东方150MW空冷汽轮发电机

东方150MW空冷汽轮发电机
陈文学
(东方电机股份有限公司，四川德阳618000)
摘要：近年来，东电公司在成功制造75MW空冷汽轮发电机的基础上试制了150MW空冷汽轮发电机。

这是目前国内自行研制的最大容量的空冷发电机，其中采用的一些单项技术为今后发展更大容量空冷发电机打下基础。

重点介绍该机的主要技术特点和研制方针。

由于空气的热容量和导热率较低，设计空冷汽轮机的关键是降低有效部件的损耗，加强这些部位的冷却。

因此，首先将技术攻关的重点放在通风研究上，通过采用先进的软件进行通风计算以及1:1通风模型试验研究，优化机内风量分配，以适度的风量均匀地冷却整个发电机，使各部位的温度都不超过绝缘允许的水平；其次，定子线棒的发热是限制提高发电机容量的关键之一，为此采取了减小损耗、改进绝缘和改善冷却等措施；此外，通过试验研究决定转子线圈的通风冷却方式也是本发电机的攻关项目之一。

除此之外，随着发电机容量增加而需要采取的一些措施，如为提高进相运行能力而采取的降低铁心端部损耗措施，为减小机座和基础振动而采取的铁心隔振措施，以及为提高发电机承担不平衡负荷能力而增设阻尼绕组等措施也在设计中予以了考虑。

2002年9月，东电公司成功完成了首台150MW空冷汽轮发电机的型式试验。

试验证明该发电机的效率、温升和所有技术指标完全达到国家标准的要求，完全满足额定出力下长期安全运行的需要。

最后还介绍了东电公司开发更大容量空冷汽轮发电机的技术发展方向，如定子线棒真空浸渍绝缘技术，逆向通风方式以及多支路定子线圈连接结构等。

图6表1
关键词：150MW；空冷；径向多流；轴向分段通风；鼻端换位；优化
中图分类号：TM311文献标识码：A
文章编号：1001-9006(2005)01-0008-05
1前言
空冷汽轮发电机具有系统简单、安装周期短、启停方便、运行经济、可靠性高、维护检修方便等突出优点，近年来日益受到用户的欢迎，特别是在燃汽轮机联合循环电站项目上显示出巨大的市场前景。

随着新结构、新材料和计算机辅助设计手段的运用，空冷汽轮发电机单机容量不断增大，大型空冷汽轮发电机正逐步成为国内外发展的一种趋势，成为各公司保持竞争优势、占领市场的主力产品之一。

东方电机股份有限公司（东电公司）在75MW 空冷汽轮发电机试制成功和顺利投入运行的基础上进行了完整的总结，找出了可继承的成功技术和需要改进的结构，于2001年初开始了依靠自己的力量开发研制目前国内最大容量的150MW空冷发电机
空气作为最方便的、不需要辅助系统的冷却介质，最早应用于汽轮发电机的冷却。

但空气与氢气相比，有比重大、传热效率低的缺点，对于转速高、体积受限制的大容量汽轮发电机，带来了一系列的技术障碍。

因此，开发大容量空冷汽轮发电机，最核心的问题是降低损耗和解决散热问题，必须在发热与散热之间找到一个最佳平衡点。

在世界上，空冷汽轮发电机从60/75MW级发展到150MW级是一个关键的台阶，需要解决的技术难点多，难度高。

东电公司利用计算机辅助设计等先进设计手段以及1：1实物模型试验等，针对发电机的电磁方案、定/转子通风结构优化、绝缘结构优化、特大高宽比定子线圈的制造、定子隔振结构等一系列技术难题进行了基础科研和开发工作。

2002年9月，国内第一台150MW空冷汽轮发电机在东电公司完成了制造和厂内型式试验，2003年7月投入商业运行。

发电机的所有技术参数完全
第19卷第1期东方电气评论Vol.19No.1 2005年3月DONGFANG DIANQI PINGLUN Mar.2005
第1期陈文学东方150MW空冷汽轮发电机9
全运行的需要。

2设计参数
发电机基本设计数据如下：
额定容量/MVA176.5
额定功率/MW150
额定电压/kV13.8
额定电流/A7383
功率因数0.85
频率/Hz50
转速/r・min-13000
绝缘等级F级(温升按B级考核)
冷却方式转子空内冷、定子空外冷
短路比≥0.5
效率/%≥98.6
定子线圈温度/℃≤120
定子铁心温度/℃≤120
转子线圈温度/℃≤115
轴瓦温度/℃≤80
3发电机通风冷却系统
3.1通风系统设计原则
通风冷却结构设计是空冷发电机设计的中心环节，也是最主要的技术难点。

