陳 興 衛(wèi)

（佳木斯電機(jī)股份有限公司，黑龍江 佳木斯 154002）

低溫?zé)崴l(fā)電用正壓外殼型無(wú)刷勵(lì)磁汽輪發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)

陳 興 衛(wèi)

（佳木斯電機(jī)股份有限公司，黑龍江 佳木斯 154002）

本文通過(guò)對(duì)低溫?zé)崴l(fā)電用正壓外殼型無(wú)刷勵(lì)磁汽輪發(fā)電機(jī)的主要結(jié)構(gòu)關(guān)鍵點(diǎn)、電磁設(shè)計(jì)關(guān)鍵點(diǎn)、正壓外殼型防爆技術(shù)在產(chǎn)品上的相關(guān)應(yīng)用、正壓外殼型無(wú)刷勵(lì)磁汽輪發(fā)電機(jī)產(chǎn)品的技術(shù)要點(diǎn)以及產(chǎn)品的應(yīng)用情況進(jìn)行了簡(jiǎn)單介紹，闡述了正壓外殼型無(wú)刷勵(lì)磁汽輪發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)制造的技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)，為正壓外殼型無(wú)刷勵(lì)磁汽輪發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)提供了可靠的理論依據(jù)。

正壓外殼；無(wú)刷勵(lì)磁；汽輪發(fā)電機(jī)；正壓保護(hù)；泄漏補(bǔ)償

0 前言

隨著世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們對(duì)能源需求的增加以及對(duì)環(huán)境保護(hù)的意識(shí)也逐漸加強(qiáng)，節(jié)能環(huán)保已經(jīng)成為世界性的主題。在這樣的大環(huán)境下，各種節(jié)能環(huán)保工程應(yīng)運(yùn)而生，例如利用尾氣、余熱發(fā)電的項(xiàng)目工程也已經(jīng)很普遍。低溫?zé)崴l(fā)電技術(shù)正是余熱發(fā)電的一種新技術(shù)。

低溫?zé)崴l(fā)電是采用世界先進(jìn)的卡琳娜循環(huán)專利技術(shù)的一種環(huán)保發(fā)電系統(tǒng)，該系統(tǒng)是在朗肯循環(huán)基礎(chǔ)上的一種“改進(jìn)”。這種重大的改進(jìn)體現(xiàn)在對(duì)朗肯循環(huán)過(guò)程的改變——將“純”的循環(huán)介質(zhì)（通常為水）變成了氨同水的“混合物”。同歷時(shí)一個(gè)世紀(jì)之久常規(guī)的朗肯循環(huán)相比，卡琳娜循環(huán)電廠可以向諸如溫度為300-400oF（149-204oC）的地?zé)岬湍芗?jí)熱源提供效率比前者高出50%的循環(huán)效率。對(duì)諸如直燃式鍋爐和燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)電廠中的燃?xì)廨啓C(jī)廢氣等高溫?zé)嵩?，循環(huán)效率約可提高 20%。建造一座卡琳娜循環(huán)電廠的費(fèi)用可能會(huì)比建造一座同等容量的朗肯循環(huán)電廠的費(fèi)用更低，經(jīng)過(guò)估算，對(duì)低能級(jí)熱源案例，費(fèi)用約可降低達(dá)30%，對(duì)高能級(jí)熱源案例，費(fèi)用約可降低10%。低溫?zé)崴l(fā)電采用卡琳娜動(dòng)力循環(huán)專利技術(shù)，發(fā)電介質(zhì)是一種氨水混合物，其沸點(diǎn)較低，可利用低溫?zé)崴訜嵬苿?dòng)氨氣輪機(jī)，再由氨氣輪機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。因該發(fā)電介質(zhì)含有可燃性成分，根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，普通發(fā)電機(jī)無(wú)法使用。受到電壓及容量的限制，增安型及隔爆型都難以實(shí)現(xiàn)。根據(jù)電機(jī)的體積和特性，選擇正壓外殼型（以下簡(jiǎn)稱正壓型）防爆形式，防爆標(biāo)志ExepzIIBT3 Gc。

該發(fā)電機(jī)是我國(guó)制造的首臺(tái)正壓外殼型防爆高速無(wú)刷勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)，容量4MW，為國(guó)內(nèi)首創(chuàng)。同時(shí)該發(fā)電機(jī)也是世界上容量最大的一套采用卡琳娜動(dòng)力循環(huán)專利技術(shù)的發(fā)電系統(tǒng)。

