技术︱大型核电半速汽轮发电机设计特点
哈尔滨电机厂有限责任公司的研究人员靳慧勇、焦晓霞、黄浩，在2015年第7期《电气技术》杂志上撰文，随着国家能源发展的需要，我国将大力发展核电。哈尔滨电机厂有限责任公司从日本三菱公司引进了AP1000常规岛1407MVA等级汽轮发电机，并在此基础上自主研发，开发出具有自主知识产权的与CAP1400核岛相匹配的1722MVA等级大型核电半速汽轮发电机，本文介绍了这些大型核电半速汽轮发电机的主要技术特点。
根据可持续发展要求，国家将优先发展清洁绿色能源。目前我国已经开始建设安全性更高的第三代核电站，首台电站在浙江三门建设，电厂核岛反应堆采用世界上最安全和先进的美国西屋公司AP1000型压水堆，常规岛汽轮机组为哈尔滨电气集团-三菱联合制造生产的1267MW汽轮发电机组。
随后，哈尔滨电机厂先后得到海阳、三门二期、海阳二期、田湾二期和陆丰共计12台第三代核电常规岛汽轮发电机项目。目前，三门核电项目，1,2#汽轮发电机已经设计制造完成，正在现场安装。
1 哈尔滨电机厂核电机组发展历程
1996年, 哈尔滨电机厂成为秦山核电站二期工程755MVA发电机的主合同商,提供了迄今为止完全由国内厂家承制、负完全技术责任的最大的核电主机设备；2008年，哈尔滨电机厂又成为国内首家AP1000常规岛1407MVA汽轮发电机供货商，该机组技术引进日本三菱公司；2011年哈尔滨电机厂又自主研发了具有完全自主知识产权的与CAP1400核岛相匹配的1722MVA等级大型核电半速汽轮发电机。
2 大型核电半速汽轮发电机主要技术参数
根据国内核电市场需要，哈尔滨电机厂拥有与二代加和三代“VVER”“AP1000”和“CAP1400”核电相匹配的系列大型核电半速汽轮发电机，发电机型号和主要技术参数详见表1。
表1 哈尔滨电机厂大型核电半速汽轮发电机参数
|
项目 |
田湾二期 |
三门 |
|
|
型号 |
QFSN-1318-4 |
QFSN-1407-4 |
QFSN-1722-4 |
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核岛堆型 |
VVER |
AP1000 |
CAP1400 |
|
容量（MVA） |
1318 |
1407 |
1722 |
|
额定功率（MW） |
1186.2 |
1266 |
1550 |
|
功率因数 |
0.9 |
0.9 |
0.9 |
|
转速（rpm） |
1500 |
1500 |
1500 |
|
额定电压（kV） |
24 |
24 |
27 |
|
额定电流（A） |
31706 |
33847 |
36827 |
|
频率（Hz） |
50 |
50 |
50 |
|
励磁电压（V） |
470 |
490 |
620 |
|
励磁电流（A） |
8505 |
8895 |
7210 |
|
氢压（MPa）（g） |
0.5 |
0.55 |
0.5 |
|
短路比 |
0.65 |
0.61 |
0.57 |
|
绝缘等级 |
F |
F |
F |
|
温升 |
B级考核 |
B级考核 |
B级考核 |
|
效率（%） |
98.9 |
99 |
99.04 |
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冷却方式： |
水氢氢 |
||
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通风方式 |
轴向 |
轴向 |
