张利民编译核电汽轮发电机的更新设计 2.doc

核电汽轮发电机的更新设计张利民 吕 坤 编译摘 要 世界上最广泛使用的延长汽轮发电机寿命的技术之一是更换绕组，包括绝缘系统升级。本文推荐采用对电站运行有很多优势的一种延寿方法。用此方法，整个发电机在非常短的时间内就可更换。新的发电机对电站来说带来了最先进的技术，极大地延长了它的寿命。另一个优点是在很多情况下发电机能根据电站要求提高额定出力和/或效率。然而，更换机组的主要缺点是费用较高。无论如何，如果更换比绝缘更新更快，那么节省的运行时间就足以抵消该项费用，特别对基荷电站而言。这就是说，大型火电站及核电站用发电机最好采用这种方案。2005年到2009年间日立公司参与了韩国某电厂4台发电机的改造项目。其中一台发电机增容大约10%。从老的发电机完全关闭到新的发电机100%输出功率的更新时间少于50天。尤其是，2009年改造的第4台发电机(1222MVA，22kV，60Hz，重量约500t)，只花了43天。我们估计，这种汽轮发电机的绝缘更新，包括拆卸和重新组装转子大概要花5060天。因此，估计该电站采用更换整台发电机方式能节省大约两周时间。这期间的运行收益基本上弥补了更新发电机的额外费用。虽然这种商业模式对有关当事方会带来显著的收益，但重要的是在实施中有关当事方之间要严格按时间表通力合作。加之，为了进行这种更新，必需有丰富的经验和充分的准备。对上述情况，我们不是原来的制造商，所以，为了制定更换计划，必须测量设备的尺寸和了解结构的限制。除了发电机和辅助系统设计外，还必须测量和估算基础的强度和吊车的起吊能力。根据“逆向工程”排序，对安装计划进行讨论和审批。关键词 汽轮发电机 重绕 更换发电机 逆向工程1 概 况为了满足电力消耗的大幅增加，全世界正在建设许多新电站，随着时间推移电站输出往往会增加。兴建电站不仅通常需要很大的预算，必须仔细掌控，而且建设周期较长，政府评估审批也要花费很多时间。增加电力供应一个更容易和更快的方法是提高现有电站的输出功率。特别是，对大型火电厂和核电站而言，热平衡和/或电站辅助系统效率即使小的改善也会产生10MW100MW的额外输出功率，这相当于一座小电站的输出功率。功率输出的增加是建立在新的发电机的额定功率基础上的。新的额定功率通常取决于新汽轮机的输出机械功率。满足新的发电机额定功率的一种通常方法是改善冷却方式。为此，采用传热系数高的新绝缘往往是有效的。另一种办法是增加冷却介质(如水或氢)的流量。此外，也应考虑减少电站电气系统的损耗。与此相反，运行多年后绝缘系统更新或重绕是延长发电机寿命的通用办法。根据绝缘诊断结果的分析数据以及以前的实际案例资料进行重绕。在这些案例中，以上提到的增容是可行的。然而，重绕也会受到一些结构上的限制。比如，很难改变定子和转子槽尺寸及长度，因此，冷却能力的改善也会受到限制。如果汽轮机端要较大提高机械功率输出，所选发电机有时不能满足要求。因此，更换(即更新)整台发电机是另一种提高输出功率的办法。在这种方法中，发电机可以克服结构上的限制更随意地设计，而基础或设备限制仍存在。在这样的情况下，制造厂可以提供更有吸引力的方案，而电站用户可从不同增容方案中进行选择。本文主要介绍汽轮发电机更新设计模式。2 实际项目在2000年代中期我们开始进行韩国发电机更换项目。该项目包括核电站的4台发电机。表1所示为原来的发电机参数。在那时，重绕电枢线圈标准时间是5060天。因此，要求更换项目花重绕同样的天数或少于重绕的天数。