沙角A電廠國產(chǎn)200 MW發(fā)電機(jī)–變壓器組的增容改造
為適應(yīng)國產(chǎn)三缸三排汽200 MW汽輪發(fā)電機(jī)組全面技術(shù)改造的需要，廣東省沙角A電廠分別于2000年和2002年對一期3臺200 MW機(jī)組中的2號和3號汽輪機(jī)進(jìn)行了三缸通流改造，同時(shí)對原發(fā)電機(jī)–變壓器組也進(jìn)行了改造，使機(jī)組增容至220 MW。為此，對其發(fā)電機(jī)–變壓器組增容的情況進(jìn)行了評估分析，并對相關(guān)設(shè)備進(jìn)行了改造。實(shí)際運(yùn)行表明：改造后發(fā)電機(jī)–變壓器組各項(xiàng)指標(biāo)均在運(yùn)行規(guī)程規(guī)定范圍內(nèi)。
關(guān)鍵詞：發(fā)電機(jī)–變壓器組；200MW機(jī)組；增容改造
廣東省沙角A 電廠一期3臺200 MW機(jī)組均為哈爾濱三大動(dòng)力廠20世紀(jì)80年代制造的機(jī)組，分別于1987年至1989年相繼投入商業(yè)運(yùn)行。發(fā)電機(jī)為水氫氫冷卻方式，汽輪機(jī)為設(shè)計(jì)技術(shù)落后的55型機(jī)組。為適應(yīng)國產(chǎn)三缸三排汽200 MW汽輪發(fā)電機(jī)組全面技術(shù)改造的需要，分別于2000年和2002年期間對2號和3號汽輪機(jī)進(jìn)行三缸通流改造，使汽輪機(jī)組達(dá)到降低損耗，提高調(diào)峰適應(yīng)能力的目的。同時(shí)對原發(fā)電機(jī)–變壓器組進(jìn)行適當(dāng)?shù)母脑?，使機(jī)組增容至220 MW，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。
1發(fā)電機(jī)增容評估及改造
1.1增容后發(fā)電機(jī)損耗分析
哈爾濱電機(jī)廠制造的QFSN2-200-2發(fā)電機(jī)出力從200 MW增至220 MW后，在功率因數(shù)、出口電壓、頻率、運(yùn)行氫壓不變的情況下主要額定參數(shù)變化如表1。
發(fā)電機(jī)增容后，由于定、轉(zhuǎn)子本身結(jié)構(gòu)未有改變，氣隙合成磁密變化不大，故鐵心損耗基本不變，因此發(fā)電機(jī)損耗中主要是繞組的銅耗增加，其它損耗基本保持不變。經(jīng)測試，定子線圈每相直流電阻R1≈2.49×10-3Ω，轉(zhuǎn)子繞組直流電阻R2≈0.219 Ω(R1、R2已換算至級絕緣的基準(zhǔn)工作溫度75 ℃)，所以定、轉(zhuǎn)子繞組銅耗增加量分別為：ΔP1＝(94 882－8 6252)A2×2.49×10-3Ω×3＝116.8 kW；ΔP2=(1 8842－1 7652)A2×0.219Ω＝95.3 kW。即發(fā)電機(jī)的總損耗約增加212.1 kW，約增加7.1%。
1.2增容后發(fā)電機(jī)溫升分析
根據(jù)廠家計(jì)算，220 MW發(fā)電機(jī)定子上層線棒損耗約為7.6 kW，發(fā)電機(jī)定子繞組的冷卻水量按30 t/h 計(jì)算，則定子每根線棒的水量qm=(30 000 kg÷3 600 s)÷108＝0.077 kg /s，因此線棒出水溫升是7.6 kW÷〔4.2×103 J/(kg·K)×0.077 kg/s〕＝23.5 (其中，4.2×103 J/(kg·)代表水的質(zhì)量熱容)，考慮到線棒實(shí)心股線和水之間溫差約為3～5，同層線棒的不均勻溫升系數(shù)為1.2，估計(jì)線棒最高銅溫升達(dá)到33.2，按定子線棒進(jìn)水水溫為50 ℃計(jì)算，繞組銅線的最高溫度不超過83.2 ℃。按照原國家標(biāo)準(zhǔn)G/ 7064—1996《透平型同步電機(jī)技術(shù)要求》，溫升還有較大裕度，滿足增容要求。
1.3發(fā)電機(jī)定子部分改造
1.3.1更換新型的氫氣冷卻器
沙角A電廠200 MW汽輪發(fā)電機(jī)原設(shè)計(jì)有4個(gè)繞簧式氫氣冷卻器，布置于定子的個(gè)角上，其換熱裕度只有6％，因此滿足不了增容至220 MW的要求，必須全部更換為新型冷卻器。新型冷卻器具有如下的特點(diǎn)：
a)新冷卻器(型號QL356.2-00)采用穿片式，帶出損耗675 kW(氫壓0.3 MPa)，比原繞簧式冷卻器(型號QRI14×9.5-3052)的換熱容量500 kW高出35％，當(dāng)進(jìn)水溫度為33 ℃、冷卻氣體出口溫度為40 ℃的技術(shù)參數(shù)條件下能滿足增容的要求；
