QFSN型700MW级汽轮发电机研制

1 引言

近年来，随着我国火电市场装机容量的飞速发展，电网从以300MW级汽轮发电机为主力机组时代，发展到当前以600MW级汽轮发电机为电网主力机组的时代。为满足市场需要，上海发电机厂以QFSN型、600MW级汽轮发电机为基础，经优化设计，开发了QFSN型、660 MW级（0.9 PF、20kV）发电机。并于2007年对QFSN型700 MW级水氢氢汽轮发电机进行研发。目的是解决市场对700 MW，功率因数0.9发电机的需求，同时也可满足用户对额定功率660 MW，功率因数0.85发电机的需求。目前，上海发电机厂已承接的700MW级发电机组订单超过20台，全部为国外项目。该型号首台发电机的全部设计、制造及试验工作已完成，目前已运往电厂。

2 发电机技术参数及设计条件

2.1 技术参数（表1）

表1 发电机技术参数

额定电流 A 20377 20411额定频率 Hz 50 50额定转速 r/min 3000 3000极数 2相数 3绝缘等级 F级（按B级考核）冷却方式 定子绕组水内冷，转子绕组氢冷、铁心氢冷励磁方式 静态或无刷励磁励磁电流 A 4669 4417励磁电压（90℃）V 491 465

2.2 设计条件

根据GB/T7064和IEC60034-3标准和国内外用户的现场条件，确定上述工况下发电机的主要设计条件如下：

冷却器最高进水温度 38℃

发电机最高进风温度 46℃

定子绕组冷却水进水温度 40～50℃

发电机内氢气纯度 95%

额定氢压（表压）0.45 MPa(g)

2.3 性能特点

上海发电机厂结合目前发电机技术的发展，并考虑满足国外市场低功率因数、宽频率范围的要求，研制的水氢氢700MW级发电机可配套亚临界、超临界、超超临界和核电机组。该产品具有以下特点：

(1)出力大，在功率因数为0.9（滞后）时，最大连续容量为774MW（860MVA），满足110%最大连续输出容量；

(2)该型发电机运行满足0.85（滞后）功率因数，远高于国标要求；

(3)发电机在700MW（0.9PF）配静态励磁时的效率计算值为99.036%，远高于98.8%的国标要求；短路比达到0.5以上，高于国标GB/T 7064规定的0.35，符合用户对短路比的期望；

(4)与同等级容量发电机相比，电压高（22kV），相应地减小了定子电流和电动力；

(5)温升低、裕度大，见表3。

3 发电机结构设计

3.1 发电机总体结构和通风方式

QFSN型700MW级发电机冷却方式为水氢氢。定子线圈、连接线、主引线及出线瓷套端子均采用水直接冷却，发电机定子铁心、转子采用了六进七出的多风区气隙取气通风结构。定子铁心为径向氢表面冷却，端部结构件也为氢表面冷却。转子采用隐式风斗槽楔，线圈直线部分采用气隙取气斜流式通风冷却，端部采用两路进风的内冷结构。定、转子各有多路并联风区、冷热风区相间，并在气隙中设计热风区隔环以加强对转子的通风冷却。由于气隙取气斜流通风为自通风方式，故发电机内氢气可由对称地装在转子两端的单级轴流式低压风扇在发电机内形成氢气流动的闭合回路。氢气冷却器设置在定子汽、励端的上部，横向装配在冷却器外罩内，使两端支承跨距成为最短，有利于转子动力特性优化，同时也减轻了定子、转子的运输重量和尺寸。除了励端的出线盒外，电机两端的两个氢气流动回路几乎是对称的。

表2 QFSN型700MW级发电机结构特点

QFSN型700MW级发电机主要结构及通风方式见图1所示，结构特点见表2。

图1 发电机总装及风路布置

3.2 定子机座、隔振结构及定子铁心

定子机座是用优质中厚钢板及锅炉钢板冷作拼焊而成，每个机座都经过水压试验、消除应力处理和0.5MPa气密试验的考核。铁心是通过高强度弹簧钢板组成的高效隔振装置固定在机座内的。当发电机运行时，转子和定子铁心之间的磁拉力在定子铁心中产生倍频振动，定子铁心装配和发电机机座部件之间采用隔振性能好的弹簧板弹性支撑结构，减小了定子铁心传到机座和基础上的倍频振动。定子机座为整体式设计，整体式机座更便于现场安装，且可采用D38钳夹车满足铁路运输。

铁心采用 0.5 mm厚扇形高导磁率、低损耗的无取向冷轧硅钢片叠装而成。在扇形硅钢片的两侧表面涂有F级环氧绝缘漆。定子铁心轴向用支持筋螺杆和对地绝缘的高强度反磁钢穿心螺杆，通过两端的压指、压圈及分块压板用螺母拧紧成为整体，经过数次冷态和热态加压、并紧固螺母而成为一个结实的铁心整体。在两端压圈与反磁性分块压板之间设有用硅钢片叠压并加以粘结起来形成内圆为阶梯形的磁屏蔽，这些措施减少了端部漏磁引起的附加损耗，故端部温升较低，使发电机具有进相运行的能力。

铁心内设有许多径向通风道组成氢气表面冷却、多路并联通风、对应转子进风和出风相互间隔的十多个风区。在铁心内圆上进风和出风风区之间、环绕气隙上部六分之五的圆周上装设了风区隔环以减少串风，提高了通风散热的效能。

