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火力发电厂基本生产过程

第一部分 概 述
以煤、石油或天然气作为燃料的发电厂统称为火电厂。山东省的电厂95%以上是火力发电厂。
1、火电厂的分类
（1）按燃料分类：①燃煤发电厂，即以煤作为燃料的发电厂；邹县、石横青岛等电厂
②燃油发电厂，即以石油（实际是提取汽油、煤油、柴油后的渣油）为燃料的发电厂；辛电电厂
③燃气发电厂，即以天然气、煤气等可燃气体为燃料的发电厂；
④余热发电厂，即用工业企业的各种余热进行发电的发电厂。此外还有利用垃圾及工业废料作燃料的发电厂。
（2）按原动机分类：凝汽式汽轮机发电厂、燃汽轮机发电厂、内燃机发电厂和蒸汽-燃汽轮机发电厂等。
（3）按供出能源分类：①凝汽式发电厂，即只向外供应电能的电厂；
②热电厂，即同时向外供应电能和热能的电厂。
（4）按发电厂总装机容量的多少分类：①小容量发电厂，其装机总容量在100MW以下的发电厂；
②中容量发电厂，其装机总容量在100～250MW范围内的发电厂；
③大中容量发电厂，其装机总容量在250～600MW范围内的发电厂；
④大容量发电厂，其装机总容量在600～1000MW范围内的发电厂；
⑤特大容量发电厂，其装机容量在1000MW及以上的发电厂。
（5）按蒸汽压力和温度分类：①中低压发电厂，其蒸汽压力在3.92MPa（40kgf／cm2）、温度为450℃的发电厂，单机功率小于25MW；地方热电厂。
②高压发电厂，其蒸汽压力一般为9.9MPa（101kgf／cm2）、温度为540℃的发电厂，单机功率小于100MW；
③超高压发电厂，其蒸汽压力一般为13.83MPa（141kgf／cm2）、温度为540／540℃的发电厂，单机功率小于200MW；
④亚临界压力发电厂，其蒸汽压力一般为16.77MPa（171 kgf／cm2）、温度为540／540℃的发电厂，单机功率为30OMW直至1O00MW不等；
⑤超临界压力发电厂，其蒸汽压力大于22.llMPa（225.6kgf／cm2）、温度为550／550℃的发电厂，机组功率为600MW及以上，德国的施瓦茨电厂。
（6）按供电范围分类：①区域性发电厂，在电网内运行，承担一定区域性供电的大中型发电厂；
②孤立发电厂，是不并入电网内，单独运行的发电厂；
③自备发电厂，由大型企业自己建造，主要供本单位用电的发电厂（一般也与电网相连）。
2、火电厂的生产流程及特点
火电厂的种类虽很多，但从能量转换的观点分析，其生产过程却是基本相同的，概括地说是把燃料（煤）中含有的化学能转变为电能的过程。整个生产过程可分为三个阶段：
① 燃料的化学能在锅炉中转变为热能，加热锅炉中的水使之变为蒸汽，称为燃烧系统；
② 锅炉产生的蒸汽进入汽轮机，推动汽轮机旋转，将热能转变为机械能，称为汽水系统；
③ 由汽轮机旋转的机械能带动发电机发电，把机械能变为电能，称为电气系统。
其基本生产流程为：
燃料燃烧的热能
锅炉
高温高压水蒸汽
汽轮机
机械能
发电机
电能
变压器
电力系统的热能

整个电能生产过程如图1
与水电厂和其他类型的电厂相比，火电厂有如下特点：

凝汽式火电厂生产过程示意图
（1）火电厂布局灵活，装机容量的大小可按需要决定。
（2）火电厂建造工期短，一般为水电厂的一半甚至更短。一次性建造投资少，仅为水电厂的一半左右。
（3）火电厂耗煤量大，目前发电用煤约占全国煤碳总产量的25％左右，加上运煤费用和大量用水，其生产成本比水力发电要高出3～4倍。
（4）火电厂动力设备繁多，发电机组控制操作复杂，厂用电量和运行人员都多于水电厂，运行费用高。
（5）汽轮机开、停机过程时间长，耗资大，不宜作为调峰电源用。
（6）火电厂对空气和环境的污染大。
第二部分 三大系统简介
一、燃烧系统
燃烧系统由输煤、磨煤、燃烧、风烟、灰渣等环节组成，其流程如图2所示。
（l）运煤。电厂的用煤量是很大的，一座装机容量4×3O万kW的现代火力发电厂，煤耗率按36Og／kw.h计，每天需用标准煤（每千克煤产生70O0卡热量）360（g）×120万（kw）×24（h）=10368t。因为电厂燃煤多用劣质煤，且中、小汽轮发电机组的煤耗率在40O~5O0g／kw·h左右，所以用煤量会更大。据统计，我国用于发电的煤约占总产量的1／4，主要靠铁路运输，约占铁路全部运输量的4O％。为保证电厂安全生产，一般要求电厂贮备
十天以上的用煤量。
（2）磨煤。用火车或汽车、轮船等将煤运至电厂的储煤场后，经初步筛选处理，用输煤皮带送到锅炉间的原煤仓。煤从原煤仓落入煤斗，由给煤机送入磨煤机磨成煤粉，并经空气预热器来的一次风烘干并带至粗粉分离器。在粉粉分离器中将不合格的粗粉分离返回磨煤机再行磨制，合格的细煤粉被一次风带入旋风分离器，使煤粉与空气分离后进入煤粉仓。
（3）锅炉与燃烧。煤粉由可调节的给粉机按锅炉需要送入一次风管，同时由旋风分离器送来的气体（含有约10％左右未能分离出的细煤粉），由排粉风机提高压头后作为一次风将进入一次风管的煤粉经喷燃器喷入炉膛内燃烧。

