低溫熱水發電用正壓外殼型無刷勵磁汽輪發電機的設計

陳 興 衛

（佳木斯電機股份有限公司，黑龍江 佳木斯 154002）

低溫熱水發電用正壓外殼型無刷勵磁汽輪發電機的設計

陳 興 衛

（佳木斯電機股份有限公司，黑龍江 佳木斯 154002）

本文通過對低溫熱水發電用正壓外殼型無刷勵磁汽輪發電機的主要結構關鍵點、電磁設計關鍵點、正壓外殼型防爆技術在產品上的相關應用、正壓外殼型無刷勵磁汽輪發電機產品的技術要點以及產品的應用情況進行了簡單介紹，闡述了正壓外殼型無刷勵磁汽輪發電機的設計制造的技術關鍵點，為正壓外殼型無刷勵磁汽輪發電機的設計提供了可靠的理論依據。

正壓外殼；無刷勵磁；汽輪發電機；正壓保護；泄漏補償

0 前言

隨著世界經濟的發展，人們對能源需求的增加以及對環境保護的意識也逐漸加強，節能環保已經成為世界性的主題。在這樣的大環境下，各種節能環保工程應運而生，例如利用尾氣、余熱發電的項目工程也已經很普遍。低溫熱水發電技術正是余熱發電的一種新技術。

低溫熱水發電是采用世界先進的卡琳娜循環專利技術的一種環保發電系統，該系統是在朗肯循環基礎上的一種“改進”。這種重大的改進體現在對朗肯循環過程的改變——將“純”的循環介質（通常為水）變成了氨同水的“混合物”。同歷時一個世紀之久常規的朗肯循環相比，卡琳娜循環電廠可以向諸如溫度為300-400oF（149-204oC）的地熱低能級熱源提供效率比前者高出50%的循環效率。對諸如直燃式鍋爐和燃氣-蒸汽聯合循環電廠中的燃氣輪機廢氣等高溫熱源，循環效率約可提高 20%。建造一座卡琳娜循環電廠的費用可能會比建造一座同等容量的朗肯循環電廠的費用更低，經過估算，對低能級熱源案例，費用約可降低達30%，對高能級熱源案例，費用約可降低10%。低溫熱水發電采用卡琳娜動力循環專利技術，發電介質是一種氨水混合物，其沸點較低，可利用低溫熱水加熱推動氨氣輪機，再由氨氣輪機帶動發電機發電。因該發電介質含有可燃性成分，根據國家標準，普通發電機無法使用。受到電壓及容量的限制，增安型及隔爆型都難以實現。根據電機的體積和特性，選擇正壓外殼型（以下簡稱正壓型）防爆形式，防爆標志ExepzIIBT3 Gc。

該發電機是我國制造的首臺正壓外殼型防爆高速無刷勵磁同步發電機，容量4MW，為國內首創。同時該發電機也是世界上容量最大的一套采用卡琳娜動力循環專利技術的發電系統。

1 低溫熱水發電機結構特點

1.1 整體結構

發電機采用上水冷，冷卻方式 IC81W。安裝方式IM7311，兩個座式軸承，勵磁機外置，并與主機共用底架，結構十分緊湊，與下水冷電機相比電機更有利于正壓密封。發電機整體結構如圖1所示。

1.2 勵磁機結構

采用勵磁機外置結構，可以縮短轉子的軸承支撐距離，提高轉子整體剛度，能更好地把臨界轉速控制在最佳范圍內，使轉子運行時更加平穩、安全。外置的勵磁機通過底架內置的通風循環系統換氣、補償和冷卻，使勵磁機內部保持與主機內同樣的壓力。與勵磁機內置結構相比，該方式在保證了安全性的同時，降低了電機材料的使用，減少了換氣吹掃容量，縮短了起動前換氣時間。

1.3 機座結構

機座采用鋼板焊接結構，由端板、擋風板、環筋板、加強筋、支撐角鋼、頂板、底板、等部件焊接而成，以保證機座整體強度高、剛度好。機座上設有可靠的接地裝置。機座作為固定、支撐、保護定子鐵心、定子繞組的作用，同時還構成電動機通風循環回路。它具有承受氣體壓力作用下的密封和防爆的功能。機座焊接完成后，進行消除應力處理，并進行數控加工。

1.4 轉子結構

發電機轉子為隱極轉子，軸與鐵心為整體鍛造金加工而成，材料為34CrMo1A合金鋼，其外徑為Φ534mm，總長 4784mm，轉子下線槽 20，分度數 28，轉子配有軸向通風槽。轉子下線槽采用數控專用數控機床加工，保證槽形尺寸并且分度精確。轉子線圈端部用護環保護，護環材質為高強度奧氏體合金鋼。

