第一章 緒論

1.1 研究背景

1949 年中國大陸發(fā)電設(shè)備總裝機容量僅有 1.85GW，年發(fā)電量為 4.3TW·h，分別居世界第 21 位和 25 位。而到2010 年底，中國大陸發(fā)電設(shè)備總裝機容量達 962.19GW，年發(fā)電量達 4141.3 TW·h，分別比 1949 年增長了 520 倍和 963 倍，均居世界第 2 位。電氣化程度的提高可以降低單位產(chǎn)值能耗，提高人民生活水平和促進環(huán)境的改善。到 2010 年底，中國大陸發(fā)電設(shè)備總裝機容量中，核電總裝機容量達 10.82GW（占總裝機容量的 1.13%），年發(fā)電量 73.4TW·h，占全部發(fā)電量的 1.77%；水電裝機容量達 213.4GW（占總裝機容量的 22.18%），年發(fā)電量 662.6TW·h，占全部發(fā)電量的15.99%；風電裝機容量達 31.07GW（占總裝機容量的 3.25%），年發(fā)電量 43TW·h，占全部發(fā)電量的 1.038%；火電裝機容量達 706.63GW（占總裝機容量的 73.44%），年發(fā)電量 3325.3 TW·h，占全部發(fā)電量的 80.3%。然而電能的生產(chǎn)離不開發(fā)電機，由此可見我國年發(fā)電量中約 80%是由火電機組提供的，而火電機組絕大部分都是汽輪發(fā)電機，因此汽輪發(fā)電機特別是大型汽輪發(fā)電機的發(fā)展、設(shè)計和生產(chǎn)對國家電能的供應及國民經(jīng)濟的發(fā)展有著重大的貢獻。

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在進入 21 世紀的頭 20 年中，我國大型汽輪發(fā)電機組制造業(yè)遇到了世界上前所未有大發(fā)展機遇。新引進的超超臨界火電 1000MW 級全速（3000r/min）汽輪發(fā)電機及 400MW 級燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)單軸（3000r/min）汽輪發(fā)電機組的制造技術(shù)，并已逐步國產(chǎn)化和批量生產(chǎn)。2006 年，華能玉環(huán)電廠 1000MW 級超超臨界機組順利投產(chǎn)，各項運行指標均達到預期效果。針對核電項目，上海引進了德國西門子西屋公司1100～1300MWe 級 1500r/min 核電站起來發(fā)電機設(shè)計制造技術(shù)；哈爾濱、四川地區(qū)也分別引進了三菱、阿爾斯通 1080～1300MWe 級 1500r/min 核電站起來發(fā)電機組制造技術(shù)，已分別正在制造二代堆型改進型和第三代堆型，AP1000 和 EPR1080～1760MWe、1500r/min 核電站起來發(fā)電機組。汽輪發(fā)電機組單機容量越大，每千瓦所用建造費用越低，其占地面積也越小，每千瓦發(fā)電設(shè)備管理人員亦越少，且相對便于調(diào)度。針對汽輪發(fā)電機組的經(jīng)濟性與其容量大小的關(guān)系，西門子公司曾做出過比較：單就核電機組而言，單機容量為1000MW 的發(fā)電機組要比 600MW 的機組的單位造價低 30%[2]。大型發(fā)電機單機容量增加是通過兩種途徑實現(xiàn)的：一是通過改變發(fā)電機的主要尺寸（發(fā)電機的有效長度和外徑）；二是通過增加發(fā)電機的電磁負荷。但受制于實際工程和交通運輸?shù)募s束，定轉(zhuǎn)子的主要尺寸不可能做得太大，因此提高汽輪發(fā)電機的單機容量主要是借助于增大電磁負荷來實現(xiàn)。然而，隨著電磁負荷增加，大型發(fā)電機的熱負荷也隨之同步提高，由此導致電機各個部件的溫度增高，影響電機的使用壽命和運行可靠性。所以發(fā)熱和冷卻設(shè)計是大型汽輪發(fā)電機設(shè)計中的最為關(guān)心的問題之一，而研究并準確計算發(fā)電機核心部件溫升分布規(guī)律是降低發(fā)電機運行溫度和達到冷卻目的的基礎(chǔ)。

