大型汽轮发电机设计、制造与运行PDF电子书下载

绪论 1

第一章 汽轮发电机设计制造简史 8

一、汽轮发电机历史简介 8

二、中国汽轮发电机制造技术的发展 13

三、现代电力系统对大型汽轮发电机的要求 26

（一）对汽轮发电机组轴系自然扭振频率的要求 27

（二）大机组承受电网振荡冲击能力 31

（三）大机组应具备承受高压线路单相重合闸的能力 32

（四）大机组应具备承受误并列的能力 33

（五）汽轮发电机组的频率变化能力 34

（六）汽轮发电机组的快关问题 34

（七）大机组应具备吸收无功功率的能力 34

（八）大机组应具备需要的调峰能力 35

（九）大机组失磁异步运行能力 35

（十）工程设计上要考虑的问题 37

第二章 汽轮发电机的冷却方式 41

一、汽轮发电机冷却方式的基本概念 41

（一）汽轮发电机冷却技术的重要性 41

（二）绝缘寿命与电机温升极限 42

（三）金属性能与温度极限 45

（四）冷却介质的性能和特点 46

二、汽轮发电机冷却方式的发展 49

三、世界各大公司汽轮发电机采用的冷却方式 51

（一）美国GE（奇异）公司发电机的冷却方式 51

（二）美国西屋公司（派系）发电机的冷却方式 55

（三）ABB公司发电机的冷却方式 60

（四）德国西门子公司汽轮发电机的冷却方式 64

（五）俄罗斯“电力”工厂、新西伯利亚重型电机厂汽轮发电机的冷却方式 67

（六）法国阿尔斯通公司汽轮发电机的冷却方式 72

四、中国汽轮发电机的冷却方式 76

（一）上海电机厂（现上海发电机厂）汽轮发电机的冷却方式 76

（二）哈尔滨电机厂（哈尔滨电机责任有限公司）汽轮发电机的冷却方式 82

（三）东方电机厂（东方电机股份有限公司）汽轮发电机的冷却方式 84

（四）北京重型电机厂汽轮发电机的冷却方式 84

第三章 汽轮发电机的设计要素 86

一、汽轮发电机设计技术要求规范 86

（一）功率与最大容量 86

（二）电压 87

（三）功率因数cos？ 88

（四）频率 88

（五）短路比fko 90

（六）电抗 91

（七）寿命 98

（八）电机绝缘 101

（九）效率 102

（十）氢气纯度、氢气湿度 102

（十一）直接冷却时的冷却水质 103

（十二）轴电流的防止 103

（十三）燃气轮发电机或用于联合循环发电机 104

二、汽轮发电机的非正常工况运行的限值 105

（一）断水 105

（二）突然短路 105

（三）定子过电流能力 106

（四）调峰、二班制运行能力 107

（五）不平衡负载 107

（六）频率变化和进相运行 108

三、汽轮发电机设计的过程 108

（一）设计准备 108

（二）初步设计 110

（三）技术设计 112

（四）施工设计 113

第四章 汽轮发电机的电磁设计 115

一、汽轮发电机电磁设计的基本方法 115

（一）电磁计算方法的发展 116

（二）系列化、模块化设计 117

二、主要尺寸的确定 121

（一）电机常数、电磁负载和有效部分直径及长度的关系 121

（二）定子铁心外径、定子槽数、转子槽数及转子槽分度数的选择 123

三、磁路计算及空载特性的计算 125

（一）磁路计算的假设和基础 126

（二）空载额定相电压U？下的每极磁通 127

（三）气隙的磁通密度和磁通势 130

（四）定子铁心齿磁通密度和齿磁通势 134

（五）定子铁心轭磁通密度和磁通势 136

（六）转子齿截面、磁通密度和磁通势 138

（七）转子轭磁通密度和磁通势 142

（八）空载总磁通势和空载励磁电流的计算 143

（九）空载特性曲线 143

四、电枢反应、短路特性和负载励磁电流的确定 144

（一）电枢反应 144

（二）短路特性与保梯电抗Xp 149

（三）负载励磁电流的确定 151

五、损耗与效率 155

（一）定子绕组与转子绕组的电阻损耗 155

（二）定子、转子铁耗 157

（三）机械损耗 166

（四）短路损耗 173

（五）发电机总损耗 179

（六）发电机效率 179

第五章 汽轮发电机的定子结构设计 181

一、定子机座 182

（一）机座的作用及结构形式 182

（二）机座的焊接与加工 187

（三）定子机座的应力消除 188

（四）机座的机械加工 188

（五）机座气密试验 191

