0 引 言

隨著煤、石油、天然氣等礦石燃料的日益枯竭，而風能、太陽能、地熱能等能源存在著總量有限、分布不均勻及能量密度低等問題，核電成為我國“十二五”規(guī)劃的首選新能源。

為滿足核電市場迅速發(fā)展的需要，2003～2004年，上海發(fā)電機廠組織技術人員赴美與西門子進行MW核電產(chǎn)品的概念設計，并完成了投標方案。2006～2008年4月，隨著國家積極推進核電的政策，一大批MW級核電項目開始招標。從三代的AP1000、EPR到二代加的CPR 1000，包括浙江山門、廣東陽江、山東海陽、遼寧紅沿河、福建寧德等核電項目。

依托陽江CPR1000核電項目，在消化、吸收引進技術的基礎上，結合已有的發(fā)電機技術，開發(fā)出了具有自主知識產(chǎn)權的1100MW級四極核電發(fā)電機，并于2011年10月，在上海電氣臨港制造基地順利完成首臺發(fā)電機型式試驗。

圖1 1100MW陽江核電發(fā)電機發(fā)運儀式

1 1100MW核電發(fā)電機主要技術參數(shù)及特點

1.1 主要技術參數(shù)

1100MW級核電發(fā)電機為四極、三相、隱極式汽輪發(fā)電機，采用全封閉自通風，水氫氫冷卻方式，主要技術參數(shù)見附表。

附表

1.2 主要結構特點

1.2.1 定子機座和定子鐵心

定子機座采用內(nèi)、外機座結構（圖2）。鐵心在內(nèi)機座上疊裝，通過定位筋和穿心螺桿固定鐵心，并進行定子繞組裝配。內(nèi)外機座之間通過立式彈簧板連接。發(fā)電機內(nèi)、外機座結構，可同時滿足水、陸兩種運輸方式，且內(nèi)定子與外機座采用平行制造，縮短產(chǎn)品制造周期。

圖2 內(nèi)外機座穿裝

鐵心由0.5 mm厚扇形高導磁率、低損耗的無取向冷軋硅鋼片迭裝而成。在扇形硅鋼片的兩側表面涂有含無機填料的水溶性漆。定子鐵心軸向用定位螺桿和對地絕緣的高強度反磁鋼穿心螺桿，通過兩端的齒壓板、壓圈及分塊壓板用螺母擰緊成為整體，經(jīng)過數(shù)次冷態(tài)和熱態(tài)加壓、并緊固螺母而成為一個結實的鐵心整體。同時在穿心螺桿一端裝有液壓螺母，使鐵心在運行后仍可進行再收緊（見圖3）。

圖3 鐵心端部結構

1.2.2 定子線圈及定子繞組固定（見圖4）

定子線圈由實心銅線和空心銅線編織而成，接頭采用球形連接結構。上、下層線圈為不等截面，采用環(huán)氧樹脂真空壓力浸漬工藝（SVPI）制造。

定子線圈在槽內(nèi)采用高強度模壓槽楔固定，槽楔下設有雙層高彈性絕緣波紋板，側面采用半導體波紋板固定，從而使得定子線圈在槽內(nèi)緊固可靠。

圖4 定子線圈的接頭（上）及線組固定（下）

定子端部線圈固定采用剛-柔固定結構，使端部繞組在徑向、切向具有良好的整體性和剛度，而沿軸向卻具有自由伸縮的能力，從而有效地緩解運行中溫度變化所產(chǎn)生的機械應力。

定子繞組的冷卻采用三水路系統(tǒng)，即定子線圈、連接線、主引線和套管三個冷卻水路并聯(lián)，冷卻效果好，防止氣堵發(fā)生，滿足大電流、高可靠性要求。每個水路的流量在通過機外水系統(tǒng)單獨調(diào)試監(jiān)控，控制調(diào)節(jié)更方便。

1.2.3 轉子

1100MW核電發(fā)電機轉子為四極，采用多級風扇、軸向徑向通風（見圖5）。轉子本體采用大小齒、偏槽結構，有效改善磁場波形，降低定子線圈附加損耗。

轉子采用梯型槽，每匝線圈由二根凹型含銀銅排組成，槽楔采用強度高、導電率好的銅合金材料制成，與護環(huán)一起構成轉子阻尼系統(tǒng)。轉子槽絕緣內(nèi)表面、護環(huán)絕緣筒內(nèi)圓等與轉子繞組相接觸部分皆貼有滑移層，防止熱脹冷縮引起的繞組變形和絕緣損傷。

圖5 發(fā)電機轉子槽形及繞組結構

轉子護環(huán)由18Mn18Cr整體鍛制的高強度反磁合金鋼加工而成，具有良好的耐應力腐蝕能力，護環(huán)采用長護環(huán)結構，增加了與轉子的配合面，降低與轉子的配合應力、提高疲勞壽命。

