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哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司的研究人員靳慧勇、焦曉霞、黃浩，在2015年第7期《電氣技術(shù)》雜志上撰文，隨著國(guó)家能源發(fā)展的需要，我國(guó)將大力發(fā)展核電。哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司從日本三菱公司引進(jìn)了AP1000常規(guī)島1407MVA等級(jí)汽輪發(fā)電機(jī)，并在此基礎(chǔ)上自主研發(fā)，開發(fā)出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的與CAP1400核島相匹配的1722MVA等級(jí)大型核電半速汽輪發(fā)電機(jī)，本文介紹了這些大型核電半速汽輪發(fā)電機(jī)的主要技術(shù)特點(diǎn)。 根據(jù)可持續(xù)發(fā)展要求，國(guó)家將優(yōu)先發(fā)展清潔綠色能源。目前我國(guó)已經(jīng)開始建設(shè)安全性更高的第三代核電站，首臺(tái)電站在浙江三門建設(shè)，電廠核島反應(yīng)堆采用世界上最安全和先進(jìn)的美國(guó)西屋公司AP1000型壓水堆，常規(guī)島汽輪機(jī)組為哈爾濱電氣集團(tuán)-三菱聯(lián)合制造生產(chǎn)的1267MW汽輪發(fā)電機(jī)組。 隨后，哈爾濱電機(jī)廠先后得到海陽、三門二期、海陽二期、田灣二期和陸豐共計(jì)12臺(tái)第三代核電常規(guī)島汽輪發(fā)電機(jī)項(xiàng)目。目前，三門核電項(xiàng)目，1,2#汽輪發(fā)電機(jī)已經(jīng)設(shè)計(jì)制造完成，正在現(xiàn)場(chǎng)安裝。 1 哈爾濱電機(jī)廠核電機(jī)組發(fā)展歷程 1996年, 哈爾濱電機(jī)廠成為秦山核電站二期工程755MVA發(fā)電機(jī)的主合同商,提供了迄今為止完全由國(guó)內(nèi)廠家承制、負(fù)完全技術(shù)責(zé)任的最大的核電主機(jī)設(shè)備；2008年，哈爾濱電機(jī)廠又成為國(guó)內(nèi)首家AP1000常規(guī)島1407MVA汽輪發(fā)電機(jī)供貨商，該機(jī)組技術(shù)引進(jìn)日本三菱公司；2011年哈爾濱電機(jī)廠又自主研發(fā)了具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的與CAP1400核島相匹配的1722MVA等級(jí)大型核電半速汽輪發(fā)電機(jī)。 2 大型核電半速汽輪發(fā)電機(jī)主要技術(shù)參數(shù) 根據(jù)國(guó)內(nèi)核電市場(chǎng)需要，哈爾濱電機(jī)廠擁有與二代加和三代“VVER”“AP1000”和“CAP1400”核電相匹配的系列大型核電半速汽輪發(fā)電機(jī)，發(fā)電機(jī)型號(hào)和主要技術(shù)參數(shù)詳見表1。 表1 哈爾濱電機(jī)廠大型核電半速汽輪發(fā)電機(jī)參數(shù)
3 發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 3.1 發(fā)電機(jī)總體布置 圖1 1407MVA發(fā)電機(jī)總體布置
圖2 1722MVA發(fā)電機(jī)總體布置和通風(fēng)方式
大型核電半速汽輪發(fā)電機(jī)總體結(jié)構(gòu)布置與全速發(fā)電機(jī)相似，但由于發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速低，其有效電磁體積遠(yuǎn)大于容量全速汽輪發(fā)電機(jī)。發(fā)電機(jī)定子外形尺寸大，通常由勵(lì)磁端、中間段和汽輪機(jī)端三段組成，并在制造廠組焊完成整體機(jī)座加工和裝配；氫氣冷卻器根據(jù)通風(fēng)方式類型布置在發(fā)電機(jī)一端或兩端頂部；轉(zhuǎn)子采用大直徑轉(zhuǎn)軸鍛件設(shè)計(jì)，小長(zhǎng)徑（L/D）比，有利于降低轉(zhuǎn)子軸振；端蓋式軸承，由于轉(zhuǎn)子重量大，采用承載能力好的圓柱型軸瓦；發(fā)電機(jī)出線盒布置在定子底部，下出線，中性點(diǎn)和主出線分別引出3個(gè)出線端子。 