹤分析。

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，尤其是目前調度對調節響應速率要求愈發嚴格的情況下，問題更為突出。調峰調頻運行對基荷型發電機的影響是多方面的，主要包括以下方面：

由于定子銅鐵溫度脹差，容易引起定子繞組槽內固定件、端部支撐結構件和端部綁扎固定件的松動、磨損等；調峰調頻運行時的鐵芯受周期性熱應力和交變磁場影響，容易引起定子鐵芯松動、過熱等；由于轉子銅鐵脹差，引起轉子銅線循環蠕變產生轉子線圈熱疲勞變形、轉子匝間絕緣磨損，進而可能發展成為匝間短路，造成轉子振動加大或接地等；對發電機零部件壽命、機內漏油等也存在一定影響。

建議參與調峰運行的機組提前做好策劃部署，在機組大修期間，有針對性的進行發電機升級提質改造，提高發電機適應深度調峰調頻的靈活性運行能力，提高機組運行的安全性和可靠性。在升級提質改造前增加檢查、檢修頻次，加強對機組狀態的監控和掌握，及時消除一些缺陷，防止缺陷擴大引起事故。

2 解決方案

2.1 靈活性改造前

2.2 靈活性改造方案

維持目前參數不變：發電機轉子返廠進行頻繁調峰適應性的升級提質改造；發電機定子現場進行頻繁調峰適應性的結構優化改造；其他適應性改造。

2.2.1 發電機檢查評估試驗

改造實施前均應對發電機進行以下檢查評估試驗，若發現缺陷或隱患應及時進行處理并消除，以保證機組后續改造的順利進行。

發電機額定負荷下的溫升試驗，主要項目有：發電機額定負荷下的定子繞組溫度（層間）；發電機定子繞組冷卻水的進、出水溫度；發電機定子鐵芯的溫度；發電機轉子繞組的溫度；發電機冷卻器進水及發電機冷風、熱風溫度；集電環的溫度；發電機各軸承振動及軸振測量；發電機軸電壓測量；發電機漏氫量測量；發電機整體氣密試驗。

定子繞組檢查及試驗：定子繞組及其固定件檢查。檢查端部繞組絕緣有無變色、破損、開裂、脫漆，檢查端部綁扎固定是否有松動磨損跡象，定子槽楔松緊檢查，定子線圈槽口是否有磨損跡象，定子環形引線和過渡引線綁扎固定是否有松動磨損，定子繞組端部滑移件是否存在磨損及松動，定子繞組進出水匯流管及絕緣引水管有無彎癟、開裂、磨損跡象；定子繞組絕緣性能試驗：絕緣電阻和吸收比、直流耐壓及泄漏試驗、手包絕緣局部泄漏電流試驗、起暈及交流耐壓試驗；定子繞組水路試驗：熱水流試驗、水壓試驗、超聲波水流量試驗；定子繞組端部及環形引線模態試驗。

定子端部緊固件檢查。各種螺釘、螺母是否有松動跡象；定子各測溫元件檢查；定子鐵芯檢查及試驗：定子鐵芯外觀檢查：鐵芯有無水斑、銹蝕、油垢、金屬或絕緣粉末等異常，有無碰傷擦毛（毛邊毛刺，凹凸點），是否有異物卡澀；檢查鐵芯松緊及緊固情況；鐵芯發熱試驗。

定子出線部分檢查。定子支撐瓷瓶緊固件是否有松動，支撐瓷瓶是否有裂紋；出線瓷瓶是否有裂紋，出線瓷瓶是否有積油。

轉子檢查。現場進行轉子跳動檢查、外觀檢查及轉子繞組絕緣電阻測試，其余檢測項待返廠進行；端蓋、軸承及油密封檢查。整機氣密試驗時，檢查是否存在泄漏點。檢查軸承各接觸面的接觸面積是否合格。檢查勵端軸承、密封座、高壓油頂、擋油蓋的絕緣電阻是否合格。

在教學進程中，教師每一環節的推進，每一步驟的實現心中要裝著細化的標準，眼中觀察學生的表現，隨時丈量標準與學生認知的偏差，選擇合適的評價方法和策略，扎實有效指導。

刷架及穩定軸承檢查。刷架是否有過熱、放電痕跡。刷握彈簧壓力檢查。穩定軸承是否有放電腐蝕痕跡。穩定軸承球面、合縫面接觸檢查。穩定軸承絕緣電阻檢查；發電機歷次故障或事故情況（若有）。電廠根據發電機自投運以來的歷次故障或事故的資料，包括故障或事故的現象、處理過程、處理結果，用于綜合評估發電機狀況。

