袁昌健，焦曉霞，王彥濱，馬 健

(哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司，黑龍江哈爾濱 150040)

0 引言

隨著我國電力市場(chǎng)的大力發(fā)展，清潔能源和環(huán)保越來越受到重視，隨著近年來國家電力發(fā)展政策的調(diào)整，當(dāng)今國內(nèi)火電市場(chǎng)，常規(guī)火電機(jī)組受到調(diào)控影響，聯(lián)合循環(huán)機(jī)組日益得到業(yè)主青睞[1]。在此契機(jī)下，哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司(以下簡(jiǎn)稱哈電)2017年得到了國內(nèi)首臺(tái)H級(jí)燃機(jī)軍糧城項(xiàng)目一臺(tái)9HA．01機(jī)組的生產(chǎn)制造合同，機(jī)組為多軸一拖一形式配置，9HA．01燃機(jī)配450H全氫冷燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)，余熱部分為GE最新A651汽輪機(jī)配哈電空冷200 MW機(jī)組。GE公司的重型燃?xì)廨啓C(jī)是當(dāng)今世界上正式投入商業(yè)運(yùn)行技術(shù)成熟度最高的燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組之一，首臺(tái)450H發(fā)電機(jī)機(jī)組于2006年在西班牙投入商業(yè)運(yùn)行。軍糧城項(xiàng)目燃機(jī)發(fā)電機(jī)額定容量為442 MW，最大容量可達(dá)470 MW左右。國內(nèi)的燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)技術(shù)是通過打捆招標(biāo)GE、三菱、西門子三家企業(yè)向國內(nèi)最為知名的“三大動(dòng)力”轉(zhuǎn)讓的燃?xì)廨啓C(jī)制造技術(shù)。此機(jī)型為哈電引進(jìn)GE燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)制造技術(shù)[2]，軍糧城項(xiàng)目配套的450H發(fā)電機(jī)是哈電制造的首臺(tái)此機(jī)型機(jī)組。

1 燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)外形及主要參數(shù)

450H發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)沿襲了GE公司發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)系列化，模塊化的特點(diǎn)，很多結(jié)構(gòu)跟GE324及390H機(jī)組類似，但也有一些新的結(jié)構(gòu)應(yīng)用于450H發(fā)電機(jī)，相比390H發(fā)電機(jī)其整體拉長，鐵心內(nèi)外徑增加，滿足了電磁容量增長的需要。450H燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)基本設(shè)計(jì)參數(shù)見表1，發(fā)電機(jī)外形圖見圖1。

表1 450H燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)基本設(shè)計(jì)參數(shù)

2 通風(fēng)設(shè)計(jì)

450H氫冷發(fā)電機(jī)為全封閉式，運(yùn)行時(shí)以氫氣作為冷卻介質(zhì)。通風(fēng)系統(tǒng)是完全獨(dú)立的，包括氣體冷卻器和風(fēng)扇， 因此能防止灰塵和潮氣進(jìn)入機(jī)內(nèi)。發(fā)電機(jī)的氣體冷卻器垂直安裝在機(jī)座四個(gè)角上的冷卻器架上。在每臺(tái)冷卻器外底部連接水管。在冷卻器頂部和底部，氣密是通過在發(fā)電機(jī)機(jī)座和冷卻器管板間壓縮的密封墊片實(shí)現(xiàn)的。轉(zhuǎn)子風(fēng)扇為發(fā)電機(jī)提供通風(fēng)，軸向通風(fēng)并具有單獨(dú)的風(fēng)葉，風(fēng)葉被固定在靠近轉(zhuǎn)子兩端的一體風(fēng)扇座環(huán)上。氣體的進(jìn)、出和離開風(fēng)扇是由導(dǎo)風(fēng)環(huán)控制的。轉(zhuǎn)子通風(fēng)采用氣體表面外冷轉(zhuǎn)子技術(shù)，本體采用斜副槽通風(fēng)，轉(zhuǎn)子端部兩路通風(fēng)，端部繞組下、進(jìn)入副槽及轉(zhuǎn)子線圈和槽楔上的孔徑向流入氣隙里的氣體內(nèi)冷卻轉(zhuǎn)子。定子通風(fēng)采用通過風(fēng)扇使氫氣強(qiáng)制流入氣隙及定子鐵心背部周圍的方式。定子被機(jī)座隔板在軸向分為冷熱風(fēng)區(qū)。在冷風(fēng)區(qū)，強(qiáng)制流通的冷卻的氣體從鐵心外通過徑向通風(fēng)道進(jìn)入氣隙；在熱風(fēng)區(qū)，氣體從氣隙通過通風(fēng)道流向鐵心外，熱量被交換后，冷卻的氣體回流到轉(zhuǎn)子風(fēng)扇并重新循環(huán)，這種定子多路通風(fēng)方式可均勻地冷卻鐵心和繞組避免機(jī)內(nèi)過熱并降低溫差所產(chǎn)生的應(yīng)力。多路通風(fēng)結(jié)構(gòu)整體效率高，對(duì)風(fēng)扇壓力要求低。發(fā)電機(jī)通風(fēng)系統(tǒng)如圖2所示。

