基于 Ansoft 与 Workbench 协同仿真的1200MW 级发电机负序能力分析
第一章 绪论
1949 年中国大陆发电设备总装机容量仅有 1.85GW，年发电量为 4.3TW·h，分别居世界第 21 位和 25 位。而到2010 年底，中国大陆发电设备总装机容量达 962.19GW，年发电量达 4141.3 TW·h，分别比 1949 年增长了 520 倍和 963 倍，均居世界第 2 位。电气化程度的提高可以降低单位产值能耗，提高人民生活水平和促进环境的改善。到 2010 年底，中国大陆发电设备总装机容量中，核电总装机容量达 10.82GW（占总装机容量的 1.13%），年发电量 73.4TW·h，占全部发电量的 1.77%；水电装机容量达 213.4GW（占总装机容量的 22.18%），年发电量 662.6TW·h，占全部发电量的15.99%；风电装机容量达 31.07GW（占总装机容量的 3.25%），年发电量 43TW·h，占全部发电量的 1.038%；火电装机容量达 706.63GW（占总装机容量的 73.44%），年发电量 3325.3 TW·h，占全部发电量的 80.3%。然而电能的生产离不开发电机，由此可见我国年发电量中约 80%是由火电机组提供的，而火电机组绝大部分都是汽轮发电机，因此汽轮发电机特别是大型汽轮发电机的发展、设计和生产对国家电能的供应及国民经济的发展有着重大的贡献。
......
在进入 21 世纪的头 20 年中，我国大型汽轮发电机组制造业遇到了世界上前所未有大发展机遇。新引进的超超临界火电 1000MW 级全速（3000r/min）汽轮发电机及 400MW 级燃气-蒸汽联合循环单轴（3000r/min）汽轮发电机组的制造技术，并已逐步国产化和批量生产。2006 年，华能玉环电厂 1000MW 级超超临界机组顺利投产，各项运行指标均达到预期效果。针对核电项目，上海引进了德国西门子西屋公司1100～1300MWe 级 1500r/min 核电站起来发电机设计制造技术；哈尔滨、四川地区也分别引进了三菱、阿尔斯通 1080～1300MWe 级 1500r/min 核电站起来发电机组制造技术，已分别正在制造二代堆型改进型和第三代堆型，AP1000 和 EPR1080～1760MWe、1500r/min 核电站起来发电机组。汽轮发电机组单机容量越大，每千瓦所用建造费用越低，其占地面积也越小，每千瓦发电设备管理人员亦越少，且相对便于调度。针对汽轮发电机组的经济性与其容量大小的关系，西门子公司曾做出过比较：单就核电机组而言，单机容量为1000MW 的发电机组要比 600MW 的机组的单位造价低 30%[2]。大型发电机单机容量增加是通过两种途径实现的：一是通过改变发电机的主要尺寸（发电机的有效长度和外径）；二是通过增加发电机的电磁负荷。但受制于实际工程和交通运输的约束，定转子的主要尺寸不可能做得太大，因此提高汽轮发电机的单机容量主要是借助于增大电磁负荷来实现。然而，随着电磁负荷增加，大型发电机的热负荷也随之同步提高，由此导致电机各个部件的温度增高，影响电机的使用寿命和运行可靠性。所以发热和冷却设计是大型汽轮发电机设计中的最为关心的问题之一，而研究并准确计算发电机核心部件温升分布规律是降低发电机运行温度和达到冷却目的的基础。
......