2.2.2 發電機轉子返廠進行頻繁調峰適應性的升級提質改造

轉子外觀檢查。聯軸器、軸頸、護環、槽楔等部分有無有碰傷、過熱、放電等痕跡；更換轉子全部絕緣件。對導電桿絕緣和集電環絕緣進行預防性耐壓試驗評估，若有異常則進行更換；更換導電螺釘的密封件、絕緣件；檢查轉子線圈是否存在變形，并進行相應處理；對轉子軸頸、聯軸器、風扇座環、護環進行無損探傷檢查；檢查集電環外圓跳動，必要時車削處理；轉子線圈端部改造為彈性伸縮結構，在轉子兩端中心環鉆孔加裝彈簧伸縮結構。增加轉子線圈在軸向伸縮空間，提高轉子線圈適應負荷變化的能力；按新產品生產流程進行全部試驗項目，包括電氣試驗、氣密試驗、通風試驗、動平衡及超速試驗。

2.2.3 發電機定子現場進行頻繁調峰適應性的結構優化改造

圖1 定子槽內固定改造前（左）、改造后（右）

定子槽內固定改造。將原“斜槽楔+斜楔”結構的定子槽楔及固定件，更換為“斜槽楔+斜楔+波紋板”結構定子槽楔及固定件，以提高定子線圈在槽內固定的可靠性。

增設定子線圈槽口塊。在定子線圈兩端的出槽口位置增加槽口塊，加強定子線圈槽口固定，有效避免定子線圈槽口部位的松動、磨損。注意：安裝下層線圈的槽口塊前，需要將全部上層線圈從槽內取出。

圖2 增設定子線圈槽口塊

定子線圈端部固定優化。根據東電近些年來600MW等級機組的電廠實際運行狀況，東電對600MW 等級發電機定子端部線圈綁扎方式進行了優化，使線圈端部固定更加可靠。此外，發電機增容后定子電流增大，定子線圈受到的電動力也將增大，增加了線圈端部墊塊、綁繩松動的風險。為提高線圈固定的可靠性，需對線圈端部的綁扎方式進行優化。

圖3 定子線圈端部固定優化改造前（左）、改造后（右）

氫氣冷卻器改造。將原繞片式四組冷卻器，更換為整張串片式四組冷卻器，以提高冷卻器換熱容量（由1030kW 增至1150kW），確保發電機改造后安全可靠運行。

2.2.4 其他適應性改造

測溫接線板改造，將現有穿針式測溫接線板進行升級，改造成了密封性能更好、質量更可靠、檢修更方便的插拔式航空插座結構；增加接觸式油檔裝置。在密封瓦與內擋油蓋之間增加一道接觸式油檔，有效防止密封油進入機內給發電機安全運行帶來隱患。

圖4 測溫接線板改造

增加碳刷電流及集電環溫度智能監測裝置。在線實時監測碳刷電流和集電環溫度情況，提早預防故障的發生和擴大；定子出線陶瓷支撐瓷瓶改造為環氧樹脂材料的支撐瓷瓶。原陶瓷支撐瓷瓶受振動影響容易產生裂紋。新型環氧樹脂支撐瓶熱穩定性好、固定可靠；將匯流管直接接地改為絕緣結構，方便機組檢修時測量定子繞組絕緣電阻和進行相關電氣試驗。

圖5 增加碳刷電流及集電環溫度智能監測裝置

原熱電偶測溫元件更換為熱電阻測溫元件。早期600MW 等級發電機采用熱電偶作為定子鐵芯和定子繞組出水測溫元件，受機組運行時電磁場影響，其可靠性不高，可能出現溫度測量不準確的現象。若需進行邊端鐵芯改造，則建議同時將鐵芯、壓圈、銅屏蔽、定子線圈水溫的測溫元件全部更換為熱電阻元件，并將測溫接線板也配套改造為插拔式航空插座結構。

3 結語

通過對發電機的適應性改造，基本解決了發電機在頻繁深調運行時，發電機定、轉子溫度大幅度、周期性變化，由于部件材料膨脹系數差異引起脹差，所導致的零部件產生嚴重的疲勞、松動、磨損、變形等問題，對目前參與深度調峰的火電機組發電機的改造有一定借鑒作用。