450H全氢冷燃气轮发电机设计

袁昌健，焦晓霞，王彦滨，马 健

(哈尔滨电机厂有限责任公司，黑龙江哈尔滨 150040)

0 引言

随着我国电力市场的大力发展，清洁能源和环保越来越受到重视，随着近年来国家电力发展政策的调整，当今国内火电市场，常规火电机组受到调控影响，联合循环机组日益得到业主青睐[1]。在此契机下，哈尔滨电机厂有限责任公司(以下简称哈电)2017年得到了国内首台H级燃机军粮城项目一台9HA．01机组的生产制造合同，机组为多轴一拖一形式配置，9HA．01燃机配450H全氢冷燃气轮发电机，余热部分为GE最新A651汽轮机配哈电空冷200 MW机组。GE公司的重型燃气轮机是当今世界上正式投入商业运行技术成熟度最高的燃气轮机机组之一，首台450H发电机机组于2006年在西班牙投入商业运行。军粮城项目燃机发电机额定容量为442 MW，最大容量可达470 MW左右。国内的燃气轮发电机技术是通过打捆招标GE、三菱、西门子三家企业向国内最为知名的“三大动力”转让的燃气轮机制造技术。此机型为哈电引进GE燃气轮发电机制造技术[2]，军粮城项目配套的450H发电机是哈电制造的首台此机型机组。

1 燃气轮发电机结构外形及主要参数

450H发电机设计沿袭了GE公司发电机设计系列化，模块化的特点，很多结构跟GE324及390H机组类似，但也有一些新的结构应用于450H发电机，相比390H发电机其整体拉长，铁心内外径增加，满足了电磁容量增长的需要。450H燃气轮发电机基本设计参数见表1，发电机外形图见图1。

表1 450H燃气轮发电机基本设计参数

2 通风设计

450H氢冷发电机为全封闭式，运行时以氢气作为冷却介质。通风系统是完全独立的，包括气体冷却器和风扇， 因此能防止灰尘和潮气进入机内。发电机的气体冷却器垂直安装在机座四个角上的冷却器架上。在每台冷却器外底部连接水管。在冷却器顶部和底部，气密是通过在发电机机座和冷却器管板间压缩的密封垫片实现的。转子风扇为发电机提供通风，轴向通风并具有单独的风叶，风叶被固定在靠近转子两端的一体风扇座环上。气体的进、出和离开风扇是由导风环控制的。转子通风采用气体表面外冷转子技术，本体采用斜副槽通风，转子端部两路通风，端部绕组下、进入副槽及转子线圈和槽楔上的孔径向流入气隙里的气体内冷却转子。定子通风采用通过风扇使氢气强制流入气隙及定子铁心背部周围的方式。定子被机座隔板在轴向分为冷热风区。在冷风区，强制流通的冷却的气体从铁心外通过径向通风道进入气隙；在热风区，气体从气隙通过通风道流向铁心外，热量被交换后，冷却的气体回流到转子风扇并重新循环，这种定子多路通风方式可均匀地冷却铁心和绕组避免机内过热并降低温差所产生的应力。多路通风结构整体效率高，对风扇压力要求低。发电机通风系统如图2所示。

1.定子； 2.转子； 3.出线罩； 4.隔音刷架；5.底脚； 6.中性点罩； 7.端盖、轴承及油密封；8.冷却器； 9.盘车装置图1 450H燃气轮发电机外形图

图2 发电机通风系统

3 结构设计

由燃气轮机拖动的单独励磁的转子在静止定子膛内旋转，由发电机机座上端盖内的轴承支承。在保持氢气压力、纯度以及提供冷却器冷却水和润滑油的条件下，发电机可连续运行并从出线端子输出电力。通过安装的温度检测器和其它装置或与发电机连接的其他装置可以测量定子铁心、绕组以及氢气温度、氢气压力及纯度。发电机结构不但能够承受正常运行工况，而且还能够承受包括三相短路和突然施加负荷而不损坏。机座通过两侧的底脚支撑在基础上。机座也支撑着冷却器并作为冷却器的外罩。为防止氢气从发电机中泄漏，端盖、冷却器、人孔等都采用密封结构。

3．1 定子装配

3．1．1 定子机座由一个焊接结构的气密圆柱体的整体式外壳构成，见图3。机座外壳由优质钢板滚制成圆筒拼焊而成，整个机座焊后经过消除应力处理和严格的气密试验。因此，机座具有足够的刚、强度以及气密性。机座内部为适应通风冷却的需要，共分成7个风区，其中3个进风区，4个出风区。机座顶部留有安装出线罩的座板，机座两侧共有4组底脚和4个可拆卸吊攀。机座底部设有人孔、排污接口和用以连接氢、油、控制系统的连接法兰接口。定子机座与铁心之间采用组合式定位筋弹簧板系统连接，将定子铁心的径向和切向电磁振动与机座隔离，减少机座和铁心振动。同时其刚强度又足以承受内部的氢气爆炸对发电机壳体和周围部件的破坏。

图3 发电机定子机座(未显示外壳)