圖1 正壓外殼型無刷勵磁汽輪發電機整體結構

2 低溫熱水發電機的電磁設計

2.1 主要參數

電機型號：TFZYW4000-2/1050

額定容量：5000 kVA

有功功率：4000 kW

額定電壓：10500 V

相 數：3

額定頻率：50 Hz

功率因數：0.8 滯后

效 率：97.0 %

額定電流：274.9 A

接 法：Y

短 路 比：0.489

xd″ ：0.123

勵磁電壓：87 V

勵磁電流：231 A防爆標志：ExepzIIBT4

2.2 正弦畸變率

由于定、轉子槽開口的影響，發電機的氣隙磁密中存在一定的齒諧波；同時繞組中還存在高次諧波。這會影響到發電機感應電勢的波形，使電壓波形正弦性畸變率變大。為了保證發電機的電壓波形質量，設計時采用了分布線圈和短距線圈來改善諧波對電壓波形的影響。本發電機的繞組是按分布系數 Kd=0.956，短距系數Kp=0.951設計的，通過Maxwell 2D分析得到感應電勢波形，如圖2所示。

圖2 采用Maxwell 2D分析得到感應電勢波形

我們利用Maxwell 2D對感應電勢波形做了傅里葉級數分解，其基波幅值為 8.63kV，5次諧波幅值為0.12kV，7次諧波幅值為0.03kV，11次以上的諧波較小，通過列表求和進行計算，電壓正弦畸變率為：

滿足 GB/T755中發電機的電壓正弦畸變率要小于5%的要求。

2.3 短路比

短路比可按下式計算：

其中 Xd為發電機直軸同步電抗的飽和值，因此短路比是一個計及飽和影響的參數。短路比的大小對發電機運行性能的影響和對體積、成本的影響互相矛盾。因此，發電機飽和短路比是按照GB/T7064 《隱極同步發電機技術要求》中的規定，“在額定工況下短路比值應不小于0.35?！?，該發電機計算值為fk0=0.489。

3 低溫熱水發電機防爆技術關鍵點簡介

3.1 正壓外殼技術的運用

正壓外殼型防爆技術是大型防爆電機常用的一種防爆技術，該技術是使用保護氣體充入電機外殼內，保持電機內部壓力高于外部壓力，防止爆炸性氣體進入電機內部。在電動機起車前，保護氣體（新鮮的空氣或惰性氣體）通過正壓保護系統控制單元進入電機內腔，對電機內腔原有氣體進行有效的置換，將內腔的氣體由電機頂部泄壓閥排出，吹掃完成后泄壓閥自動關閉，保護系統發出電機允許起車信號，此時電機進入泄漏補償狀態。在電機運行過程中電機內腔壓力始終高于外界壓力（至少50 Pa），防止爆炸性氣體進入殼體內部，當出現壓力偏低或失壓狀態時，不能保證正常的泄漏補償時，正壓保護系統會給出信號，可選擇切斷系統電源或發出警報。通過以上措施，使電機的可靠性進一步提升，實現了自動控制與綜合保護的完美結合。

3.2 發電機正壓保護系統選型原則

在對正壓保護系統做相關介紹前，首先對如何正確選取保護系統做一下說明，根據IEC60079-2標準規定：

起車前需置換的氣體總體積計算公式如下：

換氣總體積 =（定子容積 + 轉子體積）×5

換氣時間及換氣流速的選取計算公式如下：

換氣流速=換氣總體積÷時間

通過上述計算本發電機選擇D758正壓保護系統。

3.3 發電機正壓保護系統工作流程

首先對D758正壓保護系統主要零部件做一下簡單介紹，保護系統由控制單元和泄壓閥兩部分組成(見圖3和圖4)。

圖3 正壓保護系統控制單元

圖4 正壓保護系統泄壓閥

發電機正壓保護系統工作流程大致可以分為以下五部分：

（1）吹掃氣體進入電機殼體：當氣源壓力達到規定值時（5～10bar）, 吹掃氣體通過控制單元進入電機內腔。此時裝置不會發出信號，控制單元上的現場指示器顏色保持不變（紅色/黑色）。

（2）增壓預吹掃：由于吹掃氣體不斷進入電機殼體，電機內腔形成一個初始的內部壓力，通過電機殼體上所設的壓力監測點，將采集到的最低壓力和中間壓力信號反饋給系統，系統做出相應的動作，泄壓單元上的泄氣閥進行預吹掃。同時裝置會發出警報/增壓和中間壓力的遠傳信號到 PLC中，控制單元上的現場指示器顏色發生變化（綠色/黑色）。

