燃煤机组新运行方式对在役汽轮发电机的影响

杨国龙，陈文学，令红兵



燃煤机组新运行方式对在役汽轮发电机的影响

杨国龙，陈文学，令红兵

（东方电气集团东方电机有限公司，四川 德阳 618000）

当前燃煤火电机组运行的外部环境已经发生深刻变化，机组承担电网调节任务的压力越来越大。本文总结了当前燃煤机组新运行方式的特点，重点分析了机组灵活性运行对发电机定、转子绕组等重要部件和机组运行的影响。同时分析了发电机在调压调相时，过磁通、过电压对发电机铁心端部和绝缘材料的影响。燃煤机组新运行方式对在役汽轮发电机的可靠性和寿命影响较大。由于当前煤电机组的地位正在发生转变，越来越多的在役汽轮发电机将会进入新运行方式。本文的内容可以为优化和改进汽轮发电机，保证机组的安全可靠运行提供有益参考。

汽轮发电机；新运行方式；深度调峰；调压调相

0 前言

目前我国电力系统已形成了超高压、远距离、交直流混合输电，风电、太阳能等分布式电源大量接入的复杂系统[1]。随着能源清洁化和电力体制改革走向深入，电网和电站运行中已出现了一些新的特点，包括长距离输电、新能源接入、节能和超低排放、灵活性运行、竞价上网等。燃煤火电机组运行的外部环境已经发生变化，运行方式从原来的主要承担“基荷”运行转变成调峰、调压、调频等灵活性运行，新的运行方式对在役汽轮发电机的适应性、可靠性和经济性等提出了更高的要求[2]。

汽轮发电机作为燃煤电站主设备，能否适应这种新变化，需要进行多方面的评估。下面从电网、电站运行的新特点出发，研究分析在役汽轮发电机面临的挑战，为今后找出发电机适应新运行方式应采取的措施和方法提供参考。

1 电网、电站运行新特点

1.1 长距离输电

国内用电负荷主要集中在东南部地区，而大型水电和火电基地位于中西部地区，新能源基地位于西部和北部地区，电网输电呈现出远距离、逆向分布的特点。当前为了增加清洁电力供应，促进太阳能、风能等清洁能源的发展，解决弃风、弃光和弃水较为严重地区的电能送出受限问题，在“十三五”期间，要加强新能源开发重点地区的电网建设，新增跨省跨区通道19条，新增输电能力1.3亿千瓦，消纳新能源和可再生能源约7000万千瓦[3,4]。

实现远距离大容量输电主要有交流和直流两种方式。远距离交流输电线路通常会加装串联补偿电容器，以抵消一部分线路电抗，提高线路的输电容量，同时也能提高电力系统的暂态稳定性。高压直流输电是远距离、大容量、点对点输电的一种有效方式，具有经济性好、控制灵活的优势。然而，不论是含有串联补偿电容的交流输电线路，还是高压直流输电系统，都有可能给送端发电机组带来两个问题[5]：

（1）次同步振荡，它使机组轴系的疲劳寿命降低，严重时甚至使轴系遭到直接损坏；

（2）过电压，对发电机的绝缘寿命和安全稳定运行造成影响。

随着我国越来越多的交直流长距离输电工程的投运和跨区域输电规模的不断扩大，上述问题可能在一定程度上变得更加复杂[6]。

1.2 新能源接入

为破解新能源消纳难题，推进绿色发展，“十三五”期间，国内将完成2.2亿千瓦火电机组灵活性改造（含燃料灵活性改造），提升电力系统调节能力4600万千瓦。改造后的纯凝机组最小技术出力达到30%~40%额定容量，热电联产机组最小技术出力达到40%~50%额定容量；部分电厂达到国际先进水平，机组不投油稳燃时纯凝工况最小技术出力达到20%~30%。