1 低溫?zé)崴l(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

1.1 整體結(jié)構(gòu)

發(fā)電機(jī)采用上水冷，冷卻方式 IC81W。安裝方式IM7311，兩個(gè)座式軸承，勵(lì)磁機(jī)外置，并與主機(jī)共用底架，結(jié)構(gòu)十分緊湊，與下水冷電機(jī)相比電機(jī)更有利于正壓密封。發(fā)電機(jī)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 勵(lì)磁機(jī)結(jié)構(gòu)

采用勵(lì)磁機(jī)外置結(jié)構(gòu)，可以縮短轉(zhuǎn)子的軸承支撐距離，提高轉(zhuǎn)子整體剛度，能更好地把臨界轉(zhuǎn)速控制在最佳范圍內(nèi)，使轉(zhuǎn)子運(yùn)行時(shí)更加平穩(wěn)、安全。外置的勵(lì)磁機(jī)通過(guò)底架內(nèi)置的通風(fēng)循環(huán)系統(tǒng)換氣、補(bǔ)償和冷卻，使勵(lì)磁機(jī)內(nèi)部保持與主機(jī)內(nèi)同樣的壓力。與勵(lì)磁機(jī)內(nèi)置結(jié)構(gòu)相比，該方式在保證了安全性的同時(shí)，降低了電機(jī)材料的使用，減少了換氣吹掃容量，縮短了起動(dòng)前換氣時(shí)間。

1.3 機(jī)座結(jié)構(gòu)

機(jī)座采用鋼板焊接結(jié)構(gòu)，由端板、擋風(fēng)板、環(huán)筋板、加強(qiáng)筋、支撐角鋼、頂板、底板、等部件焊接而成，以保證機(jī)座整體強(qiáng)度高、剛度好。機(jī)座上設(shè)有可靠的接地裝置。機(jī)座作為固定、支撐、保護(hù)定子鐵心、定子繞組的作用，同時(shí)還構(gòu)成電動(dòng)機(jī)通風(fēng)循環(huán)回路。它具有承受氣體壓力作用下的密封和防爆的功能。機(jī)座焊接完成后，進(jìn)行消除應(yīng)力處理，并進(jìn)行數(shù)控加工。

1.4 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子為隱極轉(zhuǎn)子，軸與鐵心為整體鍛造金加工而成，材料為34CrMo1A合金鋼，其外徑為Φ534mm，總長(zhǎng) 4784mm，轉(zhuǎn)子下線槽 20，分度數(shù) 28，轉(zhuǎn)子配有軸向通風(fēng)槽。轉(zhuǎn)子下線槽采用數(shù)控專用數(shù)控機(jī)床加工，保證槽形尺寸并且分度精確。轉(zhuǎn)子線圈端部用護(hù)環(huán)保護(hù)，護(hù)環(huán)材質(zhì)為高強(qiáng)度奧氏體合金鋼。

圖1 正壓外殼型無(wú)刷勵(lì)磁汽輪發(fā)電機(jī)整體結(jié)構(gòu)

2 低溫?zé)崴l(fā)電機(jī)的電磁設(shè)計(jì)

2.1 主要參數(shù)

電機(jī)型號(hào)：TFZYW4000-2/1050

額定容量：5000 kVA

有功功率：4000 kW

額定電壓：10500 V

相 數(shù)：3

額定頻率：50 Hz

功率因數(shù)：0.8 滯后

效 率：97.0 %

額定電流：274.9 A

接 法：Y

短 路 比：0.489

xd″ ：0.123

勵(lì)磁電壓：87 V

勵(lì)磁電流：231 A防爆標(biāo)志：ExepzIIBT4

2.2 正弦畸變率

由于定、轉(zhuǎn)子槽開口的影響，發(fā)電機(jī)的氣隙磁密中存在一定的齒諧波；同時(shí)繞組中還存在高次諧波。這會(huì)影響到發(fā)電機(jī)感應(yīng)電勢(shì)的波形，使電壓波形正弦性畸變率變大。為了保證發(fā)電機(jī)的電壓波形質(zhì)量，設(shè)計(jì)時(shí)采用了分布線圈和短距線圈來(lái)改善諧波對(duì)電壓波形的影響。本發(fā)電機(jī)的繞組是按分布系數(shù) Kd=0.956，短距系數(shù)Kp=0.951設(shè)計(jì)的，通過(guò)Maxwell 2D分析得到感應(yīng)電勢(shì)波形，如圖2所示。