b)翅片采用T2材料，銅管采用fe10-1-1硬紫銅管替代68黃銅管，適用于近海江湖水，而且傳熱效果更佳；
c)冷卻器木支架改為鋼板整片套穿，既改善了通風(fēng)散熱條件，又增加了散熱面積；
d)新型冷卻器的安裝尺寸與原繞簧式冷卻器相同，可以互換。
1.3.2加裝冷熱風(fēng)區(qū)氣隙隔板
增容后，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子溫升相對提高，為克服這一缺點(diǎn)，在定子鐵心內(nèi)圓冷熱風(fēng)區(qū)之間加裝徑向氣隙隔板(見圖1)，以減少冷熱風(fēng)氣流的混合，確保轉(zhuǎn)子具有較低的進(jìn)風(fēng)溫度，強(qiáng)迫氣隙處冷卻氣體流經(jīng)轉(zhuǎn)子，提高轉(zhuǎn)子冷卻風(fēng)量。同時(shí)也減少端部氣隙氣流對內(nèi)部風(fēng)區(qū)的干擾，從而可確保轉(zhuǎn)子溫升分布的均勻性和定子風(fēng)量分布的合理性。經(jīng)制造廠的多次試驗(yàn)表明：加裝氣隙隔板可使轉(zhuǎn)子溫升下降10 左右，轉(zhuǎn)子溫升不均勻系數(shù)下降0.05左右。
1.3.3定子線圈端部固定結(jié)構(gòu)改進(jìn)
增容后，端部電動(dòng)力增加21％，因此應(yīng)特別注意繞組鼻端徑向電動(dòng)力問題。沙角A電廠2號、3號發(fā)電機(jī)分別是1987年6月和1988年11月出廠的產(chǎn)品，發(fā)電機(jī)端部均采用27塊窄壓板的壓板式固定結(jié)構(gòu)。1993年2號機(jī)組大修期間已對端部進(jìn)行加固改造，具體措施是將27塊窄壓板改為寬壓板，相鄰壓板之間加裝切向支撐塊(俗稱“小扁擔(dān)”)，并加綁φ5 mm滌淪玻璃絲繩；水電接頭絕緣盒全部更換為盒縫在背風(fēng)面的新型絕緣盒，并加裝兩道φ20 mm滌淪玻璃絲繩；槽口墊塊更換為新型的三塊式契形墊塊。
3號機(jī)組在2002年4月大修期間，結(jié)合現(xiàn)場重壓鐵心、更換全套線棒的工作采用了新設(shè)計(jì)的端部固定結(jié)構(gòu)，特殊的加固措施是在線棒與上層壓板及下部支架間加墊一層氟橡膠板，起阻尼作用，以降低端部固有振動(dòng)頻率，避開電磁共振區(qū)域。
1.4發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的評估
發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子原設(shè)計(jì)是沿軸向劃分成9個(gè)冷卻風(fēng)區(qū)，進(jìn)5出，與定子進(jìn)出風(fēng)區(qū)一一對應(yīng)；轉(zhuǎn)子線圈在槽內(nèi)部分為中間銑孔，構(gòu)成斜流式氣隙取氣的氫氣通道；端部采用一路半通風(fēng)結(jié)構(gòu)，能解決大號線圈風(fēng)路過長末端溫升偏高的問題；轉(zhuǎn)子線圈采用含銀銅銅線冷拉成型，抗蠕變能力強(qiáng)；匝間和槽絕緣均采用高強(qiáng)度的級絕緣，最高允許溫度為130 ℃；軸和聯(lián)軸器均采用高機(jī)械強(qiáng)度的合金鋼，能滿足增容后發(fā)電機(jī)扭振時(shí)的強(qiáng)度要求。因此，轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)能滿足增容需要，不需改造。
2發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的評估
2.1主勵(lì)磁機(jī)的評估及改造
原主勵(lì)磁機(jī)型號為JL-1150-4，設(shè)計(jì)容量為1 058 kW，額定電壓415 V(200 MW)、額定電流1 600 A，因此主勵(lì)磁機(jī)的儲(chǔ)備系數(shù)K=［1 058/(15×1.6)］1/2=1.262，設(shè)計(jì)容量裕度較大，滿足發(fā)電機(jī)增容10％的要求。
原主勵(lì)磁機(jī)的空氣冷卻器為繞簧式(型號LQ52/8-1200)，背包式放置，每一風(fēng)路上只有一個(gè)冷卻器，不能滿足“停運(yùn)一個(gè)冷卻器，仍能保證額定出力的要求”，因此冷卻器需改為一組兩個(gè)冷卻器(型號02A781)，共兩組。冷卻器水管及水箱材質(zhì)選用fe10-1-1和Q235A，翅片選用2材料。新型的一組冷卻器與原冷卻器具有互換性。