在国外，2017年6月初，英国和德国的新能源发展已经到达了一个原来认为无法企及的高度。在英国超过50%的用电量由零排放的可再生能源提供，而在德国，这一比例达到75%左右，如图1所示。为实现国内提出的2020年、2030年非化石能源消费比重分别达到15%、20%的目标，保障电力安全供应和民生用热需求，需要提高电力系统的调节能力及运行效率，从负荷侧、电源侧、电网侧多措并举，重点增强系统灵活性、适应性[7,8]。

图1 欧洲典型日的各种能源发电曲线

1.3 节能减排和煤电的竞争

实现节能减排的主要途径是调整能源结构，为此国家出台了一系列政策给予引导。一方面通过进行补贴、实行配额等方式，促进可再生能源的消纳；另一方面通过价格信号、调度措施，利用需求侧弹性，引导负荷向消纳可再生能源的方向变化。

2017年1~11月份，全国火电利用小时数最高的为河北4580h，最低的为西藏2986h，预计在“十三五”期间将继续下降[9]。同时针对风电、核电快速发展的实际，未来将会把风电、核电作为重要市场主体纳入调峰机制，实现风火、核火之间的互补互济。煤电今后的发展将从单纯保障电量供应，向更好地保障电力供应、提供辅助服务并重转变[10]。

2 燃煤火电机组运行方式的新特点及对发电机的影响

2.1 调峰运行

目前，燃煤火电呈现出参与调峰或调停机组数增多、利用小时数减少、机组负荷率低等特点。

调峰运行一般有三种不同的运行方式，即：

a）两班制运行，发电机一般白天运行，晚上停机；

b）多班制运行，视系统需要而定，发电机每天数次起动/停机；

c）变负荷运行，机组在额定转速下持续运行，根据系统需要调节负荷。

我国大部分燃煤火电机组的调峰运行方式属于上述第三种，即变负荷运行，并呈现深度变负荷特点。调峰运行对发电机的影响是多方面的，归纳起来有以下几个方面。

（1）对定子绕组的影响

定子铁心和定子绕组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，造成在发电机负荷快速增加或减少时，铁心和绕组之间的轴向膨胀和收缩量不一样，产生铜铁膨胀差，经常性在这种状态下运行就容易导致定子绕组的松动。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，如图2和图3所示。

图2 定子绕组端部绝缘磨损

图3 线棒槽口处绝缘磨损

定子线棒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。无论是频繁起停机的两班制运行还是负荷深调的负荷循环方式运行，绝缘材料与铜导体之间都会形成很大的剪切应力，严重时将导致二者间的联接破坏。

频繁的膨胀和收缩应力将使得铜导体表面的环氧云母绝缘发生分层或脱壳，如图4所示。除了会降低绝缘材料的热传导率外，还极易在铜导体与主绝缘之间的空隙中发生局部放电，降低绝缘材料的性能。这一问题的严重性还在于定子绕组的松动、绝缘磨损和振动劣化只有通过一定时间的运行后才能发现。而初期能满足设计要求的定子绕组固定系统、绝缘系统，往往由于材料和工艺的分散性，其缺陷在带稳定负荷长期运行时并不会显露出来。只有在长期调峰运行时，定子绕组本身的电磁振动加上循环热应力的影响，才会使定子绕组出现故障。图5所示的发电机在经过长期调峰运行后，甚至出现了定子绕组端部支架断裂的事故。

图5 定子绕组端部支架断裂

（2）对转子绕组的影响

发电机转子绕组是调峰运行中最薄弱的部件之一。与定子绕组情况类似，发电机转子也有铜铁胀差，当负荷调节时，转子铜线发热量大幅变化，而转子铁心的温度变化较小，由于转子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。另外，转子绕组要承受高速旋转的离心力、幅值变化较大的起停应力，以及膨胀收缩力的作用，会使转子铜线产生蠕变。虽然转子铜线均采用抗蠕变能力强的含银铜线制造，但即使改善了铜线的材料，频繁的胀缩仍然会使转子铜线，特别是转子端部顶匝线圈的铜线容易因应力蠕变而发生变形，进而可能发展成匝间短路，严重时还会导致包间短路。图6所示的转子绕组端部顶匝铜线都出现了不同程度的翘曲变形。

