楊國龍，陳文學，令紅兵

?

燃煤機組新運行方式對在役汽輪發(fā)電機的影響

楊國龍，陳文學，令紅兵

（東方電氣集團東方電機有限公司，四川 德陽 618000）

當前燃煤火電機組運行的外部環(huán)境已經發(fā)生深刻變化，機組承擔電網(wǎng)調節(jié)任務的壓力越來越大。本文總結了當前燃煤機組新運行方式的特點，重點分析了機組靈活性運行對發(fā)電機定、轉子繞組等重要部件和機組運行的影響。同時分析了發(fā)電機在調壓調相時，過磁通、過電壓對發(fā)電機鐵心端部和絕緣材料的影響。燃煤機組新運行方式對在役汽輪發(fā)電機的可靠性和壽命影響較大。由于當前煤電機組的地位正在發(fā)生轉變，越來越多的在役汽輪發(fā)電機將會進入新運行方式。本文的內容可以為優(yōu)化和改進汽輪發(fā)電機，保證機組的安全可靠運行提供有益參考。

汽輪發(fā)電機；新運行方式；深度調峰；調壓調相

0 前言

目前我國電力系統(tǒng)已形成了超高壓、遠距離、交直流混合輸電，風電、太陽能等分布式電源大量接入的復雜系統(tǒng)[1]。隨著能源清潔化和電力體制改革走向深入，電網(wǎng)和電站運行中已出現(xiàn)了一些新的特點，包括長距離輸電、新能源接入、節(jié)能和超低排放、靈活性運行、競價上網(wǎng)等。燃煤火電機組運行的外部環(huán)境已經發(fā)生變化，運行方式從原來的主要承擔“基荷”運行轉變成調峰、調壓、調頻等靈活性運行，新的運行方式對在役汽輪發(fā)電機的適應性、可靠性和經濟性等提出了更高的要求[2]。

汽輪發(fā)電機作為燃煤電站主設備，能否適應這種新變化，需要進行多方面的評估。下面從電網(wǎng)、電站運行的新特點出發(fā)，研究分析在役汽輪發(fā)電機面臨的挑戰(zhàn)，為今后找出發(fā)電機適應新運行方式應采取的措施和方法提供參考。

1 電網(wǎng)、電站運行新特點

1.1 長距離輸電

國內用電負荷主要集中在東南部地區(qū)，而大型水電和火電基地位于中西部地區(qū)，新能源基地位于西部和北部地區(qū)，電網(wǎng)輸電呈現(xiàn)出遠距離、逆向分布的特點。當前為了增加清潔電力供應，促進太陽能、風能等清潔能源的發(fā)展，解決棄風、棄光和棄水較為嚴重地區(qū)的電能送出受限問題，在“十三五”期間，要加強新能源開發(fā)重點地區(qū)的電網(wǎng)建設，新增跨省跨區(qū)通道19條，新增輸電能力1.3億千瓦，消納新能源和可再生能源約7000萬千瓦[3,4]。

實現(xiàn)遠距離大容量輸電主要有交流和直流兩種方式。遠距離交流輸電線路通常會加裝串聯(lián)補償電容器，以抵消一部分線路電抗，提高線路的輸電容量，同時也能提高電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性。高壓直流輸電是遠距離、大容量、點對點輸電的一種有效方式，具有經濟性好、控制靈活的優(yōu)勢。然而，不論是含有串聯(lián)補償電容的交流輸電線路，還是高壓直流輸電系統(tǒng)，都有可能給送端發(fā)電機組帶來兩個問題[5]：

（1）次同步振蕩，它使機組軸系的疲勞壽命降低，嚴重時甚至使軸系遭到直接損壞；

（2）過電壓，對發(fā)電機的絕緣壽命和安全穩(wěn)定運行造成影響。

隨著我國越來越多的交直流長距離輸電工程的投運和跨區(qū)域輸電規(guī)模的不斷擴大，上述問題可能在一定程度上變得更加復雜[6]。

1.2 新能源接入

為破解新能源消納難題，推進綠色發(fā)展，“十三五”期間，國內將完成2.2億千瓦火電機組靈活性改造（含燃料靈活性改造），提升電力系統(tǒng)調節(jié)能力4600萬千瓦。改造后的純凝機組最小技術出力達到30%~40%額定容量，熱電聯(lián)產機組最小技術出力達到40%~50%額定容量；部分電廠達到國際先進水平，機組不投油穩(wěn)燃時純凝工況最小技術出力達到20%~30%。

