深度调峰对660 MW水氢氢汽轮发电机的影响分析及灵活性改造

引言

“十四五”时期是为力争在2030年前实现碳达峰、2060年前实现碳中和打好基础的关键时期，必须协同推进能源低碳转型，加快能源系统调整以适应新能源大规模发展，为应对能源结构的变化和新的市场需求，煤电机组也有必要在运行方式上做出调整[1]。

衡量煤电机组运行灵活性的三个指标性要求为快速启停、快速变负荷及深度调峰能力。在煤电机组参与调峰运行时，机组所处的运行工况频繁变化，会对机组运行的可靠性产生一定的影响。本文着重探讨了深度调峰运行对660 MW水氢氢汽轮发电机主要部件的影响及灵活性改造对策。

1深度调峰运行介绍

调峰运行属于正常运行范畴的特殊运行方式，是指发电机组在规定的范围内，为了跟踪负荷的峰谷变化而有计划的、按照一定调节速度进行的出力调整。调峰运行与电力需求密切相关，正常情况下电网的负荷量呈周期性变化，在电力供应充足的情况下，必然存在电网负荷峰谷差，也就必然存在发电机组的调峰问题。

汽轮发电机的调峰运行分为两种方式：一是受电网负荷峰谷差较大影响而导致发电机组降出力、超过基本调峰范围（50%~80%）进行调峰的一种运行方式，发电机组出力低于50%，称为“深度调峰运行”；二是停机热备用的零负荷至基本负荷频繁交替变化，称为“两班制运行”。我国大部分煤电机组的调峰运行方式属于前者[2]。

2深度调峰对660 MW水氢氢汽轮发电机的影响

深度调峰运行方式对在役煤电机组的适应性、可靠性和经济性等提出了更高的要求，以往整个发电行业关注重点在锅炉运行能力的改造上，实际上，深度调峰运行对发电机也有实质性影响，发电机可靠性面临着新的挑战。汽轮发电机做灵活性运行时，其负荷频繁变化，转子温度、定子温度随之频繁变化，长时间如此会对发电机的各部件造成不同程度的影响，对发电机组运行的可靠性造成隐患。

2.1 660 MW发电机结构介绍

某电厂QFSN-660-2-22型发电机为汽轮机直接拖动的隐极式、二极、三相同步发电机，配有一套氢油水控制系统，采用静止可控硅，机端变自励方式励磁，并采用端盖式轴承支撑，2008年投运，是目前大型燃煤火电站的主力机组。发电机采用水氢氢冷却方式，即定子线圈（包括定子引线）直接水冷，定子出线氢内冷，转子线圈直接氢冷（气隙取气方式），定子铁芯氢冷。660 MW汽轮发电机总体布置图如图1所示。

2.2深度调峰运行对定子的影响

发电机长时间深度调峰运行，定子线圈铜线因大电流发热而产生轴向膨胀，同时定子铁芯也因磁负荷而产生热膨胀。线圈导体发热量与电流的平方成正比，定子绕组和定子铁芯之间热膨胀系数不同，同时负荷变化引起的温度变化速率也差异较大，造成在调峰运行过程中发电机负荷快速增加或减少时，绕组和铁芯之间的轴向膨胀和收缩量不一样，在深度调峰运行时，定子电流值大幅变化，温度随之产生较大变化，引起轴向膨胀收缩，此时铁芯磁负荷并无明显变化，因而产生了铜铁膨胀差。经常性在这种状态下运行就容易导致定子绕组端部、引线部位松动。此外，定子绕组电流的变化也会引起相互间电磁力的改变，进而导致绕组振动变化，线棒槽楔松动，特别是在定子绕组端部支撑结构部位和线棒槽口处产生松动和磨损。

定子线圈由内部的铜线和外部包覆的绝缘材料组成，两种材料热膨胀系数差别很大。无论是频繁启停机的两班制运行还是深度调峰运行，在负荷快速增加或减少时，绝缘材料与导体之间都会形成很大的剪切应力，主绝缘与铜线之间将产生脱壳，造成电气性能下降，加速老化。

2.3深度调峰运行对转子的影响

发电机转子绕组是调峰运行中要高度关注的部件之一。与定子线圈情况类似，发电机长时间深度调峰运行，转子也有铜铁温差，当负荷调节时，转子铜线发热量大幅变化，同时转轴的温度只有较小的变化，而且铜铁线膨胀系数不同，因此转子铜线会产生相对转轴的热胀冷缩[3]。转子线圈要承受高速旋转的离心力、启停应力的大幅变化以及膨胀收缩力的作用，转子铜线会产生蠕变，因此线圈均采用抗蠕变能力强的含银铜线制造。即便改善了材料，但频繁的胀缩仍然使铜线特别是端部顶匣线圈容易因应力蠕变而发生变形，进而可能发展成匣间短路，严重时包间短路，必须采取措施。绕组变形常伴随有槽绝缘磨损、匣间短路、绕组接地等。对于绕组直接冷却的转子，当绕组变形量较大时，会引起绕组通风孔错位甚至堵塞，绕组局部严重过热。当这种过热引起转子质量严重不平衡时，还会使得转子振动加大。