定子多路径向+转子副槽 |
|
励磁方式 |
静止 |
静止 |
静止 |
3 发电机结构特点
3.1 发电机总体布置
图1 1407MVA发电机总体布置
图2 1722MVA发电机总体布置和通风方式
大型核电半速汽轮发电机总体结构布置与全速发电机相似，但由于发电机转速低，其有效电磁体积远大于容量全速汽轮发电机。发电机定子外形尺寸大，通常由励磁端、中间段和汽轮机端三段组成，并在制造厂组焊完成整体机座加工和装配；氢气冷却器根据通风方式类型布置在发电机一端或两端顶部；转子采用大直径转轴锻件设计，小长径（L/D）比，有利于降低转子轴振；端盖式轴承，由于转子重量大，采用承载能力好的圆柱型轴瓦；发电机出线盒布置在定子底部，下出线，中性点和主出线分别引出3个出线端子。
3.2 发电机冷却系统
AP1000核电半速汽轮发电机定子线棒采用水内冷，定子铁心和转子均为氢气冷却，氢压0.55MPa（g）。定转子均为轴向通风，风路简图，如图3。在多级风扇的加压作用下，热氢气穿过冷却器散去热量后，分别进入定子和转子。定子采用轴向通风，在磁轭冲片上开了若干通风孔，为定子铁心散热。
图3 轴向通风方式
转子采用轴向通风方式，冷氢气由两侧护环下进入转子导线。一部分冷却转子端部后进入气隙。另一部分冷却转子直线段，转子直线段导线都是空心导线，每匝在转子中部有相互独立的通风孔，各匝为相对独立的风道。导线空心的内表面和氢气进行热交换带走热量。在转子中部的出风口出风后再经由气隙流出。定子流出的氢气冷却端部后，与转子气隙流出的氢气汇集，回到风扇加压，完成一个循环。
针对发电机采用多级高压风扇轴向通风系统，可通过提高动静风叶的级数提高风压和风量在增加发电机冷却能力，增加发电机容量，但由于多级风扇自身风扇损耗大，影响发电机效率，同时根据计算和现场试验，转子轴向通风的转子不平衡温度计算高于副槽径向通风和副槽多段轴径向通风，因此，CAP1400大型核电半速汽轮发电机通风冷却设计方案经多方案对比和选型，最终选用斜副槽径向通风。
转子绕组采用副槽径向通风系统，转子绕组本体采用双排径向出风孔，采用斜副槽设计，以改善风孔内风量分配，冷氢气由副槽口进入，通过径向出风孔冷却转子绕组。转子端部采用“两路式”通风方式。
冷却转子绕组后的热氢气排至气隙中，并与来自相邻风区的氢气一起经过铁心径向通风道到铁心背部，再由轴向通风管汇集在汽、励两端的端部风区内，然后热氢气进入冷却器内冷却。从冷却器冷却出来后的氢气经风扇加压后重新进行循环。
发电机定子采用多路径向通风方式。发电机定子沿轴向分成若干个风区，进出冷热风区交替分布。
3.3 转子结构设计
1）转轴和护环
转轴材料采用Ni-Cr-Mo-V高导磁和高强度的合金钢整体锻件。转子下线槽为开口半梯形槽优化设计，以保证子转子强度允许的格前提下，尽可能增加转子用铜量以降低转子电流密度和温升。
发电机运行中，护环承受巨大的环向应力、径向重复性4瓣变形和端部漏磁通，故护环采用高屈服极限、无磁性奥氏体18Mn18Cr锻件钢。
2）转子绕组和阻尼系统
转子线圈材质为含银冷拉铜排，转子线圈采用中间铣孔组成径向通风道。通过下线槽内通长阻尼条以及端部阻尼环构成全阻尼系统，提高了发电机负序运行能力。
3.4 定子结构设计
1）定子机座
定子机座为整体式，由优质钢板装焊而成，具有足够的刚强度承受氢爆和突然短路，同时机座固有频率避开2倍工频的电磁频率。
2）定子铁心
定子铁心冲片采用高导磁、低损耗的0.35mm厚无取向冷轧硅钢片；铁芯采用定位筋和绝缘穿心螺杆配合端部非磁性齿压板和分体压圈的压紧结构。
为减小端部漏磁场损耗，边段铁心采用阶梯形式，并沿径向开有斜槽。
