中小型空冷燃气轮发电机研发需要注意的几个问题

2015-03-02肖智毓于代军李宗营

上海大中型电机 2015年3期

关键词：制造设计

肖智毓，于代军，李宗营

(山东齐鲁电机制造有限公司，山东济南　250100)

中小型空冷燃气轮发电机研发需要注意的几个问题

肖智毓，于代军，李宗营

(山东齐鲁电机制造有限公司，山东济南250100)

摘要：燃气-蒸汽联合循环发电机组以其热效率高、造价低、环境性能好、占地少、运行调整灵活等优点得到了快速发展。与燃气轮机配套的燃气轮发电机由于技术相对简单，且我国汽轮发电机制造技术与国际水平相差不大，因此我国各大发电设备制造厂家均已着手研发燃气轮发电机。对中小型空冷燃气轮发电机研发过程中与传统的汽轮发电机几个不同点进行探讨，总结了中小型空冷燃气轮发电机研发需要注意的几个问题，供燃气轮发电机研发者和用户们参考。

关键词：燃气轮发电机；设计；制造

0引言

燃气-蒸汽联合循环发电机组以其热效率高、造价低、环境性能好、占地少、运行调整灵活等优点得到了快速发展。随着“西气东输”及“引进液化天然气”工程的实施，我国燃气-蒸汽联合循环发电机组的发展将会更加快速。我国燃气轮机制造技术和国外相比还有一定的差距，至今还没有掌握大型燃气轮机产品整套设计、制造技术。

与燃气轮机配套的燃气轮发电机技术相对简单，且我国汽轮发电机制造技术与国际水平相差不大，因此我国各大发电设备制造厂家均已着手研发燃气轮发电机。现在国内市场的燃气轮发电机组大部分在300 MW以下。此等级及以下发电机组，空冷发电机具有其他冷却方式无可比拟的优势。

根据市场需要，企业相继研发了与燃气轮机配套的30 MW等级、80 MW等级发电机产品，用户反应良好。本文对30 MW等级、80 MW等级等中小型燃气轮发电机研发过程中与传统的汽轮发电机几个不同点进行了探讨，供燃气轮发电机研发者和用户们参考。

1方案选型

燃气轮发电机组不需要传统燃煤汽轮发电机组那样的双层厂房布置，一般是直接布置在0米层，目前国内比较常见的燃气轮发电机多为燃机制造厂家成套供应，很多发电机(如西门子公司、英国BRUSH公司)采取在发电机基础建一个土建平台。这种结构方式不仅增加了电厂的土建成本和机组维护工作量，也影响了机组的外形美观。我们加高发电机中心高的同时，将发电机空冷器放置在发电机定子下部，使得空冷器的安装、拆卸更加方便。典型燃气轮发电机外形图如图1。

从经济性考虑，发电机价格相对燃机而言非常低，因此一般发电机额定工况需与燃机的冬季工况相匹配。而燃机在冬季工况下的最大连续出力增加并不很大，因此燃气轮发电机的超发能力可适当缩小，与燃机在冬季工况下的最大连续出力匹配或稍大一点即可。其他电气选型与传统汽轮发电机相同。

图1　燃气轮发电机外形图

2调峰运行能力

燃气-蒸汽联合循环机组一般为供热、调峰运行机组，在供热高峰期以热定电供热运行，用电高峰期按调峰运行。对于按连续负荷运行的机组来说，绝缘老化、氧化和腐蚀是影响寿命的主要因素，而对于频繁启停的机组来说，热疲劳和机械疲劳是影响寿命的主要因素。对于调峰运行机组，我们在传统汽轮发电机组中已有大量成熟的经验，如采取定子VPI整体绝缘系统(图2)、转子线圈层间增加滑移层、转子线圈端部加强垫块绑扎、转子线圈端部设置弹性装置等技术措施。

图2　VPI整体浸渍绝缘后的定子

3中心高增大

为减小电厂的土建成本和机组维护量，发电机中心高也调成和燃机中心高一致的高度。这样就使得发电机机座尺寸增大很多，这也是燃气轮发电机与蒸汽轮发电机的最大区别之一，并将对发电机产生多方面的影响。

第一，提高了机座刚度要求。机座作为固定、支撑、保护定子铁心、定子绕组之用，同时它还构成发电机通风循环回路。机座高度增大，势必对其刚度、强度要求大大的提高。采取在机座下部增加加强板(图3)、机座整体框架焊接结构等方法，经过机组的实际运行(最早的已商业运行八年时间)，证明了这种方法是行之有效的。

图3　机座加强底板

第二，燃气轮发电机的机座不仅受定子铁心的倍频振动影响，也受转子的质量及振动影响。遵循标准JB/T 10392—2002《透平发电机定子铁心、机座模态试验分析和振动测量方法及评定》规定：“定子铁心和定子机座椭圆固有频率应避开倍频的±10%”，“对于轴承与机座连接在一起的发电机，机座的固有频率还应避开转频为宜”。因此在设计机座时，须核算机座的固有频率，采取措施使其避开转子基频及倍频，并注意留有较大范围余量以消除制造工艺的偏差引起机座动特性的分散性影响。汽轮发电机减小振动的处理方法也可以应用到燃气轮发电机的结构设计中，如转子大齿部分开横向槽减小转子倍频振动、铁心与机座间加弹性装置(图4)以减小振动的传递等方法。

1. 焊在铁心上的环； 2. 两侧起弹簧作用的固定板

第三，燃气-蒸汽联合循环机组采用单层布置，定子下部空间有限。对于大中型发电机组，发电机额定电流非常大，采用电缆出线是不可能的，只能采用较粗的铜排引出电子电流。不管从电气绝缘方面还是机械安装方面考虑，还像汽轮发电机一般采用的定子下出线的方式是不合适的。所以，目前的燃气轮发电机一般采用上出线或侧出线方式。

4启动方式

燃气轮发电机组的起动方式可分为机械式和电气式。机械式主要应用于发电机末端加一个起动电机来拖动整个机组的起动。对于这种起动方式，发电机转子整个轴系在起动是需承受一定的强度，像汽轮发电机末端一般有励磁机悬挂轴、接地轴，而其轴径往往较小，因此必须核算其强度是否能满足要求或者采用替代方法。电气式主要应用于变频方式将燃气轮发电机作为起动电机来实现整个机组的起动。对于大功率机组来说，由于机组本身的轴功率太大，外配起动电机已不可能，采取静止变频器(SFC)启动方式是唯一的办法。对于电气式起动方式，一般要求发电机作为启动同步电动机，启动电源从厂用电引接，在发电机定子绕组上加变频交流电源和在发电机转子上加励磁电源，由专用隔离变压器通过SFC整流和变频后，经隔离开关输入发电机，从而使机组慢慢升速至自持转速。

5快装式

对于燃气轮发电机组，由于其单层布置的特点，燃气轮发电机一般要求室外布置，采用带有防雨功能的隔音罩，既满足了燃气轮发电机室外布置的要求，也大大降低了发电机组的噪声水平。

对于燃气轮发电机来说，定子为最大(重)部件，其次是转子，如80 MW等级燃气轮发电机定子重量在100 t左右，转子在25 t左右，其他部件轴承、励磁机、空冷器等都在3 t左右及以下。我们对燃气轮发电机一般采用快装式机组。机组在制造厂组装，以整台或几个大件的形式提供给用户，可以大大缩短机组的安装时间，降低电站造价，并提高机组的运行可靠性。