表1 原来的发电机参数机组1机组2机组3机组4发电机的额定容量/kVA700,000764,7001,222,2221,222,222发电机的电压/kV22222222电枢电流/A18,37020,06832,07532,075绝缘等级BBBB定子重/t230242340340转子重/t124130180180投运时间1978/41983/71985/91986/4核电站要求利用率高、可靠性高。因此，我们计划尽可能缩短大修周期。此外，还承诺对诸如转子振动、可维修性好以及电枢更新和磁场绝缘的许多改进，其优点是使用合理的成本更换整台发电机，而不仅仅是重绕的成本。2.1 项目投标期间，我们尽可能收集了电站的大量资料，因为原来的发电机是由另一家公司制造的。这对我们是不利的，因为我们没有任何制造图纸或设计。为了对此进行弥补，我们派遣了几个工程师到工地测绘了一些草图，好像我们是原来的制造者。然而，由于进入受到限制，因此，某些结构件的设计只能根据工程知识进行估算。为此应用“逆向工程”是非常重要的。在投标过程一选定和收到订单后，我们研究了客户对新发电机的要求。为了进行此“更新”设计，我们希望提供最佳的解决方案。因此，我们派遣了510名工程师去工地，每台机组去了5次以上。客户的通力合作和相互了解有助于“逆向工程”。另外，施工要求对现有设备的拆卸和新设备的安装提出计划。前期主要的问题是怎样安装设备。发电机定子是最重的部件，所以我们必须为一些机组安装起重设备。辅助系统的安装也很困难，因为辅助设备必须装在地下室或地面层。我们使用非常有限的开敞空间和起重装置管理安装计划。为了在车间测试装配后将它放入如此狭窄的空间，一些部件不得不拆卸。而且，每个国家都有很多现场施工规程。尤其，在很多情况下，必须国家施工许可证。解决办法之一是与该项工程中具有类似许可证的公司建立合作关系。当设计进入一定阶段，我们想再次确认实际数据和在工地交接。项目的优先目标之一是在非常短的时间里完成更换。这意味着我们的设计与工地实际设备之间小的缺陷或失配会导致时间的浪费。因此，我们认为访问对最后确认是非常重要的。2.2 工程除了设计新发电机和辅助系统外，还需执行下列步骤：(1) 润滑油系统总流量平衡分析；(2) 分析所有连接系统(辅助系统、分相母线、励磁系统)；(3) 轴承座混凝土裂纹的调查；(4) 轴承座的振动分析(共振检查)；(5) 现有的锚杆螺栓的结构整体性检查；(6) 临时的起重设备的结构整体性检查；(7) 道路负载检查；(8) 汽轮发电机转子轴系的扭力分析和测量；(9) 汽轮发电机的推力计算；(10)发电机热膨胀分析；(11)盘车装置容量和负载分析；(12)转子动态分析。仔细检查了电站公用设备(如，润滑油、冷却水、和辅助电源)。如果这些公用设备的新要求影响了现有的状况，我们必须改变影响泵和电动机容量的平衡，并设定压力点和流量点。检查和减小转子振动是主要任务之一。在此项工程中，我们没有汽轮机和发电机转子的完整原始资料。因此，关键一步是深入分析并与实际数据进行比较。我们多次将分析数据与测量数据进行校核，以确保结果正确无误。原来设备与新设备之间的主要连接部位在分相母线(IPB)、汽轮发电机联轴器、DC母线、及带主油泵的转子端。拔转子时，这些连接部位大多数不能检查或测量。因此，非常重要的是不要错过客户的电站的运行日程。2.3 拆卸和安装 计划大修以前必须进行充分的准备。首先，通过重型设备的道路要适当加固，超过300t重的拖车可能会损坏地下管道。同样，对临时起重装置要进行实际载荷检验。其中一台机组，沉重的发电机必然跨过汽轮机。因此，更换前要验证吊车的实际承载能力。如果吊车没有足够的起吊能力，我们必须花额外的时间采取相应措施，如加固起吊钢缆和/或更换电动机。前期工程和准备工作花了一个月左右。同时，工程的整套新发电机按时从工厂发运到工地。在该阶段要时常开会，因为大修开始后，许多关键人员很少有时间聚在一起。