在國外，2017年6月初，英國和德國的新能源發(fā)展已經到達了一個原來認為無法企及的高度。在英國超過50%的用電量由零排放的可再生能源提供，而在德國，這一比例達到75%左右，如圖1所示。為實現(xiàn)國內提出的2020年、2030年非化石能源消費比重分別達到15%、20%的目標，保障電力安全供應和民生用熱需求，需要提高電力系統(tǒng)的調節(jié)能力及運行效率，從負荷側、電源側、電網(wǎng)側多措并舉，重點增強系統(tǒng)靈活性、適應性[7,8]。

圖1 歐洲典型日的各種能源發(fā)電曲線

1.3 節(jié)能減排和煤電的競爭

實現(xiàn)節(jié)能減排的主要途徑是調整能源結構，為此國家出臺了一系列政策給予引導。一方面通過進行補貼、實行配額等方式，促進可再生能源的消納；另一方面通過價格信號、調度措施，利用需求側彈性，引導負荷向消納可再生能源的方向變化。

2017年1~11月份，全國火電利用小時數(shù)最高的為河北4580h，最低的為西藏2986h，預計在“十三五”期間將繼續(xù)下降[9]。同時針對風電、核電快速發(fā)展的實際，未來將會把風電、核電作為重要市場主體納入調峰機制，實現(xiàn)風火、核火之間的互補互濟。煤電今后的發(fā)展將從單純保障電量供應，向更好地保障電力供應、提供輔助服務并重轉變[10]。

2 燃煤火電機組運行方式的新特點及對發(fā)電機的影響

2.1 調峰運行

目前，燃煤火電呈現(xiàn)出參與調峰或調停機組數(shù)增多、利用小時數(shù)減少、機組負荷率低等特點。

調峰運行一般有三種不同的運行方式，即：

a）兩班制運行，發(fā)電機一般白天運行，晚上停機；

b）多班制運行，視系統(tǒng)需要而定，發(fā)電機每天數(shù)次起動/停機；

c）變負荷運行，機組在額定轉速下持續(xù)運行，根據(jù)系統(tǒng)需要調節(jié)負荷。

我國大部分燃煤火電機組的調峰運行方式屬于上述第三種，即變負荷運行，并呈現(xiàn)深度變負荷特點。調峰運行對發(fā)電機的影響是多方面的，歸納起來有以下幾個方面。

（1）對定子繞組的影響

定子鐵心和定子繞組之間熱膨脹系數(shù)不同，同時負荷變化引起的溫度變化速率也差異較大，造成在發(fā)電機負荷快速增加或減少時，鐵心和繞組之間的軸向膨脹和收縮量不一樣，產生銅鐵膨脹差，經常性在這種狀態(tài)下運行就容易導致定子繞組的松動。此外定子繞組電流的變化也會引起相互間電磁力的改變，進而導致繞組振動變化，線棒槽楔松動，特別是在定子繞組端部支撐結構部位和線棒槽口處產生松動和磨損，如圖2和圖3所示。

圖2 定子繞組端部絕緣磨損

圖3 線棒槽口處絕緣磨損

定子線棒由內部的銅線和外部包覆的絕緣材料組成，兩種材料熱膨脹系數(shù)差別很大。無論是頻繁起停機的兩班制運行還是負荷深調的負荷循環(huán)方式運行，絕緣材料與銅導體之間都會形成很大的剪切應力，嚴重時將導致二者間的聯(lián)接破壞。

頻繁的膨脹和收縮應力將使得銅導體表面的環(huán)氧云母絕緣發(fā)生分層或脫殼，如圖4所示。除了會降低絕緣材料的熱傳導率外，還極易在銅導體與主絕緣之間的空隙中發(fā)生局部放電，降低絕緣材料的性能。這一問題的嚴重性還在于定子繞組的松動、絕緣磨損和振動劣化只有通過一定時間的運行后才能發(fā)現(xiàn)。而初期能滿足設計要求的定子繞組固定系統(tǒng)、絕緣系統(tǒng)，往往由于材料和工藝的分散性，其缺陷在帶穩(wěn)定負荷長期運行時并不會顯露出來。只有在長期調峰運行時，定子繞組本身的電磁振動加上循環(huán)熱應力的影響，才會使定子繞組出現(xiàn)故障。圖5所示的發(fā)電機在經過長期調峰運行后，甚至出現(xiàn)了定子繞組端部支架斷裂的事故。