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1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
負序運行能力對于大型汽輪發(fā)電機的制造和安全運行都具有重要意義。長久以來， 大型發(fā)電機設(shè)計行業(yè)共同關(guān)注著負序電流引起的損耗和發(fā)熱問題，它的研究歷程隨著其他自然科學的發(fā)展的而發(fā)展，尤其在于材料和冷卻技術(shù)的進步。因為發(fā)電機的負序能力由轉(zhuǎn)子材料所承受的最高溫度來評價，而溫度又是由負序電磁場引起的渦流損耗導致的，所以，準確計算負序電磁場在轉(zhuǎn)子本體各部件上產(chǎn)生的損耗（負序渦流場）和由此導致的溫升（負序溫度場）是國內(nèi)外學者一直致力于研究的問題。

電磁學的研究歷史悠久，但是其繁榮發(fā)展還是最近 300 年的事情。追溯到 140多年前，麥克斯韋總結(jié)了前人的研究成果，系統(tǒng)地建立了電磁場理論，奠定了近代電磁學發(fā)展的基礎(chǔ)。1953 年，E.I.Pollard 用實驗的方法測得了不同頻率下的護環(huán)平均溫升，以確定發(fā)電機瞬態(tài)負序能力[12]。1976 年，A.F.Armor 和 M.V.K.Chari 的兩篇文章分別描述標量位的三維有限元解法，介紹了大型發(fā)電機定子鐵心穩(wěn)態(tài)熱流的問題，并且其計算結(jié)果與熱阻網(wǎng)格程序以及工廠測試數(shù)據(jù)進行對比[13-14]。1980 年，A.G.Jack等考慮了轉(zhuǎn)子鋼的非線性，用二維數(shù)值有限差分法計算汽輪發(fā)電機穩(wěn)態(tài)負序情況下，轉(zhuǎn)子磁場及其渦流損耗[15]。1981 年，J.Weise 等人獨創(chuàng)性地提出了在有源區(qū)使用矢量磁位 A、在無源區(qū)使用標量磁位Ω為求解變量的計算方法[16]。1989 年，長野進等學者，開發(fā)了適用于負序能力分析方面的電磁及熱分析程序，并進行大型發(fā)電機真機測試，確定了其精確度，還分析比較了各種提高負序能力的措施和效果[17]。Bedrosian提出了一種在不建立發(fā)電機三維模型的條件下，然后結(jié)合傅里葉變換來仿真某些三維效應的方法[18-19]。1997 年，Y.Ichida 對大型汽輪發(fā)電機負序電流承載能力進行了研究，通過熱分析計算了負序溫升[20]。1998 年，F(xiàn).N.Isaac 等學者計及了鐵芯材料屬性為各項異性情況下的鐵心渦流損耗的分布情況[21]，而 Jung Ho Lee 在不忽略鐵心損耗以及磁飽和的條件下求解了電機的動態(tài)參數(shù)各項指標[22]。國內(nèi)方面，渦流場的研究起步相對較晚，但針對大型發(fā)電機的負序運行能力也做了很多有益的工作。1979 年，胡顯承討論了負序渦流場邊值問題及其有限元的解法，計算了轉(zhuǎn)子負序渦流分布和損耗，但是沒有考慮橫向月牙槽的存在[23]。1980 年，周德貴對負序感應的倍頻電流在轉(zhuǎn)子表面流過的路徑、在轉(zhuǎn)子中的等價透入深度以及在端部沿軸向的分布等進行了討論[24]。1986 年，白亞民、李德基用場路結(jié)合的方法計算汽輪發(fā)電機穩(wěn)態(tài)負序電流時轉(zhuǎn)子的渦流場、損耗分布和溫度場[25]。通過運用磁帶法，1990 年周德貴測量了SQF-75-2 型發(fā)電機轉(zhuǎn)子端部阻尼環(huán)和轉(zhuǎn)子槽部的渦流分布，闡述了提高汽輪發(fā)電機隱極轉(zhuǎn)子負序能力主要的技術(shù)措施，例如改進轉(zhuǎn)子槽楔，轉(zhuǎn)子增設(shè)阻尼繞組等[26]；1994 年，徐松采用差分法建立了 50MW 蒸發(fā)冷卻汽輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子瞬變電磁場及瞬變溫度場計算機仿真的數(shù)學模型，得到部分仿真結(jié)果，通過仿真還獲得了該發(fā)電機的最大瞬態(tài)負序能力[27]；2005 年，文獻[28]計算了大型汽輪發(fā)電機不平衡負載情況下的渦流損耗，在有限元的基礎(chǔ)上，提出了計算三維負序渦流場的電流、磁場和渦流損耗的數(shù)學模型和方法[28]。2006 年，文獻[29]利用負序磁場透入深度的數(shù)量級相對發(fā)電機尺寸較小的特征，從而借助于復數(shù)表面阻抗的概念，提出了一種發(fā)電機轉(zhuǎn)子二維負序渦流場分析與計算的方法，并計算了穩(wěn)態(tài)負序工況下發(fā)電機轉(zhuǎn)子上的渦流損耗分布特征和數(shù)值大小[29]。2012 年，李偉力等以 150MW 空冷汽輪發(fā)電機為例，建立了其電磁場和溫度場的二維數(shù)學模型，計算了穩(wěn)態(tài)負序工況下運行時發(fā)電機轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生的渦流損耗，并且求解分析了由渦流損耗引起的額外溫升，還考慮了槽楔材料不同時可能對發(fā)電機負序溫升造成的影響，得到了一些有益的結(jié)論[30]。

