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特大型水輪發電機冷卻方式研究

 特大型水輪發電機,其冷卻方式的選擇對發電機長期安全可靠運行和電機的使用壽命有著重要的影響目前,國內外較大容量機組常用的冷卻方式有全空冷,半水冷和蒸發冷卻方式3種,空調冷卻方式是極少使用的、尚處在控研階段的一種冷卻方式。隨著大型水壩和發電機制造業新技術的發展,水輪機的單機容量正向巨型邁進,目前已超過800MW,呈現出進一步增長的趨勢,進入特大型巨型機的行列,采用傳統的空氣冷卻方式已不能滿足電機散熱的要求。

  1 水輪發電機組幾種常用的冷卻方式

  1.1 全空冷方式

  水輪發電機所采用的傳統冷卻方式一般都是空冷。

  發電機的額定容量可由下式計算:

  

  式中Sn為額定容量,kVA;K為常數,對于大容量的水輪發電機,K取1.35×10-12;As為定子線負荷,A/cm;Bδ為空載氣隙磁通密度,Gs;Di為定子內徑,cm;li為定子鐵芯有效長度,cm;nN為轉子額定轉速,r/min。

  對應于飛逸轉速nr時的發電機轉子圓周速度為:

  

  式中kr為飛逸系數,kr=nf/nN;nf為轉子飛逸轉速,r/min。

  從容量計算式可以看出,空冷水輪發電機的極限容量由電磁負荷、材料強度和定子鐵芯長度決定。Bδ值受鐵芯材料飽和的限制不宜高于8000Gs。線負荷As的取值與采用的絕緣等級以及冷卻方式有關。對于空冷效果較好的大容量水輪發電機,定子線圈采用F級絕緣,A的取值可為800A/cm。疊片磁軛的最大圓周速度可取到170m/s。對于在水電站進行機座裝焊、定子鐵芯整圓疊裝和下線的水輪發電機,lt理論上適宜的最大值取為4m。在以上各量的極限取值下,空冷輪發電機的極限容量由下式計算:

  

  空冷水輪發電機的極限容量也可由下列近似公式表述:

  

  當額定轉速、飛逸轉速確定后,空冷電機的極限容量也就確定了。當空冷電機的單機容量不能滿足要求時,為了提高電機容量便選擇更有效的其他冷卻方式

  電機的發熱狀況通常用每極容量來表征。我國現已運行的每極容量最大的大型全空冷機組為:每極容量14.57MVA的二灘電站等機組,目前正在設計制造的為每極容量達19.445MVA的小灣電站機組。除每極容量外,電機的發熱與溫升主要與槽電流、熱負荷及支路的匹配直接相關。全空冷水輪發電機有一個共同的特點,即槽電流通常需控制在5500-6700A,目前擴大到5500-7500A,個別最高值可達8000A。但熱負荷不宜突破3000A2/(mm2?cm)。電機的定子鐵芯長度對通風冷卻性能有較大的影響,對空冷發電機定子鐵芯長度也有一定的限制。定子鐵芯長度lt>3m時,定子鐵芯通風冷卻困難,對空冷式機組,鐵芯長度過長,鐵芯散熱條件差,溫度分布不均勻,容易產生局部過熱,不利于發電機長期穩定運行,制造時裝壓亦困難。目前單機容量超過500MW典型機組的定子鐵芯長度最大值是3.8m。當機組轉子外緣周速較高時,其轉子自身產生的冷卻風量已能夠滿足通風散熱的需要。因此,可以采用無風扇端部回風雙路徑向密閉自循環全空冷方式。在滿足發電機散熱需要的前提下,這種冷卻方式具有結構簡單、運行可靠、維護方便等優點,能有效地減少電廠的二次運行費用。

  空氣冷卻的特點是定子繞組絕緣內導體的發熱量必須經過絕緣外表向空氣散熱,或者再經過鐵芯傳導后向空氣散熱,這必然導致導體溫度升高。當機組立體性尺寸增大,繞組的高溫升還會引起定子鐵芯的熱度變形,以及過大的熱應力。電機起停過程中的冷熱循環造成繞組伸縮而使絕緣疲勞脫殼,以及與定子槽的相對滑動等,這已經成為大型發電機影響電機可靠性的重要問題。水輪發電機采用空氣冷卻存在著一些不利于運行可靠性的問題。空冷電機因為熱量及溫度分布不均勻,定子線棒溫度高,鐵芯與機座的熱應力大,所以硅鋼片可能引起拱曲,內膛產生非圓形;甩負荷時,轉子的應變增大,即直徑比正常運行時大,容易發生“掃膛”(即定轉子相撞)的事故。對于負荷變化大、頻繁起停的調峰機組,定子線棒在運行的過程中會發生熱變形,由于銅導體和外包絕緣的溫度熱膨脹系數不同而造成的疲勞,會引起絕緣脫殼及老化,產生內部電暈,破壞絕緣。