1.定子； 2.轉(zhuǎn)子； 3.出線罩； 4.隔音刷架；5.底腳； 6.中性點(diǎn)罩； 7.端蓋、軸承及油密封；8.冷卻器； 9.盤車裝置圖1 450H燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)外形圖

圖2 發(fā)電機(jī)通風(fēng)系統(tǒng)

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由燃?xì)廨啓C(jī)拖動(dòng)的單獨(dú)勵(lì)磁的轉(zhuǎn)子在靜止定子膛內(nèi)旋轉(zhuǎn)，由發(fā)電機(jī)機(jī)座上端蓋內(nèi)的軸承支承。在保持氫氣壓力、純度以及提供冷卻器冷卻水和潤滑油的條件下，發(fā)電機(jī)可連續(xù)運(yùn)行并從出線端子輸出電力。通過安裝的溫度檢測(cè)器和其它裝置或與發(fā)電機(jī)連接的其他裝置可以測(cè)量定子鐵心、繞組以及氫氣溫度、氫氣壓力及純度。發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)不但能夠承受正常運(yùn)行工況，而且還能夠承受包括三相短路和突然施加負(fù)荷而不損壞。機(jī)座通過兩側(cè)的底腳支撐在基礎(chǔ)上。機(jī)座也支撐著冷卻器并作為冷卻器的外罩。為防止氫氣從發(fā)電機(jī)中泄漏，端蓋、冷卻器、人孔等都采用密封結(jié)構(gòu)。

3．1 定子裝配

3．1．1 定子機(jī)座由一個(gè)焊接結(jié)構(gòu)的氣密圓柱體的整體式外殼構(gòu)成，見圖3。機(jī)座外殼由優(yōu)質(zhì)鋼板滾制成圓筒拼焊而成，整個(gè)機(jī)座焊后經(jīng)過消除應(yīng)力處理和嚴(yán)格的氣密試驗(yàn)。因此，機(jī)座具有足夠的剛、強(qiáng)度以及氣密性。機(jī)座內(nèi)部為適應(yīng)通風(fēng)冷卻的需要，共分成7個(gè)風(fēng)區(qū)，其中3個(gè)進(jìn)風(fēng)區(qū)，4個(gè)出風(fēng)區(qū)。機(jī)座頂部留有安裝出線罩的座板，機(jī)座兩側(cè)共有4組底腳和4個(gè)可拆卸吊攀。機(jī)座底部設(shè)有人孔、排污接口和用以連接氫、油、控制系統(tǒng)的連接法蘭接口。定子機(jī)座與鐵心之間采用組合式定位筋彈簧板系統(tǒng)連接，將定子鐵心的徑向和切向電磁振動(dòng)與機(jī)座隔離，減少機(jī)座和鐵心振動(dòng)。同時(shí)其剛強(qiáng)度又足以承受內(nèi)部的氫氣爆炸對(duì)發(fā)電機(jī)殼體和周圍部件的破壞。