其主要设计原则为：
(1)合理选择冷却风量。

由于发电机机内损耗全都由空气带走，就要求有足够的冷却风量，但风量过大，势必增大发电机的风摩损耗，降低效率，因而必须合理配置风扇，将冷却风量控制在合理的水平。

(2)合理分配冷却气流。

通风系统的关键是优化发电机内的风量分布，消除通风死角，尽可能使发电机各发热部件得到均匀冷却，改善主要发热部件的冷却，降低最热点的温度。

3.2发电机总体通风结构
根据东电公司多年的经验以及对国外空冷发电机通风方式的分析研究，东方150MW机的整体风路结构采用了东电公司传统、成熟的“径向多流”通风方式，如图1所示。

发电机定子沿轴向共分为5个风区，2个进风区与3个出风区间隔排布。

由转子两端轴流式风扇驱动的冷空气，大部沿铁心口部进入气隙；另一部风在冷却了定子端部后进入冷风区铁心背部，沿铁心径向风道冷却了铁心和线棒后进入气隙。

上述两路风加上另一路冷却转子后的出风，在气隙中混合，再沿铁心径向风道冷却热风区的定子铁心和线棒后，进入热风区铁心背部，从机座下部出风通过地坑中的冷却器降温后，循环使用。

为了对各风道的尺寸、形状以及各风区长度的相互匹配做出合理的选择，东电公司对各风道的风阻网络和风量分配进行计算和分析，并对定子铁芯和定子线棒温度进行了详细的温度场分析计算。

除此之外，东电公司不但在75MW和60MW空冷发电机上进行了实际的真机通风测试，还针对150MW 空冷发电机，制造了一个1:1全尺寸的发电机总体静止通风模型，对机座、铁心、气隙口和转子出风的不同风道尺寸、不同组合进行了多次试验。

根据试验结果，在75MW空冷汽轮发电机的基
础上对产品的风路进行改进，对定子各风区长度匹
10东方电气评论第19卷
图2
配以及各风区内铁芯风道的疏密程度进行了优化，对铁芯端部气隙进风口的形状作出了合理的选择。

图2是改进前后铁芯径向风道风速曲线，可以看出改进后（实线）风速明显变得均匀了。

最后，在厂内型式试验时以及电站试运行时对发电机进行了真机通风测试。

试验结果证明，各风路的风量分配和设计数据基本吻合。

3.3
发电机转子通风冷却
发电机转子绕组线匝用两根U 形铜线组成，上下两半凹槽相对合成一匝，形成轴向冷却风道。

为了降低转子绕组的温度，转子线圈采用分段轴向直接冷却方式，沿转子轴向一半长度共设三路半通风。

具体风路示意见图3。

冷却转子的气体主要由转子本体旋转产生的离心压头驱动。

冷却气体通过护环下部进入，一部分气流进入槽底的副槽，分别通过两路独立的槽部线圈轴向风道后从槽楔上的径向孔流入气隙；另一部分空气流入绕组端部的风道，对大号线圈而言，在端部与补风口的冷空气汇合（俗称“一路半”通风），通过线圈内风道冷却铜线后，从转子本体端
部的出风口离开转子。

为模拟转子风路里气体流速分布情况，分析了槽部多风路风量分配和副槽结构对风量分配的影响。

东电公司按实际尺寸制作了单槽转子静态模型
进行了多次通风试验，并对各风道尺寸进行了优化，最终达到转子槽底副槽内两路风量分配均匀、同一风路内不同匝铜线轴向风道间风速相近的目的。