  1.2 定子繞組水內冷方式

  不完全統計,近30-40a,水冷為大型水輪發電機的主要冷卻方式。首先內冷技術的采用降低了繞組溫升,特別是能有效減小繞組線棒的溫差,使整個發電機定子繞組溫度分布均勻,延長了絕緣壽命;由于使用內冷方式,發電機定子繞組損耗的發散不再需要定子鐵芯負擔,定子鐵芯的溫升由其自身損耗產生,其溫升較之空冷方式有很大幅度的降低;內冷電機由于鐵芯與機座溫差相對較小,鐵芯熱應力較易控制;內冷技術的應用將大大減小導體與絕緣之間的熱應力,避免了絕緣脫殼和內部電暈;定子繞組內冷后,發電機的電磁負荷可提高,結構尺寸有一定程度的減小,特別是轉子重量的減小,可降低推力負荷和轉子機械應力。例如:當采用水內冷時,由于冷卻效果增強了,線負荷可提高到1200A/cm。氣隙磁密可取8000-9000Gs,其利用效率約為空冷發電機的1.5倍,極限容量約為空冷發電機的1.5-2倍。水內冷發電機槽電流的控制值約為10000A。

  水冷與空冷相比,在定子鐵芯內徑相同條件下,鐵芯高度前者為后者的2/3,重量為3/4,轉動慣量GD2約為70%,滿載時發電機效率大致相同,在部分負荷時,水冷發電機略高。

  由于空冷發電機定子繞組和鐵芯溫度高,隨著水輪發電機單機容量的增長,定子和轉子繞組的熱負荷不斷提高,大型和特大型發電機采用傳統的空氣冷卻方式,其散熱存在一定的問題。國外大型和特大型發電機多采用定子繞組水冷卻技術,據統計,全世界大于600MW水輪發電機中采用定子繞組水冷卻技術的占85%以上。水內冷技術的使用,改善了上述空冷機組存在的問題。降低了繞組溫升,特別是能有效減小繞組線棒的溫差,使整個發電機定子繞組溫度分布均勻,延長絕緣壽命;使用內冷方式,發電機定子鐵芯的溫升較之空冷方式有很大幅度的降低,因此內冷電機由于鐵芯與機座溫差相對較小,鐵芯熱應力較易控制;內冷技術的應用將大大減小導體與絕緣體之間的熱應力,避免約絕緣脫殼和內部電暈;定子繞組內冷后,發電機的電磁負荷可提高,結構尺寸有一定程度的減小,特別是轉子重量的減小,可降低推力負荷和轉子機械應力。但水內冷技術使用水作為循環冷卻介質,雖然具有內冷方式的各種優點,但卻存在著不可避免的弊端:除了需要在水電站安裝一套復雜的凈水系統外,還存在著線棒冷卻孔淤堵、接頭泄漏及水力鉆孔的致命弱點。

  據國際大電網會議組織調查,水冷的運行可靠性較空冷的低4%-5%,這是用戶難以接受水冷的關鍵[1]。由于水冷方案技術要求高,存在設備復雜、運行工作量大、可能發生故障等問題,故機組在空冷方案滿足要求的情況下,不宜采用水冷方案。

1.3 定子繞組蒸發冷卻方式

  大型水輪發電機的這下子繞組自循環蒸發冷卻技術在冷卻效果、安全性等方面與現有的空冷技術和水冷技術相比,有獨特之處,針對機組頻繁起停的特點,蒸發冷卻方式是一個選擇。蒸發冷卻是一項新型的電機冷卻技術。

  與水冷技術相比,蒸發冷卻機組的空心導線內部最高壓力為0.03MPa,大約相當于水冷機組的1/20。克服了冷卻水泄漏和結垢對安全運行造成的威脅,還可省掉造價高昂、占地較大、維護最大的純水處理系統,降低了成本,縮短了工期。由于采用了無泵自循環機理,簡化了運行維護程序,機組的可靠性得到提高。

  與空冷技術相比,線棒溫度分布均勻,繞組在滿負荷時溫度不超過65℃,溫升約相當于空冷機組允許溫升的1/4,絕緣壽命大大延長,在發電機負荷變化時,溫升基本不變,大大減少了由于溫差大而產生的定子和線棒的摩擦和變形[2]。