图6 转子绕组变形

绕组变形常伴随有槽绝缘磨损、匝间短路、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。

发电机转子若经常性盘车，会因为转轴扰度的变化导致线圈间、线圈与绝缘和槽楔间的磨损加剧，如图7和图8所示，大容量柔性转轴更容易产生这一问题。长期调峰运行还会加剧转子铜粉尘问题的发生。转子中严重的铜粉尘会产生电流通路而引起转子绕组匝间短路或接地故障。

图7 转子铜线与绝缘间的磨损

图8 转子铜线的磨损

（3）对定子铁心的影响

调峰时发电机铁心受周期性热应力和交变电磁场影响，可能发生振动超标。发电机定子铁心内有交变电磁场通过，产生交变电动力，会有基频振动和倍频振动，加上外部运行方式引起的谐振，容易导致铁心松动（如图9所示），铁心振动幅值加大。

振动严重时会使得定子铁心轭部、齿部的片间绝缘破坏，造成局部涡流发热，甚至熔化局部铁心（如图10所示），进一步使定子绕组绝缘破坏、接地。铁心振动大时，能量的传递很快，能量还能以声响的形式传到厂房，形成很大的噪音。

图9 定子铁心松动

图10 定子铁心局部过热熔化

（4）对转子齿部、槽楔、护环和风扇叶的影响

频繁起停机、反复通过临界转速、并网等加大了对转轴的机械损耗，低周疲劳应力可能造成转子金属结构件上裂纹的产生和扩大。对于转子齿部、应力集中的R区，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。

许多材料由应力集中产生裂纹的情况，往往起因于应力腐蚀环境的劣化作用。例如护环的应力腐蚀，即使仅带基本负荷的发电机，如果冷却介质含有超过一定限度的水份，便可大大加快裂纹的生成和扩展速度。对于经常调峰运行的机组来说，机内氢气湿度不达标的风险更大，更容易造成一些承受应力较大的部件产生裂纹，影响发电机的安全稳定运行。

（5）对转子油膜的影响

两班制运行时，发电机经常长时间低速盘车备用，在无高压油顶系统或该系统工作不良时，油膜厚度得不到保障，支撑轴承会有磨损，将使轴承顶隙扩大，油膜形状也受到破坏，因而有可能出现油膜失稳甚至油膜振荡。

（6）对转子大轴寿命的影响

两班制运行时，发电机频繁起停机，使转子反复通过临界转速，轴振动的冲击将更大、更严重。发电机频繁并网也可能因产生的转矩冲击使轴系造成疲劳积累，特别是并列次数的增加无形中也增加了误并列的机会，误并列则对轴系可能造成严重损伤。

振动和扭振对轴系的损坏既可以是由长时间低幅值扭振所引起的轴系疲劳损耗也可以是由短时间的高幅值扭振所致。由电力系统次同步振荡所引起的发电机组轴系损坏已有多起，主要是轴系连接处的断裂或者大轴裂纹，如图11和图12所示。随着越来越多超/特高压电网的建设和投运，当前电网运行的环境越来越复杂，虽然已注意到次同步振荡的危害并采取措施加以预防，但发电机遭遇次同步振荡的风险依然存在。

图11 转子导电杆部位裂纹

图12 转子汽端轴伸上裂纹

（7）对机内漏油的影响

氢冷发电机运行的主要问题之一就是漏油。漏油会降低氢气的纯度，严重影响发电机的绝缘效果。图13所示，机内漏油污染定子铁心，容易导致定子铁心松动，还会使得定子绕组绝缘表面的电气强度降低，定子槽楔产生松动翘曲，如图14所示。