电厂煤粉炉燃烧系统流程图
目前我国新建电厂以300MW及以上机组为主。300MW机组的锅炉蒸发量为10O0t／h（亚临界压力），采用强制循环（或自然循环）的汽包炉；600MW机组的锅炉为200Ot／h的（汽包）直流锅炉。在锅炉的四壁上，均匀分布着4支或8支喷燃器，将煤粉（或燃油、天然气）喷入炉膛，火焰呈旋转状燃烧上升，又称为悬浮燃烧炉。在炉的顶端，有贮水、贮汽的汽包，内有汽水分离装置，炉膛内壁有彼此紧密排列的水冷壁管，炉膛内的高温火焰将水冷壁管内的水加热成汽水混合物上升进入汽包，而炉外下降管则将汽包中的低温水靠自重下降至下连箱与炉
内水冷壁管接通，靠炉外冷水下降而炉内水冷壁管中热水自然上升的锅炉叫自然循环汽包炉，而当压力高到16.66~17.64MPa时，水、汽重度差变小，必须在循环回路中加装循环泵，即称为强制循环锅炉。当压力超过18．62MPa时，应采用直流锅炉。
（4）风烟系统。送风机将冷风送到空气预热器加热，加热后的气体一部分经磨煤机、排粉风机进人炉膛，另一部分经喷燃器外侧套筒直接进入炉膛。炉膛内燃烧形成的高温烟气，沿烟道经过热器、省煤器、空气预热器逐渐降温，再经除尘器除去90％～99％（电除尘器可除去99％）的灰尘，经引风机送入烟囱，排向天空。
（5）灰渣系统。炉膛内煤粉燃烧后生成的小灰粒，被除尘器收集成细灰排入冲灰沟，燃烧中因结焦形成的大块炉渣，下落到锅炉底部的渣斗内，经过碎渣机破碎后也排入冲灰沟，再经灰渣水泵将细灰和碎炉渣经冲灰管道排往灰场（或用汽车将炉渣运走）。
二、汽水系统
火电厂的汽水系统由锅炉、汽轮机、凝汽器、除氧器、加热器等设备及管道构成，包括凝给水系统、再热系统、回热系统、冷却水（循环水）系统和补水系统，如图3所示。
（1）给水系统。由锅炉产生的过热蒸汽沿主蒸汽管道进入汽轮机，高速流动的蒸汽冲动汽轮机叶片转动，带动发电机旋转产生电能。在汽轮机内作功后的蒸汽，其温度和压力大大降低，最后排入凝汽器并被冷却水冷却凝结成水（称为凝结水），汇集在凝汽器的热水井中。凝结水由凝结水泵打至低压加热器中加热，再经除氧器除氧并继续加热。由除氧器出来的水（叫锅炉给水），经给水泵升压和高压加热器加热，最后送人锅炉汽包。在现代大型机组中，一般都从汽轮机的某些中间级抽出作过功的部分蒸汽（称为抽汽），用以加热给水（叫做给水回热循环），或把作过一段功的蒸汽从汽轮机某一中间级全部抽出，送到锅炉的再热器中加热后再引入汽轮机的以后几级中继续做功（叫做再热循环）。
（2）补水系统。在汽水循环过程中总难免有汽、水泄漏等损失，为维持汽水循环的正常进行，必须不断地向系统补充经过化学处理的软化水，这些补给水一般补入除氧器或凝汽器中，即是补水系统。
（3）冷却水（循环水）系统。为了将汽轮机中作功后排入凝汽器中的乏汽冷凝成水，需由循环水泵从凉水塔抽取大量的冷却水送入凝汽器，冷却水吸收乏汽的热量后再回到凉水塔冷却，冷却水是循环使用的。这就是冷却水或循环水系统。

