汽轮发电机正常运行基础讲解.ppt
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1、1第四章第四章 汽轮发电机正常运行汽轮发电机正常运行 2第二节 大型发电机组的出力 大型发电机组的出力,可以分为有功出力和无功出力。有功出力主要是由汽轮机的出力来决定的。有以下几种与汽轮机相对应工况下的定义。一、铭牌工况(TRL)以铭牌额定功率输出的汽轮发电机组,应能在下列条件下,安全、经济连续运行,此工况称为铭牌工况。此工况下的汽轮机进汽量,称为铭牌进汽量,此工况也是出力保证值的验收出力。3此时,机组的净热耗值,应不大于卖方的保证值。(1)在额定主蒸汽及再热蒸汽参数时,汽水品质符合规定;(2)汽轮机低压缸平均排汽压力为设计值,或者冷却水温度为设计值;(3)补给水量不大于设计值(设计值一般为3
2、);(4)设计的最终给水温度;(5)全部回热系统正常运行;(6)两台汽动给水泵投入运行;(7)发电机的电压、频率、功率因数、氢压均为额定值,冷却器冷却水温为设计值。4二、最大保证出力(T-MCR)工况 汽轮机进汽量等于铭牌进汽量,在下列条件下安全连续运行。此工况下发电机输出的功率称为最大保证出力(T-MCR),此工况也称为最大保证工况。(1)主蒸汽及再热蒸汽参数为额定值,并符合所规定的汽水品质;(2)汽轮机低压缸平均排汽压力为设计值,或者冷却水温度为设计值;(3)补给水量为零;(4)设计的最终给水温度;(5)全部回热系统正常运行;(6)两台汽动给水泵投入运行;(7)发电机的电压、频率、功率因数
3、、氢压为额定值,冷却器冷却水温为设计值。5三、调节阀全开(VWO)工况 汽轮发电机组,应能在汽轮机所有调节阀全部开足(VWO),其他条件同上述二条时,汽轮机的进汽量应不小于105的铭牌工况(T-MCR)进汽量,此工况称为VWO工况。如果主蒸汽压力再提高到105额定值,此工况称为VWO+5OP工况,此时汽轮机的输入功率达到了最大(到了不能再大的程度)。发电机应能与汽轮机VWO+5OP工况出力相匹配,能够长期连续运行。相对应的主变压器,还能在不带厂用电的工况下,长期通过发电机的输出功率,且其上层油温不超过设计值。6 额定参数下的运行与允许温度额定参数下的运行与允许温度 发电机在长期连续运行时的允许
4、出力,主要受机组的允许发热条件限制。汽轮发电机的额定容量,是在一定冷却介质(空气、氢气和水)温度和氢压下,在定子绕组、转子绕组和定子铁芯的长期允许发热温度的范围内确定的。发电机的绕组和铁芯的长期发热允许温度,与采用的绝缘等级有关。大容量发电机一般都采用耐热等级为B级或F级绝缘,我厂定、转子线圈的绝缘采用F级的绝缘材料。7根据国家标准GBT70642002,氢、水冷却的汽轮发电机定子、转子绕组及定子铁芯允许运行温升限值如表42和表43所示。汽轮发电机关键部件的允许运行温度,不但与其使用的绝缘材料耐热等级有关,还与其冷却方式、测点位置、测量方法等有关。89 经研究,A级绝缘运行温度每升高8C、B级
5、每升高10C、F级每升高12C,使用寿命就会下降一半。运行中带基本负荷的汽轮发电机,负荷基本上是满的,大容量机组的进风温度,常保持额定温度,一年运行要达到8000h以上。其使用寿命,在正常情况下,能达到30年左右。10 三、汽轮发电机带电绕组运行中的机械及环境因素对寿命的影三、汽轮发电机带电绕组运行中的机械及环境因素对寿命的影响响大容量汽轮发电机采用的电磁负荷较大,运行中的发电机,定子绕组还可能承受出线端的突然短路、误并列、系统中高压线路事故及事故后的自动重合闸等的冲击。这些都将使发电机产生几倍至十几倍的冲击电流,因此而产生成百倍电磁力的冲击。大容量汽轮发电机,定子绕组端部结构是一个关键。不但