圖5 定子繞組端部支架斷裂

（2）對轉子繞組的影響

發(fā)電機轉子繞組是調峰運行中最薄弱的部件之一。與定子繞組情況類似，發(fā)電機轉子也有銅鐵脹差，當負荷調節(jié)時，轉子銅線發(fā)熱量大幅變化，而轉子鐵心的溫度變化較小，由于轉子銅鐵線膨脹系數(shù)不同，因此轉子銅線會產生相對轉軸的熱脹冷縮。另外，轉子繞組要承受高速旋轉的離心力、幅值變化較大的起停應力，以及膨脹收縮力的作用，會使轉子銅線產生蠕變。雖然轉子銅線均采用抗蠕變能力強的含銀銅線制造，但即使改善了銅線的材料，頻繁的脹縮仍然會使轉子銅線，特別是轉子端部頂匝線圈的銅線容易因應力蠕變而發(fā)生變形，進而可能發(fā)展成匝間短路，嚴重時還會導致包間短路。圖6所示的轉子繞組端部頂匝銅線都出現(xiàn)了不同程度的翹曲變形。

圖6 轉子繞組變形

繞組變形常伴隨有槽絕緣磨損、匝間短路、繞組接地等。對于繞組直接冷卻的轉子，當繞組變形量較大時，會引起繞組通風孔錯位甚至堵塞，繞組局部嚴重過熱。當這種過熱引起轉子質量嚴重不平衡時，還會使得轉子振動加大。

發(fā)電機轉子若經常性盤車，會因為轉軸擾度的變化導致線圈間、線圈與絕緣和槽楔間的磨損加劇，如圖7和圖8所示，大容量柔性轉軸更容易產生這一問題。長期調峰運行還會加劇轉子銅粉塵問題的發(fā)生。轉子中嚴重的銅粉塵會產生電流通路而引起轉子繞組匝間短路或接地故障。

圖7 轉子銅線與絕緣間的磨損

圖8 轉子銅線的磨損

（3）對定子鐵心的影響

調峰時發(fā)電機鐵心受周期性熱應力和交變電磁場影響，可能發(fā)生振動超標。發(fā)電機定子鐵心內有交變電磁場通過，產生交變電動力，會有基頻振動和倍頻振動，加上外部運行方式引起的諧振，容易導致鐵心松動（如圖9所示），鐵心振動幅值加大。

振動嚴重時會使得定子鐵心軛部、齒部的片間絕緣破壞，造成局部渦流發(fā)熱，甚至熔化局部鐵心（如圖10所示），進一步使定子繞組絕緣破壞、接地。鐵心振動大時，能量的傳遞很快，能量還能以聲響的形式傳到廠房，形成很大的噪音。

圖9 定子鐵心松動

圖10 定子鐵心局部過熱熔化

（4）對轉子齒部、槽楔、護環(huán)和風扇葉的影響

頻繁起停機、反復通過臨界轉速、并網(wǎng)等加大了對轉軸的機械損耗，低周疲勞應力可能造成轉子金屬結構件上裂紋的產生和擴大。對于轉子齒部、應力集中的R區(qū)，護環(huán)和風扇柄等承受應力較大的部件，在正常離心應力上疊加低周應力，會加速材料的疲勞，縮短使用壽命。

許多材料由應力集中產生裂紋的情況，往往起因于應力腐蝕環(huán)境的劣化作用。例如護環(huán)的應力腐蝕，即使僅帶基本負荷的發(fā)電機，如果冷卻介質含有超過一定限度的水份，便可大大加快裂紋的生成和擴展速度。對于經常調峰運行的機組來說，機內氫氣濕度不達標的風險更大，更容易造成一些承受應力較大的部件產生裂紋，影響發(fā)電機的安全穩(wěn)定運行。