电厂汽水系统流程示意图
三、电气系统
发电厂的电气系统，包括发电机、励磁装置、厂用电系统和升压变电所等，如图4所示。
发电机的机端电压和电流随着容量的不同而各不相同，一般额定电压在10~20kV之间，而额定电流可达2OkA。发电机发出的电能，其中一小部分（约占发电机容量的4％～8％），由厂用变压器降低电压（一般为63kV和400V两个电压等级）后，经厂用配电装置由电缆供给水泵、送风机、磨煤机等各种辅机和电厂照明等设备用电，称为厂用电（或自用电）。其余大部分电能，由主变压器升压后，经高压配电装置、输电线路送入电网。

发电厂电气系统示意图
第三部分 电厂主要设备介绍
l 锅炉
锅炉是火力发电厂中主要设备之一。它的作用是使燃料在炉膛中燃烧放热，并将热量传给工质，以产生一定压力和温度的蒸汽，供汽轮发电机组发电。电厂锅炉与其他行业所用锅炉相比，具有容量大、参数高、结构复杂、自动化程度高等特点。
一、电厂锅炉的容量和参数
锅炉容量即锅炉的蒸发量，指锅炉每小时所产生的蒸汽量。在保持额定蒸汽压力、额定蒸汽温度、使用设计燃料和规定的热效率情况下，锅炉所能达到的蒸发量称作额定蒸发量。
电厂锅炉的额定参数是指额定蒸汽压力和额定蒸汽温度。所谓蒸汽压力和温度是指过热器主汽阀出口处的过热蒸汽压力和温度。
对于装有再热器的锅炉，锅炉蒸汽参数还应包括再热蒸汽参数。
我国电厂锅炉的蒸汽参数及容量系列如下表所示。
我国电厂锅炉的蒸汽参数及容量系列

参数
最大连续蒸发量（MCR）
（t/h）
发电功率
（MW）
蒸汽压力
（Mpa）
蒸汽温度（℃）
给水温度
（℃）
2.5
400
105
20
3
3.9
450
145~155
35，65
6，12
165~175
130
25
9.9
540
205~225
220，410
50，100
13.8
540/540
220~250
420，670
125，200
16.8
540/540
250~280
1025
300
17.5
540/540
260~290
1025，2008
300，600
注蒸汽温度栏中的分子、分母分别为过热蒸汽温度和再热蒸汽温度。
二、电厂锅炉的分类
1．按蒸汽参数分类
（1）中压锅炉。压力为3.822MPa（39kgf／cm2），温度为450℃。
(2)高压锅炉。压力为6～10MPa，常用压力为9.8MPa（100kgf／cm2），温度为540℃。
（3）超高压锅炉。压力为10～14MPa，常用压力为13.72MPa（14O kgf／cm2），温度为555℃或540℃。
（4）亚临界压力锅炉。压力为 14～22.2MPa，常用压力为16.66MPa（170 kgf／cm2），温度为 555℃。
（5）超临界压力锅炉。压力大于22.2MPa（225.65 kgf／cm2），温度为 550～570℃。
2、按容量分类
小型锅炉蒸发量小于220t／h。
中型锅炉蒸发量为 22O～410t／h。
大型锅炉蒸发量不小于670t／h。
3．按燃烧方式分类
（l）悬浮燃烧锅炉。燃料在炉膛空间悬浮燃烧，燃烧可为煤粉、油或气体燃料。
（2）沸腾燃烧锅炉。固体燃料颗粒在炉排上呈沸腾状态进行燃烧，又称流化床锅炉。
4按排渣方式分类
固态排渣锅炉。燃料燃烧生成的灰渣呈固态排出。
液态排渣锅炉。燃料燃烧生成的灰渣呈液态排出。
5按循环方式分类
按照锅炉蒸发受热面内工质流动的方式可将锅炉分为下列几种，如图所示。
（1） 自然循环锅炉，是具有由汽包、下降管和上升管组成的循环回路的锅炉。它依靠下降管和上升管中工质柱重差产生自然循环的动力。（邹县电厂）
（2）强制循环锅炉，是在循环回路下降管上装有强制循环泵，以提高循环动力。（石横电厂）
（3）控制循环锅炉，是在强制循环锅炉的上升管入口加装节流圈，以控制各上升管中的工质流，防止发生循环停滞或倒流等故障。（石横电厂）
（4）直流锅炉是没有循环回路的锅炉，工质一次性通过各受热面变为过热蒸汽。（施瓦茨电厂）

锅炉蒸发受热面内工质流动的几种类型
（a）自然循环锅炉；(b)强制循环锅炉；(c)控制循环锅炉(d) 直流锅炉
1-给水泵，2-省煤器，3-汽包，4-下降管，5-联箱，6-蒸发受热面，7-过热器，8-循环泵，9-节流圈