圖2 采用Maxwell 2D分析得到感應(yīng)電勢(shì)波形

我們利用Maxwell 2D對(duì)感應(yīng)電勢(shì)波形做了傅里葉級(jí)數(shù)分解，其基波幅值為 8.63kV，5次諧波幅值為0.12kV，7次諧波幅值為0.03kV，11次以上的諧波較小，通過(guò)列表求和進(jìn)行計(jì)算，電壓正弦畸變率為：

滿足 GB/T755中發(fā)電機(jī)的電壓正弦畸變率要小于5%的要求。

2.3 短路比

短路比可按下式計(jì)算：

其中 Xd為發(fā)電機(jī)直軸同步電抗的飽和值，因此短路比是一個(gè)計(jì)及飽和影響的參數(shù)。短路比的大小對(duì)發(fā)電機(jī)運(yùn)行性能的影響和對(duì)體積、成本的影響互相矛盾。因此，發(fā)電機(jī)飽和短路比是按照GB/T7064 《隱極同步發(fā)電機(jī)技術(shù)要求》中的規(guī)定，“在額定工況下短路比值應(yīng)不小于0.35?！?，該發(fā)電機(jī)計(jì)算值為fk0=0.489。

3 低溫?zé)崴l(fā)電機(jī)防爆技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)簡(jiǎn)介

3.1 正壓外殼技術(shù)的運(yùn)用

正壓外殼型防爆技術(shù)是大型防爆電機(jī)常用的一種防爆技術(shù)，該技術(shù)是使用保護(hù)氣體充入電機(jī)外殼內(nèi)，保持電機(jī)內(nèi)部壓力高于外部壓力，防止爆炸性氣體進(jìn)入電機(jī)內(nèi)部。在電動(dòng)機(jī)起車前，保護(hù)氣體（新鮮的空氣或惰性氣體）通過(guò)正壓保護(hù)系統(tǒng)控制單元進(jìn)入電機(jī)內(nèi)腔，對(duì)電機(jī)內(nèi)腔原有氣體進(jìn)行有效的置換，將內(nèi)腔的氣體由電機(jī)頂部泄壓閥排出，吹掃完成后泄壓閥自動(dòng)關(guān)閉，保護(hù)系統(tǒng)發(fā)出電機(jī)允許起車信號(hào)，此時(shí)電機(jī)進(jìn)入泄漏補(bǔ)償狀態(tài)。在電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中電機(jī)內(nèi)腔壓力始終高于外界壓力（至少50 Pa），防止爆炸性氣體進(jìn)入殼體內(nèi)部，當(dāng)出現(xiàn)壓力偏低或失壓狀態(tài)時(shí)，不能保證正常的泄漏補(bǔ)償時(shí)，正壓保護(hù)系統(tǒng)會(huì)給出信號(hào)，可選擇切斷系統(tǒng)電源或發(fā)出警報(bào)。通過(guò)以上措施，使電機(jī)的可靠性進(jìn)一步提升，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)控制與綜合保護(hù)的完美結(jié)合。

3.2 發(fā)電機(jī)正壓保護(hù)系統(tǒng)選型原則

在對(duì)正壓保護(hù)系統(tǒng)做相關(guān)介紹前，首先對(duì)如何正確選取保護(hù)系統(tǒng)做一下說(shuō)明，根據(jù)IEC60079-2標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：

起車前需置換的氣體總體積計(jì)算公式如下：

換氣總體積 =（定子容積 + 轉(zhuǎn)子體積）×5

換氣時(shí)間及換氣流速的選取計(jì)算公式如下：

換氣流速=換氣總體積÷時(shí)間

通過(guò)上述計(jì)算本發(fā)電機(jī)選擇D758正壓保護(hù)系統(tǒng)。

3.3 發(fā)電機(jī)正壓保護(hù)系統(tǒng)工作流程

首先對(duì)D758正壓保護(hù)系統(tǒng)主要零部件做一下簡(jiǎn)單介紹，保護(hù)系統(tǒng)由控制單元和泄壓閥兩部分組成(見圖3和圖4)。

