【摘要】：2016年底,國家發(fā)展改革委、國家能源局發(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)。燃氣-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,可以最大限度節(jié)煤,同時具有良好的經(jīng)濟、環(huán)境效益,“十三五”期間全國氣電新增投產(chǎn)5000萬千瓦,2020年達到1.1億千瓦以上�，F(xiàn)已計劃在京津冀、珠三角和長三角地區(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、運行自動化程度高的大型燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電項目。高效率、低污染的大型空冷汽輪發(fā)電機作為電力生產(chǎn)中主要的電力設(shè)備,堪比燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)電站的心臟,其設(shè)計關(guān)鍵技術(shù),運行特性及故障特征是學(xué)術(shù)界和工程界的重點研究方向�？绽淦啺l(fā)電機具有起停方便、系統(tǒng)簡單、比較容易維護等優(yōu)點,使其在常用于調(diào)峰運行的聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)中與燃氣輪機配用特別適宜。然而,當發(fā)電機長期處于頻繁起停的過程中,容易發(fā)生各種機端短路故障,甚至是嚴重的發(fā)電機誤同期并網(wǎng)事故。各類事故的發(fā)生,會對發(fā)電機組和電網(wǎng)的運行穩(wěn)定性產(chǎn)生較大影響,嚴重時發(fā)電機甚至?xí)ネ?并在系統(tǒng)中引起強烈的功率振蕩。故障發(fā)生瞬間,汽輪發(fā)電機的定、轉(zhuǎn)子繞組中會產(chǎn)生強大的沖擊電流,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引起機械振動,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,為了減小故障對空冷汽輪發(fā)電機造成巨大損害而帶來的經(jīng)濟損失,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:建立了計及空冷汽輪發(fā)電機磁場飽和、非線性等因素,并包含非理想輸電線路的機網(wǎng)動態(tài)分析用時步有限元數(shù)學(xué)模型,同時考慮機電耦合的相互作用,給出了考慮發(fā)電機轉(zhuǎn)軸的各軸段的傳遞扭矩、阻尼轉(zhuǎn)矩及每個質(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。針對空冷汽輪發(fā)電機發(fā)生不同角度的誤同期并網(wǎng)故障,對比分析了不同角度誤同期并網(wǎng)故障下,發(fā)電機定、轉(zhuǎn)子鐵心磁場的飽和程度和發(fā)電機各特征量的時變規(guī)律。研究了發(fā)電機轉(zhuǎn)子槽分度數(shù)變化對誤同期故障中轉(zhuǎn)子勵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)故障時發(fā)電機轉(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,為解決難以計算各類故障下汽輪發(fā)電機端部復(fù)雜電磁場的問題,本文提出一種計及鐵心飽和、非線性,并綜合考慮發(fā)電機直線段與端部的雙域瞬態(tài)電磁場的機網(wǎng)耦合數(shù)值計算方法,能夠更加準確地計算各類復(fù)雜工況或各種機網(wǎng)故障下的端部瞬態(tài)電磁場�；谠摲椒ㄓ嬎懔税l(fā)電機空載和穩(wěn)態(tài)短路情況下的端部電磁場,并與端部電磁場測量點的實測值進行比較,結(jié)果表明,該理論方法的計算結(jié)果與實際測量值相比誤差較小,滿足工程要求。研究了發(fā)電機發(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變電磁場,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間變化的規(guī)律,深入分析了不同故障發(fā)生時發(fā)電機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間增加的漂移及衰減規(guī)律,為大容量空冷汽輪發(fā)電機的設(shè)計提供了技術(shù)支撐。為了降低全空冷汽輪發(fā)電機端部各結(jié)構(gòu)件上的渦流損耗與進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)電機常采用的銅屏蔽、磁屏蔽或是同時加裝銅屏蔽與磁屏蔽的復(fù)合結(jié)構(gòu)的設(shè)計思路�；跀�(shù)值方法研究了采用不同金屬屏蔽材料時發(fā)電機端部區(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)電機端部區(qū)域漏磁和渦流損耗的關(guān)系機理,提出抑制發(fā)電機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)電機工作在不同深度的進相工況下對端部軸向漏磁的抑制程度,保證全空冷汽輪發(fā)電機在不同工況下的安全穩(wěn)定運行。根據(jù)全空冷汽輪發(fā)電機端部區(qū)域漏磁的分布規(guī)律和進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。對發(fā)電機金屬屏蔽厚度及形狀結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計,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)電機運行時端部金屬屏蔽上的溫度。此外,針對發(fā)電機端部定子邊端鐵心齒部聚磁效應(yīng)較為嚴重的問題,從進入各邊端鐵心齒內(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,使得進入定子邊端鐵心齒頂?shù)妮S向漏磁重新分布,將發(fā)電機端部結(jié)構(gòu)設(shè)計從以往的實際工程經(jīng)驗指導(dǎo)上升到采用數(shù)值計算的方法進行預(yù)測設(shè)計。
【學(xué)位授予單位】：北京交通大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TM311
【圖文】：

各部件的溫升，為發(fā)電機設(shè)計做一定的指導(dǎo)意義。逡逑在汽輪發(fā)電機端部邊端鐵心損耗計算方面，Ｈ本學(xué)者Ｔ．邋Ｊｏｓｈｉ建立了汽輪發(fā)電逡逑機端部準三維模型，求解域如圖１－１所示，采用有限元法對邊端鐵心上的漏磁和鐵逡逑耗進行了詳細研究逡逑計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：2751175