（5）對轉子油膜的影響

兩班制運行時，發(fā)電機經常長時間低速盤車備用，在無高壓油頂系統(tǒng)或該系統(tǒng)工作不良時，油膜厚度得不到保障，支撐軸承會有磨損，將使軸承頂隙擴大，油膜形狀也受到破壞，因而有可能出現(xiàn)油膜失穩(wěn)甚至油膜振蕩。

（6）對轉子大軸壽命的影響

兩班制運行時，發(fā)電機頻繁起停機，使轉子反復通過臨界轉速，軸振動的沖擊將更大、更嚴重。發(fā)電機頻繁并網(wǎng)也可能因產生的轉矩沖擊使軸系造成疲勞積累，特別是并列次數(shù)的增加無形中也增加了誤并列的機會，誤并列則對軸系可能造成嚴重損傷。

振動和扭振對軸系的損壞既可以是由長時間低幅值扭振所引起的軸系疲勞損耗也可以是由短時間的高幅值扭振所致。由電力系統(tǒng)次同步振蕩所引起的發(fā)電機組軸系損壞已有多起，主要是軸系連接處的斷裂或者大軸裂紋，如圖11和圖12所示。隨著越來越多超/特高壓電網(wǎng)的建設和投運，當前電網(wǎng)運行的環(huán)境越來越復雜，雖然已注意到次同步振蕩的危害并采取措施加以預防，但發(fā)電機遭遇次同步振蕩的風險依然存在。

圖11 轉子導電桿部位裂紋

圖12 轉子汽端軸伸上裂紋

（7）對機內漏油的影響

氫冷發(fā)電機運行的主要問題之一就是漏油。漏油會降低氫氣的純度，嚴重影響發(fā)電機的絕緣效果。圖13所示，機內漏油污染定子鐵心，容易導致定子鐵心松動，還會使得定子繞組絕緣表面的電氣強度降低，定子槽楔產生松動翹曲，如圖14所示。

發(fā)電機調峰運行時，受負荷變化的影響，機內氫溫會發(fā)生變化，引起氫氣壓力的頻繁波動，影響密封油系統(tǒng)的正常工作，增加機內漏油的風險。發(fā)電機起停時，由于轉子位置的變化，也會使油封間隙增大，漏油風險增加。

圖13 漏油污染定子鐵心

圖14 定子槽楔松動

2.2 調壓、調相運行

電力系統(tǒng)的電壓高低和無功功率的平衡有關，無功功率欠缺時，電壓水平降低；無功功率有剩余時，電壓就會上升。

隨著城市電網(wǎng)建設的需要，220kV電壓等級的電纜線路鋪設量逐漸增加，由于每公里電纜線路電容值較大，產生的充電功率比常規(guī)架空線路約高一個數(shù)量級，很容易產生無功過剩，使得電壓上升。以珠海電網(wǎng)為例，220kV母線各處線電壓為235.3~238.7kV，超過額定值的7%~8.5%[11]，而電網(wǎng)規(guī)定的電壓合格范圍為-3%~+7%，電壓升高明顯，超出了限值。另外，在節(jié)假日或后半夜低負荷時，也有可能出現(xiàn)無功功率過剩以致電壓升高，超出允許范圍的情況。發(fā)電機參與調壓運行和進相運行的次數(shù)、時長都比以往增加，甚至成為一種常態(tài)。發(fā)電機由于外部運行環(huán)境導致過電壓運行的情況今后也會越來越多。過電壓對發(fā)電機的影響主要有以下兩個方面。

（1）過電壓對絕緣材料的影響

發(fā)電機正常運行時，如果絕緣良好沒有局部放電，那么過電壓的侵入可能會將原有潛在缺陷劣化為事實缺陷，進而使電場發(fā)生畸變，產生局部放電甚至直接擊穿。如果絕緣已有缺陷，過電壓的侵入不僅對潛在缺陷有影響，而且對已有缺陷影響更大。

定子線圈的絕緣直接關系到發(fā)電機的運行可靠性，壽命和技術經濟指標。因為發(fā)電機的定子線圈在運行中，要長期經受高電壓、高溫、交變電磁力和環(huán)境等諸多因素的作用。高電壓的作用是使絕緣介質隨時間延長損耗加大，加速絕緣老化，從而出現(xiàn)電暈、電腐蝕，甚至引起放電，造成短路和絕緣擊穿。