发电机调峰运行时，受负荷变化的影响，机内氢温会发生变化，引起氢气压力的频繁波动，影响密封油系统的正常工作，增加机内漏油的风险。发电机起停时，由于转子位置的变化，也会使油封间隙增大，漏油风险增加。

图13 漏油污染定子铁心

图14 定子槽楔松动

2.2 调压、调相运行

电力系统的电压高低和无功功率的平衡有关，无功功率欠缺时，电压水平降低；无功功率有剩余时，电压就会上升。

随着城市电网建设的需要，220kV电压等级的电缆线路铺设量逐渐增加，由于每公里电缆线路电容值较大，产生的充电功率比常规架空线路约高一个数量级，很容易产生无功过剩，使得电压上升。以珠海电网为例，220kV母线各处线电压为235.3~238.7kV，超过额定值的7%~8.5%[11]，而电网规定的电压合格范围为-3%~+7%，电压升高明显，超出了限值。另外，在节假日或后半夜低负荷时，也有可能出现无功功率过剩以致电压升高，超出允许范围的情况。发电机参与调压运行和进相运行的次数、时长都比以往增加，甚至成为一种常态。发电机由于外部运行环境导致过电压运行的情况今后也会越来越多。过电压对发电机的影响主要有以下两个方面。

（1）过电压对绝缘材料的影响

发电机正常运行时，如果绝缘良好没有局部放电，那么过电压的侵入可能会将原有潜在缺陷劣化为事实缺陷，进而使电场发生畸变，产生局部放电甚至直接击穿。如果绝缘已有缺陷，过电压的侵入不仅对潜在缺陷有影响，而且对已有缺陷影响更大。

定子线圈的绝缘直接关系到发电机的运行可靠性，寿命和技术经济指标。因为发电机的定子线圈在运行中，要长期经受高电压、高温、交变电磁力和环境等诸多因素的作用。高电压的作用是使绝缘介质随时间延长损耗加大，加速绝缘老化，从而出现电晕、电腐蚀，甚至引起放电，造成短路和绝缘击穿。

在运行中绕组受交变电磁力的作用及倍频机械振动磨损，负荷突变时，还要受冲击力。当温度变化时，绝缘受拉伸和压缩的热应力；同时绝缘长期处于发热体中，温度过高会加速绝缘老化。本来在绝缘缺陷处电场已发生畸变，再加上过电压叠加工频电压，电压幅值会大幅增加，将产生脉冲频率更高的局部放电。局部放电除产生强烈过热外，还会产生臭氧和氮氧化物，它们极易与周围的水汽等媒介发生化学反应生成酸，损坏局部绝缘，如图15所示。线圈绝缘材料表面损坏后，局部放电集中于凹坑并向绝缘材料内部发展，严重时会发展为树枝放电直到击穿。其绝缘破坏的速度与局部放电的严重程度和持续时间有关。

图15 局部放电对定子线棒绝缘材料的影响

（2）过电压对磁通密度的影响

当发电机遭遇过电压时，电压与频率的比率，即/增加，定子铁心的磁通密度可能超出设计值。过磁通对发电机影响较大，会使得定子铁心磁密增加，进入饱和区，铁耗、涡流损耗等增加，致使铁心温度升高，效率下降。

过高的磁通密度还会产生漏磁通，磁通量由背部铁心渗透到空气中，在铁心外部产生交变磁场。这样漏磁通就能通过定位筋和铁心压指压圈产生电流回路，如图16所示。一旦电流超过限值，不仅会将导致定位筋发热，还会在铁心硅钢片与定位筋接触的鸽尾处产生灼伤过热的痕迹。

图16 定子铁心漏磁通产生的电流回路

发电机从迟相转为进相运行时，定子端部合成漏磁通将增加，且漏磁通增加率与进相深度成正比。这些漏磁通主要集中在定子的压圈内圆、压指和边端铁心齿处，导致这些部件的涡流损耗增大，温度升高，甚至可能会超过允许的温度限值。

