引言

“十四五”時期是為力爭在2030年前實現碳達峰、2060年前實現碳中和打好基礎的關鍵時期，必須協同推進能源低碳轉型，加快能源系統調整以適應新能源大規(guī)模發(fā)展，為應對能源結構的變化和新的市場需求，煤電機組也有必要在運行方式上做出調整[1]。

衡量煤電機組運行靈活性的三個指標性要求為快速啟停、快速變負荷及深度調峰能力。在煤電機組參與調峰運行時，機組所處的運行工況頻繁變化，會對機組運行的可靠性產生一定的影響。本文著重探討了深度調峰運行對660 MW水氫氫汽輪發(fā)電機主要部件的影響及靈活性改造對策。

1深度調峰運行介紹

調峰運行屬于正常運行范疇的特殊運行方式，是指發(fā)電機組在規(guī)定的范圍內，為了跟蹤負荷的峰谷變化而有計劃的、按照一定調節(jié)速度進行的出力調整。調峰運行與電力需求密切相關，正常情況下電網的負荷量呈周期性變化，在電力供應充足的情況下，必然存在電網負荷峰谷差，也就必然存在發(fā)電機組的調峰問題。

汽輪發(fā)電機的調峰運行分為兩種方式：一是受電網負荷峰谷差較大影響而導致發(fā)電機組降出力、超過基本調峰范圍（50%~80%）進行調峰的一種運行方式，發(fā)電機組出力低于50%，稱為“深度調峰運行”；二是停機熱備用的零負荷至基本負荷頻繁交替變化，稱為“兩班制運行”。我國大部分煤電機組的調峰運行方式屬于前者[2]。

2深度調峰對660 MW水氫氫汽輪發(fā)電機的影響

深度調峰運行方式對在役煤電機組的適應性、可靠性和經濟性等提出了更高的要求，以往整個發(fā)電行業(yè)關注重點在鍋爐運行能力的改造上，實際上，深度調峰運行對發(fā)電機也有實質性影響，發(fā)電機可靠性面臨著新的挑戰(zhàn)。汽輪發(fā)電機做靈活性運行時，其負荷頻繁變化，轉子溫度、定子溫度隨之頻繁變化，長時間如此會對發(fā)電機的各部件造成不同程度的影響，對發(fā)電機組運行的可靠性造成隱患。

2.1 660 MW發(fā)電機結構介紹

某電廠QFSN-660-2-22型發(fā)電機為汽輪機直接拖動的隱極式、二極、三相同步發(fā)電機，配有一套氫油水控制系統，采用靜止可控硅，機端變自勵方式勵磁，并采用端蓋式軸承支撐，2008年投運，是目前大型燃煤火電站的主力機組。發(fā)電機采用水氫氫冷卻方式，即定子線圈（包括定子引線）直接水冷，定子出線氫內冷，轉子線圈直接氫冷（氣隙取氣方式），定子鐵芯氫冷。660 MW汽輪發(fā)電機總體布置圖如圖1所示。

2.2深度調峰運行對定子的影響

發(fā)電機長時間深度調峰運行，定子線圈銅線因大電流發(fā)熱而產生軸向膨脹，同時定子鐵芯也因磁負荷而產生熱膨脹。線圈導體發(fā)熱量與電流的平方成正比，定子繞組和定子鐵芯之間熱膨脹系數不同，同時負荷變化引起的溫度變化速率也差異較大，造成在調峰運行過程中發(fā)電機負荷快速增加或減少時，繞組和鐵芯之間的軸向膨脹和收縮量不一樣，在深度調峰運行時，定子電流值大幅變化，溫度隨之產生較大變化，引起軸向膨脹收縮，此時鐵芯磁負荷并無明顯變化，因而產生了銅鐵膨脹差。經常性在這種狀態(tài)下運行就容易導致定子繞組端部、引線部位松動。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。

定子線圈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差別很大。無論是頻繁啟停機的兩班制運行還是深度調峰運行，在負荷快速增加或減少時，絕緣材料與導體之間都會形成很大的剪切應力，主絕緣與銅線之間將產生脫殼，造成電氣性能下降，加速老化。

2.3深度調峰運行對轉子的影響

發(fā)電機轉子繞組是調峰運行中要高度關注的部件之一。與定子線圈情況類似，發(fā)電機長時間深度調峰運行，轉子也有銅鐵溫差，當負荷調節(jié)時，轉子銅線發(fā)熱量大幅變化，同時轉軸的溫度只有較小的變化，而且銅鐵線膨脹系數不同，因此轉子銅線會產生相對轉軸的熱脹冷縮[3]。轉子線圈要承受高速旋轉的離心力、啟停應力的大幅變化以及膨脹收縮力的作用，轉子銅線會產生蠕變，因此線圈均采用抗蠕變能力強的含銀銅線制造。即便改善了材料，但頻繁的脹縮仍然使銅線特別是端部頂匣線圈容易因應力蠕變而發(fā)生變形，進而可能發(fā)展成匣間短路，嚴重時包間短路，必須采取措施。繞組變形常伴隨有槽絕緣磨損、匣間短路、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。