4
发电机结构特点
4.1
总体布置方式
发电机采用整体机座、座式轴承、机坑式冷却
器总体布置方式。

发电机集电环独立强迫冷却。

发电机与基础风室间在机座底部密封联接，该密封结构采用特殊设计，以保证长期运行的可靠性和今后更换的可能性。

发电机的总体结构如图4所示。

4.2
定子机座
采用钢板焊成的整体定子机座结构，机座内部由环板和风管隔成多个冷热风区，并组成冷却气体风道。

机座两侧4个可拆卸的吊攀可用于制造厂及
图
3
第1期陈文学东方150MW 空冷汽轮发电机11
图5
电厂起吊。

4.3
定子铁心
铁芯由低损耗高导磁的优质冷轧硅钢冲片迭压而成，表面刷含无机填料的F 级绝缘漆。

定子铁心采用窄而密的风道设计，以加大散热面积，同时考虑冷热风区不同，转子热风的影响区域等因素，风道的分布经过了精心设计。

在中间热风区（温升最高区域），采用了更短的段长和更密的风道，减短传热路径，加大气体流量，另外冷热风区的风道宽度也选得不同。

为了减小定子端部的附加损耗和最大限度地降低该区域的温度，提高发电机的进相运行能力，除将边段铁心齿设计成阶梯状并在齿中间开有窄槽以降低附加损耗外，定子压圈，压指和定子端部结构件还采用了非磁性材料，并且在发电机定子压圈外设置了铜屏蔽。

4.4
定子隔振
为了减少发电机运行时定子铁芯所产生的双倍频率的振动对发电机基础的影响和减少发电机噪音,铁芯与机座之间采用了东电公司传统的轴向弹性板为隔振元件的隔振结构。

对此我们用大型结构分析计算软件对机座的动力特性以及这种弹性支撑结构的强度和隔振特性进
行了模态分析计算（图5），并根据计算结果对结构进行了优化。

4.5定子线棒
定子线棒的温升是空冷电机控制的关键点，也
是制造的难点，因此线棒在制作上有许多特点。

本发电机的线棒沿用东电公司传统的多胶绝缘单根模压成形技术，为降低线棒温升采用了多种措施：
(1)采用大高宽比线棒设计，增大表面散热面(2)减薄绝缘，定子线棒绝缘场强与5年前的产品相比提高了35%。

同时，采取增大线棒角部的R
半径的措施，解决线棒角部高场强可能会对绝缘造成威胁，使场强均匀。

(3)采用薄而数量多的股线，减小附加损耗。

(4)将线棒电密控制在合理水平。

(5)上下层线棒在槽内位置不同，附加损耗值也相差很大，因此采用上下层线棒不等截面设计，用于平衡上下层线棒间总的损耗值，降低最高温升点的温升。

(6)在线棒上加包适形层，填补线棒与槽间的间隙。

由于股线数量大、较薄较宽，因制造工艺原因，在定子槽内只能进行360º的股线换位。

而360º换位环流仍较大，为解决此问题，本发电机首次采
用鼻端换位技术（图6），将同一根线棒的股线分组，每组股线间绝缘，换位处位于励端。

经分析计算，认为环流损耗下降为纯360º换位的几分之一。

定子线圈端部固定采用传统绑扎结构，固定支架运用L 形弹性设计，线棒受热后，线圈端部整体
能沿轴向伸长，可明显减小定子线圈热应力，适应机组调峰运行的要求。

4.6
转子
转子所用的主要部件（如转轴、护环）采用了
与300MW 级氢冷电机转子相同材质；转子线圈由含银铜线绕制而成；槽衬采用复合的F 级绝缘；转子槽内采用整长的匝间垫条以提高其通风孔的位置精度和避免转子通风孔堵塞和匝间短路。