（5）复合循环锅炉，它具有循环回路和再循环泵，同时具有切换阀门，低负荷时按再循环方式运行，高负荷时切换为直流方式运行，如图所示。也可在全部负荷下以较低的循环倍率进行循环，这种锅炉称作低倍率循环锅炉，如图所示。
目前，大型火力发电厂的锅炉多为亚临界压力以上的大型煤粉锅炉。

复合循环锅炉
（a）全负荷复合循环锅炉；比）部分负荷复合循环锅炉
1一来自给水泵；2一省煤器；3一汽水分离器；4一混合器；5一蒸发受热面；
6一循环泵；7一控制阀；8-节流圈；9-去过热器
三、锅炉机组基本工作过程
各种锅炉的工作都是为了通过燃料燃烧放热和高温烟气与受热面的传热来加热给水，最终使水变为具有一定参数的品质合格的过热蒸汽。水在锅炉中要经过预热、蒸发、过热三个阶段才能变为过热蒸汽。实际上，为了提高蒸汽动力循环的效率，还有第四个阶段，即再过热阶段，即将在汽轮机高压缸膨胀做功后压力和温度都降低了的蒸汽送回锅炉中加热，然后再送到汽轮机低压缸继续做功。为适应这四个变化阶段的需要，锅炉中必须布置相应的受热面，即省煤器、水冷壁、过热器和再热器。过热器和再热器布置在水平烟道和尾部烟道上部，省煤器布置在尾部烟道下部。为了利用烟气余热加热燃烧所需要的空气，常在省煤器后再布置空气预热器。大型锅炉有的在炉膛中增设预热受热面或过热、再热受热面。
锅炉机组的基本工作过程是：燃料经制粉系统磨制成粉，送入炉膛中燃烧，使燃料的化学能转变为烟气的热能。高温烟气由炉膛经水平烟道进入尾部烟道，最后从锅炉中排出。锅炉排烟再经过烟气净化系统变为干净的烟气，由风机送入烟囱排入大气中。烟气在锅炉内流动的过程中，将热量以不同的方式传给各种受热面。例如，在炉膛中以辐射方式将热量传给水冷壁，在炉膛烟气出口处以半辐射、半对流方式将热量传给屏式过热器，在水平
烟道和尾部烟道以对流方式传给过热器、再热器、省煤气和空气预热器。于是，锅炉给水便经过省煤器、水冷壁、过热器变成过热蒸汽，并把汽轮机高压缸做功后抽回的蒸汽变成再热蒸汽。
四、锅炉经济技术指标
锅炉的经济技术指标一般用锅炉热效率、钢材消耗率和可靠性来表示。
锅炉热效率是指送人锅炉的全部热量被有效利用的百分数。电厂锅炉热效率一般在90%以上。
钢材消耗率是指锅炉单位蒸发量所用的钢材重量，单位为t·t／h，一般在2.5～5t·t／h范围内。
锅炉可靠性用连续运行时数、事故率和可用率来评价。
连续运行时数是指两次检修之间的运行时数。
事故率 =
运行总时数＋事故停用小时数
事故停用小时数
可用率 =
统计时间总时数
运行总时数＋事故停用小时数
100%
100%

目前，国内电厂锅炉连续运行时数可达400Oh以上，事故率为1％左右，可用率可达90％。
l 汽机
汽轮机是火力发电厂三大主要设备之一。它是以蒸汽为工质，将热能转变为机械能的高速旋转式原动机。它为发电机的能量转换提供机械能。
一、汽轮机的工作原理
由锅炉来的蒸汽通过汽轮机时，分别在喷嘴（静叶片）和动叶片中进行能量转换。根据蒸汽在动、静叶片中做功原理不同，汽轮机可分为冲动式和反动式两种。
冲动式汽轮机工作原理如图所示。具有一定压力和温度的蒸汽首先在固定不动的喷嘴中膨胀加速，使蒸汽压力和温度降低，部分热能变为动能。从喷嘴喷出的高速汽流以一定的方向进入装在叶轮上的动叶片流道，在动叶片流道中改变速度，产生作用力，推动叶轮和轴转动，使蒸汽的动能转变为轴的机械能。
在反动式汽轮机中，蒸汽流过喷嘴和动叶片时，蒸汽不仅在喷嘴中膨胀加速，而且在动叶片中也要继续膨
胀，使蒸汽在动叶片流道中的流速提高。当由动叶片流道出口喷出时，蒸汽便给动叶片一个反动力。动叶片同时受到喷嘴出口汽流的冲动力和自身出口汽流的反动力。在这两个力的作用下，动叶片带动叶轮和轮高速旋转，这就是反动式汽轮机的工作原理。