圖3 發(fā)電機(jī)定子機(jī)座(未顯示外殼)

3．1．2 定子鐵心是由經(jīng)退火的高質(zhì)量低損耗的取向硅鋼片疊壓而成，每張沖片4個(gè)槽，每一圓周18片，由薄硅鋼板沖制而成。采用交錯(cuò)平疊方式將沖片裝到定位筋的鴿尾上，共分為174段，段之間用通風(fēng)槽鋼隔開以形成徑向通風(fēng)道。定子鐵心設(shè)計(jì)有嵌定子線圈的開口槽和固定槽楔以將定子線圈固定到位的鴿尾槽。沖片背部的鴿尾槽是用于鐵心疊裝并安裝和固定在定位筋上。借用定位筋通過球墨鑄鐵壓圈施加的壓力將已裝好的沖片壓成一個(gè)剛性的柱形鐵心。壓力通過端部壓圈下的無磁性壓指施加到鐵心齒部。鐵心外徑由5道夾緊環(huán)將鐵心的徑向位移限制在安全可允許的幅值范圍內(nèi)，有效減小了鐵心的振動(dòng)和運(yùn)行噪聲。為降低因端部漏磁通引起的發(fā)熱和隨之產(chǎn)生的電磁損耗，本型發(fā)電機(jī)設(shè)置磁屏蔽和電屏蔽，鐵心端部沖片呈階梯形式以增加沖片與轉(zhuǎn)子的間隙，減少相應(yīng)損耗。沖片絕緣使用EB5001G水溶性酚醛硅鋼片漆。

3．1．3 定子繞組由定子槽內(nèi)的絕緣線圈構(gòu)成，在兩端連接后經(jīng)并聯(lián)環(huán)引線連接成相應(yīng)的相帶。每相分成間隔180°的線圈組。定子線圈由采用Roebel方法換位的絕緣銅導(dǎo)線(多股)構(gòu)成，每股導(dǎo)線在定子線圈中沿線圈在徑向方向上占有相等的長度。這種配置可避免負(fù)載下由于定子槽內(nèi)磁通量的自感分布而造成環(huán)流損耗。由于450H定子線棒主絕緣只有3.05 mm，場(chǎng)強(qiáng)達(dá)6.23 kV/mm，是哈電空冷、氫外冷(燃?xì)?汽輪發(fā)電機(jī)組有史以來最高場(chǎng)強(qiáng)，其絕緣薄、高寬比大，線棒制造難度高，吊裝、轉(zhuǎn)運(yùn)、裝配風(fēng)險(xiǎn)大。GE設(shè)計(jì)采用MICAPAL Ⅲ絕緣系統(tǒng)，不適合哈電工藝制造，故哈電自主開發(fā)了VPI云母絕緣系統(tǒng)，線棒在制造過程中進(jìn)行了多項(xiàng)電氣和機(jī)械試驗(yàn)，整個(gè)線棒絕緣為高密度、高電介質(zhì)強(qiáng)度系統(tǒng)，在整個(gè)運(yùn)行溫度的范圍內(nèi)具有高的抗拉強(qiáng)度。為了將電暈效應(yīng)降至最低，在槽內(nèi)和超出鐵心數(shù)英寸的定子線圈位置涂上微導(dǎo)電漆(含石墨)。定子線圈端部外部包有數(shù)層，保護(hù)云母絕緣的防暈帶，隨后噴上環(huán)氧漆。端部繞組被固定在模壓玻璃纖維環(huán)上，模壓玻璃纖維環(huán)由定子壓圈上的絕緣支架支撐的。定子繞組采用了GE改進(jìn)的濕式綁扎結(jié)構(gòu)，用適型材料將壓力均布于繞組端部表面，用熱固型樹脂將玻璃纖維帶、間隔塊和適型材料黏結(jié)在一起，避免了線棒振動(dòng)引起的主絕緣磨損。GE公司這種整體滑移端部結(jié)構(gòu)有超過35+年/500臺(tái)的無磨損使用紀(jì)錄。定子端部綁扎固化的一體化結(jié)構(gòu)有效保障了端部結(jié)構(gòu)承受故障轉(zhuǎn)矩能力，軸向滑移機(jī)構(gòu)避免了熱膨脹產(chǎn)生的應(yīng)力集中。定子線棒在槽內(nèi)是通過打緊在鴿尾槽內(nèi)的膠木板定子槽楔固定的，頂部及側(cè)面設(shè)置波紋板固定線棒。為測(cè)量繞組運(yùn)行溫度最高溫度點(diǎn)，在定子繞組的每相線圈間均設(shè)置6個(gè)電阻式測(cè)溫計(jì)，有8個(gè)風(fēng)溫測(cè)溫計(jì)來測(cè)量4個(gè)冷卻器中每一個(gè)冷卻器的進(jìn)口和出口處氣體溫度。測(cè)溫計(jì)引線穿過發(fā)電機(jī)機(jī)座上的航空端子氣密穿線法蘭連接到接線端子箱，從而與測(cè)溫儀器或繼電器相連接。

