光热发电用空冷发电机技术特点

房俊伟

(山东齐鲁电机制造有限公司，山东济南 250100)

0 引言

在全球能源转型的大趋势下，可再生能源将成为能源市场的主角，占比达到80%以上。在可再生能源中，具有稳定、可调节特性的光热发电会占有重要的一席之地。根据国家“十三五”规划，我国2020年光热发电量为500 MW～1 000 MW，2030年为3 000 MW～6 000 MW，2050年达到18 000 MW～50 000 MW，光热发电市场潜力巨大。

2012年7月，国家能源局下发国能新能[2012]194号文件《国家能源局关于印发太阳能发电发展“十二五”规划的通知》，标志着我国光热发电进入了实质性发展阶段。2016年9月，国家能源局下发国能新能[2016]223号文件《国家能源局关于建设太阳能热发电示范项目的通知》，公布了首批光热发电示范项目共20个，总计装机容量1 349 MW，计划于2018年年底前建成投产。如今大部分项目已经投运或正在建设中，为我国光热发电行业积累了宝贵经验，为更安全、更经济的建设大规模光热电站奠定了坚实基础。

预计国内市场将来较长一段时间，光热发电用汽轮发电机组大部分都在300 MW以下。对于300 MW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，我公司相继研发了光热发电用50 MW等级、100 MW等级空冷汽轮发电机产品，市场反应良好。本文对50 MW等级、100 MW等级光热发电用空冷汽轮发电机研发过程中与常规的汽轮发电机几个不同点进行了探讨，供光热发电用发电机研发者和用户们参考。

1 结构方案选型

典型的光热发电机组，见图1，一般为发电机布置在汽轮机高压缸与低压缸之间，高压缸通过变速箱与发电机连接。低压缸轴向排气，高低压缸可单独运行，也可以联合运行。一般要求发电机为双头驱动、单层布置结构，由于发电机为双头驱动，为降低发电机轴电压，除常规的发电机汽端(靠近高压缸侧)采用接地碳刷外，发电机靠近低压缸侧的联轴器需加绝缘。另外，由于发电机布置在汽轮机高压缸与低压缸之间，需考虑发电机大修抽转子时不能直接从两端抽出，需采用专用工具将发电机从两侧平移出来后，再按常规抽装转子方法进行抽装。

图1 典型光热发电用发电机外形图

2 电磁方案选型

光热电站建设资金巨大，一般高于2万元每千瓦，有的甚至达到4万元每千瓦。而国产汽轮发电机组价格仅约为500～700元每千瓦，其中发电机约为100～140元每千瓦，占整个电站投资资金比例很小。据德国专业机构对光热发电平准化度电成本的测算，汽轮发电机组的效率若相差1%，若想达到相同的度电成本，汽轮机的价格应相差约35%。由此看来，发电机效率对整个电站收益影响非常大，但对于光热电站来说，发电机设备的投资成本比例比常规火电站要小很多。因此，为使电站实现最大收益，发电机价格与效率之间的最佳平衡点应与常规火电机组不同。以某公司额定功率50 MW发电机为例，常规火电用汽轮发电机满载效率约为98.35%，如仅将其铁心长度加长360 mm，成本增加约12%左右，在同等温升条件下，调小转子风扇角度以减小风摩损耗，效率可达到约98．43%。因此对光热电站来说，相对于常规火电机组，可以增加光热发电用发电机的有效尺寸以提高发电机效率，虽然发电机成本会略有增加，但可以大幅提高电站整体收益。

3 调峰运行能力

与常规火力发电用发电机相比，光热发电用发电机要求有更高的调峰运行能力。对于按连续负荷运行的常规机组来说，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，我们在常规火电用汽轮发电机组中已有大量成熟的经验，如采取定子VPI整体绝缘系统见图2、转子线圈间增加滑移层、转子线圈端部加强垫块绑扎等技术。

图2 采用VPI整体绝缘系统的发电机定子

4 高海拔的影响

我国目前光热发电太阳能资源主要分布在青藏高原、内蒙古高原等高原地区。国家能源局国能新能[2016]223号文件《国家能源局关于建设太阳能热发电示范项目的通知》公布的首批20个光热发电示范项目，分布在青海、甘肃、河北、内蒙、新疆等省区，有近一半是建设在高海拔地区。高海拔地区的特殊自然环境条件如空气压力低或空气密度较低主要影响发电机的出力、绝缘强度、起晕电压、电气间距等。因此对于运行在高海拔地区的光热发电用发电机必须采取相应措施。

5 研发方向展望

我们知道，发电机组单机容量越大，其发电效率越高。建造大容量太阳能光热发电站，是降低太阳能热发电成本的重要途径。在同样技术条件下，机组容量越大，单位千瓦的投资成本和年运行维护费用越低，机组本身的运行效率和电站辅助设备及管道系统效率也越高，则电站综合效率明显提高，特别是对于塔式、槽式光热发电站，其成本与装机容量规模密切相关。通过专家计算：采用蒸汽轮机的光热电站的装机容量要50 MW以上热效率才能达到有利润的程度。国家首批20个光热发电示范项目，其中50 MW项目14个、100 MW项目5个、135 MW项目1个，可以看出50 MW容量等级的发电机组占了绝大部分。在国际上光热发电大国西班牙、美国等国家，主流机组为100 MW～200 MW，400 MW机组正在逐渐兴起。因此，光热发电用发电机组单机容量逐步增大是以后的发展趋势。

为加大能源综合利用效率，提高经济性，“光热+”模式将是未来光热发电的大发展趋势。“光热+”模式包括生物质燃料(或天然气)和光热混合发电、风电光热复合发电系统、通过补燃或与常规火电厂联合运行等方式。因此，未来的光热发电用发电机需考虑用于“光热+”模式的适用性。

6 结语

我国汽轮发电机的设计、制造技术已接近于世界先进水平。随着光热发电机组的迅速发展，我们应该利用在设计、制造常规汽轮发电机方面的经验，应用到光热发电机组的研发上，形成我们光热发电用发电机领域的领先优势。