在運行中繞組受交變電磁力的作用及倍頻機械振動磨損，負荷突變時，還要受沖擊力。當溫度變化時，絕緣受拉伸和壓縮的熱應力；同時絕緣長期處于發(fā)熱體中，溫度過高會加速絕緣老化。本來在絕緣缺陷處電場已發(fā)生畸變，再加上過電壓疊加工頻電壓，電壓幅值會大幅增加，將產生脈沖頻率更高的局部放電。局部放電除產生強烈過熱外，還會產生臭氧和氮氧化物，它們極易與周圍的水汽等媒介發(fā)生化學反應生成酸，損壞局部絕緣，如圖15所示。線圈絕緣材料表面損壞后，局部放電集中于凹坑并向絕緣材料內部發(fā)展，嚴重時會發(fā)展為樹枝放電直到擊穿。其絕緣破壞的速度與局部放電的嚴重程度和持續(xù)時間有關。

圖15 局部放電對定子線棒絕緣材料的影響

（2）過電壓對磁通密度的影響

當發(fā)電機遭遇過電壓時，電壓與頻率的比率，即/增加，定子鐵心的磁通密度可能超出設計值。過磁通對發(fā)電機影響較大，會使得定子鐵心磁密增加，進入飽和區(qū)，鐵耗、渦流損耗等增加，致使鐵心溫度升高，效率下降。

過高的磁通密度還會產生漏磁通，磁通量由背部鐵心滲透到空氣中，在鐵心外部產生交變磁場。這樣漏磁通就能通過定位筋和鐵心壓指壓圈產生電流回路，如圖16所示。一旦電流超過限值，不僅會將導致定位筋發(fā)熱，還會在鐵心硅鋼片與定位筋接觸的鴿尾處產生灼傷過熱的痕跡。

圖16 定子鐵心漏磁通產生的電流回路

發(fā)電機從遲相轉為進相運行時，定子端部合成漏磁通將增加，且漏磁通增加率與進相深度成正比。這些漏磁通主要集中在定子的壓圈內圓、壓指和邊端鐵心齒處，導致這些部件的渦流損耗增大，溫度升高，甚至可能會超過允許的溫度限值。

過高的鐵心磁密還會導致定子鐵心的片間電壓升高。倘若定子鐵心存在輕微的片間短路情況，過電壓會使這一區(qū)域發(fā)熱更為嚴重，逐漸導致絕緣變低或受損，最終在鐵心內形成電流的閉合回路。由于發(fā)電機定子鐵心片間絕緣或多或少都存在一些輕微缺陷，過磁通運行容易使這些缺陷放大，最后甚至導致定子鐵心絕緣完全損壞以及定子鐵心燒毀（圖17所示），對發(fā)電機組的安全穩(wěn)定運行構成巨大威脅。

圖17 過磁通引起的鐵心損傷

3 小結

過去大容量燃煤火電機組均以帶基礎負荷長期穩(wěn)定運行為設計目標，關注的重點在于如何優(yōu)化定轉子繞組和定子鐵心的冷卻方式，以提高滿負載工況下發(fā)電機的輸出效率和參數(shù)。但是當前由于電網(wǎng)外部運行環(huán)境的改變，發(fā)電機的運行方式與以往相比有很大的不同。調峰、調壓、進相運行的時間和次數(shù)都大大增加。雖然發(fā)電機在設計之初，考慮了各種運行環(huán)境對發(fā)電機的影響，也采取了相應的措施加以應對，但實際上之前很少有大容量汽輪發(fā)電機在長期的調峰、調壓包括進相下運行，行業(yè)內對這些運行方式的機理分析還不夠。正如同之前對發(fā)電機兩班制運行認識不足的情況一樣，導致有的氫冷發(fā)電機經過短期的兩班制運行后，就出現(xiàn)了嚴重的轉子繞組端部匝間絕緣磨損和匝間短路情況，最后不得不重繞轉子繞組。

隨著大型發(fā)電機設計、工藝技術的進步，對機組進行適應性的改造，從時間周期和技術條件來看都是可行的。例如當發(fā)電機從常規(guī)運行轉向頻繁調峰時，首先應對機組進行全面檢查，重點關注定、轉子繞組的運行情況。