3．1．2 定子铁心是由经退火的高质量低损耗的取向硅钢片叠压而成，每张冲片4个槽，每一圆周18片，由薄硅钢板冲制而成。采用交错平叠方式将冲片装到定位筋的鸽尾上，共分为174段，段之间用通风槽钢隔开以形成径向通风道。定子铁心设计有嵌定子线圈的开口槽和固定槽楔以将定子线圈固定到位的鸽尾槽。冲片背部的鸽尾槽是用于铁心叠装并安装和固定在定位筋上。借用定位筋通过球墨铸铁压圈施加的压力将已装好的冲片压成一个刚性的柱形铁心。压力通过端部压圈下的无磁性压指施加到铁心齿部。铁心外径由5道夹紧环将铁心的径向位移限制在安全可允许的幅值范围内，有效减小了铁心的振动和运行噪声。为降低因端部漏磁通引起的发热和随之产生的电磁损耗，本型发电机设置磁屏蔽和电屏蔽，铁心端部冲片呈阶梯形式以增加冲片与转子的间隙，减少相应损耗。冲片绝缘使用EB5001G水溶性酚醛硅钢片漆。

3．1．3 定子绕组由定子槽内的绝缘线圈构成，在两端连接后经并联环引线连接成相应的相带。每相分成间隔180°的线圈组。定子线圈由采用Roebel方法换位的绝缘铜导线(多股)构成，每股导线在定子线圈中沿线圈在径向方向上占有相等的长度。这种配置可避免负载下由于定子槽内磁通量的自感分布而造成环流损耗。由于450H定子线棒主绝缘只有3.05 mm，场强达6.23 kV/mm，是哈电空冷、氢外冷(燃气)汽轮发电机组有史以来最高场强，其绝缘薄、高宽比大，线棒制造难度高，吊装、转运、装配风险大。GE设计采用MICAPAL Ⅲ绝缘系统，不适合哈电工艺制造，故哈电自主开发了VPI云母绝缘系统，线棒在制造过程中进行了多项电气和机械试验，整个线棒绝缘为高密度、高电介质强度系统，在整个运行温度的范围内具有高的抗拉强度。为了将电晕效应降至最低，在槽内和超出铁心数英寸的定子线圈位置涂上微导电漆(含石墨)。定子线圈端部外部包有数层，保护云母绝缘的防晕带，随后喷上环氧漆。端部绕组被固定在模压玻璃纤维环上，模压玻璃纤维环由定子压圈上的绝缘支架支撑的。定子绕组采用了GE改进的湿式绑扎结构，用适型材料将压力均布于绕组端部表面，用热固型树脂将玻璃纤维带、间隔块和适型材料黏结在一起，避免了线棒振动引起的主绝缘磨损。GE公司这种整体滑移端部结构有超过35+年/500台的无磨损使用纪录。定子端部绑扎固化的一体化结构有效保障了端部结构承受故障转矩能力，轴向滑移机构避免了热膨胀产生的应力集中。定子线棒在槽内是通过打紧在鸽尾槽内的胶木板定子槽楔固定的，顶部及侧面设置波纹板固定线棒。为测量绕组运行温度最高温度点，在定子绕组的每相线圈间均设置6个电阻式测温计，有8个风温测温计来测量4个冷却器中每一个冷却器的进口和出口处气体温度。测温计引线穿过发电机机座上的航空端子气密穿线法兰连接到接线端子箱，从而与测温仪器或继电器相连接。

3．1．4 发电机定子主出线从发电机机座励端顶部的出线板引出。为了将感应电流的损失和导线负载电流导致的发热降低至最低点，出线板采用非导磁不锈钢材料。出线板与定子机座间配有密封垫片以防止氢气泄漏。引出线通过气密的高压瓷套管引出，套管由配有铜导体的陶瓷绝缘子构成，套管两端端子镀银。套管式电流互感器水平布置于顶部出线罩内，其固定全面考虑了绝缘和散热空间问题，出线罩底部开通风孔，整个出线罩采用自然通风冷却。考虑到安全问题，电机配备氢气探测装置监测氢气泄露情况。具体结构见图4所示。

1.绝缘支架; 2.滑移机构; 3.压圈; 4.定子线棒;5.永久环; 6.铜屏蔽; 7.并联环; 8.高压瓷套管;9.玻璃纤维环图4 定子端部出线及整体滑移的结构