3.2 發(fā)電機(jī)冷卻系統(tǒng) AP1000核電半速汽輪發(fā)電機(jī)定子線棒采用水內(nèi)冷，定子鐵心和轉(zhuǎn)子均為氫氣冷卻，氫壓0.55MPa（g）。定轉(zhuǎn)子均為軸向通風(fēng)，風(fēng)路簡(jiǎn)圖，如圖3。在多級(jí)風(fēng)扇的加壓作用下，熱氫氣穿過冷卻器散去熱量后，分別進(jìn)入定子和轉(zhuǎn)子。定子采用軸向通風(fēng)，在磁軛沖片上開了若干通風(fēng)孔，為定子鐵心散熱。 圖3 軸向通風(fēng)方式
轉(zhuǎn)子采用軸向通風(fēng)方式，冷氫氣由兩側(cè)護(hù)環(huán)下進(jìn)入轉(zhuǎn)子導(dǎo)線。一部分冷卻轉(zhuǎn)子端部后進(jìn)入氣隙。另一部分冷卻轉(zhuǎn)子直線段，轉(zhuǎn)子直線段導(dǎo)線都是空心導(dǎo)線，每匝在轉(zhuǎn)子中部有相互獨(dú)立的通風(fēng)孔，各匝為相對(duì)獨(dú)立的風(fēng)道。導(dǎo)線空心的內(nèi)表面和氫氣進(jìn)行熱交換帶走熱量。在轉(zhuǎn)子中部的出風(fēng)口出風(fēng)后再經(jīng)由氣隙流出。定子流出的氫氣冷卻端部后，與轉(zhuǎn)子氣隙流出的氫氣匯集，回到風(fēng)扇加壓，完成一個(gè)循環(huán)。 針對(duì)發(fā)電機(jī)采用多級(jí)高壓風(fēng)扇軸向通風(fēng)系統(tǒng)，可通過提高動(dòng)靜風(fēng)葉的級(jí)數(shù)提高風(fēng)壓和風(fēng)量在增加發(fā)電機(jī)冷卻能力，增加發(fā)電機(jī)容量，但由于多級(jí)風(fēng)扇自身風(fēng)扇損耗大，影響發(fā)電機(jī)效率，同時(shí)根據(jù)計(jì)算和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，轉(zhuǎn)子軸向通風(fēng)的轉(zhuǎn)子不平衡溫度計(jì)算高于副槽徑向通風(fēng)和副槽多段軸徑向通風(fēng)，因此，CAP1400大型核電半速汽輪發(fā)電機(jī)通風(fēng)冷卻設(shè)計(jì)方案經(jīng)多方案對(duì)比和選型，最終選用斜副槽徑向通風(fēng)。 轉(zhuǎn)子繞組采用副槽徑向通風(fēng)系統(tǒng)，轉(zhuǎn)子繞組本體采用雙排徑向出風(fēng)孔，采用斜副槽設(shè)計(jì)，以改善風(fēng)孔內(nèi)風(fēng)量分配，冷氫氣由副槽口進(jìn)入，通過徑向出風(fēng)孔冷卻轉(zhuǎn)子繞組。轉(zhuǎn)子端部采用“兩路式”通風(fēng)方式。 冷卻轉(zhuǎn)子繞組后的熱氫氣排至氣隙中，并與來自相鄰風(fēng)區(qū)的氫氣一起經(jīng)過鐵心徑向通風(fēng)道到鐵心背部，再由軸向通風(fēng)管匯集在汽、勵(lì)兩端的端部風(fēng)區(qū)內(nèi)，然后熱氫氣進(jìn)入冷卻器內(nèi)冷卻。從冷卻器冷卻出來后的氫氣經(jīng)風(fēng)扇加壓后重新進(jìn)行循環(huán)。 發(fā)電機(jī)定子采用多路徑向通風(fēng)方式。發(fā)電機(jī)定子沿軸向分成若干個(gè)風(fēng)區(qū)，進(jìn)出冷熱風(fēng)區(qū)交替分布。 3.3 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 1）轉(zhuǎn)軸和護(hù)環(huán) 轉(zhuǎn)軸材料采用Ni-Cr-Mo-V高導(dǎo)磁和高強(qiáng)度的合金鋼整體鍛件。轉(zhuǎn)子下線槽為開口半梯形槽優(yōu)化設(shè)計(jì)，以保證子轉(zhuǎn)子強(qiáng)度允許的格前提下，盡可能增加轉(zhuǎn)子用銅量以降低轉(zhuǎn)子電流密度和溫升。 