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第二章 汽輪發(fā)電機結(jié)構(gòu)及負序電流相關(guān)規(guī)定

大型汽輪發(fā)電機結(jié)構(gòu)復雜，各部件較多，除了定轉(zhuǎn)子鐵心、繞組外，還包括用于固定定子的定子機座、固定轉(zhuǎn)子的護環(huán)、固定電樞繞組和阻尼繞組的槽楔等。本章主要介紹了發(fā)電機的主要部件及其結(jié)構(gòu)，同時闡述了發(fā)電機定子負序電流的分析方法及發(fā)電機承受負序運行能力的國家相關(guān)標準，為下文發(fā)電機負序運行能力的分析提供評判標準。

2.1 大型汽輪發(fā)電機的基本結(jié)構(gòu)

自 20 世紀 50 年代開始，汽輪發(fā)電機最大單機容量自 150MW 迅速提高到了200MW、300MW、500MW、600 MW。而現(xiàn)如今，世界上汽輪發(fā)電機單機容量已達到 1000MW，甚至更高級容量的發(fā)電機投入運行。目前我國汽輪發(fā)電機的容量主要有 50MW、100MW、125MW、300MW、600MW、1000MW 等。不管汽輪發(fā)電機采用多少等級的容量，它均是由靜止和轉(zhuǎn)動兩部分組成。顧名思義，發(fā)電機的靜止部分是指發(fā)電機定子上的各部件，主要包括定子機座、定子鐵心、定子電樞繞組等。而轉(zhuǎn)動部分則是指隨發(fā)電機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的各個部件，主要有轉(zhuǎn)子本體、轉(zhuǎn)子勵磁繞組、護環(huán)何中心環(huán)等[2]。圖 2-1 為典型大型汽輪發(fā)電機主要部件示意圖。

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2.2 汽輪發(fā)電機的定子結(jié)構(gòu)
汽輪發(fā)電機的定子與異步電機基本相同，也是由定子機座、定子鐵心、定子電樞繞組等部件組成。2.2.1 定子機座
定子機座主要起到固定和保護定子鐵心及定子電樞繞組的作用，除此之外它還同時是發(fā)電機通風冷卻、帶走發(fā)電機定子熱量風路的一部分。如圖 2-2 所示。大型汽輪發(fā)電機定子機座尺寸比較大、外形也多變、工藝復雜。除必須滿足足夠的強度以承受內(nèi)外力的作用外，定子機座還要盡可能的達到方便加工、工藝性好的目的，所以定子機座一般采用比較易于焊接的低碳鋼材料。通常來說，機座由外罩板、外機壁、內(nèi)機壁、通風管道、支撐板、吊環(huán)座等部件通過焊接形成。而由于冷卻方式（氫冷、空冷）和運輸方式（陸路、水路）的不同，汽輪發(fā)電機的定子機座結(jié)構(gòu)設(shè)計也是不盡相同的。
2.2.2 定子鐵心
定子鐵心如圖 2-3 所示。它的作用主要包括兩部分：（1）定子鐵心開有軸向嵌線槽，用來固定定子繞組；（2）為轉(zhuǎn)子勵磁繞組產(chǎn)生的主磁通提供較低磁阻的磁通路徑。由于定子鐵心不僅是導磁的而且也是良好的導電體，且該主磁通是以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)的，因此它在定子鐵心中將產(chǎn)生磁滯損耗和渦流損耗。為了減少鐵心中的渦流損耗，要把鐵心分成許多薄片（疊片），而且各片之間彼此絕緣，以防止各疊片之間流過電流。通常，大型汽輪發(fā)電機的定子沖片厚度有 0.35mm 或 0.5mm 兩種可選。為了通風散熱，每疊厚度為 30～60mm，兩疊之間留有寬度為 10mm 左右的通風溝。鐵心疊好后，用非磁性壓板壓緊，再通過螺桿拉緊后固定在機座上。當定子鐵心直徑較大時，用扇形沖片拼成一個整圓，在疊裝時，應把各層接縫均勻錯開，以保證磁路的對稱。
2.2.3 定子繞組
汽輪發(fā)電機的定子繞組是發(fā)電機傳遞能量的樞紐，放置在定子鐵心內(nèi)圓的定子槽內(nèi)，如圖 2-4。它位于時刻以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)的電磁場中，能夠感應出高電壓、大電流，并輸出到電網(wǎng)。故定子繞組是發(fā)電機進行機電能量轉(zhuǎn)換關(guān)鍵部件。通常來時，大型汽輪發(fā)電機的定子繞組的額定電流相當大，1200MW 級的汽輪發(fā)電機其定子額定電流接近于 30000A。所以，發(fā)電機定轉(zhuǎn)子繞組的銅耗在發(fā)電機總損耗的占比較大，是發(fā)電機兩個主要的熱源，所以對定轉(zhuǎn)子繞組的冷卻尤為重要。此外，定子繞組在運行中受到的周期性電磁振動，特別是突然短路、誤合閘等異常情況下，發(fā)電機定子繞組所受的沖擊力比正常運行時大 100 倍以上。完善定子繞組的槽內(nèi)固定和端部固定的設(shè)計和制造工藝以及正確的檢查實驗，也是保證汽輪發(fā)電機運行可靠性的重要部分。