3）定子线棒
定子采用F级绝缘系统，定子上、下层线棒异截面设计，槽内采用540°罗贝尔加空换位结构，有效的降低线棒附加损耗。
定子线棒端部异节距设计，人为加大端部线棒间放电距离。
4.4.4 定子绕组端部固定支撑系统
为保证发电机能够承受三相突然短路事故时产生的巨大电磁力且不产生有害变形，定子绕组端部固定支撑系统采用环氧树脂胶配合高强度绝缘锥环整体灌注固定结构。同时为适合于跳风运行，整个端部定子绕组形成沿径向和切向固定，轴向可滑移的“刚—柔”固定支撑系统。
图4 定子绕组端部支撑结构
4）出线端子和中性点罩
发电机的6根主引线通过安装在机座集电环端底部的出线盒上的6个出线套管引出。这些引线将连接到封闭母线。必要时，不用抽发电机转子允许更换套管。6个出线套管之间间距适当，容易与外部引线连接。为了消除杂散损耗和过热，出线盒材料采用非磁性钢。
发电机中性点侧出线端子用中性点短路排连接以形成星形连接方式，发电机中性点采用中性点接地设备接地。发电机中性点出线端子和中性点短路排用中性点罩封闭，中性点罩采用水冷却。
3.5 端盖、轴承和油密封
发电机采用端盖式轴承，承载大，稳定性高的圆柱式轴承并具有能自调心能力油密封采用双流式，有效的降低漏氢量。
3.6 刷架和集电环
集电环由高强度碳素工具钢制成；与碳刷接触的滑动部分开有螺旋沟以使炭刷与集电环均匀的接触；空气穿过螺旋沟，由高速旋转而在集电环表面产生较高的空气压力不会防碍集电环与碳刷之间的良好接触。电刷安装在组合式刷握内。刷握以一点接触与集电环同心地安装到刷架上或从刷架上拆下，具有在线更换功能。
3.7 承受多种异常工况的关键结构设计
满足标准规定的多种异常工况运行能力，保证大型核电半速汽轮发电机安全和可靠性，采取以下关键结构设计：
1）适合电网对发电机具有进相运行能力的要求
发电机在进相运行时，由于发电机运行功角变化，定子绕组的由去磁变为增磁，加大端部漏磁场，因此为降低端部漏磁场以及端部铁心温升，在发电机端部设有磁屏蔽，并开有通风道以吸收和改善端部漏磁场分布，提高发电机进相运行能力。
2）适应电网对发电机具有调峰运行能力的要求
目前国内核电已投运的机组均只带基本负荷，通过合理配置抽水蓄能机组达到协助核电机组达到调峰运行。但着眼我国核电长期发展和电网未来要求，大型核电半速汽轮发电机结构设计应采取适应调峰运行结构，具体结构如下：
（1）定子绕组端部设有轴向可自由伸缩结构：通过绝缘锥环和端部支架之间设有滑移层，可以保证端部绕组沿轴向自由移动，释放各部件材料的热涨性能差异而产生的热应力，避免应力对端部绕组的损伤。
（2）转子槽内和端部设计滑移结构：为避免由于负荷的变化将导致转子各部件温升的变化在转子上产生的热位移和应力，在转子本体槽衬内侧和转子端部护环绝缘瓦内侧与线圈之间设置滑移层，以避免热应力对转子的损伤，并且转子线圈采用抗蠕变能力的含银冷拉铜线。
3）适应电网对发电机具有承受不对称运行能力的要求
当发电机负载不对称运行时，发电机转子表面将感生负序电流，为降低负序电流对发电机转子损伤，大型核电半速汽轮发电机转子通过槽内通长阻尼条、端部铍铜合金槽楔以及阻尼环构成全阻尼系统，提高发电机承受不对称运行能力，保证发电机运行安全可靠。
4 结论
哈尔滨电机厂有限责任公司通过技术引进、消化吸收，掌握了大型核电半速汽轮发电机关键设计技术，并结合中国核电市场“走出去”发展需要，自主研发了具有自主知识产权的超大容量核电半速汽轮发电机，提升了超大容量汽轮发电机设计和制造能力，并使我国在大容量核电半速汽轮发电机研制能力和制造水平有了跨越性提高。