  蒸發冷卻是利用高絕緣、低沸點液體騰吸收汽化潛熱進行冷卻的一種自循環冷卻系統,其這下子繞組采用空心銅線和實心銅線組合,空心銅線用于冷卻介質(蒸發用介質)通過。當發電機運行時線棒內液態冷卻介質受熱而汽化,通過線棒上端集汽管,將汽化的冷卻介質進入冷凝器液化后又返回線棒下端集液管,液態的介質再次進入線棒內的空心銅線,并再進行新的循環,將電機內部的熱量帶走進行冷卻。

  蒸發冷卻水輪發電機自1983年第1臺云南大寨10MW發電機運行以來,相繼投運了52.5MW和大容量的400MW發電機,運行時間已接近20a,通過長期運行考驗,機組運行可靠,各項性能指標達到預期效果。

  蒸發冷卻過去采用氟里昂類物質CFC113作為冷卻介質,因為該種冷卻介質對大氣臭氧層有破壞作用,將被限制使用。為此,東方電機股份有限公司與中科院電工所從20世紀90年代初開始進行新介質的研究,經過篩選、分析實驗、性能測試和機組運行考核等,已確定將Fla、HFC-4310和HFCAR-3000作為今后蒸發冷卻系統使用的首選介質,該介質在性能上完全符合使用的要求,蒸發溫度適中、流動性好、傳熱能力強;其將,它屬氟碳氮化合物,不含氯元素,因而不會破壞大氣臭氧層,無毒、無刺激性、使用安全。Fla已在大寨10MW蒸發冷卻水輪發電機上得到應用,并獲得了良好的運行效果,但價格較貴。

  目前,蒸發冷卻技術在水輪發電機的應用實踐中只采用了半內冷方式,即發電機定子采用蒸發冷卻、其他部位采用空冷方式,本文所述的蒸發冷卻方式均指半內冷方式。

  2 幾種常用冷卻方式的優缺點

  大型水輪發電機每一種常見的冷卻方式都各有優缺點。空冷方式結構簡單,運行維護方便,但受轉速和容量的限制,且同容量體只龐大;水冷效率遠高于空冷且體積相應較小,但結構復雜,且運行維護工作量大;蒸發冷卻技術在大容量機組上的運用微乎其微,還存在一些沒有解決的問題,未形成完整的產業化、標準化、特別是兩相流問題的處理還缺乏準確性。

  大型水輪機常用冷卻方式的優缺點見表1。

  表1 大型水輪發電機常用冷卻方式優缺點

  