2.2副勵(lì)磁機(jī)評估
原副勵(lì)磁機(jī)型號為TFY-46-500，設(shè)計(jì)容量為40 kW、額定電壓為161 V、額定電流為165 A，其儲(chǔ)備系數(shù)K=1.227，顯然設(shè)計(jì)容量裕度能滿足發(fā)電機(jī)增容10％的要求。副勵(lì)磁機(jī)是500 z的稀土鈷永磁體，具有外特性硬、技術(shù)參數(shù)好、可靠性高等特點(diǎn)，因此副勵(lì)磁機(jī)不需改造。
2.3其它設(shè)備的評估
發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)原設(shè)計(jì)采用哈爾濱電機(jī)廠配套的KTG-2D型勵(lì)磁系統(tǒng)，其整流裝置額定輸出電流為2 000 A，電壓為1 000 V，滅磁開關(guān)采用DM2-2500型自動(dòng)滅磁開關(guān)，長期允許分?jǐn)嗄芰橹绷麟妷?00 V，電流2 500 A，可以滿足增容要求。
由于早期的轉(zhuǎn)子放電器過電壓保護(hù)性能不可靠，一旦發(fā)生過電壓就極易燒損，對發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子回路造成事故隱患，因此在1995年沙角A電廠加裝了中國科學(xué)院等離子體物理研究所的MB11-1.0型發(fā)電機(jī)滅磁、過電壓保護(hù)柜，利用高能氧化鋅壓敏電阻進(jìn)行恒壓和吸收能量。原配套的勵(lì)磁調(diào)節(jié)器調(diào)整功能不全，運(yùn)行近10年后又出現(xiàn)元件老化，不能滿足目前系統(tǒng)對無功調(diào)節(jié)及穩(wěn)定的要求，因此沙角A電廠在1996年和1998年機(jī)組第三次大修期間已更換為GEC-1A型全數(shù)字式微機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)裝置，提高了電壓調(diào)節(jié)精度并改善了系統(tǒng)振蕩時(shí)無功調(diào)節(jié)能力，為發(fā)電機(jī)的增容創(chuàng)造了有利條件。
另外，原勵(lì)磁系統(tǒng)設(shè)計(jì)有兩個(gè)整流硅屏，單屏運(yùn)行時(shí)只能維持1.1倍額定勵(lì)磁電流，不能滿足發(fā)電機(jī)2倍的強(qiáng)勵(lì)要求。并且采用帶水冷卻器的風(fēng)冷系統(tǒng)，屏內(nèi)頂部水箱一旦出現(xiàn)漏水，易造成短路事故。又因整流器件老化而性能變差、發(fā)熱嚴(yán)重，屏內(nèi)通風(fēng)散熱不良，如關(guān)閉柜門運(yùn)行，時(shí)常出現(xiàn)屏內(nèi)風(fēng)溫過高，威脅晶閘管的安全運(yùn)行(尤其在夏天)，故運(yùn)行中必須打開柜門通風(fēng)散熱，但也帶來許多不安全因素。因此沙角A電廠在2000年和2002年機(jī)組大修期間，將硅屏更換為清華同方股份公司的ZGLF-2000A/1000V整流硅屏，取消冷卻水系統(tǒng)，單靠純風(fēng)冷就可以關(guān)閉柜門安全運(yùn)行，效果良好，而且能夠滿足單柜運(yùn)行時(shí)具有2倍強(qiáng)勵(lì)的要求。
3主變壓器的評估及改造
3.1主變壓器增容前后的溫升情況
沙角A電廠2號、3號機(jī)組主變壓器均是保定變壓器廠產(chǎn)品，型號為SFP7-240000/220(產(chǎn)品代號IBB.710.257.1、標(biāo)準(zhǔn)代號G 109.1～5—85，共組冷卻器)。發(fā)電機(jī)帶220 MW有功負(fù)荷時(shí)，如果功率因數(shù)在0.85，視在功率將達(dá)258.80 MVA，主變壓器低壓側(cè)電流將達(dá)到94 88 A，因此主變壓器必須增容至260 MVA(型號：SFP7-260000/220，電壓高壓側(cè)為242 kV，低壓側(cè)為15.75 kV)。
根據(jù)計(jì)算，主變壓器由240 MVA增容至260 MVA時(shí)，主要性能數(shù)據(jù)和溫升的變化見表2和表3
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