负序运行能力对于大型汽轮发电机的制造和安全运行都具有重要意义。长久以来， 大型发电机设计行业共同关注着负序电流引起的损耗和发热问题，它的研究历程随着其他自然科学的发展的而发展，尤其在于材料和冷却技术的进步。因为发电机的负序能力由转子材料所承受的最高温度来评价，而温度又是由负序电磁场引起的涡流损耗导致的，所以，准确计算负序电磁场在转子本体各部件上产生的损耗（负序涡流场）和由此导致的温升（负序温度场）是国内外学者一直致力于研究的问题。
电磁学的研究历史悠久，但是其繁荣发展还是最近 300 年的事情。追溯到 140多年前，麦克斯韦总结了前人的研究成果，系统地建立了电磁场理论，奠定了近代电磁学发展的基础。1953 年，E.I.Pollard 用实验的方法测得了不同频率下的护环平均温升，以确定发电机瞬态负序能力[12]。1976 年，A.F.Armor 和 M.V.K.Chari 的两篇文章分别描述标量位的三维有限元解法，介绍了大型发电机定子铁心稳态热流的问题，并且其计算结果与热阻网格程序以及工厂测试数据进行对比[13-14]。1980 年，A.G.Jack等考虑了转子钢的非线性，用二维数值有限差分法计算汽轮发电机稳态负序情况下，转子磁场及其涡流损耗[15]。1981 年，J.Weise 等人独创性地提出了在有源区使用矢量磁位 A、在无源区使用标量磁位Ω为求解变量的计算方法[16]。1989 年，长野进等学者，开发了适用于负序能力分析方面的电磁及热分析程序，并进行大型发电机真机测试，确定了其精确度，还分析比较了各种提高负序能力的措施和效果[17]。Bedrosian提出了一种在不建立发电机三维模型的条件下，然后结合傅里叶变换来仿真某些三维效应的方法[18-19]。1997 年，Y.Ichida 对大型汽轮发电机负序电流承载能力进行了研究，通过热分析计算了负序温升[20]。1998 年，F.N.Isaac 等学者计及了铁芯材料属性为各项异性情况下的铁心涡流损耗的分布情况[21]，而 Jung Ho Lee 在不忽略铁心损耗以及磁饱和的条件下求解了电机的动态参数各项指标[22]。国内方面，涡流场的研究起步相对较晚，但针对大型发电机的负序运行能力也做了很多有益的工作。1979 年，胡显承讨论了负序涡流场边值问题及其有限元的解法，计算了转子负序涡流分布和损耗，但是没有考虑横向月牙槽的存在[23]。1980 年，周德贵对负序感应的倍频电流在转子表面流过的路径、在转子中的等价透入深度以及在端部沿轴向的分布等进行了讨论[24]。1986 年，白亚民、李德基用场路结合的方法计算汽轮发电机稳态负序电流时转子的涡流场、损耗分布和温度场[25]。通过运用磁带法，1990 年周德贵测量了SQF-75-2 型发电机转子端部阻尼环和转子槽部的涡流分布，阐述了提高汽轮发电机隐极转子负序能力主要的技术措施，例如改进转子槽楔，转子增设阻尼绕组等[26]；1994 年，徐松采用差分法建立了 50MW 蒸发冷却汽轮发电机转子瞬变电磁场及瞬变温度场计算机仿真的数学模型，得到部分仿真结果，通过仿真还获得了该发电机的最大瞬态负序能力[27]；2005 年，文献[28]计算了大型汽轮发电机不平衡负载情况下的涡流损耗，在有限元的基础上，提出了计算三维负序涡流场的电流、磁场和涡流损耗的数学模型和方法[28]。2006 年，文献[29]利用负序磁场透入深度的数量级相对发电机尺寸较小的特征，从而借助于复数表面阻抗的概念，提出了一种发电机转子二维负序涡流场分析与计算的方法，并计算了稳态负序工况下发电机转子上的涡流损耗分布特征和数值大小[29]。2012 年，李伟力等以 150MW 空冷汽轮发电机为例，建立了其电磁场和温度场的二维数学模型，计算了稳态负序工况下运行时发电机转子上产生的涡流损耗，并且求解分析了由涡流损耗引起的额外温升，还考虑了槽楔材料不同时可能对发电机负序温升造成的影响，得到了一些有益的结论[30]。
......
第二章 汽轮发电机结构及负序电流相关规定
大型汽轮发电机结构复杂，各部件较多，除了定转子铁心、绕组外，还包括用于固定定子的定子机座、固定转子的护环、固定电枢绕组和阻尼绕组的槽楔等。本章主要介绍了发电机的主要部件及其结构，同时阐述了发电机定子负序电流的分析方法及发电机承受负序运行能力的国家相关标准，为下文发电机负序运行能力的分析提供评判标准。
自 20 世纪 50 年代开始，汽轮发电机最大单机容量自 150MW 迅速提高到了200MW、300MW、500MW、600 MW。而现如今，世界上汽轮发电机单机容量已达到 1000MW，甚至更高级容量的发电机投入运行。目前我国汽轮发电机的容量主要有 50MW、100MW、125MW、300MW、600MW、1000MW 等。不管汽轮发电机采用多少等级的容量，它均是由静止和转动两部分组成。顾名思义，发电机的静止部分是指发电机定子上的各部件，主要包括定子机座、定子铁心、定子电枢绕组等。而转动部分则是指随发电机转子旋转的各个部件，主要有转子本体、转子励磁绕组、护环何中心环等[2]。图 2-1 为典型大型汽轮发电机主要部件示意图。
......