發(fā)電機(jī)運(yùn)行中，護(hù)環(huán)承受巨大的環(huán)向應(yīng)力、徑向重復(fù)性4瓣變形和端部漏磁通，故護(hù)環(huán)采用高屈服極限、無磁性?shī)W氏體18Mn18Cr鍛件鋼。 2）轉(zhuǎn)子繞組和阻尼系統(tǒng) 轉(zhuǎn)子線圈材質(zhì)為含銀冷拉銅排，轉(zhuǎn)子線圈采用中間銑孔組成徑向通風(fēng)道。通過下線槽內(nèi)通長(zhǎng)阻尼條以及端部阻尼環(huán)構(gòu)成全阻尼系統(tǒng)，提高了發(fā)電機(jī)負(fù)序運(yùn)行能力。 3.4 定子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 1）定子機(jī)座 定子機(jī)座為整體式，由優(yōu)質(zhì)鋼板裝焊而成，具有足夠的剛強(qiáng)度承受氫爆和突然短路，同時(shí)機(jī)座固有頻率避開2倍工頻的電磁頻率。 2）定子鐵心 定子鐵心沖片采用高導(dǎo)磁、低損耗的0.35mm厚無取向冷軋硅鋼片；鐵芯采用定位筋和絕緣穿心螺桿配合端部非磁性齒壓板和分體壓圈的壓緊結(jié)構(gòu)。 為減小端部漏磁場(chǎng)損耗，邊段鐵心采用階梯形式，并沿徑向開有斜槽。 3）定子線棒 定子采用F級(jí)絕緣系統(tǒng)，定子上、下層線棒異截面設(shè)計(jì)，槽內(nèi)采用540°羅貝爾加空換位結(jié)構(gòu)，有效的降低線棒附加損耗。 定子線棒端部異節(jié)距設(shè)計(jì)，人為加大端部線棒間放電距離。 4.4.4 定子繞組端部固定支撐系統(tǒng) 為保證發(fā)電機(jī)能夠承受三相突然短路事故時(shí)產(chǎn)生的巨大電磁力且不產(chǎn)生有害變形，定子繞組端部固定支撐系統(tǒng)采用環(huán)氧樹脂膠配合高強(qiáng)度絕緣錐環(huán)整體灌注固定結(jié)構(gòu)。同時(shí)為適合于跳風(fēng)運(yùn)行，整個(gè)端部定子繞組形成沿徑向和切向固定，軸向可滑移的“剛—柔”固定支撐系統(tǒng)。 圖4 定子繞組端部支撐結(jié)構(gòu) 4）出線端子和中性點(diǎn)罩 發(fā)電機(jī)的6根主引線通過安裝在機(jī)座集電環(huán)端底部的出線盒上的6個(gè)出線套管引出。這些引線將連接到封閉母線。必要時(shí)，不用抽發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子允許更換套管。6個(gè)出線套管之間間距適當(dāng)，容易與外部引線連接。為了消除雜散損耗和過熱，出線盒材料采用非磁性鋼。 發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)側(cè)出線端子用中性點(diǎn)短路排連接以形成星形連接方式，發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)采用中性點(diǎn)接地設(shè)備接地。發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)出線端子和中性點(diǎn)短路排用中性點(diǎn)罩封閉，中性點(diǎn)罩采用水冷卻。 3.5 端蓋、軸承和油密封 發(fā)電機(jī)采用端蓋式軸承，承載大，穩(wěn)定性高的圓柱式軸承并具有能自調(diào)心能力油密封采用雙流式，有效的降低漏氫量。 3.6 刷架和集電環(huán) 集電環(huán)由高強(qiáng)度碳素工具鋼制成；與碳刷接觸的滑動(dòng)部分開有螺旋溝以使炭刷與集電環(huán)均勻的接觸；空氣穿過螺旋溝，由高速旋轉(zhuǎn)而在集電環(huán)表面產(chǎn)生較高的空氣壓力不會(huì)防礙集電環(huán)與碳刷之間的良好接觸。電刷安裝在組合式刷握內(nèi)。刷握以一點(diǎn)接觸與集電環(huán)同心地安裝到刷架上或從刷架上拆下，具有在線更換功能。 3.7 承受多種異常工況的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的多種異常工況運(yùn)行能力，保證大型核電半速汽輪發(fā)電機(jī)安全和可靠性，采取以下關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)： 1）適合電網(wǎng)對(duì)發(fā)電機(jī)具有進(jìn)相運(yùn)行能力的要求 發(fā)電機(jī)在進(jìn)相運(yùn)行時(shí)，由于發(fā)電機(jī)運(yùn)行功角變化，定子繞組的由去磁變?yōu)樵龃?