一般地大型汽輪發(fā)電機定子繞組采用疊繞組，而很少使用同心式繞組。出于加工制造的方便和絕緣考慮，把定子繞組每個線圈分成兩個線棒，分別放置在間隔一個極距的兩個槽內(nèi)的上層和下層，線棒截面圖如圖 2-5 所示。每個定子槽內(nèi)通常有兩個導體，定子線圈的直線部分（有效部分）放置于槽內(nèi)，而線圈端部通過并頭套或?qū)附宇^形成一個整線圈，如圖 2-4 所示。為了減少定子線圈內(nèi)的 5、7、11 次高次諧波，定子線圈通常采用短距，短距系數(shù)取 0.8～0.857 之間最合適。

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第三章 汽輪發(fā)電機二維負序渦流場和損耗密度計算分析................ 22
3.1 二維渦流場的麥克斯韋方程 ................................. 22
3.2 定子繞組負序電流的大小和相位 ............................. 25
3.3 汽輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子二維負序渦流場的計算與對比分析 ............. 27
第四章 汽輪發(fā)電機三維負序渦流場和損耗計算分析.................. 44
4.1 三維渦流場的麥克斯韋方程 .................................. 44
4.2 汽輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子三維負序渦流場的計算與對比分析 .............. 46
4.2.1 基本假定...................................................47
第五章 汽輪發(fā)電機負序溫度場計算與對比分析........................ 54
5.1 溫度場的基本理論 .............................................54
5.1.1 熱分析基礎(chǔ) ................................................ 54

5.1.2 溫度場邊界條件 ............................................. 55

第五章 汽輪發(fā)電機負序溫度場計算與對比分析

發(fā)電機的溫升是衡量發(fā)電機運行性能的重要指標之一，它與發(fā)電機的使用壽命有著直接的關(guān)系，與此同時也對發(fā)電機的出力、效率等性能有一定的影響。因此，在發(fā)電機設(shè)計階段，有必要對發(fā)電機正常運行時的溫升進行計算。特別地，，準確地計算發(fā)電機在負序工況下產(chǎn)生的溫升，對判斷發(fā)電機承受負序能力的大小、提供提高發(fā)電機負序能力的措施、保證發(fā)電機安全運行有著重要意義。