(4)端蓋、軸承及油密封

發(fā)電機采用端蓋式軸承，軸瓦采用橢圓式結構，勵端軸瓦與端蓋間設置有雙層絕緣，防止軸電流燒傷軸瓦和轉子軸頸。油密封采用雙流單環(huán)結構，密封可靠。

2 技術難點與創(chuàng)新

2.1 難點與攻關

作為首次開發(fā)的大容量四極產(chǎn)品，1100MW核電四極發(fā)電機的設計開發(fā)難度很大：一方面，用戶要求高，不僅要求產(chǎn)品可靠性高、壽命長（60年），強勵能力高，還對在線監(jiān)測提出特殊要求；另一方面，容量大（1100MW）、高電壓(24kV)、大電流(29kA)決定其通風冷卻系統(tǒng)的設計難度大且通風結構和端部結構復雜。此外，根據(jù)合同要求，設計方案必須由西門子進行審查。面對困難，研發(fā)團隊提出模塊化兼容到更大容量（1300MW配AP1000）的設計要求，包括配套開發(fā)的無刷勵磁機、氫油水系統(tǒng)、試驗滑環(huán)裝置、大型工裝等。

為確保1100MW核電項目按計劃進行，在通過西門子審查后，從2009年7月開始，上發(fā)廠采用項目制團隊的方式推進1100MW級核電發(fā)電機施工設計，將其分45個子項覆蓋設計、工藝、絕緣、標準和材料、振動各技術專業(yè)。例如，為考慮并聯(lián)環(huán)和主引線連接結構溫度分布，研發(fā)團隊不僅采用三維設計技術提高了設計效率和準確度，而且和通用有限元計算商業(yè)軟件結合，采用順序“電-熱”耦合的方法，對不同尺寸的設計方案進行了研究比較，最終用局部熱點溫升和電流密度合格的準則而非通常估算用的平均電流密度合格準則，確定了優(yōu)化設計的并聯(lián)環(huán)和主引線連接結構的尺寸（見圖6）。

圖6 并聯(lián)環(huán)和主引線連接結構的溫度分布

在首臺1100MW核電發(fā)電機的試制過程中，從機座焊接開始，到廠內(nèi)的轉子加工、定子線圈制造、勵磁機鐵心熱套、發(fā)電機轉子動平衡等，再到臨港總裝、型式試驗，技術人員進行了產(chǎn)品制造全過程追隨，解決了轉子銑槽變形大、球形接頭加工難及勵磁機鐵心熱套等一系列制造難題，確保產(chǎn)品制造質量。

圖7 1100MW核電發(fā)電機臨港型式試驗

2.2 技術創(chuàng)新

在1100MW級核電發(fā)電機自主開發(fā)過程中，攻克諸多技術難點，形成九大主要創(chuàng)新點。

(1)通過優(yōu)化定、轉子線圈設計、采用優(yōu)質鐵心沖片材料、優(yōu)化軸承結構等措施，提高了發(fā)電機的效率，從98.77%提高到98.87%（每年可多發(fā)800多萬kW·h）；

(2)自主開發(fā)了24～27kV級絕緣結構和防暈體系，采用SVPI工藝技術，提高了定子線圈絕緣電氣性能和防暈水平；

(3)開發(fā)了發(fā)電機定子線圈、并聯(lián)環(huán)、主出線及套管水冷卻的三水路冷卻系統(tǒng)，解決大型發(fā)電機水路氣堵問題，提高了運行的可靠性。

(4)開發(fā)了半速機組的高效多級風扇，同時解決了轉子穿裝困難，優(yōu)化了通風冷卻系統(tǒng)，降低了定子鐵心、轉子繞組溫升，滿足了核電60年壽命的要求。

(5)優(yōu)化了轉子結構設計，解決了軸系及大脹差問題，采用長護環(huán)技術提高轉子低周疲勞壽命；優(yōu)化了鐵心結構設計，提高鐵心可靠性。

(6)開發(fā)大容量無刷勵磁機，采用大電流整流組件及熔斷器，勵磁機強勵能力由1.25提高到1.8倍。

(7)自主開發(fā)MW級核電發(fā)電機配套氫、油、水系統(tǒng)（圖8）。

(8)自主開發(fā)半速10000A級大電流集電環(huán)裝置。

(9)開發(fā)了MW級核電發(fā)電機整套制造技術，包括定子線模、鐵心壓裝工裝、鐵心翻身工具、內(nèi)外機座穿裝工具等特大型工裝。

圖8 1100MW核電發(fā)電機定子冷卻水裝置

設計開發(fā)團隊申請并受理了包括定子三水路冷卻結構等18項專利，其中發(fā)明專利10項，已授權4項；實用新型專利8項，已授權3項；發(fā)表了20篇學術論文，有兩篇在國外期刊發(fā)表（EI收錄）。

在1100MW核電發(fā)電機開發(fā)過程中，上發(fā)廠還按照核電管理的嚴格要求，推進了技術管理創(chuàng)新，建立了基于項目制的績效考核技術管理體系和技術/管理Y通道的人才隊伍建設體制。

3 結 論

在1100MW核電發(fā)電機設計開發(fā)過程中，通過自主創(chuàng)新，形成了若干創(chuàng)新點，大大提升了自主創(chuàng)新能力，從而形成了百萬千瓦級核電發(fā)電機設計開發(fā)和制造能力。對于提高企業(yè)技術實力意義重大。

1100MW核電發(fā)電機的成功研制，填補了國內(nèi)百萬核電發(fā)電機自主化的空白。