6、要降低附加损耗及发热,还要能承受运行中电磁力引起的振动及瞬时冲击,不致发生磨损而影响绝缘。现代的发电机,其端部固定,一般采用可重复紧固结构,就是考虑在事故后的检修中,能处理可能产生的松动及磨损并重新紧固。11 在汽轮发电机运行中,机内的潮湿及污染,对发电机定子绕组绝缘的耐电压性能,也会有很大的影响,有些运行中的发电机,曾因机内氢气含湿量大或渗、漏水,再加上绝缘又有薄弱环节,在定子端部绕组鼻端将发生了短路烧坏的重大事故。四、结论 综上所述,汽轮发电机定子绕组的绝缘寿命,在正常情况下,对采用环氧粉云母复合绝缘材料及有适当的冷却者,可达30年以上。如运行中承受过定子绕组出线端突然短路及错相合闸等情况
7、,事故后又未能及时停机检修维护,则发电机定子绕组绝缘的寿命就要受到影响。12发电机的短时过负荷能力发电机的短时过负荷能力 在正常运行时,发电机是不允许过负荷的,即不允许超过额定容量长期运行。当发电机 电压低于额定值时,允许适当增大定子电流,但定子电流最大不得超过额定值的5长期运行。在系统发生短路故障、发电机失步运行、成群电动机起动和强行励磁等情况下,发电机 定子或转子都可能短时过负荷。过负荷使发电机定子、转子电流超过额定值较多时,会使绕 组温度有超过容许限值的危险,使绝缘老化过快,甚至还可能造成机械损坏。过负荷数值愈大、持续时间愈长,上述危险性愈严重。13 但因发电机在额定工况下的温度较其所用
8、绝缘材料的最高允许温度低一些,有一定的备用余量可作短时过负荷使用。过负荷的允许数值不仅和持续时间有关,还与发电机的冷却方式有关。直接内冷的绕组在发热时容易产生变形,所以其过负荷的容许值比间接冷却的要小。发电机定子和转子短时过负荷的容许值由制造厂家规定。我国国家标准GB706486汽轮发电机通用技术条件中,对于发电机定子绕组在直接冷却和间接冷却的情况下,短时过负荷有不同规定,详见表51和表52。14发电机具有一定的短时过负荷能力。从额定工况下的稳定温度起始,能承受1.3倍额定定子电流运行至少1min。允许的定子电流和持续时间(直到120s)如下:机械结构的设计按照假设每年运行在上述定子电流下的次
9、数不超过两次设计。15同时,在额定工况稳定温度下,发电机励磁绕组能在励磁电压为125%额定值下运行至少1min,允许的励磁电压与持续时间(直到120s)如下:机械结构设计按照假设每年运行在上述励磁电压下的次数不超过两次设计。时间(s)203060120励磁电压(%)20814612511216发电机不容许经常过负荷,只有在事故情况下,当系统必须切除部分发电机或线路时,为防止系统静稳定破坏,保证连续供电,才容许发电机短时过负荷。当过负荷时间超过允许时间时,应及时采取措施,立即将发电机定子电流及励磁电压降至正常允许值。17 第二节第二节 冷却条件变化对发电机允许出力的影响冷却条件变化对发电机允许出
10、力的影响 对于大容量水氢氢冷汽轮发电机,定子绕组采用水内冷、转子绕组采用氢内冷、定子铁芯为氢冷。冷却条件变化主要是指氢和冷却水的有关参数不同于其额定值。QFSN-600型汽轮发电机组采用卧式布置。发电机冷却方式采用“水氢氢”冷,即定子线圈(包括定子引线,定子过渡引线和出线)采用水内冷,转子线圈采用氢内冷,定子铁心及端部结构件采用氢气表面冷却。集电环采用空气冷却。机座内部的氢气由装于转子两端的轴流式风扇驱动,在机内进行密闭循环。18一、氢气温度变化的影响一、氢气温度变化的影响 如果负荷不变,当氢气入口(或冷端)风温升高时,绕组和铁芯温度升高,会加速绝缘老化、寿命降低。当冷却介质的温度升高时,要求