5.1 溫度場的基本理論
5.1.1 熱分析基礎(chǔ)
ANSYS Workbench 是目前仿真領(lǐng)域覆蓋面最廣、研究層次最深、業(yè)界最先進的工程集成化仿真平臺。它不僅在結(jié)構(gòu)、熱、電磁場、流體、跌落等單一物理域具有無以倫比的技術(shù)先進性和最廣泛的仿真功能，同時實現(xiàn)了多物理場的自動耦合分析，而且將 CAD 接口和網(wǎng)格生成、優(yōu)化、數(shù)據(jù)管理等功能完全集成在統(tǒng)一的設(shè)計環(huán)境中，大大提高了復雜問題的仿真效率。ANSYS Workbench 仿真平臺具有多物理場的耦合分析能力，其中包括：1）流體-結(jié)構(gòu)耦合（CFX 與 Mechanical 或者 FLUENT 與Mechanical）；2）流體-熱耦合（CFX 與 Mechanical 或者 FLUENT 與 Mechanical）；3）流體-電磁耦合（FLUENT 與 ANSOFT Maxwell）；4）熱-結(jié)構(gòu)耦合（Mechanical）；5）靜電-結(jié)構(gòu)耦合（Mechanical）；6）電磁-熱耦合（ANSOFT Maxwell 與 Mechanical）；7）電磁-結(jié)構(gòu)-噪聲耦合（ANSOFT Maxwell 與 Mechanical 與 ACTRAN）。

針對以上的多物理場仿真分析，ANSYS Workbench 具有以下的特點或優(yōu)點：1）在統(tǒng)一的圖形化（GUI）界面下，實現(xiàn)從建模、網(wǎng)格生成、仿真分析、結(jié)果后處理的所有仿真過程；2）結(jié)構(gòu)、網(wǎng)格、仿真結(jié)果等數(shù)據(jù)自動映射和數(shù)據(jù)交換，不同仿真工具之間數(shù)據(jù)保真?zhèn)鬟f；3）統(tǒng)一管理所有仿真流程；4）自動化網(wǎng)格生成、集成多域優(yōu)化工具和數(shù)據(jù)管理工具，流程固化和定制功能，提高仿真效率。擁有這些優(yōu)點，使得利用 ANSYS Workbench 平臺來實現(xiàn)多物理場的協(xié)同仿真分析變得簡單直觀，用戶不需要考慮耦合過程到底是如何實現(xiàn)的，只需要通過簡單的拖曳即可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳遞和共享，從而不僅節(jié)約時間，而且通俗易懂有利于工程技術(shù)的學習和傳承。

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第六章 總結(jié)與展望

6.1 總結(jié)
本文以上海電氣電站設(shè)備有限公司發(fā)電機廠所設(shè)計的 1200MW 級水氫氫冷卻型汽輪發(fā)電機為研究對象，建立了發(fā)電機二維（三維）電磁場模型以及轉(zhuǎn)子三維溫度場模型，考慮了定子槽楔、轉(zhuǎn)子槽楔及轉(zhuǎn)子阻尼槽楔的存在與否的影響，對其在不對稱運行工況下產(chǎn)生的負序電流引起的渦流損耗進行了理論闡述和數(shù)值計算，并在此基礎(chǔ)上得到了發(fā)電機轉(zhuǎn)子本體各部件的負序磁場和損耗分布，再以這些損耗為熱源耦合到負序溫度場，求解分析了發(fā)電機轉(zhuǎn)子穩(wěn)態(tài)負序和瞬態(tài)負序溫度場。在對1200MW 級汽輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子負序渦流場場及溫度場的求解計算中，主要獲得以下結(jié)論：
（1）考慮到定子槽楔、轉(zhuǎn)子槽楔及轉(zhuǎn)子阻尼槽楔的存在與否，計算了發(fā)電機二維齒段和牙槽段負序渦流場的渦流損耗密度，由計算結(jié)果可知：1）負序渦流損耗密度主要集中在大齒的極面上，而小齒上則較小，且以月牙槽尖角處最大，沿月牙槽圓弧向其底部運動，損耗密度逐漸減小；2）轉(zhuǎn)子槽楔的存在使得大小齒上的損耗密度明顯的減��；3）阻尼槽楔承擔著較大的損耗密度，且能夠降低大小齒上的損耗密度。因此，槽楔的存在，特別是阻尼槽楔的存在，對負序磁場有較大的阻尼作用，能夠有效地降低轉(zhuǎn)子表面負序渦流損耗的最大值；

（2）在發(fā)電機二維負序渦流場損耗密度計算的基礎(chǔ)上，分析了發(fā)電機三維渦流損耗值的大小和分布情況。從計算結(jié)果可知：1）渦流損耗集中在轉(zhuǎn)子大齒表面，月牙槽處損耗密度最大，是渦流集中點；2）高導電率的槽楔對減弱負序磁場渦流效應有積極的作用，能夠有效地降低轉(zhuǎn)子本體上的負序渦流損耗，且轉(zhuǎn)設(shè)阻尼槽楔的效果尤為明顯，轉(zhuǎn)子損耗值大幅減小；

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參考文獻（略）

本文編號：37785