3．1．4 發(fā)電機(jī)定子主出線從發(fā)電機(jī)機(jī)座勵(lì)端頂部的出線板引出。為了將感應(yīng)電流的損失和導(dǎo)線負(fù)載電流導(dǎo)致的發(fā)熱降低至最低點(diǎn)，出線板采用非導(dǎo)磁不銹鋼材料。出線板與定子機(jī)座間配有密封墊片以防止氫氣泄漏。引出線通過氣密的高壓瓷套管引出，套管由配有銅導(dǎo)體的陶瓷絕緣子構(gòu)成，套管兩端端子鍍銀。套管式電流互感器水平布置于頂部出線罩內(nèi)，其固定全面考慮了絕緣和散熱空間問題，出線罩底部開通風(fēng)孔，整個(gè)出線罩采用自然通風(fēng)冷卻?？紤]到安全問題，電機(jī)配備氫氣探測(cè)裝置監(jiān)測(cè)氫氣泄露情況。具體結(jié)構(gòu)見圖4所示。

1.絕緣支架; 2.滑移機(jī)構(gòu); 3.壓圈; 4.定子線棒;5.永久環(huán); 6.銅屏蔽; 7.并聯(lián)環(huán); 8.高壓瓷套管;9.玻璃纖維環(huán)圖4 定子端部出線及整體滑移的結(jié)構(gòu)

3．2 轉(zhuǎn)子裝配

發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子由整根高合金鋼鍛件機(jī)加工而成，鍛件經(jīng)過全面試驗(yàn)以確保其能滿足所需的物理和化學(xué)性能。在轉(zhuǎn)子本體上徑向加工縱向槽以嵌入轉(zhuǎn)子線圈。在大齒部位加工的附加槽為轉(zhuǎn)子本體提供通風(fēng)。轉(zhuǎn)子線圈由非磁性鋼制槽楔固定在轉(zhuǎn)子的鴿尾槽內(nèi)以克服線圈離心力作用，本型發(fā)電機(jī)采用長槽楔結(jié)構(gòu)，減少了槽楔間的接頭，具有更好的負(fù)序承載能力。轉(zhuǎn)子繞組由彎曲成形的矩形銅排組成，匝間相互絕緣，線圈與槽壁之間由壓制的槽襯絕緣。為了提供最好的通風(fēng)和冷卻條件，除交替的匝間絕緣之外，轉(zhuǎn)子繞組端部均為裸露，以利于散熱。在線圈與護(hù)環(huán)之間設(shè)有壓制的絕緣瓦，并設(shè)置葉形彈簧壓緊的阻尼結(jié)構(gòu)，確保機(jī)組可以承受靜態(tài)啟動(dòng)的諧波電流影響。槽部和端部采用滑移材料以適應(yīng)頻繁啟動(dòng)及LCI變頻啟動(dòng)要求。在繞組端部配有環(huán)氧玻璃塊以間隔和支撐線圈并限制線圈在熱應(yīng)力和旋轉(zhuǎn)力下串動(dòng)。端部繞組由高強(qiáng)度、經(jīng)熱處理的合金鍛鋼18Mn18Cr重型護(hù)環(huán)固定以克服其線圈離心力，護(hù)環(huán)熱套并鎖緊在轉(zhuǎn)子本體上。轉(zhuǎn)子繞組提供勵(lì)磁電流通過集電環(huán)提供，集電環(huán)是通過插入轉(zhuǎn)子鍛件中心孔的導(dǎo)電桿與轉(zhuǎn)子繞組電氣連接，具體結(jié)構(gòu)見圖5、圖6。裝在轉(zhuǎn)子徑向孔內(nèi)的引線螺釘將繞組連接到導(dǎo)電桿上，勵(lì)端端部連接件采用彈性密封系統(tǒng)以保持氫氣密封。