此外，在转子线圈与主绝缘间还设有滑移层，可适应调峰运行的需要。

在转子的两端设有半阻尼笼，可提高承受负序
图
6
电流的能力。

在转子励端两个集电环间加装离心式风扇，使集电环拥有独立的冷却良好的风路。

5厂内真机试验
东电公司对首台150MW 空冷汽轮发电机制造完工后在厂内进行了型式试验，试验结果表明：该发电机的主要性能指标试验值均达到或优于期望值和标准要求。

主要试验结果与设计值、标准值对比见表1。

6今后的发展方向
目前，国内在大型空冷汽轮发电机的研制上与
国外还有相当大的差距。

在国外，原ABB 公司已制造出了世界上最大的500MVA 空冷汽轮发电机。

毫无疑问，东电公司将在空冷发电机大容量化方面继续努力。

开发更大容量空冷发电机，除了在150MW 机组上已经采取的措施基础上增加发电机的尺寸以外，还需开发以下一些关键技术。

6.1
逆向通风方式
从冷却器流出的冷风冷却了发电机有效部件后，由轴上的轴流风扇从气隙中抽出后返回冷却器。

这种通风方式避免了传统正向通风方式的风扇先使冷却气体温度升高的缺点，使定子铁心和线圈受到最低温度气流的冷却，可获得较好的冷却效果。

6.2
VPI 绝缘技术
如何减小绝缘上的温降是十分关键的。

今后，提高绝缘材料的导热性、采用定子线棒真空浸渍（VPI ）绝缘技术以尽量减小绝缘厚度和改进绝缘的导热和电气性能，是要进一步攻克的目标。

6.3
多支路定子线圈结构
通过增加并联支路数来减小单根线棒的电流，从而减小线棒损耗和线圈的温度。

但如果将并联支路数增加到3，需要研究适当地连接方式，将支路不对称程度尽可能地减小，从而将支路间的环流减小到可以忽略地程度。

6.4
定子铁芯外装压工艺
采用定子铁芯外装压工艺，定子机座和定子铁芯可以并行生产，从而缩短生产周期，降低制造成本，提高产品的市场竞争力。

7结束语
150MW 空冷汽轮发电机的开发研制成功，标志着东方电机股份有限公司在大型空冷汽轮发电机这一新领域里，跨入了国内先进行列，同时也为开发更大容量空冷汽轮发电机组打下坚实的技术基础。

作者简介：
陈文学（1964—），男，1984年毕业于重庆大学电气工程系电机制造专业。

现任东方电机股份有限公司副总工程师、总设计师，精于汽轮发电机研究、开发与设计技术。

（收稿日期：2004-12-01）
设计值0.0011160.129267717650.5672021.598.67
189.624.8919.15
试验值
0.0011420.122369017230.61189798.7578.558.656.20.058190.025.8218.91
定子绕组直流电阻/Ω转子绕组直流电阻/Ω空载励磁电流/A 额定励磁电流/A 短路比
总损耗/kW 效率/%
定子绕组最高温升/K 定子铁心最高温升/K 转子绕组平均温升/K 轴振/mm 同步电抗/%瞬变电抗/%超瞬变电抗/%
国标值
≥0.45≥98.4≤80≤80≤75≤0.075
≥10
表1
主要试验结果与设计值、标准值对比情况
XUE De-ming1，MIAO Li-jie1，ZHAO Chang-sui2，ZHANG Ming-yao2，XIAO Jun2
(1.National Engineering Research Center for Power Equipment,Herbin,150041；2.Southeast University,Nanjing,210000)
Abstract：Coal-fired Pressurized Partial Gasification Combined Cycle(PPG-CC)power system is one of the most promise high efficiency and clean process for coal burning power generation at present.The advantage is
its high efficiency,environmental favorite character,wide range for the coal to be burned,low invest re-
quirement and easy for the equipments to be domesticalized,and so on.Suitable for the Chinese utiliza-
tion in various aspect.The gasify media—air and steam are send to the gasify oven after the high temper-
ature pre-heating process,which raised the thermal value of the partially gasified product and conse-
quently the efficiency of the combined cycle generating system.
The thermal performance calculating result of the power system is described herein and the thermal performance of which is compared with that of the non-preheating system in which the gasify media for
the combined cycle is un-preheated air/steam.
Briefly introduces the researching status of the major equipments of the combined cycle system,the pressurized fluid bed partial gasifying oven,the purifier for the gas，the pre-heater for the high tempera-
ture air/steam.
On the basis of laboratory scale researching result of their own Harbin Power Equipment Company and the National Engineering Research Center for Power Equipment cooperated with the consequent uni-
versities and the institutes in China to develop the key technology of combined cycle system as a testing
research in order to set the foundation for the constructing of commercial model PPG-CC power plant. Key words：Partial gasification；Combined cycle；Thermal performance；Engineering test
!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
（上接第12页）
Dongfang150MW Air Cooled Turbine Generator
CHEN Wen-xue
(Dongfang Electrical Machinery Co.,Ltd,Deyang,Sichuan,618000)
Abstract：In recent years,Dongfang Electrical Machinery Co.,Ltd.has successfully developed150MW air cooled turbine generator on the basis of75MW air cooled turbine generator,This is the largest air
cooled turbine generator with Chinese own technology in China.A lot of technical measures such as
loss reduction and insulation improvement etc.are applied on this generator,and optimizing the distri-
bution of the gas flow inside generator through calculation and model examination has been done in or-
der to improve the cooling condition of the different generator components.The shop test and the com-
mercial operation at site verified that the generator meets completely the requirement for the technical
indices stipulated in the national standard,and the requirement for the safe,reliable and long term
operation.Some developed technologies in this generator has established a base for developing larger
air cooled generator.
Key words：150MW；Air cooling；Multi-radial flows；Axial sectional ventilation；Transposition on the end of stator bar；Optimizing。