（六）机座的振动 192

二、定子铁心 193

（一）定子铁心的作用 193

（二）定子铁心冲片材料 193

（三）冲片的冲剪、去毛 198

（四）冲片的涂漆绝缘 200

（五）定子铁心的振动 202

（六）定子铁心的装配 205

（七）定子铁心端部的结构 211

三、机座和铁心的隔振 216

（一）铁心振动的危害及防振措施 216

（二）振动的允许值和刚性支撑的范围 217

（三）隔振的结构形式 219

（四）对隔振装配弹性元件的基本要求和使用材料 220

四、定子绕组及装配 222

（一）定子绕组的形式 222

（二）不同冷却方式的定子线圈及冷却系统 227

（三）定子线棒的换位 241

（四）定子线圈的绝缘 247

（五）定子绕组的槽内固定和端部固定 254

五、氢水内冷电机出线套管 270

（一）氢内冷出线套管 271

（二）水内冷出线套管 272

第六章 汽轮发电机的转子结构设计 275

一、转轴 276

（一）转子锻件尺寸 278

（二）转轴的材料 281

（三）转子锻件的检查方法 283

（四）2极和4极转子锻件和护环的极限尺寸 287

二、转子绕组 290

（一）转子绕组的材料和种类 291

（二）转子绕组的绝缘 292

（三）转子氢内冷绕组 293

（四）转子绕组用水冷却系统 307

（五）转子绕组的连接 314

三、转子槽楔和阻尼绕组 316

（一）转子槽楔 316

（二）发电机承受不平衡负荷能力 319

（三）阻尼绕组 320

四、护环、中心环和滑环 323

（一）护环和中心环的作用 323

（二）护环材料发展概况 324

（三）无磁性护环材料的化学成分和主要性能 327

（四）护环锻件的检验 333

（五）护环的结构形式 334

（六）护环的加热 337

五、滑环 339

六、转子绝缘引水管 341

（一）转子线圈绝缘引水管要求 342

（二）转子绝缘引水管的种类 343

（三）转子钢丝编织管的结构形式和应用 344

（四）钢丝编织绝缘引水管的一些问题的讨论 345

（五）已投运机组的转子绝缘引水管检查方法 347

（六）转子钢丝编织管使用后的检查情况 347

七、转子的进水装置和出水装置 348

八、轴承 349

（一）轴承工作原理简介 350

（二）轴承的基本特性 353

（三）轴承的性能比较 355

（四）国外轴承的状况 357

第七章 励磁系统 360

一、概述 360

二、励磁系统在发电和输电中的主要作用 362

（一）维持发电机端电压为给定值 362

（二）合理分配并联运行的发电机之间的无功负荷 362

（三）提高电力系统的输送功率极限 362

（四）对发电机进行灭磁 367

（五）对发电机和励磁系统的电参数进行超值限制和保护 367

三、励磁系统主要性能指标 367

（一）主要静态指标 368

（二）主要动态指标 368

四、励磁系统发展概况及当代常用的励磁方式 370

（一）发展概况 370

（二）当代常用励磁方式 371

五、无刷高起始响应的励磁系统 372

（一）无刷励磁机 372

（二）永磁副励磁机 374

（三）旋转整流装置 374

（四）实现高起始响应的措施 376

（五）无刷励磁发电机励磁电流在线间接测量 378

（六）无刷励磁系统高起始响应的技术特点 379

六、自并励静止励磁系统 379

（一）励磁变压器 379

（二）晶闸管整流装置 380

（三）灭磁 381

（四）抑制轴电压 381

（五）技术特点 382

七、自动励磁电压调节装置（AVR） 382

（一）概述 382

（二）主要功能 383

（三）自动励磁调节装置辅助功能 383

（四）模拟式AVR的一般构成和要求 386

（五）数字式DAVR的一般构成和要求 387

（六）数字式DAVR的技术优势 388

八、同步发电机的灭磁问题 389

（一）概述 389

（二）灭磁时间 390

（三）发电机转子阻尼系统对灭磁时间的影响 391

（四）发电机负载工况对灭磁速度的影响 392

（五）灭磁控制系统固有滞后时间对灭磁开关的削弱作用 393

（六）有刷和无刷发电机内部故障损坏情况实例分析 394

（七）线性和非线性电阻灭磁 396

第八章 氢油水系统 397

一、氢气系统 397

（一）概述 397