11、减小汽轮发电机的出力,使绕组和铁芯的温度不超过在额定方式下运行时的最大监视温度。对于水氢氢冷汽轮发电机,冷端氢温不允许高于制造厂的规定值,也不允许低于制造厂的规定值。在这一规定温度范围内,发电机可以按额定出力运行。19当冷端氢温降低时,也不允许提高出力。这是因为,定子的有效部分分别用不同介质冷却,定子绕组水内冷、铁芯氢冷。这些冷却介质的温度,彼此间互不相依。水氢氢冷汽轮发电机,当氢气温度高于额定值时,按照氢气冷却的转子绕组温升条件限制出力。(额定氢压 0.4MPa 和冷却水温度 33下,功率因数 0.9),氢气冷却器的设计,在1个冷却器因故停用时,发电机仍能承担90额定功率连续运行,而不超过允
12、许温升。20二、氢气压力变化的影响二、氢气压力变化的影响 氢气压力提高,氢气的传热能力增强,氢冷发电机的最大允许负荷也可以增加。但当氢压低于额定值时,由于氢气传热能力的减弱,发电机的允许负荷亦应降低。氢压变化时,发电机的允许出力由绕组最热点的温度决定,即该点的温度不得超过发电机在额定工况时的温度。当氢压高于额定值时,对水氢氢冷发电机的负荷不允许增加,这是因为定子绕组的热量是被定子线棒内的冷却水带走的,所以,提高氢压并不能加强定子线棒的散热能力。当氢压低于额定值时,由于氢气的传热能力减弱,必须降低发电机的允许负荷。21三、氢气纯度变化的影响三、氢气纯度变化的影响 氢气纯度变化时,对发电机运行的影
13、响主要是安全和经济两个方面。在氢气和空气混合时,若氢气含量降到575,便有爆炸危险,所以,一般都要求发电机运行时的氢气纯度应保持在96以上,低于此值时应进行排污。从经济观点上看,氢气的纯度愈高,混合气体的密度就愈小,通风摩擦损耗就愈小。当机壳内氢气压力不变时,氢气纯度每降低1,通风摩擦损耗约增加11,这对于高氢压大容量的发电机是很可观的。特别要指出的是,大容量氢冷发电机不允许在机壳内有空气或二氧化碳时,从启动到额定转速甚至进行试验,以防止风扇叶片根部的机械应力过高。22四、定子绕组进水量和进水温度变化的影响四、定子绕组进水量和进水温度变化的影响 水氢氢冷式汽轮发电机,在额定条件下,定子绕组铜线
14、和铁芯之间的温差并不大,约为1520C,而铁芯的温度高些。当冷却水量在额定值的土10范围内变化时,对定子绕组的温度实际上影响不大。大量的增加冷却水量,会导致入口压力过分增大,在由大截面流向小截面的过渡部位可能发生气蚀现象,使水管壁损坏,故不建议提高流量。降低除盐水量,将使绕组入口和出口水温差增大,绕组出口水温度增高。这样会造成绕组温升极不均匀,是不允许的。23在设计中,一般采用绕组进出口的水温差不超过3035C,以便当入口水温度等于45C时,相当于出口水温等于80,以防止出口处产生汽化。一般,绕 组入口的水温与额定值的偏差,允许范围是土5。这时,汽轮发电机的视在功率不变。如果定子绕组冷却水完全
15、停止循环,从绕组的温升条件来看是危险的,若除盐水的电阻值过低,可能沿水管内壁发生闪络。24 当发电机定子绕组的冷却水停止循环后,其容许运行的持续时间,要根据水的电阻率来确定。如果绕组冷却水停止循环以前,它的电阻率小于200kcm,在定子绕组的冷却水停止循环后,应在3min内将发电机与电网解列。如果绕组冷却水停止循环之前,它的电阻率大于200kcm,容许发电机带不超过30额定负荷,运行1h。这种容许值的规定,对运行极为方便,可以在机组不停的情况下,采取措施恢复绕组冷却水的循环。但是,这就要求在正常运行过程中保持除盐水有较高的电阻值。根据上述可知,采用调节定子绕组水量的方法,以保持定子绕组的水温是