圖3 正壓保護(hù)系統(tǒng)控制單元

圖4 正壓保護(hù)系統(tǒng)泄壓閥

發(fā)電機(jī)正壓保護(hù)系統(tǒng)工作流程大致可以分為以下五部分：

（1）吹掃氣體進(jìn)入電機(jī)殼體：當(dāng)氣源壓力達(dá)到規(guī)定值時(shí)（5～10bar）, 吹掃氣體通過(guò)控制單元進(jìn)入電機(jī)內(nèi)腔。此時(shí)裝置不會(huì)發(fā)出信號(hào)，控制單元上的現(xiàn)場(chǎng)指示器顏色保持不變（紅色/黑色）。

（2）增壓預(yù)吹掃：由于吹掃氣體不斷進(jìn)入電機(jī)殼體，電機(jī)內(nèi)腔形成一個(gè)初始的內(nèi)部壓力，通過(guò)電機(jī)殼體上所設(shè)的壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)，將采集到的最低壓力和中間壓力信號(hào)反饋給系統(tǒng)，系統(tǒng)做出相應(yīng)的動(dòng)作，泄壓?jiǎn)卧系男箽忾y進(jìn)行預(yù)吹掃。同時(shí)裝置會(huì)發(fā)出警報(bào)/增壓和中間壓力的遠(yuǎn)傳信號(hào)到 PLC中，控制單元上的現(xiàn)場(chǎng)指示器顏色發(fā)生變化（綠色/黑色）。

（3）啟動(dòng)定時(shí)吹掃：泄壓?jiǎn)卧系男箟洪y的流量將隨腔體壓力的增大而增大，同時(shí)泄壓?jiǎn)卧显O(shè)有的壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)將采集到的信號(hào)傳給吹掃流量傳感器，傳感器發(fā)出信號(hào)啟動(dòng)計(jì)時(shí)器，控制單元上的現(xiàn)場(chǎng)指示器顏色發(fā)生變化（綠色/黃色）。

（4）完成定時(shí)吹掃：當(dāng)達(dá)到系統(tǒng)設(shè)定時(shí)間后，時(shí)間閥門給出信號(hào)，吹掃完成閥閉合，泄壓閥關(guān)閉，裝置會(huì)發(fā)出電機(jī)互鎖遠(yuǎn)傳信號(hào)到 PLC中，允許電機(jī)起車，控制單元上的現(xiàn)場(chǎng)指示器顏色發(fā)生變化（綠色/黑色）。

（5）泄漏補(bǔ)償模式：通過(guò)電機(jī)殼體上所設(shè)的壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)，將采集到的泄漏補(bǔ)償壓力信號(hào)反饋給系統(tǒng)，壓力低于系統(tǒng)設(shè)定值時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入泄漏補(bǔ)償狀態(tài)，保證電機(jī)內(nèi)腔壓力始終高于外界。

3.4 可靠的密封技術(shù)

對(duì)于正壓型防爆電機(jī)而言，降低電機(jī)的氣體泄漏量，既節(jié)約了能源，又保證正壓型電機(jī)的可靠運(yùn)行，是判斷正壓型電機(jī)質(zhì)量?jī)?yōu)劣的主要依據(jù)之一。

在該產(chǎn)品的設(shè)計(jì)上我們采用了密封可靠性極高的新結(jié)構(gòu)、新工藝、新材料，尤其是在密封材料的選取上進(jìn)行了大量的試驗(yàn)驗(yàn)證，選取了耐腐蝕、抗老化、耐高溫的優(yōu)質(zhì)密封材料，提高了電機(jī)的密封可靠性，保證了泄漏試驗(yàn)一次性成功。

3.5 自并勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)

發(fā)電機(jī)采用無(wú)刷勵(lì)磁方式，避免了電刷打火引起爆炸。主發(fā)電機(jī)、主勵(lì)磁機(jī)、旋轉(zhuǎn)整流元件同軸連接。勵(lì)磁發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)成凸極旋轉(zhuǎn)電樞式發(fā)電機(jī)，勵(lì)磁機(jī)電樞轉(zhuǎn)子安裝在主電機(jī)轉(zhuǎn)子的軸上，與主電機(jī)轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn)，勵(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)子發(fā)出三相交流電，經(jīng)旋轉(zhuǎn)整流器整流后變?yōu)橹绷鳎┙o主電機(jī)轉(zhuǎn)子。勵(lì)磁系統(tǒng)控制原理圖見圖5。