冲动式汽轮机工作原理
l一大轴；2一叶轮；3一动叶片；4一喷嘴

二、汽轮机设备的组成
汽轮机设备包括汽轮机本体、调速保护及油系统、辅助设备和热力系统等。
1．汽轮机本体
汽轮机本体由静止和转动两大部分构成。前者又称“静子”，包括汽缸、隔板、喷嘴、汽封和轴承等部件；后者又称“转子”，包括轴、叶轮和动叶片等部件。
2．调速保护及油系统
汽轮机的调速保护及油系统包括调速器、油泵、调速传动机构、调速汽门、安全保护装置和冷油器等部件。
3．辅助设备
汽轮机的辅助设备有凝汽器、抽汽器、除氧器、加热器和凝结水泵等。
4热力系统
汽轮机的热力系统包括主蒸汽系统、给水除氧系统、抽汽回热系统和凝汽系统等。
三、汽轮机的分类
1．按工作原理分类
如前所述，按工作原理不同，汽轮机可分为冲动式和反动式两种。
2按热力过程特性分类
按照热力过程特性的不同，汽轮机可分为下面四种：
（1）凝汽式汽轮机。其特点是在汽轮机中做功后的排汽，在低于大气压力的真空状态下进入凝汽器凝结成水。
（2）背压式汽轮机。其特点是在排汽压力高于大气压力的情况下，将排汽供给热用户。
（3）中间再热式汽轮机。其特点是在汽轮机高压部分做功后蒸汽全部抽出，送到锅炉再热器中加热，然后回到汽轮机中压部分继续做功。
（4）调整抽汽式汽轮机。其特点是从汽轮机的某级抽出部分具有一定压力的蒸汽供热用户使用，排汽仍进入凝汽器。
3．按主蒸汽参数分类
进人汽轮机的蒸汽参数是指蒸汽压力和温度。按不同压力等级可分为：
（1）低压汽轮机。主蒸汽压力小于1.47MPa；
（2）中压汽轮机。主蒸汽压力为 l.96～3.92MPa；
（3）高压汽轮机。主蒸汽压力为 5.88～9.8MPa；
（4）超高压汽轮机。主蒸汽压力为11.77～13.93MPa；
（5）亚临界压力汽轮机。主蒸汽压力为15.69～17.65MPa；
（6）超临界压力汽轮机。主蒸汽压力大于22.15MPa；
此外，按用途分类有电厂汽轮机、工业汽轮机、船用汽轮机；按汽流方向分类有轴流式、辐流式、周流式汽轮机；按汽缸数目分类有单缸、双缸和多缸汽轮机；按机组转轴数目分类有单铀和双轴汽轮机等。
四、汽轮机的型号
国产汽轮机的型号采用三组符号加数字来表示。

变型设计次序
蒸汽参数
额定功率（MW）
型式

第一组用汉语拼音字母及数字来表示。汉语拼音字母表示汽轮机型式，其后的数字表示汽轮机的额定功率，单位为MW。第二组表示蒸汽参数。第三组数字表示设计的先后次序。
汽轮机型号中蒸汽参数表示法
型式
参数表示方法
示例
凝汽式
主蒸汽压力/主蒸汽温度
N100-8.83/535
中间再热式
主蒸汽压力/主蒸汽温度/中间再热温度
N300-16.7/538/538
抽汽式
主蒸汽压力/高压抽汽压力/低压抽汽压力
C50-8.83/0.98/0.118
背压式
主蒸汽压力/背压
B50-8.83/0.98
抽汽背压式
主蒸汽压力/抽汽压力/背压
CB25-8.83/0.98/0.118
注 功率单位为MW；压力单位为MPa；温度单位为℃。
例如 N300－16.7／537／537－2型汽轮机，表示额定功率为300MW，额定进汽压力为16.7MPa，额定主蒸汽温度为537℃，额定再热蒸汽温度为537℃，是中间再热凝汽式汽轮机，属第二次变型设计。
五、汽轮机的经济和安全指标
l。汽轮机运行的经济指标
（1）循环热效率。汽轮机设备的循环热效率是在理想条件下1kg蒸汽在汽轮机内转换机械功的热量与锅炉送出蒸汽热量之比。目前大功率汽轮机的循环热效率已达40％以上。
（2）汽轮机内效率。汽轮机相对内效率是蒸汽在汽轮机内的有效比焓降与等嫡比焓降之比，它是评价汽轮机结构先进程度的一个重要指标。
（3）汽耗率。汽耗率是汽轮发电机组每生产1kw·h电所需要的蒸汽量，一般为3.O～3.2kg／（kw·h）。
（4）热耗率。热耗率是汽轮发电机组每生产Ikw·h电所消耗的热量。一般为8000kJ/（kw·h）左右。
2．汽轮机运行的安全指标
（1）可用率。机组的可用率是指在统计期间，机组运行累计小时数及备用停机小时数之和与统计期间日历小时数的百分比。
（2）等效可用率。等效可用率为考虑到降低出力影响的可用率，即
等效可用率 =
统计期间小时数
运行累计小时数＋备用小时数－等效小时数
100%