汽轮发电机的定子与异步电机基本相同，也是由定子机座、定子铁心、定子电枢绕组等部件组成。2.2.1 定子机座
定子机座主要起到固定和保护定子铁心及定子电枢绕组的作用，除此之外它还同时是发电机通风冷却、带走发电机定子热量风路的一部分。如图 2-2 所示。大型汽轮发电机定子机座尺寸比较大、外形也多变、工艺复杂。除必须满足足够的强度以承受内外力的作用外，定子机座还要尽可能的达到方便加工、工艺性好的目的，所以定子机座一般采用比较易于焊接的低碳钢材料。通常来说，机座由外罩板、外机壁、内机壁、通风管道、支撑板、吊环座等部件通过焊接形成。而由于冷却方式（氢冷、空冷）和运输方式（陆路、水路）的不同，汽轮发电机的定子机座结构设计也是不尽相同的。
2.2.2 定子铁心
定子铁心如图 2-3 所示。它的作用主要包括两部分：（1）定子铁心开有轴向嵌线槽，用来固定定子绕组；（2）为转子励磁绕组产生的主磁通提供较低磁阻的磁通路径。由于定子铁心不仅是导磁的而且也是良好的导电体，且该主磁通是以同步转速旋转的，因此它在定子铁心中将产生磁滞损耗和涡流损耗。为了减少铁心中的涡流损耗，要把铁心分成许多薄片（叠片），而且各片之间彼此绝缘，以防止各叠片之间流过电流。通常，大型汽轮发电机的定子冲片厚度有 0.35mm 或 0.5mm 两种可选。为了通风散热，每叠厚度为 30～60mm，两叠之间留有宽度为 10mm 左右的通风沟。铁心叠好后，用非磁性压板压紧，再通过螺杆拉紧后固定在机座上。当定子铁心直径较大时，用扇形冲片拼成一个整圆，在叠装时，应把各层接缝均匀错开，以保证磁路的对称。
2.2.3 定子绕组
汽轮发电机的定子绕组是发电机传递能量的枢纽，放置在定子铁心内圆的定子槽内，如图 2-4。它位于时刻以同步转速旋转的电磁场中，能够感应出高电压、大电流，并输出到电网。故定子绕组是发电机进行机电能量转换关键部件。通常来时，大型汽轮发电机的定子绕组的额定电流相当大，1200MW 级的汽轮发电机其定子额定电流接近于 30000A。所以，发电机定转子绕组的铜耗在发电机总损耗的占比较大，是发电机两个主要的热源，所以对定转子绕组的冷却尤为重要。此外，定子绕组在运行中受到的周期性电磁振动，特别是突然短路、误合闸等异常情况下，发电机定子绕组所受的冲击力比正常运行时大 100 倍以上。完善定子绕组的槽内固定和端部固定的设计和制造工艺以及正确的检查实验，也是保证汽轮发电机运行可靠性的重要部分。
一般地大型汽轮发电机定子绕组采用叠绕组，而很少使用同心式绕组。出于加工制造的方便和绝缘考虑，把定子绕组每个线圈分成两个线棒，分别放置在间隔一个极距的两个槽内的上层和下层，线棒截面图如图 2-5 所示。每个定子槽内通常有两个导体，定子线圈的直线部分（有效部分）放置于槽内，而线圈端部通过并头套或对焊接头形成一个整线圈，如图 2-4 所示。为了减少定子线圈内的 5、7、11 次高次谐波，定子线圈通常采用短距，短距系数取 0.8～0.857 之间最合适。
......
