【摘要】：2016年底,國(guó)家發(fā)展改革委、國(guó)家能源局發(fā)布電力發(fā)展“十三五”規(guī)劃,提出優(yōu)化能源供給結(jié)構(gòu),著力推動(dòng)能源生產(chǎn)利用方式變革,提高能源利用效率,發(fā)展清潔、高效的電源結(jié)構(gòu)。燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電是以天然氣為燃料的發(fā)電方式,具有燃燒低、熱值高等顯著優(yōu)點(diǎn),可以最大限度節(jié)煤,同時(shí)具有良好的經(jīng)濟(jì)、環(huán)境效益,“十三五”期間全國(guó)氣電新增投產(chǎn)5000萬千瓦,2020年達(dá)到1.1億千瓦以上�，F(xiàn)已計(jì)劃在京津冀、珠三角和長(zhǎng)三角地區(qū)等分批建設(shè)供電效率高、比投資低、建設(shè)周期短、起停靈活、運(yùn)行自動(dòng)化程度高的大型燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電項(xiàng)目。高效率、低污染的大型空冷汽輪發(fā)電機(jī)作為電力生產(chǎn)中主要的電力設(shè)備,堪比燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)電站的心臟,其設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù),運(yùn)行特性及故障特征是學(xué)術(shù)界和工程界的重點(diǎn)研究方向。空冷汽輪發(fā)電機(jī)具有起停方便、系統(tǒng)簡(jiǎn)單、比較容易維護(hù)等優(yōu)點(diǎn),使其在常用于調(diào)峰運(yùn)行的聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)中與燃?xì)廨啓C(jī)配用特別適宜。然而,當(dāng)發(fā)電機(jī)長(zhǎng)期處于頻繁起停的過程中,容易發(fā)生各種機(jī)端短路故障,甚至是嚴(yán)重的發(fā)電機(jī)誤同期并網(wǎng)事故。各類事故的發(fā)生,會(huì)對(duì)發(fā)電機(jī)組和電網(wǎng)的運(yùn)行穩(wěn)定性產(chǎn)生較大影響,嚴(yán)重時(shí)發(fā)電機(jī)甚至?xí)ネ?并在系統(tǒng)中引起強(qiáng)烈的功率振蕩。故障發(fā)生瞬間,汽輪發(fā)電機(jī)的定、轉(zhuǎn)子繞組中會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)大的沖擊電流,加速定、轉(zhuǎn)子繞組絕緣老化。另一方面,故障過程中在發(fā)電機(jī)端部繞組或者定、轉(zhuǎn)子鐵心上產(chǎn)生的較大的電磁力可能會(huì)引起機(jī)械振動(dòng),導(dǎo)致定子端部繞組及引出線的絕緣磨損或是轉(zhuǎn)子軸系的疲勞斷裂破壞,引發(fā)安全事故。因此,為了減小故障對(duì)空冷汽輪發(fā)電機(jī)造成巨大損害而帶來的經(jīng)濟(jì)損失,本文圍繞上述問題開展了深入研究,全文的主要內(nèi)容如下:建立了計(jì)及空冷汽輪發(fā)電機(jī)磁場(chǎng)飽和、非線性等因素,并包含非理想輸電線路的機(jī)網(wǎng)動(dòng)態(tài)分析用時(shí)步有限元數(shù)學(xué)模型,同時(shí)考慮機(jī)電耦合的相互作用,給出了考慮發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)軸的各軸段的傳遞扭矩、阻尼轉(zhuǎn)矩及每個(gè)質(zhì)量塊轉(zhuǎn)速的不同變化等因素的多質(zhì)量塊彈簧系統(tǒng)模型。針對(duì)空冷汽輪發(fā)電機(jī)發(fā)生不同角度的誤同期并網(wǎng)故障,對(duì)比分析了不同角度誤同期并網(wǎng)故障下,發(fā)電機(jī)定、轉(zhuǎn)子鐵心磁場(chǎng)的飽和程度和發(fā)電機(jī)各特征量的時(shí)變規(guī)律。研究了發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子槽分度數(shù)變化對(duì)誤同期故障中轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流最大振蕩倍數(shù)和轉(zhuǎn)子鐵心磁密分布的影響,并提出在轉(zhuǎn)子局部槽設(shè)置Fe-Cu合金槽楔,以解決誤同期并網(wǎng)故障時(shí)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子齒局部磁密的過飽和及冗聚問題。