1.轉(zhuǎn)軸; 2.導(dǎo)電桿; 3.集電環(huán); 4.導(dǎo)電螺釘圖5 轉(zhuǎn)子集電環(huán)導(dǎo)電螺釘

1.護(hù)環(huán); 2.轉(zhuǎn)子端部繞組; 3.引線螺釘圖6 轉(zhuǎn)子護(hù)環(huán)、端部繞組及引線螺釘結(jié)構(gòu)

3．3 端軸油裝配

如圖7所示，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子軸承，氫密封及密封油和潤滑油管路均裝在外端蓋內(nèi)，端蓋在水平中心分開以利于其拆卸。為密封機(jī)內(nèi)氣體，在端蓋兩半之間及端蓋與機(jī)座之間的合縫面上加工密封凹槽并填充密封膠。轉(zhuǎn)子軸承上配有球座安裝可自調(diào)心軸瓦。每個(gè)外端蓋、軸承內(nèi)側(cè)裝有軸封以防止氫氣沿軸泄漏。這種布置可允許檢查發(fā)電機(jī)軸承而不用釋放機(jī)內(nèi)氣體。為防止軸電流，勵(lì)端軸承和密封座是與發(fā)電機(jī)機(jī)座絕緣的。燃機(jī)端設(shè)有接地電刷裝置。內(nèi)端蓋位于在定子繞組和外端蓋之間，并將由風(fēng)扇排出的氣體和進(jìn)入風(fēng)扇的氣體隔開。裝在內(nèi)端蓋上的氣封環(huán)是為了防止由風(fēng)扇排出的氣體漏回到風(fēng)扇的入口。端蓋上還裝設(shè)有測(cè)量軸振和軸承座振動(dòng)的接口。為滿足軸系振動(dòng)和臨界轉(zhuǎn)速要求，450H發(fā)電機(jī)勵(lì)端采用了分塊可傾瓦結(jié)構(gòu)，燃機(jī)端仍采用橢圓瓦結(jié)構(gòu)。發(fā)電機(jī)采用單流環(huán)式油密封系統(tǒng)，密封瓦由鍛鋼加工而成，內(nèi)圓表面鑄有軸承合金。油密封裝置位于發(fā)電機(jī)兩端端蓋內(nèi)，其功能為通過軸徑與密封瓦之間的壓力油膜阻止氫氣外逸。單流環(huán)即密封瓦的氫側(cè)和空側(cè)共用同一股油源，空側(cè)回油直接返回回油箱，氫側(cè)回油返回氫油分離箱，以消除油中少量的氫。密封油與氫氣的壓差通過壓差閥自動(dòng)維持，在任何運(yùn)行狀態(tài)下油壓保持高于氫壓0.035 MPa。