16、不适当的。关于绕组冷却水温度,在任何情况下,绕组出口的水温不应超过85(有的定为90C)以免汽化。25当绕组进水温度在额定值(多为4546)附近变化5以内时,可不改变额定出力。但不同发电机的技术规定可能与此有些差别。当绕组入口水温超过规定范围上限时,应减小出力,以保持绕组出水的温度不超过额定条件下的允许出水温度。入口水温也不允许低于制造厂的规定值,以防止定子绕组和铁芯的温差过大或可能引起汇水母管表面的结露现象。26 五、五、600MW汽轮发电机冷却装置运行状态不正常的影响汽轮发电机冷却装置运行状态不正常的影响 水氢氢冷型600MW汽轮发电机的冷却装置运行状态不正常,主要是指氢气冷却器的工作状态
17、、定子绕组冷却水的冷却器的工作状态和定子绕组断水(或流量小于某规定值)三种 情况。不同的机组可能有不同的技术规定。1氢气冷却器状态影响氢气冷却器在运行中可以关掉其中一个冷却器进行清洗,关掉一个冷却器后发电机所带的最大安全负荷应根据制造厂规定,一般为80一100额定值负荷。其余运行中的冷却器的冷却水量应保持正常,使得水速保持不变。在此情况下,冷风温度允许升高至48C(额定值为451C)。272定子绕组水冷却器的影响定子绕组水冷却器的影响每台发电机组一般都配有两台100容量的定子水冷却器,任一台水冷却器退出工作时,仍可维持发电机最大输出容量(与汽轮机最大连续额定出力相匹配)。2.1.1.16 氢气
18、冷却器的设计,在1个冷却器因故停用时,发电机仍能承担90额定功率连续运行,而不超过允许温升。3定子绕组断水保护定子绕组断水保护定子绕组断水保护,各制造厂也有不同的规定和处理方式,28 电压、电压、频率不同于额定值的运行频率不同于额定值的运行 一、电压不同于额定值时的运行一、电压不同于额定值时的运行 发电机正常运行的端电压,容许在额定电压土5范围内变化,而发电机的视在功率可以保持在额定值不变。这时,当定子电压降低5时,定子电流可增加5;当电压升高5时,定子电流增加可达1.05倍额定值,此时定子绕组和铁芯的温升可能高于额定值,但实践证明,绕组和铁芯的温升不会超过额定值5C,因而不会超过容许温升。发
19、电机连续运行的最高允许电压,应遵守制造厂的规定,但最高不得大于额定电压值110。29 当发电机电压超过额定值的5时,必须适当降低发电机的出力。因为电压升高到105时,就会引起励磁电流和发电机的磁通密度显著增加,而近代大容量内冷发电机在正常运行时,其定子铁芯就已在比较高饱和程度下工作,所以,即使电压继续提高不多,也会使铁芯进入过饱和,并导致定子铁芯温度升高和转子及定子结构中附加损耗增加,当电压降低值超过5,即电压低于95UN时,定子电流不应超过额定值的5,此时,发电机要减小出力,否则定子绕组的温度将超过容许值。30发电机的最低运行电压,应根据系统稳定运行的要求来确定,一般不应低于额定值的90,因
20、为电压过低后,不仅会影响并列运行的稳定性,还会使发电厂厂用电动机的运行情况恶化、转矩降低,从而使机炉的正常运行受到影响。对600MW汽轮发电机的技术要求:发电机在额定出力时,允许电压偏差为土5,而温升不应超过允许限值。31二、频率不同于额定值时的运行 按我国的运行规程,发电机运行的频率范围不超过额定频率(50Hz)土0.5Hz,即为额定频率的土1时,发电机可按额定容量运行。国外资料认为,频率(相应转速)偏差在土2.5范围内时,发电机的温升实际上不受影响。所以,当频率偏差在2.5以内时,发电机可保持额定出力运行。不少发电机,允许频率偏差为土5,例如ABB公司600MW汽轮发电机就有此技术规定。运
