摘要：1200MW级水氢内冷汽轮发电机是目前世界上容量最大的单轴、全速发电机，本文主要针对1200MW级水氢内冷汽轮发电机的运行与维护进行分析，以供参考。
关键词：1200MW级；水氢内冷；汽轮发电机；运行；维护
1200MW级水氢内冷汽轮发电机是目前世界上容量最大的单轴、全速发电机，如图1所示。其定子线圈采用水冷，定子铁心和转子线圈采用氢冷，工作频率50Hz。当功率因数为0.90时，额定功率为1120-1260MW，可以与相应容量、各类型号的亚临界、超临界、超超临界汽轮机相匹配。
图1 1200MW级水氢内冷汽轮发电机
一 1200MW级水氢内冷汽轮发电机概述
发电机由定子、转子、轴承、轴密封、冷却器等部件组成。其中，定子包括定子机座、定子铁心与定子绕组装配、冷却器部分和端盖；转子包括转轴、转子绕组、转子护环和励磁连接线。氢系统、油系统、水系统和电气系统为发电机运行所需的辅助系统。发电机机座能承受较高压力，且为气密型，在汽端和励端均安装有端盖。氢冷却器垂直布置在汽轮机端的冷却器端
关键词：1200MW级；水氢内冷；汽轮发电机；运行；维护
1200MW级水氢内冷汽轮发电机是目前世界上容量最大的单轴、全速发电机，如图1所示。其定子线圈采用水冷，定子铁心和转子线圈采用氢冷，工作频率50Hz。当功率因数为0.90时，额定功率为1120-1260MW，可以与相应容量、各类型号的亚临界、超临界、超超临界汽轮机相匹配。
图1 1200MW级水氢内冷汽轮发电机
一 1200MW级水氢内冷汽轮发电机概述
发电机由定子、转子、轴承、轴密封、冷却器等部件组成。其中，定子包括定子机座、定子铁心与定子绕组装配、冷却器部分和端盖；转子包括转轴、转子绕组、转子护环和励磁连接线。氢系统、油系统、水系统和电气系统为发电机运行所需的辅助系统。发电机机座能承受较高压力，且为气密型，在汽端和励端均安装有端盖。氢冷却器垂直布置在汽轮机端的冷却器端
罩内。
二 发电机启动和升速
2.1 启动准备
（1）汽轮发电机启动的前提条件是在发电机启动过程中所有直接或间接涉及的电厂部门之间保持持续的联系。
（2）检查变送器。在启动之前，应再次检查所有连接，即进行管道和电缆的检查。检查所有报警系统。还应检查所有温度测量点，其中包括对就地和远程测温器进行检查。除非温度升高是由于在测量点进行的其它准备作业所引起的，否则，测温器的指示应近似等于环境温度或者室内温度。
2.2 冷却器运行
发电机及其辅助设备的热交换器由冷却管、冷却器框架和水室等组成。冷却器的冷却管材质为铜合金结构。铜和铜合金管必须在冷却水侧形成一层保护膜，以确保具有足够的防腐性能。保护膜的形成或防护主要取决于初始调试和随后运行的工况。
2.3 盘车、简化的发电机启动过程、AVR 启动
发电机应在盘车状态下运行，并加速到汽轮机起动图上规定的转速。
二 发电机启动和升速
2.1 启动准备
（1）汽轮发电机启动的前提条件是在发电机启动过程中所有直接或间接涉及的电厂部门之间保持持续的联系。
（2）检查变送器。在启动之前，应再次检查所有连接，即进行管道和电缆的检查。检查所有报警系统。还应检查所有温度测量点，其中包括对就地和远程测温器进行检查。除非温度升高是由于在测量点进行的其它准备作业所引起的，否则，测温器的指示应近似等于环境温度或者室内温度。
2.2 冷却器运行
发电机及其辅助设备的热交换器由冷却管、冷却器框架和水室等组成。冷却器的冷却管材质为铜合金结构。铜和铜合金管必须在冷却水侧形成一层保护膜，以确保具有足够的防腐性能。保护膜的形成或防护主要取决于初始调试和随后运行的工况。
2.3 盘车、简化的发电机启动过程、AVR 启动
发电机应在盘车状态下运行，并加速到汽轮机起动图上规定的转速。
a） 盘车运行
发电机在盘车运行之前，顶轴油泵和轴承润滑油系统必须已经启动。密封油系统和一次水系统必须已投入运行。在运行盘车装置之前，必须检查流向轴承和轴封的密封油流量，以确保油的流量足够
大。另外，还应检查排油管的运行是否正常。
b） 发电机氢气温度