3 空調冷卻方式
  特大型水輪發電機繞組的工作壽命尤其令人關注。西門子公司委托加拿大多倫多大學進行的千次熱循環試驗證明,國外各名牌廠家的線棒均發生了脫殼現象。線棒與鐵芯縱向上的熱膨脹差別會造成絕緣與鐵芯接觸面磨損。發電機端部沿圓周通風及損耗分布不均,造成溫升差別大,從而導致端部故障頻繁。按照絕緣的8-10℃法則,溫度每升高8-10℃,絕緣的壽命就減半,因此特大型水輪發電機繞組冷卻發電機繞組冷卻方式的冷卻效果顯得極其重要。目前空調冷卻方式還處于研究階段,本文特此探研將空調冷卻方式作為特大型水輪發電冷卻方式的可能性。
  3.1 特點
  空調冷卻是從機外吸入新鮮空氣,經過專門的空調洗滌室噴霧水洗、降溫、去溫后進入發電機內,冷卻完后熱空氣經管道排出。其優點是:
  (1)水量消耗非常小,能量消耗也小。
  (2)由于發電機內熱空氣的混合,發電機中冷空氣從不出現完全飽和現象,故發電機內不會結露。
  (3)由于可控制較低的風機冷風溫度,發電機運行溫度穩定熱膨脹減少,大大緩解了熱變形的問題,絕緣壽命延長。
  (4)需要空氣量較少,通風損耗較少,效率提高。
  (5)結構簡單,比較經濟。
  空調冷卻方式的缺點是:金屬耗量大、較重[3]。這主要是指設置的金屬管路多,這一問題可通過將金屬管路轉換為工程塑料管路予以解決。
  3.2 冷卻效果計算
  本文推薦的空調冷卻方式是,不從機外吸氣,而是從機內吸入發電機冷卻后的熱風,經空冷風機處理后將冷風送至發電機上下風道進風區,這樣可保證機內的冷卻氣路為密閉循環,空氣也不必再進行干燥處理。
  基于700MW級水輪發電機通風模型試驗研究的結果[4];這一級容量的通風量為300m3/s較為合適,水輪發電機的散熱平衡公式為:
  Q發熱風-Q熱風出+Q冷風時=Q發冷風
  設水輪發電機通風熱風平均溫度為51.3℃,冷風平均溫度為30.5℃[4],下面分析了3種熱風置換量情況。
  (1)如果采用1/3的熱風置換量,空冷風機的額定通風量應為100m3/s。設8臺空冷風機,每臺空冷風機的額定出風量為12.5m3/s,最大出風量為14.4m3/s;設12臺空冷風機,每臺空冷風機的額定出風量為8.33m3/s,最大出風量為9.6m3/s。300m3/s×51.3℃-100m3/s×51.3℃+100m3/s×t℃=300m3/s×30.5℃,則進入發電機上、下風道進風區的空冷風機冷風溫度;t=-11.1℃。
  (2)如果采用2/3的熱風置換量,空冷風機的額定通風量應為200m3/s。設8臺空冷風機,每臺空冷風機的額定出風量為25m3/s,最大出風量為28.8m3/s;設12臺空冷風機,每臺空冷風機的額定出風量為16.67m3/s,最大出風量為19.2m3/s。300m3/s×51.3℃-200m3/s×51.3℃+200m3/s×t℃=300m3/s×30.5℃,則進入發電機上、下風道進風區的空冷風機冷風溫度;t=20.1℃。
  (3)如果采用3/3的熱風置換量,空冷風機的額定通風量應為300m3/s。設8臺空冷風機,每臺空冷風機的額定出風量為37.5m3/s,最大出風量為43.2m3/s;設12臺空冷風機,每臺空冷風機的額定出風量為25m3/s,最大出風量為28.8m3/s,則進入發電機上、下風道進風區的空冷風機冷風濕度;t=30.5℃。
  第2種方案較為合適。依目前我國冷風機制造水平,可制造出上述參數的空冷風機。其單機壓力在100Pa左右,功率為16-48kW。
  在確定合適的冷卻風速參數并完成結構設計后,需通過水輪發電機通風模型試驗獲取最佳風速,以達到經濟實效。
  3.3 冷風機設備布置
  圖1為以某600W水輪發電機組為例,在發電機機坑四周壁上布置空冷風機,保證機內的冷卻氣路為密閉循環。氣路的設計如下:分上、下兩冷風出口,由隔板將冷熱風道分開,冷風流對著繞組端部流過,保證繞組端部有良好的冷卻效果。
  
 
  圖1 某600W水輪發電機空冷風機冷卻方案布置(單位:mm)
  特大型水輪發電機其機坑直徑大,壁厚,利于布置空冷風機時避開發電機出線。
  4 空冷風機的運行

  空冷風機在各個季節中的轉速應有所不同,以適應機組負荷的需要。在春、秋季(約占全年時間的36%),空冷風機以中速運行,不僅節約廠用電,還能降低噪聲;在冬季(約占全年48%),空冷風機以低速運行,可更好地滿足節能、降低噪聲和防凍要求;在夏季(約占全年16%),空冷風機則以高速和滿速運行,以多發電、多帶負荷。采用變頻調速技術后則可實現上述要求,并可延長設備的使用壽命,實現風機的軟啟動、遠程控制和自動控制,特別適用于不允許空冷風機停機的場合。據資料,轉速降低10%,約可減少能耗30%。

為防止因長期運行后冷卻空氣泄露等原因而造成風量不足,在空冷風機上設置空氣過濾器,可隨時補充因泄露而減少的空氣。

  5 結語

  近幾年來,龍灘、小灣、構皮灘、瀑布溝、錦屏、拉西瓦、向家壩、溪洛渡等一批大型水電站相繼開工建設,其中有些項目的部分工程已投產發電;金沙江流域水電開發全面啟動,溪洛渡電站于2007年11月8日實現截流。截至2007年底,水電發電設備容量達1.45億kW,水輪機的單機容量隨之向巨型邁進,水電在國民經濟建設中將發揮越來越重要的作用。隨著水電建設步伐的加快,水輪發電機的質量、工作壽命令人關注,本文詳細分析了大型水輪發電機幾種常用的冷卻方式,針對其存在的不足和問題,探研了采用空冷風機的空調冷卻方式作為特大型水輪發電機的冷卻方式。作者認為空冷風機的空調冷卻方式經濟,能達到有效的冷卻效果。

  參考文獻:

  [1]阮琳大型發電冷卻方式的發展及特點電世界,2001,(6)

  [2]阮琳,顧國彪蒸發冷卻技術的發展進步及現存技術難點電世界,2001(7)

  [3]水電站機電設計手冊--水力機械篇北京;水利電力出版社,1983

  [4]安志華,劉雙等 700MW級水輪發電機通風模型試驗研究大電機技術,2006,(3)

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