深度調(diào)峰對(duì)660 MW水氫氫汽輪發(fā)電機(jī)的影響分析及靈活性改造

引言

“十四五”時(shí)期是為力爭在2030年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和打好基礎(chǔ)的關(guān)鍵時(shí)期，必須協(xié)同推進(jìn)能源低碳轉(zhuǎn)型，加快能源系統(tǒng)調(diào)整以適應(yīng)新能源大規(guī)模發(fā)展，為應(yīng)對(duì)能源結(jié)構(gòu)的變化和新的市場(chǎng)需求，煤電機(jī)組也有必要在運(yùn)行方式上做出調(diào)整[1]。

衡量煤電機(jī)組運(yùn)行靈活性的三個(gè)指標(biāo)性要求為快速啟停、快速變負(fù)荷及深度調(diào)峰能力。在煤電機(jī)組參與調(diào)峰運(yùn)行時(shí)，機(jī)組所處的運(yùn)行工況頻繁變化，會(huì)對(duì)機(jī)組運(yùn)行的可靠性產(chǎn)生一定的影響。本文著重探討了深度調(diào)峰運(yùn)行對(duì)660 MW水氫氫汽輪發(fā)電機(jī)主要部件的影響及靈活性改造對(duì)策。

1深度調(diào)峰運(yùn)行介紹

調(diào)峰運(yùn)行屬于正常運(yùn)行范疇的特殊運(yùn)行方式，是指發(fā)電機(jī)組在規(guī)定的范圍內(nèi)，為了跟蹤負(fù)荷的峰谷變化而有計(jì)劃的、按照一定調(diào)節(jié)速度進(jìn)行的出力調(diào)整。調(diào)峰運(yùn)行與電力需求密切相關(guān)，正常情況下電網(wǎng)的負(fù)荷量呈周期性變化，在電力供應(yīng)充足的情況下，必然存在電網(wǎng)負(fù)荷峰谷差，也就必然存在發(fā)電機(jī)組的調(diào)峰問題。

汽輪發(fā)電機(jī)的調(diào)峰運(yùn)行分為兩種方式：一是受電網(wǎng)負(fù)荷峰谷差較大影響而導(dǎo)致發(fā)電機(jī)組降出力、超過基本調(diào)峰范圍（50%~80%）進(jìn)行調(diào)峰的一種運(yùn)行方式，發(fā)電機(jī)組出力低于50%，稱為“深度調(diào)峰運(yùn)行”；二是停機(jī)熱備用的零負(fù)荷至基本負(fù)荷頻繁交替變化，稱為“兩班制運(yùn)行”。我國大部分煤電機(jī)組的調(diào)峰運(yùn)行方式屬于前者[2]。

2深度調(diào)峰對(duì)660 MW水氫氫汽輪發(fā)電機(jī)的影響

深度調(diào)峰運(yùn)行方式對(duì)在役煤電機(jī)組的適應(yīng)性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性等提出了更高的要求，以往整個(gè)發(fā)電行業(yè)關(guān)注重點(diǎn)在鍋爐運(yùn)行能力的改造上，實(shí)際上，深度調(diào)峰運(yùn)行對(duì)發(fā)電機(jī)也有實(shí)質(zhì)性影響，發(fā)電機(jī)可靠性面臨著新的挑戰(zhàn)。汽輪發(fā)電機(jī)做靈活性運(yùn)行時(shí)，其負(fù)荷頻繁變化，轉(zhuǎn)子溫度、定子溫度隨之頻繁變化，長時(shí)間如此會(huì)對(duì)發(fā)電機(jī)的各部件造成不同程度的影響，對(duì)發(fā)電機(jī)組運(yùn)行的可靠性造成隱患。

2.1 660 MW發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)介紹

某電廠QFSN-660-2-22型發(fā)電機(jī)為汽輪機(jī)直接拖動(dòng)的隱極式、二極、三相同步發(fā)電機(jī)，配有一套氫油水控制系統(tǒng)，采用靜止可控硅，機(jī)端變自勵(lì)方式勵(lì)磁，并采用端蓋式軸承支撐，2008年投運(yùn)，是目前大型燃煤火電站的主力機(jī)組。發(fā)電機(jī)采用水氫氫冷卻方式，即定子線圈（包括定子引線）直接水冷，定子出線氫內(nèi)冷，轉(zhuǎn)子線圈直接氫冷（氣隙取氣方式），定子鐵芯氫冷。660 MW汽輪發(fā)電機(jī)總體布置圖如圖1所示。