如盘车时已充氢，氢冷却器的冷却水系统应投入运行。氢气温度的控制模式从自动切为手动。手动调节冷却水流量，使之为正常流量的5～10%，以防止氢气冷却器管子和翅片结露。发电机升速时，手动控制氢气冷却器的冷却水流量，使冷氢温度保持在至少低于一次
水入口温度5K。
c） 升速
在发电机升速到额定转速期间，轴承进油温度应控制在35℃～45℃之间，轴封处入油温度不应低于38℃。当发电机机内氢压未达到额定值时，发电机的转速、电压都不得升至额定值。升速时，应快速通过临界转速，然后达到匀速运行。为防止升速过程中出现热不平衡，汽轮发电机必须先盘车运行。如果发电机在较长时间的盘车后再升速，则除了必须满足
发电机在盘车运行之前，顶轴油泵和轴承润滑油系统必须已经启动。密封油系统和一次水系统必须已投入运行。在运行盘车装置之前，必须检查流向轴承和轴封的密封油流量，以确保油的流量足够
大。另外，还应检查排油管的运行是否正常。
b） 发电机氢气温度
如盘车时已充氢，氢冷却器的冷却水系统应投入运行。氢气温度的控制模式从自动切为手动。手动调节冷却水流量，使之为正常流量的5～10%，以防止氢气冷却器管子和翅片结露。发电机升速时，手动控制氢气冷却器的冷却水流量，使冷氢温度保持在至少低于一次
水入口温度5K。
c） 升速
在发电机升速到额定转速期间，轴承进油温度应控制在35℃～45℃之间，轴封处入油温度不应低于38℃。当发电机机内氢压未达到额定值时，发电机的转速、电压都不得升至额定值。升速时，应快速通过临界转速，然后达到匀速运行。为防止升速过程中出现热不平衡，汽轮发电机必须先盘车运行。如果发电机在较长时间的盘车后再升速，则除了必须满足
汽轮机运行的要求外，不限制发电机的加速度。
三 发电机带负荷运行
通过调节汽轮机速度、负荷控制装置来改变发电机有功功率。发电机并网同步后，有功负荷增加，根据要求的功率因数来提高无功负荷。
如果发电机励磁电流超过额定值，则过励限制器经过一定延时后响应，使励磁电流减小。只要过励限制器在运行中，则过励限制器信号优先，升高基准电压的命令无效，而且也不可能发出该指令。
当发电机的励磁电流降低时，发电机的无功负荷也降低，并且发电机功率因数由1变为0。若励磁电流进一步降低，无功负荷变为负值且增加，直至达到发电机出力曲线中给出的发电机欠励运行限制曲线时，触发欠励限制器，从而阻止励磁电流的进一步降低。只要欠励限制器在运行中，则欠励限制器信号优先，降低基准电压的命令无效，而且也不可能发出该指令。
（1）AVR 手动和自动的切换
正常运行中自动、手动状态之间得相互切换可在现场或通过控制室远程执行。若两组发电机电压互感器都出现故障，则自动执行自动到手动状态的切换。
三 发电机带负荷运行
通过调节汽轮机速度、负荷控制装置来改变发电机有功功率。发电机并网同步后，有功负荷增加，根据要求的功率因数来提高无功负荷。
如果发电机励磁电流超过额定值，则过励限制器经过一定延时后响应，使励磁电流减小。只要过励限制器在运行中，则过励限制器信号优先，升高基准电压的命令无效，而且也不可能发出该指令。
当发电机的励磁电流降低时，发电机的无功负荷也降低，并且发电机功率因数由1变为0。若励磁电流进一步降低，无功负荷变为负值且增加，直至达到发电机出力曲线中给出的发电机欠励运行限制曲线时，触发欠励限制器，从而阻止励磁电流的进一步降低。只要欠励限制器在运行中，则欠励限制器信号优先，降低基准电压的命令无效，而且也不可能发出该指令。
（1）AVR 手动和自动的切换
正常运行中自动、手动状态之间得相互切换可在现场或通过控制室远程执行。若两组发电机电压互感器都出现故障，则自动执行自动到手动状态的切换。
（2） 发电机负荷限制
① 负荷限值
关于发电机的允许负荷，需要满足下述条件：
●一次水冷却系统全部运行；
●发电机已充入额定气压的氢气，四组氢气冷却器全部投入运行；
●发电机运行在额定频率下；
●发电机运行在额定电压下；
在负荷不超过规定限值的前提下，可将负荷整定为出力曲线范围内的任何值。
如果定子线圈一次水的压力超过发电机机座内的氢压，则不允许发电机在氢气压力降低的条件下长期带负荷运行。