由于大型空冷汽輪發(fā)電機(jī)端部結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜,端部邊端鐵心及各結(jié)構(gòu)件上漏磁較大,端部定子繞組在各類故障中十分容易受到損傷,為解決難以計(jì)算各類故障下汽輪發(fā)電機(jī)端部復(fù)雜電磁場(chǎng)的問題,本文提出一種計(jì)及鐵心飽和、非線性,并綜合考慮發(fā)電機(jī)直線段與端部的雙域瞬態(tài)電磁場(chǎng)的機(jī)網(wǎng)耦合數(shù)值計(jì)算方法,能夠更加準(zhǔn)確地計(jì)算各類復(fù)雜工況或各種機(jī)網(wǎng)故障下的端部瞬態(tài)電磁場(chǎng)。基于該方法計(jì)算了發(fā)電機(jī)空載和穩(wěn)態(tài)短路情況下的端部電磁場(chǎng),并與端部電磁場(chǎng)測(cè)量點(diǎn)的實(shí)測(cè)值進(jìn)行比較,結(jié)果表明,該理論方法的計(jì)算結(jié)果與實(shí)際測(cè)量值相比誤差較小,滿足工程要求。研究了發(fā)電機(jī)發(fā)生不同角度誤同期并網(wǎng)故障及不同短路故障下的端部時(shí)變電磁場(chǎng),定量給出了各類故障過程中端部繞組所受到的電磁力幅值隨時(shí)間變化的規(guī)律,深入分析了不同故障發(fā)生時(shí)發(fā)電機(jī)端部繞組不同位置的受力分布情況,揭示了定子邊端鐵心最大磁密隨故障時(shí)間增加的漂移及衰減規(guī)律,為大容量空冷汽輪發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)提供了技術(shù)支撐。為了降低全空冷汽輪發(fā)電機(jī)端部各結(jié)構(gòu)件上的渦流損耗與進(jìn)入定子邊端鐵心齒部的軸向漏磁通,本文提出將不同組分的導(dǎo)磁導(dǎo)電的銅鐵合金代替?zhèn)鹘y(tǒng)汽輪發(fā)電機(jī)常采用的銅屏蔽、磁屏蔽或是同時(shí)加裝銅屏蔽與磁屏蔽的復(fù)合結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)思路�；跀�(shù)值方法研究了采用不同金屬屏蔽材料時(shí)發(fā)電機(jī)端部區(qū)域軸向漏磁的分布規(guī)律和各結(jié)構(gòu)件上的渦流分布。通過調(diào)節(jié)導(dǎo)磁導(dǎo)電銅鐵合金中銅元素與鐵元素的配比,改變合金材料的電磁特性,揭示了合金材料電磁特性與發(fā)電機(jī)端部區(qū)域漏磁和渦流損耗的關(guān)系機(jī)理,提出抑制發(fā)電機(jī)端部渦流損耗的策略。研究了不同組分的導(dǎo)磁導(dǎo)電銅鐵合金材料在發(fā)電機(jī)工作在不同深度的進(jìn)相工況下對(duì)端部軸向漏磁的抑制程度,保證全空冷汽輪發(fā)電機(jī)在不同工況下的安全穩(wěn)定運(yùn)行。根據(jù)全空冷汽輪發(fā)電機(jī)端部區(qū)域漏磁的分布規(guī)律和進(jìn)入金屬屏蔽后軸向漏磁的流通路徑與衰減量,為了保證金屬屏蔽對(duì)軸向漏磁的屏蔽效果并盡量減少金屬屏蔽上的渦流損耗,通過理論分析金屬屏蔽上渦流的流通路徑及透入深度,構(gòu)建了多厚度、異結(jié)構(gòu)的金屬屏蔽優(yōu)化集。對(duì)發(fā)電機(jī)金屬屏蔽厚度及形狀結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),減少金屬屏蔽上的渦流損耗,并增加金屬屏蔽上的散熱面積,來降低發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)端部金屬屏蔽上的溫度。此外,針對(duì)發(fā)電機(jī)端部定子邊端鐵心齒部聚磁效應(yīng)較為嚴(yán)重的問題,從進(jìn)入各邊端鐵心齒內(nèi)的軸向漏磁分布規(guī)律出發(fā),提出新型錐形階梯段定子邊端鐵心結(jié)構(gòu),改變定子階梯型鐵心的傾斜角度,使得進(jìn)入定子邊端鐵心齒頂?shù)妮S向漏磁重新分布,將發(fā)電機(jī)端部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)從以往的實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)指導(dǎo)上升到采用數(shù)值計(jì)算的方法進(jìn)行預(yù)測(cè)設(shè)計(jì)。
【學(xué)位授予單位】：北京交通大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TM311
【圖文】：

各部件的溫升，為發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)做一定的指導(dǎo)意義。逡逑在汽輪發(fā)電機(jī)端部邊端鐵心損耗計(jì)算方面，Ｈ本學(xué)者Ｔ．邋Ｊｏｓｈｉ建立了汽輪發(fā)電逡逑機(jī)端部準(zhǔn)三維模型，求解域如圖１－１所示，采用有限元法對(duì)邊端鐵心上的漏磁和鐵逡逑耗進(jìn)行了詳細(xì)研究逡逑計(jì)篝域逡逑定子邊埔鐵心逡逑紫－。＾邐＾逡逑—■—＇—十——＾邋■—邋？—逡逑Ｕ邐定子繞組逡逑＾邋外表面逡逑一邋邋邐：邋Ｉ邐．．＜�。迹澹蝈澹澹澹澹儒澹校渝义线姡赀姡蹋澹掊澹颍裕蕖颍铄澹赀姡濉濉澹掊鍞S逡逑轉(zhuǎn)子安培匝數(shù)

本文編號(hào)：2751175