3.3 定子绕组、绕组装配及端部固定

水内冷的定子线圈是由实心铜线和空心铜线交叉组成，上层线棒的导电截面积要比下层的大，可降低线棒附加损耗。槽内股线间进行了540°罗贝尔换位，也起到减少绕组附加损耗的作用。定子绕组为60°相带、三相、双层绕组，双支路并联、Y连接。定子线圈对地绝缘采用 F级环氧云母带连续绝缘B级温升限值使用，确保使用寿命，并对定子绕组进行了有效防电晕处理。定子线圈在槽内固定于高强度模压槽楔下（图2），在铁心两端用关门槽楔就地锁紧，防止运行中因振动而产生的轴向位移。楔下设有高强度弹性绝缘波纹板，在径向压紧线棒，侧面用半导体板塞紧线棒。在槽底和上、下层线棒之间都垫以热固性适形材料，使相互间保持良好接触。并采用了涨管热压工艺，使线棒能在槽内可靠地就位。

定子绕组的端部采用成熟可靠的刚-柔固定结构（图3）。它由充胶的层间支撑软管、可调节绑环、径向支撑环、绝缘楔块和绝缘螺杆等结构件以及绑带、适形材料等将绕组端部固定在绝缘大锥环上，成为一个牢固的整体，而绝缘大锥环则固定在绝缘支架上，支架的下部又通过弹簧板固定在铁心端部的分块压板上，形成沿轴向的弹性结构。该结构使绕组在径向、切向具有良好的整体性和刚性，而沿轴向却具有自由伸缩的能力，能充分地适应机组的调峰运行方式。

图3 定子端部绕组结构示意

3.4 转子

发电机转轴由高机械性能和导磁性能良好的铬镍钼钒合金钢锻件加工而成，材料的屈服强度为660 ～760MPa。在转轴本体大齿中心沿轴向均布地开了多个横向月形槽，又在励端轴柄的小齿中心线上开有两条均衡槽，以上结构有效地均匀了转子垂直、水平两个方向的刚度，减小了转子的倍频振动。转轴本体大齿上开有阻尼槽，使发电机在不平衡负载时可以减少在横向槽边缘处的阻尼电流和由此引起的在尖角处的温度急剧升高，提高了发电机承受负序的能力。

转子线圈由冷拉含银无氧铜线加工而成，因此既抗蠕变，又防氢脆。转子嵌线槽内采用气隙取气、斜流通风的隐风斗通风结构，由转轴表面导风口、转子槽楔通风道和转子线圈斜流通风道等构成，端部线圈为轴向氢内冷。护环绝缘为分块式绝缘。在槽绝缘、护环绝缘和楔下垫条与转子铜线接触处均压粘有聚四氟乙烯滑移层，使铜线在离心力高压下能自由热胀冷缩，避免永久性残余变形，以适应调峰运行工况的需要。转子线圈端部由具有良好的耐应力腐蚀能力的整体锻制的高强度反磁合金钢护环来支撑，护环热套在转子本体端部的配合面上，为悬挂式结构。中心环、风扇环、联轴器均为合金钢锻件，风扇叶片为铝合金锻件。单级螺浆式风扇对称布置在转子两端，提供发电机冷却所需的风量。

3.5 端盖、轴承及油密封

发电机采用端盖轴承结构，端盖设计为厚钢板拼焊结构，采用气密性焊缝，焊后进行焊缝的气密试验和退火处理，并进行水压试验。轴承与密封支座都装在端盖上，可以缩短转轴长度并具有良好的支承刚度。轴瓦与端盖间在发电机励端设置有双层绝缘，可以在运行中检测轴承绝缘状况。油密封结构为双流双环结构。

4 汽轮发电机型式试验

上海发电机厂现已完成第一台700MW级发电机，运行工况为额定有功660MW，功率因数0.85，并于2010年8月进行了工厂型式试验。工厂型式试验包括氢气状态下的空载温升试验、稳态三相短路温升试验、热水流试验、电抗测量试验、整机气密试验、振动测量（包括定子铁心、机座、定子绕组端部）、小轴系超速及动力特性试验、突然短路试验、损耗测量等。温升试验结果表明发电机各部件的温升值在额定运行和110%过负荷时均在标准规定范围内。

4.1 发电机主要电气性能

该型号发电机在有功出力660MW、0.85PF和700MW、0.9PF时主要电气性能试验数据见表3。

4.2 发电机定转子模态和振动值

该型发电机进行了定子机座、定子铁心、定子端部绕组、转子的模态试验和振动值测量。

定子机座和定子铁心的椭圆形固有频率避开了90～110Hz的范围，定子端部绕组的椭圆形固有频率避开了95～112Hz的范围，转子的一阶临界转速为690r/min，二阶临界转速为1800r/min，避开了2700～3300r/min的要求范围。

表3 主要电气性能设计及试验数据

定子机座在额定空载时的倍频振动测量值(峰-峰值）小于15μm，定子铁心在额定空载时的倍频振动测量值（峰-峰值）小于50μm，定子端部绕组在额定空载或额定短路时的倍频振动测量值（峰-峰值）小于100μm，转子在额定转速时的振动测量值（峰-峰值）小于80μm。

5 小结

700MW级水氢冷汽轮发电机的型式试验结果表明该型发电机各项性能指标符合国家标准GB/T 7064，国际标准IEC 60034-3的规定。其中：

(1)发电机效率在700MW，0.9PF时设计值99.036%，试验值为99.034%，在660MW，0.85PF时，设计值为98.945%，试验值为98.94%，都优于国标98.8%的规定。

(2)定、转子绕组和定子铁心的温升均在允许限值以内，并有一定的裕度。

(3)定子机座、铁心、端部绕组和转子的模态及振动均满足标准要求。

700MW级水氢冷汽轮发电机的研制成功，对推进国内电力工业的发展具有重要的意义，也为国内电站装备走向世界打下了基础。