② 负荷变化率
发电机在运行过程中，允许负荷在出力曲线限定的范围内变化。允许的负荷变化率取决于绕组的绝缘情况。若发电机定子绕组采用真空压力浸渍（VPI），含银铜线制成的转子绕组采用玻璃纤维模压绝缘，并且发电机带有自动冷却系统，且自动冷却系统全投入运行，
则发电机允许突然加负荷和减负荷。实际负荷的变化率应该与汽轮机允许限值相一致。
① 负荷限值
关于发电机的允许负荷，需要满足下述条件：
●一次水冷却系统全部运行；
●发电机已充入额定气压的氢气，四组氢气冷却器全部投入运行；
●发电机运行在额定频率下；
●发电机运行在额定电压下；
在负荷不超过规定限值的前提下，可将负荷整定为出力曲线范围内的任何值。
如果定子线圈一次水的压力超过发电机机座内的氢压，则不允许发电机在氢气压力降低的条件下长期带负荷运行。
② 负荷变化率
发电机在运行过程中，允许负荷在出力曲线限定的范围内变化。允许的负荷变化率取决于绕组的绝缘情况。若发电机定子绕组采用真空压力浸渍（VPI），含银铜线制成的转子绕组采用玻璃纤维模压绝缘，并且发电机带有自动冷却系统，且自动冷却系统全投入运行，
则发电机允许突然加负荷和减负荷。实际负荷的变化率应该与汽轮机允许限值相一致。
③ 不对称负荷
在任何运行工况下，发电机的连续不对称负荷不得超过规定值。不对称负荷定义为负序电流与额定电流的比值，同时三相中的任何一相都不超过额定电流值。
④ 负荷限定
在发电机的运行寿命内，在某些运行工况下为了使发电机部件免遭损害，需要发电机降负荷运行。在下列工况下，要遵守如下规定：
a.氢气冷却器退出运行时
如果四组冷却器中的一组退出运行，则允许发电机以不超过80％的负荷运行。仅当发电机满足以下条件时，允许发电机降负荷运行：
发电机的一次冷却水系统全投入运行；
发电机氢气的露点温度大大低于冷氢温度；
采用气体干燥系统将封闭的发电机内部干燥至少四周时间，且在此期间发电机内部无泄漏发生，可以达到上述工况。注意：氢气温度控制装置的传感器位于冷却器a/b和c/d（选择最大值）的下游。
b.氢气压力偏离额定值
在任何运行工况下，发电机的连续不对称负荷不得超过规定值。不对称负荷定义为负序电流与额定电流的比值，同时三相中的任何一相都不超过额定电流值。
④ 负荷限定
在发电机的运行寿命内，在某些运行工况下为了使发电机部件免遭损害，需要发电机降负荷运行。在下列工况下，要遵守如下规定：
a.氢气冷却器退出运行时
如果四组冷却器中的一组退出运行，则允许发电机以不超过80％的负荷运行。仅当发电机满足以下条件时，允许发电机降负荷运行：
发电机的一次冷却水系统全投入运行；
发电机氢气的露点温度大大低于冷氢温度；
采用气体干燥系统将封闭的发电机内部干燥至少四周时间，且在此期间发电机内部无泄漏发生，可以达到上述工况。注意：氢气温度控制装置的传感器位于冷却器a/b和c/d（选择最大值）的下游。
b.氢气压力偏离额定值
如果由于气体损耗或者气体供给不足等原因，而造成氢气压力不能保持在规定的水平，且降低至比规定的运行压力低0.3bar，则必须将发电机的负荷降至85%的额定负荷。到并消除造成压力损失的原因。
c.一次水供给故障
如果发生一次水供给故障，必须采用机械保护装置使发电机从系统解列和灭磁。不允许发电机在发生一次水供给故障后仍运行。
四 发电机停机
在发电机停机过程中，一旦发电机的转速达到汽轮机说明手册规定值，则必须启动顶轴油泵。
（1） 盘车装置运行
在此后发电机的加速启动过程中，为防止由于热不平衡以及由此导致的转子变形使启动发生困难，一旦汽轮发电机转速降低（通常为自动降低）至规定的汽轮机转速（盘车装置转速），则必须启动盘车装置，并保持不间断运行，直到转子温度冷却到接近于室温。
（2）氢气冷却器
在机组达到盘车转速之前，将冷却水流量调节到额定流量的至少5％。由于气体中的潮
c.一次水供给故障
如果发生一次水供给故障，必须采用机械保护装置使发电机从系统解列和灭磁。不允许发电机在发生一次水供给故障后仍运行。
四 发电机停机
在发电机停机过程中，一旦发电机的转速达到汽轮机说明手册规定值，则必须启动顶轴油泵。