过高的铁心磁密还会导致定子铁心的片间电压升高。倘若定子铁心存在轻微的片间短路情况，过电压会使这一区域发热更为严重，逐渐导致绝缘变低或受损，最终在铁心内形成电流的闭合回路。由于发电机定子铁心片间绝缘或多或少都存在一些轻微缺陷，过磁通运行容易使这些缺陷放大，最后甚至导致定子铁心绝缘完全损坏以及定子铁心烧毁（图17所示），对发电机组的安全稳定运行构成巨大威胁。

图17 过磁通引起的铁心损伤

3 小结

过去大容量燃煤火电机组均以带基础负荷长期稳定运行为设计目标，关注的重点在于如何优化定转子绕组和定子铁心的冷却方式，以提高满负载工况下发电机的输出效率和参数。但是当前由于电网外部运行环境的改变，发电机的运行方式与以往相比有很大的不同。调峰、调压、进相运行的时间和次数都大大增加。虽然发电机在设计之初，考虑了各种运行环境对发电机的影响，也采取了相应的措施加以应对，但实际上之前很少有大容量汽轮发电机在长期的调峰、调压包括进相下运行，行业内对这些运行方式的机理分析还不够。正如同之前对发电机两班制运行认识不足的情况一样，导致有的氢冷发电机经过短期的两班制运行后，就出现了严重的转子绕组端部匝间绝缘磨损和匝间短路情况，最后不得不重绕转子绕组。

随着大型发电机设计、工艺技术的进步，对机组进行适应性的改造，从时间周期和技术条件来看都是可行的。例如当发电机从常规运行转向频繁调峰时，首先应对机组进行全面检查，重点关注定、转子绕组的运行情况。

其次对发电机进行适应性改造：

（1）针对定子线圈，可以采用有空间补偿量的改进槽楔结构以提高定子线棒槽内固定的可靠性，在更换线圈时，采用电场内均压技术提高调峰运行寿命；

（2）针对转子线圈的变形，可以在转子线圈端部设置弹性伸缩结构，以及优化和改进端部垫块固定结构以限制线圈变形的空间；

（3）针对机内漏油的风险，可以采用接触式油挡；

（4）加强发电机的状态监测，装设诸如局部放电、转子线圈匝间短路、定子线棒光纤测振、轴电压轴电流等在线监测装置等；

（5）采用远程诊断专家系统，及时掌握发电机变化趋势，及早发现问题。

最后，还需要建设专业性更强的运行维护队伍，提高机组的检修效果，为新环境下燃煤火电机组的可靠运行提供更好的保障。

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The Influence of New Operation Mode of Coal-fired Uniton Steam Turbine Generator in Service

YANG Guolong, CHEN Wenxue, LING Hongbing

(Dongfang Electric Machinery Co., Ltd., Deyang 618000, China)

The external operation environment of the current coal-fired thermal power plant has undergone profound changes, and generators are under increasing pressure to undertake grid regulation tasks. This article summarizes the characteristics of the new operation mode of the current coal-fired generating units, and focuses on the analysis of the influence of flexible operation on generator important components such as stator windings, rotor windings, etc. and unit operation. At the same time, the influence of over-flux and over-voltage on the generator core end and insulation materials during the voltage regulation and phase adjustment is analyzed. The new operation mode of coal-fired units has a greater impact on the reliability and life of the turbine generators inservice. As the current status of coal-fired power plants is gradually changing, more and more in-service turbine generators will enter new operating modes. The content of this paper can provide a useful reference for optimizing and improving the turbine generator to ensure the safe and reliable operation of the unit.

turbine generator; the new operation mode; deep peak-load regulation; voltage and phase regulation

TM311

A

1000-3983(2018)05-0048-06

2018-06-23

杨国龙（1986-），2011年毕业于哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院，硕士，现在东方电气集团东方电机有限公司从事汽轮发电机设计工作，工程师。