（3）啟動定時吹掃：泄壓單元上的泄壓閥的流量將隨腔體壓力的增大而增大，同時泄壓單元上設有的壓力監測點將采集到的信號傳給吹掃流量傳感器，傳感器發出信號啟動計時器，控制單元上的現場指示器顏色發生變化（綠色/黃色）。

（4）完成定時吹掃：當達到系統設定時間后，時間閥門給出信號，吹掃完成閥閉合，泄壓閥關閉，裝置會發出電機互鎖遠傳信號到 PLC中，允許電機起車，控制單元上的現場指示器顏色發生變化（綠色/黑色）。

（5）泄漏補償模式：通過電機殼體上所設的壓力監測點，將采集到的泄漏補償壓力信號反饋給系統，壓力低于系統設定值時，系統進入泄漏補償狀態，保證電機內腔壓力始終高于外界。

3.4 可靠的密封技術

對于正壓型防爆電機而言，降低電機的氣體泄漏量，既節約了能源，又保證正壓型電機的可靠運行，是判斷正壓型電機質量優劣的主要依據之一。

在該產品的設計上我們采用了密封可靠性極高的新結構、新工藝、新材料，尤其是在密封材料的選取上進行了大量的試驗驗證，選取了耐腐蝕、抗老化、耐高溫的優質密封材料，提高了電機的密封可靠性，保證了泄漏試驗一次性成功。

3.5 自并勵勵磁系統

發電機采用無刷勵磁方式，避免了電刷打火引起爆炸。主發電機、主勵磁機、旋轉整流元件同軸連接。勵磁發電機設計成凸極旋轉電樞式發電機，勵磁機電樞轉子安裝在主電機轉子的軸上，與主電機轉子同步旋轉，勵磁機轉子發出三相交流電，經旋轉整流器整流后變為直流，供給主電機轉子。勵磁系統控制原理圖見圖5。

4 產品推廣應用情況

TFZYW4000-2/1050是國內首臺也是容量最大的一臺低溫熱水發電機，目前運行在海南煉化 60萬噸/年對二甲苯項目低溫熱水發電單元工程現場。發電機運行平穩、噪聲低、振動小、效率高、防爆性能優異，各項性能指標完全符合國家標準及用戶要求，得到了用戶及工程承包方的一致好評。該發電機已經安全運行三個月，累計發電 800萬度，因為該工程是利用原來無法利用的低溫熱水，所以發電機所發出的電創造了直接的經濟效益，用戶已經從中受益上千萬元。此項目的成功，對后續的國內同類工程起到了標桿的作用，保守估計國內需求量每年能達到上百臺。

圖5 勵磁系統控制原理圖

5 結束語

目前，國內外正遭受嚴重的金融危機，小火電市場很不景氣。國家大力支持新能源發電、環保發電等高新科技項目。低溫熱水防爆發電機是具有先進技術水平的環保、節能發電機，可以廣泛應用在石化、鋼鐵余熱、地熱資源等低溫熱水發電市場，創造新的經濟增長點來支持發電機行業健康的可持續發展。

[1] 許實章. 電機學[M]. 北京: 機械工業出版社,1992.

[2] 全國防爆電氣設備標準化技術委員會. 爆炸性氣體環境用電氣設備 第5部分：正壓外殼型“p”[S].2004.

[3] 李幼倩, 韓君強. 現代新型無刷勵磁同步電動機的設計及應用[M]. 機械工業出版社.

[4] 陳世坤. 電機設計[M]. 機械工業出版社.

[5] 濮良貴, 紀名剛. 機械設計[M]. 高等教育出版社.

審稿人：張春莉

The Design of Pressurized Enclosure Brushless Excitation Turbine Generator for Low Temperature Hot Water Electricity Generation

CHEN Xingwei
(Jiamusi Electric Machine Co., Ltd., Jiamusi 154002, China)

In this article the author briefly introduces the key points of main structure and electromagnetic design of pressurized enclosure brushless excitation turbine generator for low temperature hot water electricity generation, the related application in products of pressurized enclosure explosion-proof technology, the technical points and product application situation of pressurized enclosure brushless excitation turbine generator product, and elaborates the technical key point of design and manufacturing of pressurized enclosure brushless excitation turbine generator,and provides reliable theoretical basis for the design of pressurized enclosure brushless excitation turbine generator.

pressurized enclosures; brushless excitation; turbine generator; pressurization protection;leakage compensation

TM312

A

1000-3983(2014)03-0022-04

2013-11-14

陳興衛（1974-），2008年7月畢業于哈爾濱理工大學機電技術及自動化專業，現從事高壓電機設計工作，高級工程師。