（1） 盘车装置运行
在此后发电机的加速启动过程中，为防止由于热不平衡以及由此导致的转子变形使启动发生困难，一旦汽轮发电机转速降低（通常为自动降低）至规定的汽轮机转速（盘车装置转速），则必须启动盘车装置，并保持不间断运行，直到转子温度冷却到接近于室温。
（2）氢气冷却器
在机组达到盘车转速之前，将冷却水流量调节到额定流量的至少5％。由于气体中的潮
气冷凝在冷却器管子和散热片上，将会导致发电机内部露点温度降低。氢气冷却器应在该冷却水流量下运行大约15小时。
（3） 发电机停机简图
（4）卸负荷和停机时的 AVR 操作
五 发电机停机期间监测
（1）发电机停机期间，密封油系统、气体系统和一次水系统在运行
由于运行条件的要求，可能需要短时停止运行发电机。当发电机停机时，可将轴承油系统停止运行。当没有运行需要时，例如进行检查或者发电机发生故障期间，一次冷却水和氢气应该仍保留在发电机内，以满足保持发电机内干燥的先决条件。应对运行中的发电机部分系统进行所需的全部监测，主要包括密封油系统、气体系统和一次水系统。通常认为在发电机的先前运行期间，气体干燥器也同时处于工作状态。所以，在未更换冷却气体的情况下，发电机内部是干燥的。
（2）发电机停机期间，密封油系统、气体系统和一次水系统退出运行
（3） 发电机停机简图
（4）卸负荷和停机时的 AVR 操作
五 发电机停机期间监测
（1）发电机停机期间，密封油系统、气体系统和一次水系统在运行
由于运行条件的要求，可能需要短时停止运行发电机。当发电机停机时，可将轴承油系统停止运行。当没有运行需要时，例如进行检查或者发电机发生故障期间，一次冷却水和氢气应该仍保留在发电机内，以满足保持发电机内干燥的先决条件。应对运行中的发电机部分系统进行所需的全部监测，主要包括密封油系统、气体系统和一次水系统。通常认为在发电机的先前运行期间，气体干燥器也同时处于工作状态。所以，在未更换冷却气体的情况下，发电机内部是干燥的。
（2）发电机停机期间，密封油系统、气体系统和一次水系统退出运行
如果发电机的停机时间超过两个月，并且密封油系统、气体系统和一次水系统退出运行，则应采取一定的防护措施。所需的防护工作的范围取决于发电机的停机时间、发电机组附近的工况和停机期间可能要进行检查的程度。在用二氧化碳将发电机内的氢气排出后，发电机内的压力将会降低并充满空气，建议拆卸两个人孔盖板，以打开发电机，并接通干燥机或者热风鼓风机进行持续干燥，或者使发电机内的空气流通。应注意使干燥设备的连接能够确保达到整个发电机内部空气的流通。为使发电机内保持较好的干燥状态，必须封闭集电环外壳，而且集电环干燥系统仍旧保持运行状态。应排空氢气冷却器、一次水冷却器、集电环冷却器和密封油冷却器的水侧，并采用适当的措施进行干燥。这些措施应该在周围环境条件变化的情况下，也能够防止发电机内部产生冷凝水。应该由上海电气电站设备有限公司发电机厂合格的技术服务人员来决定与实施防护措施。
（3）冷却器
对所有退出运行的冷却器，都应该采取适当的措施防止冷却器管子在停机期间发生腐蚀。
在发电机短时停机期间，向冷却器注入较小流量的水和对冷却器使用全流量的水每周冲洗两次即可。如果发电机的停机时间较长，则应排空冷却器的冷却水侧并进行干燥处理。
南阳水氢发动机
（3）冷却器
对所有退出运行的冷却器，都应该采取适当的措施防止冷却器管子在停机期间发生腐蚀。
在发电机短时停机期间，向冷却器注入较小流量的水和对冷却器使用全流量的水每周冲洗两次即可。如果发电机的停机时间较长，则应排空冷却器的冷却水侧并进行干燥处理。
南阳水氢发动机
由于氢气可通过水回路通道的密封衬垫进入或这本身便是系统内氢气正常流通的一部分，所以不可避免地会有氢气进入到排空的氢气冷却器中来。建议在排空氢气冷却器之前，向发电机充入压力为大气压的空气。如果排空水后的冷却器能够通过排水阀和排气阀进行连续、充分地通风，则不需要将氢气从发电机排出。压缩空气供给软管应该连接到排水阀上。
六 发电机停运后的保养
1)较长时间停运发电机，定子线圈中的水应放净吹干，并且充氮保养。