2.2深度調(diào)峰運(yùn)行對(duì)定子的影響

發(fā)電機(jī)長時(shí)間深度調(diào)峰運(yùn)行，定子線圈銅線因大電流發(fā)熱而產(chǎn)生軸向膨脹，同時(shí)定子鐵芯也因磁負(fù)荷而產(chǎn)生熱膨脹。線圈導(dǎo)體發(fā)熱量與電流的平方成正比，定子繞組和定子鐵芯之間熱膨脹系數(shù)不同，同時(shí)負(fù)荷變化引起的溫度變化速率也差異較大，造成在調(diào)峰運(yùn)行過程中發(fā)電機(jī)負(fù)荷快速增加或減少時(shí)，繞組和鐵芯之間的軸向膨脹和收縮量不一樣，在深度調(diào)峰運(yùn)行時(shí)，定子電流值大幅變化，溫度隨之產(chǎn)生較大變化，引起軸向膨脹收縮，此時(shí)鐵芯磁負(fù)荷并無明顯變化，因而產(chǎn)生了銅鐵膨脹差。經(jīng)常性在這種狀態(tài)下運(yùn)行就容易導(dǎo)致定子繞組端部、引線部位松動(dòng)。此外，定子繞組電流的變化也會(huì)引起相互間電磁力的改變，進(jìn)而導(dǎo)致繞組振動(dòng)變化，線棒槽楔松動(dòng)，特別是在定子繞組端部支撐結(jié)構(gòu)部位和線棒槽口處產(chǎn)生松動(dòng)和磨損。

定子線圈由內(nèi)部的銅線和外部包覆的絕緣材料組成，兩種材料熱膨脹系數(shù)差別很大。無論是頻繁啟停機(jī)的兩班制運(yùn)行還是深度調(diào)峰運(yùn)行，在負(fù)荷快速增加或減少時(shí)，絕緣材料與導(dǎo)體之間都會(huì)形成很大的剪切應(yīng)力，主絕緣與銅線之間將產(chǎn)生脫殼，造成電氣性能下降，加速老化。

2.3深度調(diào)峰運(yùn)行對(duì)轉(zhuǎn)子的影響

發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組是調(diào)峰運(yùn)行中要高度關(guān)注的部件之一。與定子線圈情況類似，發(fā)電機(jī)長時(shí)間深度調(diào)峰運(yùn)行，轉(zhuǎn)子也有銅鐵溫差，當(dāng)負(fù)荷調(diào)節(jié)時(shí)，轉(zhuǎn)子銅線發(fā)熱量大幅變化，同時(shí)轉(zhuǎn)軸的溫度只有較小的變化，而且銅鐵線膨脹系數(shù)不同，因此轉(zhuǎn)子銅線會(huì)產(chǎn)生相對(duì)轉(zhuǎn)軸的熱脹冷縮[3]。轉(zhuǎn)子線圈要承受高速旋轉(zhuǎn)的離心力、啟停應(yīng)力的大幅變化以及膨脹收縮力的作用，轉(zhuǎn)子銅線會(huì)產(chǎn)生蠕變，因此線圈均采用抗蠕變能力強(qiáng)的含銀銅線制造。即便改善了材料，但頻繁的脹縮仍然使銅線特別是端部頂匣線圈容易因應(yīng)力蠕變而發(fā)生變形，進(jìn)而可能發(fā)展成匣間短路，嚴(yán)重時(shí)包間短路，必須采取措施。繞組變形常伴隨有槽絕緣磨損、匣間短路、繞組接地等。對(duì)于繞組直接冷卻的轉(zhuǎn)子，當(dāng)繞組變形量較大時(shí)，會(huì)引起繞組通風(fēng)孔錯(cuò)位甚至堵塞，繞組局部嚴(yán)重過熱。當(dāng)這種過熱引起轉(zhuǎn)子質(zhì)量嚴(yán)重不平衡時(shí)，還會(huì)使得轉(zhuǎn)子振動(dòng)加大。