轉子經常性盤車會因轉軸撓度的變化，加速線圈間、線圈與絕緣間的磨損，這在大容量柔性轉軸上更容易產生，此外槽楔磨損也會加大。

頻繁啟停機、反復通過臨界、并網等加大了對轉軸的機械損耗，低周疲勞應力可造成轉子金屬結構件上裂紋的產生和擴大。對于轉子齒部、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[4]。

2.4深度調峰運行對發(fā)電機其他方面的影響

（1）深度調峰運行造成發(fā)電機內氫氣溫度變化，從而引起壓力頻繁波動，增大了氫氣泄漏的可能；密封件老化也增加了漏氫的可能。出線套管因電流變化引起導電桿膨脹收縮，增大了密封件老化泄漏的概率。

（2）氫冷發(fā)電機運行的常見問題之一是漏油。漏油會降低氫氣的純度，嚴重影響發(fā)電機的絕緣效果，使定子線棒槽內和端部固定容易松動，對鐵芯松動也會產生不良影響。發(fā)電機調峰運行時，經常性啟停機，增加了機內漏油的風險。

綜上所述，深度調峰運行對660 MW汽輪發(fā)電機的影響如圖2所示。

3適應深度調峰運行的措施

燃煤火電機組在深度調峰運行時，會對發(fā)電機的各部件造成不同程度的影響，這些問題必須通過實施相應的改造才能解決，以保證機組的安全穩(wěn)定運行。

3.1轉子端部結構優(yōu)化及絕緣更新

（1）在轉子汽勵兩端中心環(huán)上鉆孔并增加彈簽，將轉子線圈端部結構改進為彈性支撐結構，在中心環(huán)與絕緣端環(huán)之間預留間隙，保證發(fā)電機參與深度調峰運行時，轉子線圈在軸向上可以自由地熱脹冷縮，降低轉子線圈膨脹應力，減少轉子線圈塑性變形的可能性。

（2）將轉子端部絕緣墊塊加長，盡量填滿線包間隙，加強轉子端部線圈的支撐，減少轉子線圈拐角處發(fā)生包間短路的可能性，有效防止轉子線圈因變形引起的匣間短路事故發(fā)生。再按新產品轉子制造工藝對轉子繞組重新下線裝配，下線過程中對存在變形的轉子線圈進行整形更換。

（3）轉子改造全過程按照新機制造工藝執(zhí)行，裝配完成后分別進行冷、熱態(tài)精細動平衡，可以確保轉子的裝配和平衡質量，排除轉子本身導致振動偏大的影響因素，推動軸系振動問題的解決。轉子改造過程中可同時對轉子集電環(huán)進行臥車加工，降低因長期運行后集電環(huán)表面平整度（跳動值）、光潔度下降問題帶來的運行風險。

通過升級改造，發(fā)電機轉子深度調峰運行適應性會得到提升，能夠有效應對轉子線圈端部變形風險，絕緣系統全面更新，提高了絕緣可靠性，全面提升了發(fā)電機設備安全性，降低了電氣故障風險。轉子線圈端部結構優(yōu)化如圖3所示。

3.2定子線圈槽內固定結構優(yōu)化

如圖4所示，通過對定子線圈槽內固定結構進行升級改造，采用上下組合式槽楔結構（槽楔+斜楔）與波紋板共同在槽內壓緊定子線圈,強化定子線圈在下線槽內的固定效果,減少槽楔松動,降低靈活性運行造成的故障率；壓縮楔下波紋板的波峰、波谷高度差,將進一步提高發(fā)電機適應深度調峰運行的能力。

3.3發(fā)電機其他部件優(yōu)化改造

（1）針對發(fā)電機內漏油的風險,可以在梳齒式油擋的基礎上加裝接觸式油擋,提高油密封系統可靠性,有效減少機內進油,降低定子機內污染風險。

（2）針對發(fā)電機漏氫量增加的風險,將現有穿針式測溫接線板進行升級,改造成密封性能更好、質量更可靠、檢修更方便的插拔式航空插座結構。

（3）加裝轉子匹間短路探測裝置,實時檢測轉子線圈匹間短路波形。

（4）加裝定子繞組端部振動監(jiān)測裝置,在線實時監(jiān)測定子繞組端部狀態(tài),提早預防定子線圈端部松動、磨損問題的發(fā)生和擴大。

（5）對長期深度調峰運行的發(fā)電機應當定期對定子繞組絕緣、轉子絕緣進行狀態(tài)評估,結合機組實際運行年限和工況,根據機組歷年檢修與現場電氣試驗結果,對發(fā)電機的絕緣狀態(tài)進行準確評估,確保機組安全穩(wěn)定運行。

（6）增設發(fā)電機遠程監(jiān)測智能診斷系統,由專家團隊通過診斷系統對機組的運行狀況進行綜合分析,及時發(fā)現影響發(fā)電機安全穩(wěn)定運行的預兆和趨勢。通過該智能診斷系統可以提高機組的運維便利性、運行可靠性及運行經濟性。

4結束語

煤電機組深度調峰運行是國家能源行業(yè)發(fā)展的大趨勢,每個地區(qū)和電廠會有不同的改造需求,應根據電廠的具體情況,有針對性地提出改造方案。在鍋爐、汽輪機進行改造的同時,對發(fā)電機進行靈活性改造在周期和技術上是可行的,各項改造和運行維護措施能夠為新環(huán)境下煤電機組發(fā)電機的可靠運行提供更好的保障。