（二）发电机气密试验 398

（三）发电机的气体置换 401

（四）气体纯度的在线测量 405

（五）发电机氢气补充 408

（六）氢气湿度控制 408

二、密封油系统 410

（一）概述 410

（二）单流密封油系统 410

（三）双流密封油系统 411

（四）三流密封油系统 412

（五）密封油流量 412

（六）双流密封油系统空、氢侧油压不平衡量的简易判别方法 416

（七）密封油运行温度的控制 416

（八）防止密封油进入发电机 417

（九）防止密封环磨损 420

三、水-氢冷发电机定子线圈冷却水系统 421

（一）概述 421

（二）定子线圈冷却水的水质要求 423

（三）断水保护 424

（四）水箱及定子漏氢检测 425

（五）定子线圈气密试验 427

（六）提高定子线圈绝缘电阻 428

（七）防止线圈结露 429

第九章 试验及监测仪表 430

一、汽轮发电机的产品试验 430

（一）大型汽轮发电机产品试验的标准文件 430

（二）大型电机试验的特殊性 430

（三）汽轮发电机试验 431

（四）国内外测试技术概况 436

二、监测装置 443

（一）绝缘过热监测装置 445

（二）局部放电监测装置 448

（三）湿度仪 455

（四）发电机在线漏氢检测装置 461

第十章 转子系统的振动 466

一、概述 466

二、转子系统的弯曲振动 466

（一）转子系统的振动标准 466

（二）转子系统的振动测量和监测 469

（三）汽轮发电机振动测量常用测振传感器 470

（四）转子系统的动力特性 471

（五）转子系统振动的原因及振动的控制 475

三、转子系统的扭转振动及其控制 480

（一）轴系的扭转振动的设计要求（某些外国公司标准） 480

（二）轴系的扭转振动的动力特性及控制 481

四、发电机转子的厂内动平衡 483

（一）柔性转子的动平衡和振型平衡法 483

（二）热态平衡和超速试验 485

五、发电机电厂运行振动处理的几个要点 486

（一）初次安装后起机阶段或大修后起机阶段振动原因 486

（二）轴系振动的处理 487

第十一章 汽轮发电机的特殊运行方式 491

一、调峰运行 491

（一）简介 491

（二）发电机调峰运行时的特点 491

（三）结论 492

二、发电机的不对称运行 492

（一）概述 492

（二）基本方法 493

（三）发电机在不对称运行时的几个问题 495

三、汽轮发电机失磁异步运行 496

（一）概述 496

（二）异步运行基本原理 497

（三）影响汽轮发电机失磁异步运行的因素 497

（四）计算实例 499

四、发电机进相运行 499

（一）前言 499

（二）进相运行应考虑的问题 500

（三）进相运行试验实例 502

第十二章 1000 MW级汽轮发电机容量与转速的关系 504

一、问题的提出 504

二、世界核电发展现状 505

（一）世界核电机组装机容量及运行状况 506

（二）核电站安全可靠性的进展 509

三、我国核电站1000 MW级发电机容量和转速的选择 511

（一）1000 MWe级核电机组功率选择的初步分析 512

（二）1000 MWe级核电机组转速选择的初步分析 513

（三）初步结论 520

四、世界超临界火电机组发展现状 521

五、我国超临界1000 MW级汽轮发电机组容量与单轴双轴机组的选择 522

（一）超临界1000 MW级机组容量的选择 522

（二）超临界1000 MW级汽轮发电机组单双机组选择的初步分析 523

（三）初步结论 526

第十三章 我国汽轮发电机制造技术展望 528

一、前景和近10年来的重要发展 528

（一）前景 528

（二）近10年来的重要发展 531

二、提高300 MW、600 MW机组质量和制造燃气蒸汽联合循环发电机组 535

（一）提高国产300 MW、600 MW汽轮发电机组可用率和制造质量，使其成为在国际上先进的有竞争力的产品 535

（二）配合燃气轮机组发电调峰和燃气蒸汽联合循环技术，提高双水内冷汽轮发电机承受调峰运行能力和发展大容量空冷汽轮发电机 548

三、超临界1000 MW级火电单轴汽轮发电机设计开发并国产化 550

（一）27～35KV定子绕组主绝缘及防晕层的设计开发研究 550