转子经常性盘车会因转轴挠度的变化，加速线圈间、线圈与绝缘间的磨损，这在大容量柔性转轴上更容易产生，此外槽楔磨损也会加大。

频繁启停机、反复通过临界、并网等加大了对转轴的机械损耗，低周疲劳应力可造成转子金属结构件上裂纹的产生和扩大。对于转子齿部、护环和风扇柄等承受应力较大的部件，在正常离心应力上叠加低周应力，会加速材料的疲劳，缩短使用寿命[4]。

2.4深度调峰运行对发电机其他方面的影响

（1）深度调峰运行造成发电机内氢气温度变化，从而引起压力频繁波动，增大了氢气泄漏的可能；密封件老化也增加了漏氢的可能。出线套管因电流变化引起导电杆膨胀收缩，增大了密封件老化泄漏的概率。

（2）氢冷发电机运行的常见问题之一是漏油。漏油会降低氢气的纯度，严重影响发电机的绝缘效果，使定子线棒槽内和端部固定容易松动，对铁芯松动也会产生不良影响。发电机调峰运行时，经常性启停机，增加了机内漏油的风险。

综上所述，深度调峰运行对660 MW汽轮发电机的影响如图2所示。

3适应深度调峰运行的措施

燃煤火电机组在深度调峰运行时，会对发电机的各部件造成不同程度的影响，这些问题必须通过实施相应的改造才能解决，以保证机组的安全稳定运行。

3.1转子端部结构优化及绝缘更新

（1）在转子汽励两端中心环上钻孔并增加弹簽，将转子线圈端部结构改进为弹性支撑结构，在中心环与绝缘端环之间预留间隙，保证发电机参与深度调峰运行时，转子线圈在轴向上可以自由地热胀冷缩，降低转子线圈膨胀应力，减少转子线圈塑性变形的可能性。

（2）将转子端部绝缘垫块加长，尽量填满线包间隙，加强转子端部线圈的支撑，减少转子线圈拐角处发生包间短路的可能性，有效防止转子线圈因变形引起的匣间短路事故发生。再按新产品转子制造工艺对转子绕组重新下线装配，下线过程中对存在变形的转子线圈进行整形更换。

（3）转子改造全过程按照新机制造工艺执行，装配完成后分别进行冷、热态精细动平衡，可以确保转子的装配和平衡质量，排除转子本身导致振动偏大的影响因素，推动轴系振动问题的解决。转子改造过程中可同时对转子集电环进行卧车加工，降低因长期运行后集电环表面平整度（跳动值）、光洁度下降问题带来的运行风险。

通过升级改造，发电机转子深度调峰运行适应性会得到提升，能够有效应对转子线圈端部变形风险，绝缘系统全面更新，提高了绝缘可靠性，全面提升了发电机设备安全性，降低了电气故障风险。转子线圈端部结构优化如图3所示。

3.2定子线圈槽内固定结构优化

如图4所示，通过对定子线圈槽内固定结构进行升级改造，采用上下组合式槽楔结构（槽楔+斜楔）与波纹板共同在槽内压紧定子线圈,强化定子线圈在下线槽内的固定效果,减少槽楔松动,降低灵活性运行造成的故障率；压缩楔下波纹板的波峰、波谷高度差,将进一步提高发电机适应深度调峰运行的能力。

3.3发电机其他部件优化改造

（1）针对发电机内漏油的风险,可以在梳齿式油挡的基础上加装接触式油挡,提高油密封系统可靠性,有效减少机内进油,降低定子机内污染风险。

（2）针对发电机漏氢量增加的风险,将现有穿针式测温接线板进行升级,改造成密封性能更好、质量更可靠、检修更方便的插拔式航空插座结构。

（3）加装转子匹间短路探测装置,实时检测转子线圈匹间短路波形。

（4）加装定子绕组端部振动监测装置,在线实时监测定子绕组端部状态,提早预防定子线圈端部松动、磨损问题的发生和扩大。

（5）对长期深度调峰运行的发电机应当定期对定子绕组绝缘、转子绝缘进行状态评估,结合机组实际运行年限和工况,根据机组历年检修与现场电气试验结果,对发电机的绝缘状态进行准确评估,确保机组安全稳定运行。

（6）增设发电机远程监测智能诊断系统,由专家团队通过诊断系统对机组的运行状况进行综合分析,及时发现影响发电机安全稳定运行的预兆和趋势。通过该智能诊断系统可以提高机组的运维便利性、运行可靠性及运行经济性。

4结束语

煤电机组深度调峰运行是国家能源行业发展的大趋势,每个地区和电厂会有不同的改造需求,应根据电厂的具体情况,有针对性地提出改造方案。在锅炉、汽轮机进行改造的同时,对发电机进行灵活性改造在周期和技术上是可行的,各项改造和运行维护措施能够为新环境下煤电机组发电机的可靠运行提供更好的保障。