上式中等效小时数为机组运行中降低出力小时数折算成机组全停的小时数。
（3）强迫停机率。强迫停机率是指在统计期间机组的强迫停运小时数与统计期间小时数的百分比。
（4）等效强迫停机率。等效强迫停机率为考虑到降低出力影响的强迫停机率，即

等效强迫停机率=
强迫停运小时数＋运行累计小时数＋l、2、3类等效非计划降低出力备用停机小时数
强迫停机率＋1、2、3类等效非计划降低出力小时数之和
100%

l 发电机
发电机是电厂的主要设备之一，它同锅炉和汽轮机会称为火力发电厂的三大主机。目前，在电力系统中，几乎所有的发电机：汽轮发电机、水轮发电机、核发电机、燃汽轮发电机及太阳能发电机等都属同步发电机。尽管其容量大小、原动机类型、构造形式、冷却方式等各有差异，但其工作原理是相同的。
一、同步发电机的基本构造和工作原理
同步发电机是利用电磁感应原理将机械能转换成电能的设备，其工作原理如图所示。由图可见，同步发电机可分为定子和转子两大部分，定子部分主要由定子铁芯和绕组组成，分为A、B、C三相，均匀的分布在定于槽中；转子部分由转子铁芯和绕组组成，绕组通以直流电，建立发电机的磁场。当转子由原动机（如汽轮机）带动旋转时，产生一旋转磁场，定子绕组（导线）切割了转子磁场的磁力线，就在定子绕组上感应出电动势，当定于绕组接通用电设备时，定于绕组中即产生三相电流，发出电能。

同步发电机的工作原理
二、同步发电视的为类
同步发电机因用途不同，结构也相差甚大，一般可按其原动机的类别、本体结构特点、安装方式等进行分类。
（1）按原动机的类别不同，同步发电机可分为汽轮发电机、水轮发电机、燃汽轮发电机及柴油发电机等。
（2）按冷却介质的不同，可分为空气冷却、氢气冷却和水冷却等。
（3）按主轴安装方式不同，可分为卧式安装和立式安装等。
（4）按本体结构不同，可分为隐极式和凸板式、旋转电枢式和旋转磁极式等。
同步发电机的结构，主要是由原动机的特性决定的。如汽轮发电机，由于转速高达3000r／min，故极对数少，转子采用隐极式，卧式安装；水轮发电机由于转速低（一般在500r／min以下）故其极对数多，转子采用凸极式，立式安装。
三、同步发电机的主要技术数据
为使发电机按设计技术条件运行，一般在发电机出厂时都在铭牌上标注出额定参数，并在说明书中加以说明。这些额定参数主要有：
（1）额定容量（或额定功率）。额定容量是指发电机在设计技术条件下运行输出的视在功率，用kVA或MVA表示；额定功率是指发电机输出的有功功率，用kw或MW表示。
（2）额定定子电压是指发电机在设计技术条件下运行时，定子绕组出线端的线电压，用kV表示。我国生产的300MW和600MW发电机组额定定子电压均为20kV
（3）额定定子电流 指发电机定子绕组出线的额定线电流，单位为A。
（4）额定功率因数（COSφ指发电机在额定功率下运行时，定于电压和定子电流之间允许的相角差的余弦值。300MW机组的额定功率因数为0.85，600MW机组的额定功率因数为0.9。
（5）额定转速。指正常运行时发电机的转速，用 r／min（每分钟转数）表示。我国生产的汽轮发电机转速均为3O00r／min。
（6）额定频率。我国电网的额定频率为50HZ（即每秒50周）。
（7）额定励磁电流。指发电机在额定出力时，转子绕组通过的励磁电流，用A或kA表示。
（8）额定励磁电压。指发电机励磁电流达到额定值时，额定出力运行在稳定温度时的励磁电压。
（9）额定温度。指发电机在额定功率运转时的最高允许温度（℃）。
（10）效率。指发电机输出与输入能量之百分比，一般额定效率在93％～98％之间，300MW和600MW大型机组在98％以上。
我国生产的300MW汽轮发电机主要参数如表所示。
生产厂
上海电机厂
东方电机厂
哈尔滨电机厂
型号
QFSN-300-2型
QFSN-300-20型
QFSN-300-2型
额定功率（MW）
300
300
300
额定定子电压（kV）
20
20
20
额定定子电流（A）
10190
10190
10190
额定功率因数
0.85
0.85
0.85
额定转速（r／min）
3000
3000
3000
额定氢压（Mpa）
0.31
0.3
0.3
额定励磁电流/电压（A/V）
2510/302
2203/426
2642/365
绝缘等级
B
F/B
B（F）/B（F）
励磁系统
三相同轴交流，静止SCR
三相同轴交流，静止SCR
三相同轴交流，静止SCR
冷却方式
水氢氢
水氢氢
水氢氢
效率（％）
98.8
≥98.8
98.8
短路比
＞0.5
0.556
0.656
注：型号中Q-汽轮机；F-发电机；S-定子为水内冷；N-转子为氢内冷；300 -功率为300MW；2-2极；20-额定电压为20kV。
我国上海汽轮发电机厂设计的QFSN-600-2型600MW水氢氢（转子采用氢内冷，定子铁芯采用氢表冷，定子绕组采用水内冷，即简称水氢氢冷却方式）汽轮发电机的主要技术参数为
额定功率 600MW 额定电压：20KV；
额定定子电流 19245A； 额定功率因数 O． 9；
额定转速 3000r／min；额定氢压 0.4MPa；
额定励磁电流／电压 3820A/417V； 效率98.94％；
短路比 0.54；冷却方式 水氢氢。
四、汽轮发电机的励磁系统
发电机要发出电来，除了需要原动机带动其旋转外，还需给转子绕组输人直流电流（称为励磁电流），建立旋转磁场。供给励磁电流的电路，称为励磁系统，包括励磁机、励磁调节器及控制装置等。
励磁系统由两个基本部分组成，即励磁功率单元和励磁调节器。励磁功率单元，包括交流电源及整流装置，它向发电机的励磁绕组提供直流励磁电流；励磁调节器（AVR）是根据发电机发出的电流、电压情况，自动调节励磁功率单元的励磁电流的大小，以满足系统运行的需要。
励磁控制系统指励磁系统及其控制对象——发电机共同组成的闭环反馈控制系统。励磁控制系统原理框图如
下所示。
交流励磁电源
励磁调节器
功率整流装置
发电机
励磁功率单元
励磁调节器
磁场绕组