（二）定子绕组采用反磁不锈钢管或空心铜线通水冷却的比较选择 551

（三）转子及护环锻件材料的试制 551

（四）定子绕组端部振动的防止与振动频率、振幅标准的研究 553

（五）定子绕组端部模态试验振动频率标准的分析研究 554

（六）定子绕组主引出线软连接片设计结构的分析研究 554

（七）定子端部结构件上的损耗和局部过热问题的研究 555

（八）冷却方式的研究与选择 555

（九）转子各部件机械应力及安全裕度的分析研究 555

（十）转子临界转速及其对轴系振动影响的分析研究 555

（十一）1000 MW级火电发电机组小轴系振动优化 556

（十二）1000 MW级汽轮发电机承受不平衡负荷，进相运行和失磁异步等非正常工况运行能力的分析研究 556

四、1000 MWe级及以上大容量核电发电机设计开发和国产化 557

（一）国际上核电站新要求、新发展 557

（二）当前我国正在发展的1080～1760 MW级1500r/min核电发电机需研究的课题 560

五、设计新方法、新材料展望 562

（一）设计新方法 562

（二）新材料 562

六、超导电机和超导储能 565

（一）超导电机 566

（二）超导储能 569

七、其他能源发电机展望 570

（一）大容量水轮发电机与蓄能电站电机 570

（二）风力、太阳能、海洋等新能源发电技术和装置 571

八、结束语 577

附录 581

附录一 发电设备装机容量和年发电量 581

附表1-1 各国发电设备装机容量和年发电量 581

附表1-2 中国2000～2050年社会年用电量预计 582

附表1-3 2005～2009年全国发电设备总装机容量、发电量及其增长情况 583

附表1-4 2009年全国电站中200 MW及以上容量汽轮发电机制造厂及国家一览表 584

附表1-5 2009年全国区域电网火电100 MW、水电40 MW及以上机组装机容量及发电量 585

附录二 国内外汽轮发电机组扭振损坏事故 586

附表2-1 国外火电、核电机组扭振损坏事故统计 586

附表2-2 国内火电机组扭振损坏事故统计 588

附录三 世界汽轮发电机单机容量增长记录 589

附表3-1 1904～1957年世界汽轮发电机单机容量增长记录（按冷却分） 589

附表3-2 1958～1996年世界各国汽轮发电机单机容量增长（按各大公司分） 590

附录四 汽轮发电机温升限值 592

附表4-1 空气间接冷却电机的温升限值（K） 592

附表4-2 氢气间接冷却电机的温升限值（K） 592

附表4-3 考虑非基准运行条件和定额对间接冷却绕组在运行地点的温升限值的修正 593

附表4-4 假定的最高环境温度 594

附表4-5 考虑试验地点运行条件对空气间接冷却绕组在试验地点的温升限值修正（△θT） 595

附表4-6 直接冷却冷式电机及其冷却介质温度限值 595

附表4-7 考虑非基准运行条件和定额对空气或氢气直接冷却绕组在运行地点的温度限值修正 596

附表4-8 考虑试验地点的运行条件对空气直接冷却绕组在试验地点的温度限值θT的修正 597

附录五 上海电机厂1958～2006年制造的双水内冷汽轮发电机简表 598

附录六 汽轮发电机基本系列（按GB/T 7064—2008） 600

附表6-1 空冷汽轮发电机基本系列（50 Hz） 600

附表6-2 氢气和水冷却电机基本系列（50 Hz） 600

附录七 电磁计算系数 602

7-1 电磁计算公式（DZ）28-63的计算系数 602

7-2 定子绕组内附加损耗系数推导 606

附录八 世界1000 MWe级核电站和火电站参考表 612

附表8-1 世界运行和在建的核电机组状况 612

附表8-2 世界核电站（1000 MWe级机组）一览表（统计到2008年底） 615

附表8-3 某些外国公司600～1300 MWe级核电机组综合分析比较（核岛部分） 628

附表8-4 1000 MWe级核电站发电机技术性能参考表 629

附表8-5 西屋、GE、ABB、西门子等公司生产的850 MW以上容量火电机组的容量规格参考表（至1995年） 631

附表8-6 国内外（至2009年底）投运的部分超超临界机组主要参数及技术经济指标 633

附录九 2009年火电100 MW及以上容量机组运行可靠性综合指标 635