，加大端部漏磁?chǎng)，因此為降低端部漏磁場(chǎng)以及端部鐵心溫升，在發(fā)電機(jī)端部設(shè)有磁屏蔽，并開有通風(fēng)道以吸收和改善端部漏磁場(chǎng)分布，提高發(fā)電機(jī)進(jìn)相運(yùn)行能力。 2）適應(yīng)電網(wǎng)對(duì)發(fā)電機(jī)具有調(diào)峰運(yùn)行能力的要求 目前國(guó)內(nèi)核電已投運(yùn)的機(jī)組均只帶基本負(fù)荷，通過合理配置抽水蓄能機(jī)組達(dá)到協(xié)助核電機(jī)組達(dá)到調(diào)峰運(yùn)行。但著眼我國(guó)核電長(zhǎng)期發(fā)展和電網(wǎng)未來要求，大型核電半速汽輪發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)采取適應(yīng)調(diào)峰運(yùn)行結(jié)構(gòu)，具體結(jié)構(gòu)如下： （1）定子繞組端部設(shè)有軸向可自由伸縮結(jié)構(gòu)：通過絕緣錐環(huán)和端部支架之間設(shè)有滑移層，可以保證端部繞組沿軸向自由移動(dòng)，釋放各部件材料的熱漲性能差異而產(chǎn)生的熱應(yīng)力，避免應(yīng)力對(duì)端部繞組的損傷。 （2）轉(zhuǎn)子槽內(nèi)和端部設(shè)計(jì)滑移結(jié)構(gòu)：為避免由于負(fù)荷的變化將導(dǎo)致轉(zhuǎn)子各部件溫升的變化在轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生的熱位移和應(yīng)力，在轉(zhuǎn)子本體槽襯內(nèi)側(cè)和轉(zhuǎn)子端部護(hù)環(huán)絕緣瓦內(nèi)側(cè)與線圈之間設(shè)置滑移層，以避免熱應(yīng)力對(duì)轉(zhuǎn)子的損傷，并且轉(zhuǎn)子線圈采用抗蠕變能力的含銀冷拉銅線。 3）適應(yīng)電網(wǎng)對(duì)發(fā)電機(jī)具有承受不對(duì)稱運(yùn)行能力的要求 當(dāng)發(fā)電機(jī)負(fù)載不對(duì)稱運(yùn)行時(shí)，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子表面將感生負(fù)序電流，為降低負(fù)序電流對(duì)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子損傷，大型核電半速汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子通過槽內(nèi)通長(zhǎng)阻尼條、端部鈹銅合金槽楔以及阻尼環(huán)構(gòu)成全阻尼系統(tǒng)，提高發(fā)電機(jī)承受不對(duì)稱運(yùn)行能力，保證發(fā)電機(jī)運(yùn)行安全可靠。 4 結(jié)論 哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司通過技術(shù)引進(jìn)、消化吸收，掌握了大型核電半速汽輪發(fā)電機(jī)關(guān)鍵設(shè)計(jì)技術(shù)，并結(jié)合中國(guó)核電市場(chǎng)“走出去”發(fā)展需要，自主研發(fā)了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的超大容量核電半速汽輪發(fā)電機(jī)，提升了超大容量汽輪發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)和制造能力，并使我國(guó)在大容量核電半速汽輪發(fā)電機(jī)研制能力和制造水平有了跨越性提高。 |
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