4 產(chǎn)品推廣應(yīng)用情況

TFZYW4000-2/1050是國(guó)內(nèi)首臺(tái)也是容量最大的一臺(tái)低溫?zé)崴l(fā)電機(jī)，目前運(yùn)行在海南煉化 60萬(wàn)噸/年對(duì)二甲苯項(xiàng)目低溫?zé)崴l(fā)電單元工程現(xiàn)場(chǎng)。發(fā)電機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)、噪聲低、振動(dòng)小、效率高、防爆性能優(yōu)異，各項(xiàng)性能指標(biāo)完全符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)及用戶要求，得到了用戶及工程承包方的一致好評(píng)。該發(fā)電機(jī)已經(jīng)安全運(yùn)行三個(gè)月，累計(jì)發(fā)電 800萬(wàn)度，因?yàn)樵摴こ淌抢迷瓉?lái)無(wú)法利用的低溫?zé)崴?，所以發(fā)電機(jī)所發(fā)出的電創(chuàng)造了直接的經(jīng)濟(jì)效益，用戶已經(jīng)從中受益上千萬(wàn)元。此項(xiàng)目的成功，對(duì)后續(xù)的國(guó)內(nèi)同類工程起到了標(biāo)桿的作用，保守估計(jì)國(guó)內(nèi)需求量每年能達(dá)到上百臺(tái)。

圖5 勵(lì)磁系統(tǒng)控制原理圖

5 結(jié)束語(yǔ)

目前，國(guó)內(nèi)外正遭受嚴(yán)重的金融危機(jī)，小火電市場(chǎng)很不景氣。國(guó)家大力支持新能源發(fā)電、環(huán)保發(fā)電等高新科技項(xiàng)目。低溫?zé)崴辣l(fā)電機(jī)是具有先進(jìn)技術(shù)水平的環(huán)保、節(jié)能發(fā)電機(jī)，可以廣泛應(yīng)用在石化、鋼鐵余熱、地?zé)豳Y源等低溫?zé)崴l(fā)電市場(chǎng)，創(chuàng)造新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)來(lái)支持發(fā)電機(jī)行業(yè)健康的可持續(xù)發(fā)展。

[1] 許實(shí)章. 電機(jī)學(xué)[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社,1992.

[2] 全國(guó)防爆電氣設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì). 爆炸性氣體環(huán)境用電氣設(shè)備 第5部分：正壓外殼型“p”[S].2004.

[3] 李幼倩, 韓君強(qiáng). 現(xiàn)代新型無(wú)刷勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用[M]. 機(jī)械工業(yè)出版社.

[4] 陳世坤. 電機(jī)設(shè)計(jì)[M]. 機(jī)械工業(yè)出版社.

[5] 濮良貴, 紀(jì)名剛. 機(jī)械設(shè)計(jì)[M]. 高等教育出版社.

審稿人：張春莉

The Design of Pressurized Enclosure Brushless Excitation Turbine Generator for Low Temperature Hot Water Electricity Generation

CHEN Xingwei
(Jiamusi Electric Machine Co., Ltd., Jiamusi 154002, China)

In this article the author briefly introduces the key points of main structure and electromagnetic design of pressurized enclosure brushless excitation turbine generator for low temperature hot water electricity generation, the related application in products of pressurized enclosure explosion-proof technology, the technical points and product application situation of pressurized enclosure brushless excitation turbine generator product, and elaborates the technical key point of design and manufacturing of pressurized enclosure brushless excitation turbine generator,and provides reliable theoretical basis for the design of pressurized enclosure brushless excitation turbine generator.

pressurized enclosures; brushless excitation; turbine generator; pressurization protection;leakage compensation

TM312

A

1000-3983(2014)03-0022-04

2013-11-14

陳興衛(wèi)（1974-），2008年7月畢業(yè)于哈爾濱理工大學(xué)機(jī)電技術(shù)及自動(dòng)化專業(yè)，現(xiàn)從事高壓電機(jī)設(shè)計(jì)工作，高級(jí)工程師。