21、行频率比额定值偏高较多时,由于发电机的转速升高,转子上承受的离心力增大,可能使转子的某些部件损坏,因此频率增高主要受转于机械强度的限制。32同时,频率增高,转速增大时,通风摩擦损耗也要增多,虽然在一定电压下,磁通可以小些,铁耗损也可能有所降低,但总的来说,此时发电机的效率是下降的。运行频率值比额定值偏低较多时,也有很多不利影响。例如,频率降低,转速下降,使发电机内风扇的送风量降低,其后果是使发电机的冷却条件变坏,各部分的温度升高。33频率降低时,为维持额定电压不变,就得增加磁通,如同电压升高时的情况一样,由于漏磁增加而产生局部过热。频率降低还可能使汽轮机叶片损坏,厂用电动机也可能由于频率下降,
22、使厂用机械出力受到严重影响。由于上述原因,不希望发电机在偏离频率额定值较多的情况下运行。在系统运行频率变化0.5Hz的容许范围内(对于300MW以上的电网,要求频率偏差为土0.2Hz),由于发电机设计留有裕度,可不计上述影响,容许发电机保持额定出力(额定MVA)长期连续运行。34频 率(Hz)允 许 时 间每次(sec)累计(min)51.051.5303048.551.0连续运行48.54830030048.047.5606047.547201047.046.5522.1.1.4 发电机具有频繁启停等的调峰运行能力。为此,定、转子设计结构采取有效的技术措施,如定子端部结构轴向伸缩度能满足调峰
23、要求,转子槽内和护环下加滑移层等,保证调峰机组能启停10000次而不变形和损坏。机组能安全连续地在48.551.0Hz频率范围内运行,当频率偏差大于上述频率值时,允许的时间不低于下述值:3536 发电机的功角特性与稳定概念发电机的功角特性与稳定概念 一、汽轮发电机的功率和功角关系 设发电机与无限大容量系统母线并联运行(U=常数),在略去发电机定子电阻,并假设发电机处于不饱和状态,则其等值电路如图41(b)所示。从等值电路可写出电压方程37 当发电机端电压不变时,Xd亦不变。若励磁电流不变,则发电机电动势Eq也不变。因此,由式可知,当发电机端电压U和励磁电流都不变,而只改变原动机转矩时,发电机的
24、输出功率P与功角之间的关系为一正弦函数变化关系,其关系曲线称为同步发电机的功角特性,如图42所示。当90时,电磁功率达最大值,其值为38二、静态稳定概念 发电机与无限大容量系统并联运行,汽轮机输出功率为P1时,电磁功率Pe即发电机的输出功率P。与功角之间的关系为一正弦函数变化的功角特性曲线。它们有两个交点,即a点和b点(见图4-2)。相应的功角分别为a和b。在这两个功率平衡点是否都能稳定工作呢?如果在某一点工作时受到小的扰动(如负荷、电压、励磁、原动机等的波动)后,能恢复到原来的工作点,人们就称这一工作点是静态稳定的;反之,如果在某一工作点工作时,受小的扰动后,不能回到原来的工作点,人们就称这
25、一工作点是静态不稳定的。394041 在这种情况下,若保持发电机的励磁电流不变(如额定励磁电流),即保持发电机电动势E不变(略去下标q),以系统母线电压U为参考。此时,若不考虑发电机、变压器和线路有功损耗,则发电机输入系统的功率P可根据发电机直接与无限大系统连接时的类似推导得出,为42式中:发电机电动势E与系统电压U之间的夹角;X一发电机电抗Xd与外电抗Xs之和。显然,在相同的发电机电动势E下,发电机输入系统的静稳定极限功率 将随外电抗(发电机至无限大系统母线之间的电抗)Xs的增大而减小。另外,在发电机输出功率和励磁电流不变的情况下,由于Xs的出现,发电机电动势E与系统电压U之间的夹角,将随X
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