2） 停机期间发电机内充满氢气时，确保足够油氢差压和氢气纯度，以免机内结露。
3） 发电机停机备用，应维持定子冷却水泵运行，保持定冷水温度在 40℃～45℃。
4） 发电机氢压不低于定冷水压 0.035MPa ，定冷水停运时不低于 150kPa。
5） 发电机长期停运需预防发电机本体受潮，应启动发电机氢气循环风机及干燥装置。
6） 机组备用期间微正压装置投加热运行。
7） 当发电机每运行两个月及以上时，如遇停机或发电机大小修，开机前应对发电机定子绕组进行正反冲洗。
结束语
1200MW水氢内冷发电机是目前世界上容量最大的单轴、全速发电机，是上海发电机厂
六 发电机停运后的保养
1)较长时间停运发电机，定子线圈中的水应放净吹干，并且充氮保养。
2） 停机期间发电机内充满氢气时，确保足够油氢差压和氢气纯度，以免机内结露。
3） 发电机停机备用，应维持定子冷却水泵运行，保持定冷水温度在 40℃～45℃。
4） 发电机氢压不低于定冷水压 0.035MPa ，定冷水停运时不低于 150kPa。
5） 发电机长期停运需预防发电机本体受潮，应启动发电机氢气循环风机及干燥装置。
6） 机组备用期间微正压装置投加热运行。
7） 当发电机每运行两个月及以上时，如遇停机或发电机大小修，开机前应对发电机定子绕组进行正反冲洗。
结束语
1200MW水氢内冷发电机是目前世界上容量最大的单轴、全速发电机，是上海发电机厂
2017年所完成的4大新产品之一。本文从发电机启动和升速、发电机带负荷运行、发电机停机过程、发电机停机期间监测等多角度分析1200MW水氢内冷发电机的运行与维护，希望能够使工作人员对发电机的运行有一个清楚的认识，并有助于工作的顺利开展。
参考文献：
[1]基于有限元法的大型核电汽轮发电机励磁电流计算[J]. 魏燕飞. 电机技术. 2019（05）
[2]工程建设须“胆大心细”——记部优工程中铝中州铝业降低工艺能耗提质增效技改项目10号汽轮发电机系统工程[J]. 张小红,朱逸慧. 中国有金属.2020（02）
[3]基于ANSYS的汽轮发电机转轴的过盈配合分析[J]. 黄鹏,任倢,张金华. 机械工程师. 2020（02）
[4]简析汽轮发电机基础设计[J]. 郭崇舒. 电站系统工程. 2020（01）
[5]汽轮发电机定子铁心磁化试验温升过高原因分析[J]. 蒋大伟,于龙滨,赵子健,王冠宇,刘宏峰. 东北电力技术. 2020（01）
[6]大型半速汽轮发电机不对称短路及其负序分量的研究[D]. 张鹏鹏.哈尔滨理工大学 2015
参考文献：
[1]基于有限元法的大型核电汽轮发电机励磁电流计算[J]. 魏燕飞. 电机技术. 2019（05）
[2]工程建设须“胆大心细”——记部优工程中铝中州铝业降低工艺能耗提质增效技改项目10号汽轮发电机系统工程[J]. 张小红,朱逸慧. 中国有金属.2020（02）
[3]基于ANSYS的汽轮发电机转轴的过盈配合分析[J]. 黄鹏,任倢,张金华. 机械工程师. 2020（02）
[4]简析汽轮发电机基础设计[J]. 郭崇舒. 电站系统工程. 2020（01）
[5]汽轮发电机定子铁心磁化试验温升过高原因分析[J]. 蒋大伟,于龙滨,赵子健,王冠宇,刘宏峰. 东北电力技术. 2020（01）
[6]大型半速汽轮发电机不对称短路及其负序分量的研究[D]. 张鹏鹏.哈尔滨理工大学 2015
[7]300MW汽轮发电机维护管理方法分析[J]. 马健. 山东工业技术. 2019（07）
[8]汽轮发电机安装调试技术要点分析[J]. 宋强义. 科技创新与应用. 2019（06）
[9]核电厂小汽轮发电机试验分析[J]. 刘洋. 科技视界. 2019（05）
[8]汽轮发电机安装调试技术要点分析[J]. 宋强义. 科技创新与应用. 2019（06）
[9]核电厂小汽轮发电机试验分析[J]. 刘洋. 科技视界. 2019（05）
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