轉(zhuǎn)子經(jīng)常性盤車會(huì)因轉(zhuǎn)軸撓度的變化，加速線圈間、線圈與絕緣間的磨損，這在大容量柔性轉(zhuǎn)軸上更容易產(chǎn)生，此外槽楔磨損也會(huì)加大。

頻繁啟停機(jī)、反復(fù)通過臨界、并網(wǎng)等加大了對(duì)轉(zhuǎn)軸的機(jī)械損耗，低周疲勞應(yīng)力可造成轉(zhuǎn)子金屬結(jié)構(gòu)件上裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)大。對(duì)于轉(zhuǎn)子齒部、護(hù)環(huán)和風(fēng)扇柄等承受應(yīng)力較大的部件，在正常離心應(yīng)力上疊加低周應(yīng)力，會(huì)加速材料的疲勞，縮短使用壽命[4]。

2.4深度調(diào)峰運(yùn)行對(duì)發(fā)電機(jī)其他方面的影響

（1）深度調(diào)峰運(yùn)行造成發(fā)電機(jī)內(nèi)氫氣溫度變化，從而引起壓力頻繁波動(dòng)，增大了氫氣泄漏的可能；密封件老化也增加了漏氫的可能。出線套管因電流變化引起導(dǎo)電桿膨脹收縮，增大了密封件老化泄漏的概率。

（2）氫冷發(fā)電機(jī)運(yùn)行的常見問題之一是漏油。漏油會(huì)降低氫氣的純度，嚴(yán)重影響發(fā)電機(jī)的絕緣效果，使定子線棒槽內(nèi)和端部固定容易松動(dòng)，對(duì)鐵芯松動(dòng)也會(huì)產(chǎn)生不良影響。發(fā)電機(jī)調(diào)峰運(yùn)行時(shí)，經(jīng)常性啟停機(jī)，增加了機(jī)內(nèi)漏油的風(fēng)險(xiǎn)。

綜上所述，深度調(diào)峰運(yùn)行對(duì)660 MW汽輪發(fā)電機(jī)的影響如圖2所示。

3適應(yīng)深度調(diào)峰運(yùn)行的措施

燃煤火電機(jī)組在深度調(diào)峰運(yùn)行時(shí)，會(huì)對(duì)發(fā)電機(jī)的各部件造成不同程度的影響，這些問題必須通過實(shí)施相應(yīng)的改造才能解決，以保證機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

3.1轉(zhuǎn)子端部結(jié)構(gòu)優(yōu)化及絕緣更新

（1）在轉(zhuǎn)子汽勵(lì)兩端中心環(huán)上鉆孔并增加彈簽，將轉(zhuǎn)子線圈端部結(jié)構(gòu)改進(jìn)為彈性支撐結(jié)構(gòu)，在中心環(huán)與絕緣端環(huán)之間預(yù)留間隙，保證發(fā)電機(jī)參與深度調(diào)峰運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)子線圈在軸向上可以自由地?zé)崦浝淇s，降低轉(zhuǎn)子線圈膨脹應(yīng)力，減少轉(zhuǎn)子線圈塑性變形的可能性。

（2）將轉(zhuǎn)子端部絕緣墊塊加長，盡量填滿線包間隙，加強(qiáng)轉(zhuǎn)子端部線圈的支撐，減少轉(zhuǎn)子線圈拐角處發(fā)生包間短路的可能性，有效防止轉(zhuǎn)子線圈因變形引起的匣間短路事故發(fā)生。再按新產(chǎn)品轉(zhuǎn)子制造工藝對(duì)轉(zhuǎn)子繞組重新下線裝配，下線過程中對(duì)存在變形的轉(zhuǎn)子線圈進(jìn)行整形更換。

（3）轉(zhuǎn)子改造全過程按照新機(jī)制造工藝執(zhí)行，裝配完成后分別進(jìn)行冷、熱態(tài)精細(xì)動(dòng)平衡，可以確保轉(zhuǎn)子的裝配和平衡質(zhì)量，排除轉(zhuǎn)子本身導(dǎo)致振動(dòng)偏大的影響因素，推動(dòng)軸系振動(dòng)問題的解決。轉(zhuǎn)子改造過程中可同時(shí)對(duì)轉(zhuǎn)子集電環(huán)進(jìn)行臥車加工，降低因長期運(yùn)行后集電環(huán)表面平整度（跳動(dòng)值）、光潔度下降問題帶來的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。