1.端蓋； 2.軸瓦； 3.密封瓦圖7 端軸油裝配

3．4 座板及底腳

如圖8結(jié)構(gòu)所示，發(fā)電機(jī)定子由位于機(jī)座兩側(cè)的內(nèi)外底腳支撐。在基礎(chǔ)與底腳間裝有找平裝置(座板調(diào)節(jié)器)，無需調(diào)節(jié)墊片，隔離來自發(fā)電機(jī)振動(dòng)的同時(shí)，又可以在發(fā)電機(jī)的垂直方向起找準(zhǔn)及支撐作用，二次灌漿時(shí)埋入。定子機(jī)座兩端左右兩側(cè)設(shè)有橫向支撐，用來找準(zhǔn)發(fā)電機(jī)中心。利用埋入基礎(chǔ)螺栓來固定發(fā)電機(jī)定子。機(jī)組在運(yùn)行狀態(tài)各部分溫度將發(fā)生變化，導(dǎo)致產(chǎn)生徑向力和切向力作用于發(fā)電機(jī)上，為了保證機(jī)組縱向和橫向中心有良好的定位，系列發(fā)電機(jī)在靠近定子中心左右兩側(cè)設(shè)有縱向支撐，在機(jī)座兩端下半端蓋中心線上設(shè)有橫向定位鍵。

圖8 座板及底腳

3．5 隔音刷架裝配

如圖9結(jié)構(gòu)所示，發(fā)電機(jī)隔音罩刷架結(jié)構(gòu)由導(dǎo)電環(huán)和導(dǎo)電塊組成，導(dǎo)電環(huán)材質(zhì)為硬銅板。每個(gè)導(dǎo)電環(huán)上分別裝設(shè)有12個(gè)組合式刷握，每個(gè)刷握可安裝5個(gè)電刷，共計(jì)60個(gè)電刷，采用雙排碳刷交錯(cuò)安裝，保證空間緊湊。刷架與集電環(huán)有獨(dú)立的通風(fēng)系統(tǒng)，冷空氣由兩個(gè)集電環(huán)的內(nèi)側(cè)進(jìn)入，外側(cè)出去，由裝在轉(zhuǎn)子軸頭上的槳式風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)，底架下部開有專門的排塵通風(fēng)道，內(nèi)嵌可更換的空氣過濾濾芯。刷架內(nèi)還安裝有氫氣探測(cè)裝置和防火探頭，底部裝有電加熱器，防止停機(jī)時(shí)機(jī)組受潮。為了減小機(jī)組的噪聲，在刷架集電環(huán)部位加裝隔音罩，隔音罩內(nèi)壁附有吸音材料，以降低機(jī)組運(yùn)行時(shí)的噪聲。

圖9 隔音罩刷架結(jié)構(gòu)

4 發(fā)電機(jī)型式試驗(yàn)

哈電首臺(tái)制造的本型發(fā)電機(jī)在廠內(nèi)進(jìn)行了型式試驗(yàn)，用以檢測(cè)設(shè)計(jì)和制造質(zhì)量。表2、表3列出了主要的試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)。

表2 燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)振動(dòng)測(cè)試結(jié)果

表3 燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)型式試驗(yàn)結(jié)果匯總表

續(xù)表3 燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)型式試驗(yàn)結(jié)果匯總表

5 結(jié)語

全氫冷450H燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)是GE燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)產(chǎn)品中重要的系列，既可以配多軸的9H級(jí)燃機(jī)，也可以配單軸的9F級(jí)燃機(jī)，應(yīng)用范圍非常廣泛。氫冷發(fā)電機(jī)輔助設(shè)備少，維護(hù)簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠性高。哈電工廠型式試驗(yàn)結(jié)果表明，發(fā)電機(jī)各個(gè)部位溫升較低，轉(zhuǎn)子各個(gè)部位振動(dòng)幅值均在國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 7064—2008優(yōu)質(zhì)范圍內(nèi)，效率達(dá)到99.08%。