大家相互了解和对工作的提前确认有助于项目的顺利开展。如图所示为实际工作现场的一组照片。(1) 只是基础上(汽轮机地板) (2)在基础上工作前面的配置(3)完工图 更换的发电机转子盘车结束后，开始拆除现有的发电机。同时，移走每层楼上的辅助系统及其管道。从停机到新定子就位只花了16天。为了保持进度，有100多人两班(日夜)工作。基础和冲洗工作肯定要花一段时间，因此，减少其工作量是保证日程安排的关键。而且，该时间表不包括现场平衡工作。如果需要，转子不得不停下来并再次起动，将花数日盘车和清理。转子动力学计算和车间配平是另一个关键问题。2.4 经验表2为新发电机的技术参数和实际更换的工作日。第一台机组更换从停机到100%再加载花了53天。第二、第三台机组需要的天数更少，最后一台机组只用了43天，与重绕所需时间差不多。如此快的更换必需两个主要的外部条件。一个条件是能自由地使用桥式吊车。在计划大修期，许多检查(如汽轮机转子的检查)，常常要用桥式吊车。如果吊车还必须干其他的工作，更换工作可能中断，会浪费大量的时间。因此，管理者事先必须考虑和有关人员一起协调一个适当的时间表。表2 更换发电机的技术参数机组1机组2机组3机组4发电机额定容量/kVA749,000840,0001,222,2221,222,222额定功率增加/%107110100100发电机电压/kV22222222电枢电流/A19,65622,04432,07532,075绝缘等级FFFF计划更换天数*146535353实际更换天数*253454349投运时间2005/52008/72009/122009/2*1 从机组停机到100%功率输出；*2 包括不属于发电机的其他的工作。另一个条件是在有关方之间建立畅通的信息。经常性例会是非常重要的，即使每个人谈论很少的时间。对如此紧的时间表，人们趋向专心于自己的工作。为了完成共同的目标，在大修中共享整个项目的资料是非常重要的。在这些会议上，尤其重要的是对意外的麻烦迅速做出处理决定。当然，非常熟练的和有经验的人将参与做出迅速的决定。建立相互信任的良好关系是解决问题的强大的动力。3 更换的好处更换整台发电机比重绕发电机更昂贵，这是事实。然而，应对以下优点进行评估：3.1 最新技术容易更换发电机周围的电气设备。目标之一是选用容量更大的数字冗余自动电压调整(AVR)和分相母线(IPB)。也应考虑励磁方法的改变。从带或不带永磁发电机(PMG)的无刷励磁机到静态励磁机,反之亦然是典型的变化。一个新的二极管和/或晶闸管可使损耗较低和尺寸更紧凑。加之，发电机上安装了新的诊断设备，譬如，磁通探测器、局部放电监测器、发电机状态监测器、电枢绕组振动传感器。虽然这些元件大部分能在运行的发电机上安装，但重要的是从初始状态评估这些诊断数据的趋势。新发电机能够提供原始数据，这有助于运行人员了解发电机工况。3.2 运行成本近年来铁心材料有所改进，通常损耗比以前低。如果采用了这种材料，电站的输出功率将增加，而且，铁心绝缘将焕然一新。发电机的充分冷却可以延长绝缘寿命。这些改进能减少未来的运行成本。为了保证长期运行，发电机的许多部件必须维修。然而，可能出现原有供应商或配件(如碳刷、二极管和轴衬)消失的情况。随着时间的推移，此风险可能会增加。因此，必须考虑持续供给构架。3.3 运行灵活性如果汽轮机通过各种方法增加机械输出，新发电机容易满足较大的增容要求。假如运行工况要求发电机在大的超前功率因数下运行和频繁起动-停车，发电机设计也可予以考虑。整台发电机更换后，噪声和振动问题也可能改善。比如，主要由转子和定子尺寸决定的自然频率和共振也难以显著改变。新的转子结构和绕组装配支撑系