通過升級(jí)改造，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子深度調(diào)峰運(yùn)行適應(yīng)性會(huì)得到提升，能夠有效應(yīng)對(duì)轉(zhuǎn)子線圈端部變形風(fēng)險(xiǎn)，絕緣系統(tǒng)全面更新，提高了絕緣可靠性，全面提升了發(fā)電機(jī)設(shè)備安全性，降低了電氣故障風(fēng)險(xiǎn)。轉(zhuǎn)子線圈端部結(jié)構(gòu)優(yōu)化如圖3所示。

3.2定子線圈槽內(nèi)固定結(jié)構(gòu)優(yōu)化

如圖4所示，通過對(duì)定子線圈槽內(nèi)固定結(jié)構(gòu)進(jìn)行升級(jí)改造，采用上下組合式槽楔結(jié)構(gòu)（槽楔+斜楔）與波紋板共同在槽內(nèi)壓緊定子線圈,強(qiáng)化定子線圈在下線槽內(nèi)的固定效果,減少槽楔松動(dòng),降低靈活性運(yùn)行造成的故障率；壓縮楔下波紋板的波峰、波谷高度差,將進(jìn)一步提高發(fā)電機(jī)適應(yīng)深度調(diào)峰運(yùn)行的能力。

3.3發(fā)電機(jī)其他部件優(yōu)化改造

（1）針對(duì)發(fā)電機(jī)內(nèi)漏油的風(fēng)險(xiǎn),可以在梳齒式油擋的基礎(chǔ)上加裝接觸式油擋,提高油密封系統(tǒng)可靠性,有效減少機(jī)內(nèi)進(jìn)油,降低定子機(jī)內(nèi)污染風(fēng)險(xiǎn)。

（2）針對(duì)發(fā)電機(jī)漏氫量增加的風(fēng)險(xiǎn),將現(xiàn)有穿針式測(cè)溫接線板進(jìn)行升級(jí),改造成密封性能更好、質(zhì)量更可靠、檢修更方便的插拔式航空插座結(jié)構(gòu)。

（3）加裝轉(zhuǎn)子匹間短路探測(cè)裝置,實(shí)時(shí)檢測(cè)轉(zhuǎn)子線圈匹間短路波形。

（4）加裝定子繞組端部振動(dòng)監(jiān)測(cè)裝置,在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)定子繞組端部狀態(tài),提早預(yù)防定子線圈端部松動(dòng)、磨損問題的發(fā)生和擴(kuò)大。

（5）對(duì)長期深度調(diào)峰運(yùn)行的發(fā)電機(jī)應(yīng)當(dāng)定期對(duì)定子繞組絕緣、轉(zhuǎn)子絕緣進(jìn)行狀態(tài)評(píng)估,結(jié)合機(jī)組實(shí)際運(yùn)行年限和工況,根據(jù)機(jī)組歷年檢修與現(xiàn)場(chǎng)電氣試驗(yàn)結(jié)果,對(duì)發(fā)電機(jī)的絕緣狀態(tài)進(jìn)行準(zhǔn)確評(píng)估,確保機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行。

（6）增設(shè)發(fā)電機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)智能診斷系統(tǒng),由專家團(tuán)隊(duì)通過診斷系統(tǒng)對(duì)機(jī)組的運(yùn)行狀況進(jìn)行綜合分析,及時(shí)發(fā)現(xiàn)影響發(fā)電機(jī)安全穩(wěn)定運(yùn)行的預(yù)兆和趨勢(shì)。通過該智能診斷系統(tǒng)可以提高機(jī)組的運(yùn)維便利性、運(yùn)行可靠性及運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。

4結(jié)束語

煤電機(jī)組深度調(diào)峰運(yùn)行是國家能源行業(yè)發(fā)展的大趨勢(shì),每個(gè)地區(qū)和電廠會(huì)有不同的改造需求,應(yīng)根據(jù)電廠的具體情況,有針對(duì)性地提出改造方案。在鍋爐、汽輪機(jī)進(jìn)行改造的同時(shí),對(duì)發(fā)電機(jī)進(jìn)行靈活性改造在周期和技術(shù)上是可行的,各項(xiàng)改造和運(yùn)行維護(hù)措施能夠?yàn)樾颅h(huán)境下煤電機(jī)組發(fā)電機(jī)的可靠運(yùn)行提供更好的保障。