其次對發(fā)電機進行適應性改造：

（1）針對定子線圈，可以采用有空間補償量的改進槽楔結構以提高定子線棒槽內固定的可靠性，在更換線圈時，采用電場內均壓技術提高調峰運行壽命；

（2）針對轉子線圈的變形，可以在轉子線圈端部設置彈性伸縮結構，以及優(yōu)化和改進端部墊塊固定結構以限制線圈變形的空間；

（3）針對機內漏油的風險，可以采用接觸式油擋；

（4）加強發(fā)電機的狀態(tài)監(jiān)測，裝設諸如局部放電、轉子線圈匝間短路、定子線棒光纖測振、軸電壓軸電流等在線監(jiān)測裝置等；

（5）采用遠程診斷專家系統(tǒng)，及時掌握發(fā)電機變化趨勢，及早發(fā)現(xiàn)問題。

最后，還需要建設專業(yè)性更強的運行維護隊伍，提高機組的檢修效果，為新環(huán)境下燃煤火電機組的可靠運行提供更好的保障。

[1] 盛德仁，韓旭，陳堅紅，李蔚．能源互聯(lián)網(wǎng)”下特高壓輸電對汽輪機組的影響分析[J]．中國電機工程學報，2015,35:132-137．

[2] Jürgen R. Weidner, Ana Joswig, etc. Generator reliability and life time extension management at new highly flexible grid conditions[J]. CIGRE, 2015.

[3] 趙良，郭強，等．特高壓同步電網(wǎng)穩(wěn)定特性分析[J]．中國電機工程學報，2008，28(34)：47-51．

[4] Li Y，He J L，et al．Failure risk of UHV AC transmission line considering the statistical characteristics of switching overvoltage waveshape [J]. IEEE Transactions on Power Delivery，2013，28(3)：1731-1739．

[5] 程時杰，曹一家，江全元. 電力系統(tǒng)次同步振蕩的理論與方法[M].北京:科學出版社，2009:3-19.

[6] Camacho A，Castilla M，et al．Reactive power control for distributed generation power plants to comply with voltage limits during grid faults[J]. IEEE Transactions on Power Electronics，2014，29(11)：6224-6234．

[7] 國家發(fā)展和改革委員會能源研究所. 中國2010高比例可再生能源發(fā)展情景暨路徑研究[R]. 2015.

[8] Nosair H. Bouffard F. Flexibility envelopes for power system operational planning[J]. IEEE Trans on Sustainable Energy, 2015, 6(3):800-809.

[9] 張曉魯. 新政策環(huán)境與市場格局下中國發(fā)展清潔發(fā)電的技術選擇[J]. 電網(wǎng)技術. 2007,31(20):1-6.

[10] Mejia-Girldo D, Mccalley J D. Maximizing future flexibility in electric generation portfolios [J]. IEEE Trans on Power Systems. 2014, 29(1): 279-288.

[11] 唐彬偉，等. 長線路末端電壓升高的再思考[J]. 黑龍江電力，2011,33(4):271-273.

The Influence of New Operation Mode of Coal-fired Uniton Steam Turbine Generator in Service

YANG Guolong, CHEN Wenxue, LING Hongbing

(Dongfang Electric Machinery Co., Ltd., Deyang 618000, China)

The external operation environment of the current coal-fired thermal power plant has undergone profound changes, and generators are under increasing pressure to undertake grid regulation tasks. This article summarizes the characteristics of the new operation mode of the current coal-fired generating units, and focuses on the analysis of the influence of flexible operation on generator important components such as stator windings, rotor windings, etc. and unit operation. At the same time, the influence of over-flux and over-voltage on the generator core end and insulation materials during the voltage regulation and phase adjustment is analyzed. The new operation mode of coal-fired units has a greater impact on the reliability and life of the turbine generators inservice. As the current status of coal-fired power plants is gradually changing, more and more in-service turbine generators will enter new operating modes. The content of this paper can provide a useful reference for optimizing and improving the turbine generator to ensure the safe and reliable operation of the unit.

turbine generator; the new operation mode; deep peak-load regulation; voltage and phase regulation

TM311

A

1000-3983(2018)05-0048-06

2018-06-23

楊國龍（1986-），2011年畢業(yè)于哈爾濱工業(yè)大學電氣工程及自動化學院，碩士，現(xiàn)在東方電氣集團東方電機有限公司從事汽輪發(fā)電機設計工作，工程師。