励磁控制系统原理框图

（一）励磁系统的主要功能
励磁系统的作用不仅是在发电机中建立旋转磁场，而且还对发电机及电网的安全、经济运行起着重要作用。励磁系统的主要功能是：
（1）在正常运行情况下，供给发电机励磁电流，并根据发电机所带负荷的变化，自动调整励磁电流的大小，以维持发电机的机端电压在给定值（额定电压值）。
（2）当发电机并列运行时，使各发电机组所带的无功功率稳定并实现合理分配。
（3）在电力系统发生短路故障、发电机端电压严重下降时，能对发电机强行励磁，使励磁电压迅速增升到顶值（300MW和 600MW发电机强励顶值电压为额定值的2倍），以提高电力系统的暂态稳定性；短路故障切除后，使电压迅速恢复正常。
（4）当发电机突然甩负荷时，能进行强行减磁，将励磁电流迅速降到安全数值，以防止发电机电压过分升高。
（5）当发电机内部发生短路故障（如定于绕组相间短路，转子绕组两点接地短路）跳闸时，能对发电机快速灭磁，将励磁电流减到零，以减小故障损坏程度。
（二）发电机励磁系统简介
发电机的励磁方式主要有三种：①直流励磁机励磁方式；②交流励磁机励磁方式，又分为静止整流器励磁方式（称有刷励磁）和旋转整流器励磁方式（称无刷励磁）；③静止励磁方式（如自共励励磁方式）。
1．直流励磁机励磁系统
60年代以前，汽轮发电机的励磁方式均采用同轴直流发电机作为励磁机，通过励磁调节器改变直流励磁机的励磁电流，来改变发电机转子绕组的励磁电压，以调节转子的励磁电流，达到调节发电机机端电压和输出无功功率的目的。目前100MW以下的汽轮发电机仍采用这种励磁方式。
随着机组容量的不断增大，直流励磁机励磁方式表现出了明显的缺陷，一是受换向器所限其制造容量不可能大；二是整流子、碳刷及滑环磨损，污染环境，运行维护麻烦；三是励磁调节速度慢，可靠性低，直流励磁机励磁方式已无法适应大容量汽轮发电机的需要。
2．交流励磁机静止整流器励磁系统
调节电路
发电机
50Hz
副励磁机
主励磁机
S
500 Hz
100 Hz
N
交流励磁机静止整流器励磁系统原理图
交流励磁机静止整流器励磁系统通常称为三机励磁方式。发电机、主励磁机和副励磁机三台交流同步发电机同轴旋转，励磁机不需换向器，而整流装置和励磁调节器是静止的，所以励磁容量不会受到限制。交流励磁机静止整流器励磁系统原理图如图所示。发电机的励磁电流由同轴的交流主励磁机经静止整流装置供给，主励磁机的励磁电流由同轴的中频副励磁机经可控整流装置供给。随着发电机运行参数的变化，励磁调节器AVR自动地改变主励磁机励磁回路中可控整流装置的控制角，以改变其励磁电流，从而改变主励磁机的输出电压，也就调节了发电机的励磁电流。