3.1 二维涡流场的麦克斯韦方程 ................................. 22
3.2 定子绕组负序电流的大小和相位 ............................. 25
3.3 汽轮发电机转子二维负序涡流场的计算与对比分析 ............. 27
第四章 汽轮发电机三维负序涡流场和损耗计算分析.................. 44
4.1 三维涡流场的麦克斯韦方程 .................................. 44
4.2 汽轮发电机转子三维负序涡流场的计算与对比分析 .............. 46
4.2.1 基本假定...................................................47
第五章 汽轮发电机负序温度场计算与对比分析........................ 54
5.1 温度场的基本理论 .............................................54
5.1.1 热分析基础 ................................................ 54
5.1.2 温度场边界条件 ............................................. 55
第五章 汽轮发电机负序温度场计算与对比分析
发电机的温升是衡量发电机运行性能的重要指标之一，它与发电机的使用寿命有着直接的关系，与此同时也对发电机的出力、效率等性能有一定的影响。因此，在发电机设计阶段，有必要对发电机正常运行时的温升进行计算。特别地，，准确地计算发电机在负序工况下产生的温升，对判断发电机承受负序能力的大小、提供提高发电机负序能力的措施、保证发电机安全运行有着重要意义。
5.1.1 热分析基础
ANSYS Workbench 是目前仿真领域覆盖面最广、研究层次最深、业界最先进的工程集成化仿真平台。它不仅在结构、热、电磁场、流体、跌落等单一物理域具有无以伦比的技术先进性和最广泛的仿真功能，同时实现了多物理场的自动耦合分析，而且将 CAD 接口和网格生成、优化、数据管理等功能完全集成在统一的设计环境中，大大提高了复杂问题的仿真效率。ANSYS Workbench 仿真平台具有多物理场的耦合分析能力，其中包括：1）流体-结构耦合（CFX 与 Mechanical 或者 FLUENT 与Mechanical）；2）流体-热耦合（CFX 与 Mechanical 或者 FLUENT 与 Mechanical）；3）流体-电磁耦合（FLUENT 与 ANSOFT Maxwell）；4）热-结构耦合（Mechanical）；5）静电-结构耦合（Mechanical）；6）电磁-热耦合（ANSOFT Maxwell 与 Mechanical）；7）电磁-结构-噪声耦合（ANSOFT Maxwell 与 Mechanical 与 ACTRAN）。
针对以上的多物理场仿真分析，ANSYS Workbench 具有以下的特点或优点：1）在统一的图形化（GUI）界面下，实现从建模、网格生成、仿真分析、结果后处理的所有仿真过程；2）结构、网格、仿真结果等数据自动映射和数据交换，不同仿真工具之间数据保真传递；3）统一管理所有仿真流程；4）自动化网格生成、集成多域优化工具和数据管理工具，流程固化和定制功能，提高仿真效率。拥有这些优点，使得利用 ANSYS Workbench 平台来实现多物理场的协同仿真分析变得简单直观，用户不需要考虑耦合过程到底是如何实现的，只需要通过简单的拖曳即可实现数据的传递和共享，从而不仅节约时间，而且通俗易懂有利于工程技术的学习和传承。
......
第六章 总结与展望
本文以上海电气电站设备有限公司发电机厂所设计的 1200MW 级水氢氢冷却型汽轮发电机为研究对象，建立了发电机二维（三维）电磁场模型以及转子三维温度场模型，考虑了定子槽楔、转子槽楔及转子阻尼槽楔的存在与否的影响，对其在不对称运行工况下产生的负序电流引起的涡流损耗进行了理论阐述和数值计算，并在此基础上得到了发电机转子本体各部件的负序磁场和损耗分布，再以这些损耗为热源耦合到负序温度场，求解分析了发电机转子稳态负序和瞬态负序温度场。在对1200MW 级汽轮发电机转子负序涡流场场及温度场的求解计算中，主要获得以下结论：
（1）考虑到定子槽楔、转子槽楔及转子阻尼槽楔的存在与否，计算了发电机二维齿段和牙槽段负序涡流场的涡流损耗密度，由计算结果可知：1）负序涡流损耗密度主要集中在大齿的极面上，而小齿上则较小，且以月牙槽尖角处最大，沿月牙槽圆弧向其底部运动，损耗密度逐渐减小；2）转子槽楔的存在使得大小齿上的损耗密度明显的减小；3）阻尼槽楔承担着较大的损耗密度，且能够降低大小齿上的损耗密度。因此，槽楔的存在，特别是阻尼槽楔的存在，对负序磁场有较大的阻尼作用，能够有效地降低转子表面负序涡流损耗的最大值；
（2）在发电机二维负序涡流场损耗密度计算的基础上，分析了发电机三维涡流损耗值的大小和分布情况。从计算结果可知：1）涡流损耗集中在转子大齿表面，月牙槽处损耗密度最大，是涡流集中点；2）高导电率的槽楔对减弱负序磁场涡流效应有积极的作用，能够有效地降低转子本体上的负序涡流损耗，且转设阻尼槽楔的效果尤为明显，转子损耗值大幅减小；
......
参考文献（略）
本文编号：37785
本文链接：https://www.wllwen.com/wenshubaike/lwfw/37785.html