3．2 转子装配

发电机转子由整根高合金钢锻件机加工而成，锻件经过全面试验以确保其能满足所需的物理和化学性能。在转子本体上径向加工纵向槽以嵌入转子线圈。在大齿部位加工的附加槽为转子本体提供通风。转子线圈由非磁性钢制槽楔固定在转子的鸽尾槽内以克服线圈离心力作用，本型发电机采用长槽楔结构，减少了槽楔间的接头，具有更好的负序承载能力。转子绕组由弯曲成形的矩形铜排组成，匝间相互绝缘，线圈与槽壁之间由压制的槽衬绝缘。为了提供最好的通风和冷却条件，除交替的匝间绝缘之外，转子绕组端部均为裸露，以利于散热。在线圈与护环之间设有压制的绝缘瓦，并设置叶形弹簧压紧的阻尼结构，确保机组可以承受静态启动的谐波电流影响。槽部和端部采用滑移材料以适应频繁启动及LCI变频启动要求。在绕组端部配有环氧玻璃块以间隔和支撑线圈并限制线圈在热应力和旋转力下串动。端部绕组由高强度、经热处理的合金锻钢18Mn18Cr重型护环固定以克服其线圈离心力，护环热套并锁紧在转子本体上。转子绕组提供励磁电流通过集电环提供，集电环是通过插入转子锻件中心孔的导电杆与转子绕组电气连接，具体结构见图5、图6。装在转子径向孔内的引线螺钉将绕组连接到导电杆上，励端端部连接件采用弹性密封系统以保持氢气密封。

1.转轴; 2.导电杆; 3.集电环; 4.导电螺钉图5 转子集电环导电螺钉

1.护环; 2.转子端部绕组; 3.引线螺钉图6 转子护环、端部绕组及引线螺钉结构

3．3 端轴油装配

如图7所示，发电机转子轴承，氢密封及密封油和润滑油管路均装在外端盖内，端盖在水平中心分开以利于其拆卸。为密封机内气体，在端盖两半之间及端盖与机座之间的合缝面上加工密封凹槽并填充密封胶。转子轴承上配有球座安装可自调心轴瓦。每个外端盖、轴承内侧装有轴封以防止氢气沿轴泄漏。这种布置可允许检查发电机轴承而不用释放机内气体。为防止轴电流，励端轴承和密封座是与发电机机座绝缘的。燃机端设有接地电刷装置。内端盖位于在定子绕组和外端盖之间，并将由风扇排出的气体和进入风扇的气体隔开。装在内端盖上的气封环是为了防止由风扇排出的气体漏回到风扇的入口。端盖上还装设有测量轴振和轴承座振动的接口。为满足轴系振动和临界转速要求，450H发电机励端采用了分块可倾瓦结构，燃机端仍采用椭圆瓦结构。发电机采用单流环式油密封系统，密封瓦由锻钢加工而成，内圆表面铸有轴承合金。油密封装置位于发电机两端端盖内，其功能为通过轴径与密封瓦之间的压力油膜阻止氢气外逸。单流环即密封瓦的氢侧和空侧共用同一股油源，空侧回油直接返回回油箱，氢侧回油返回氢油分离箱，以消除油中少量的氢。密封油与氢气的压差通过压差阀自动维持，在任何运行状态下油压保持高于氢压0.035 MPa。

1.端盖； 2.轴瓦； 3.密封瓦图7 端轴油装配

3．4 座板及底脚

如图8结构所示，发电机定子由位于机座两侧的内外底脚支撑。在基础与底脚间装有找平装置(座板调节器)，无需调节垫片，隔离来自发电机振动的同时，又可以在发电机的垂直方向起找准及支撑作用，二次灌浆时埋入。定子机座两端左右两侧设有横向支撑，用来找准发电机中心。利用埋入基础螺栓来固定发电机定子。机组在运行状态各部分温度将发生变化，导致产生径向力和切向力作用于发电机上，为了保证机组纵向和横向中心有良好的定位，系列发电机在靠近定子中心左右两侧设有纵向支撑，在机座两端下半端盖中心线上设有横向定位键。

图8 座板及底脚

3．5 隔音刷架装配

如图9结构所示，发电机隔音罩刷架结构由导电环和导电块组成，导电环材质为硬铜板。每个导电环上分别装设有12个组合式刷握，每个刷握可安装5个电刷，共计60个电刷，采用双排碳刷交错安装，保证空间紧凑。刷架与集电环有独立的通风系统，冷空气由两个集电环的内侧进入，外侧出去，由装在转子轴头上的桨式风扇驱动，底架下部开有专门的排尘通风道，内嵌可更换的空气过滤滤芯。刷架内还安装有氢气探测装置和防火探头，底部装有电加热器，防止停机时机组受潮。为了减小机组的噪声，在刷架集电环部位加装隔音罩，隔音罩内壁附有吸音材料，以降低机组运行时的噪声。

图9 隔音罩刷架结构

4 发电机型式试验

哈电首台制造的本型发电机在厂内进行了型式试验，用以检测设计和制造质量。表2、表3列出了主要的试验结果数据。

表2 燃气轮发电机振动测试结果

表3 燃气轮发电机型式试验结果汇总表

续表3 燃气轮发电机型式试验结果汇总表

5 结语

全氢冷450H燃气轮发电机是GE燃气轮发电机产品中重要的系列，既可以配多轴的9H级燃机，也可以配单轴的9F级燃机，应用范围非常广泛。氢冷发电机辅助设备少，维护简单，运行可靠性高。哈电工厂型式试验结果表明，发电机各个部位温升较低，转子各个部位振动幅值均在国家标准GB/T 7064—2008优质范围内，效率达到99.08%。