交流励磁机的频率一般采用100Hz，交流副励磁机多采用永磁式中频同步发电机，其频率一般为400～500Hz，以减少励磁绕组的电感及时间常数。这样，即简化了结构，又提高了副励磁机运行的可靠性。目前大型汽轮发电机的励磁系统多采用永磁式中频副励磁机。
整流柜采用三相桥式硅二极管整流电路，通常由两个或两个以上整流柜并联运行，并留有备用，因此整流装置运行是可靠的。
交流励磁机静止硅整流器励磁方式的励磁能源取自主轴功率，不受电力系统扰动的影响，工作稳定可靠。以大容量的静止硅整流器代替转动的换向整流，就解决了整流子和碳刷的运行维护问题。三机励磁方式目前在国产30OMW大容量汽轮发电机组上广为采用。
运行实践表明，三机励磁系统存在以下问题：
(1)旋转部件多，出故障的机率较高，而且修复时间较长，检修维护工作量大。
（2）由于机组轴系长，轴承座多，使轴振和瓦振值较高，对轴系稳定和机组的安全运行不利。
3．交流励磁机旋转硅整流器励磁系统
交流励磁机旋转硅整流器励磁系统与静止硅整流器励磁系统的主要区别，是整流装置是否与轴同转。整流装置与交流主励磁机及发电机同轴旋转时，三者相对静止，所以可直接相连而无需滑环、碳刷，因此又称为无刷励磁系统，如图所示。目前工程中采用的均是旋转二极管形的，旋转可控硅型尚处于试验阶段。

（a）旋转二极管励孩系统；（b）旋转可控硅励磁系统
在无刷旋转二极管励磁系统中，主励磁机一般采用100Hz交流励磁机，其10OHz电流经整流后直接送入发电机转子绕组。因省去了滑环和碳刷，使励磁系统结构简单、便于维护、可靠性高，这对大容量的汽轮发电机组是适用的，但同时也带来两个新问题：一是不能用常规方法直接测量转子电流、温度和对地绝缘，而必须采用其他方法；二是无法在发电机励磁回路装设灭磁开关，而只能装于交流励磁机励磁回路，使灭磁时间延长（20s），好在这些问题已用其他方法得到解决。目前，美国西屋公司、日本三菱公司、德国西门子公司和法国阿尔斯通公司生产的汽轮发电机多采用无刷励磁系统，而且已用于12OOMW的汽轮发电机。我国近年来引进了西屋公司无刷励磁技术，已在300MW及6OOMW大型汽轮发电机组上应用。
4．自并励励磁（静止励磁）系统
自并励励磁系统，其励磁电源由发电机自身供给，整个励磁装置没有转动部分，因此又称为静止励磁系统或全静态励磁系统。如图所示为自并励励磁系统的原理图。用一只接在机端的励磁变压器取得励磁电源，通过受励磁调节器控制的可控硅整流装置，直接控制发电机的励磁，这种励磁方式比前述几种都简单，因此又称简单自励方式。

自并励励磁系统原理图
自并励励磁系统具有下列优点：
（l）运行可靠。由于没有旋转部件，设备接线简单，减少了事故的机率。据统计，自并励励磁系统的强迫停机率仅为交流励磁机励磁系统的1／3，平均修复时间仅为交流励磁机励磁系统的1／4。大大提高了运行的可靠性。

（2）改善了发电机轴系的稳定性。自并励励磁系统使30OMW机组的输系长度减少了约3m，因无励磁机，轴承座也减少，所以提高了轴系的稳定性，从而提高了机组的安全运行水平。
（3）提高了电力系统的稳定水平。自并励励磁系统响应速度快，调压性能好，短路后机端电压恢复快。由于配置了电力系统稳定器（PSS），对小干扰的稳定水平较交流励磁机系统有明显提高。
（4）经济性好，可降低投资。由于该系统设备简单，轴系长度又有缩短，降低了设备和厂房基础投资；加之调整维护简单，故障修复时间短，可提高发电的效益。
自并励励磁系统存在的问题是：当发电机近端发生三相短路而切除时间又较长时，不能及时提供足够的强行励磁；另外，接于地区网络的发电机，由于短路电流衰减快，继电保护配合较复杂。
目前，在大型汽轮发电机上采用自并励励磁方式已成发展方向。
五、发电机的运行与控制
（一）发电机的起动
发电机由停机状态（检