[01756816]大容量空冷汽轮发电机热交换与热控制关键技术研究与应用

大容量空冷发电机核心技术一直被国外封锁,针对空冷发电机通风冷却效果差,风磨损耗大、热可靠性较差等问题,各完成单位在多项国家级、省重大攻关项目,以及教育部项目的支持下,经过二十年的研究,从新方法、新理论、新结构等方面取得了以下突破性研究成果： ①首次提出了空冷汽轮发电机定子上、下层线棒不等股变截面异结构定子绕组的电阻增加系数方法,通过多物理场强耦合的数值分析方法,精确地确定了定子绕组异结构下的温度场分布,改进了传统的定子绕组上下层线棒等截面设计的理念,改善了定子绕组上下线棒温度分布不均衡状况,成功应用于150MW及以上空冷汽轮发电机产品上,促进了发电机热设计技术的提高; ②首次在150MW空冷汽轮发电机定子线棒内部股线进行了温度的实际测量,改进了传统在层间绝缘测量温度预估定子线棒股线内温度的不准确的方法,通过本方法提高了发电机定子线棒热诊断的效果。 ③针对空冷汽轮发电机频繁起停及故障状态下的边端铁心饱和、过热和故障电磁力问题,提出了计及饱和、非线性多维复合域端部瞬态电磁场的机网协同耦合数值计算的新方法,能够更加准确地计算复杂工况下的瞬态端部电磁场,解决了端部复杂的电磁场以往单纯依靠定子侧加载电流而难以计算特殊工况下端部复杂漏磁场、电磁力分布的难题,为多工况或电力系统扰动下大容量空冷汽轮发电机设计提供了强有力的技术支撑。 ④建立了空冷汽轮发电机定子主绝缘热老化多物理场数学模型,揭示了定子主绝缘电、热老化引起的绝缘故障机理,创新性的提出了热老化故障后绝缘导热系数失效度对绝缘深度热老化反演的思想,对定子绕组主绝缘和股线绝缘的故障诊断提供了相关指导性准则,首次对主绝缘失效导热系数进行了测量和分析,验证了理论研究成果的正确性,不仅填补了主绝缘和股线绝缘热老化后的导热系数失效度对定子绕组内部温度分布规律影响研究的理论空白,而且对绝缘故障热诊断技术的提高起到了重要的理论支撑,构建了大容量空冷汽轮发电机热诊断、热控制理论和实验研究的技术体系。 ⑤提出了空冷汽轮发电机定子多风路通风系统定子铁心叠片段不等间距和通风沟变截面零和关系优化思想,基于多物理场调整定子铁心叠片段间距和厚度,实现了对定子多风路通风系统风量的适配与定子热控制,丰富了大容量空冷汽轮发电机通风冷却系统优化理论和设计方法。 ⑥建立了空冷汽轮发电机多物理场数学模型,研究了定子线棒轴向空内冷、通风槽钢形变结构和空气入射角等通风路径多元优化因素对定子绕组、铁心温度分布和空气运动的影响规律,揭示了发电机内部热交换机理,开拓了大容量空冷汽轮发电机通风冷却结构研究的新方向。 本项目授权发明专利23项,申请PCT国际发明专利1项,发表高水平论文60余篇,本项目研究的大容量空冷汽轮发电机热交换与热控制关键技术难题的成功突破,使150MW、200MW和350MW等级空冷汽轮发电机技术指标达到国外同等产品水平,开发的大容量空冷汽轮发电机产品已成功应用于国内外近百座燃气—蒸汽联合循环电站和火电站。近十年仅空冷汽轮发电机直接经济约16.56亿元,利税约4.57万元,节约电煤累计约1482万吨,减少CO2排放约3335万吨,减少SO2排放约30万吨,此外,还大大减少了氮氧化物等的排放量;近三年空冷汽轮发电机销直接经济效益达6亿元,利税1.87亿元,累计约433万吨,减少CO2排放约975万吨,减少SO2排放约8.7万吨。本项目相关空冷技术还应用在调相机、风力发电机、水轮发电机等相关产品中,经济效益显著。