阮琳，陳金秀，顧國(guó)彪

(中國(guó)科學(xué)院電工研究所，北京100190)

1000MW水輪發(fā)電機(jī)定子空冷和蒸發(fā)冷卻方式的對(duì)比分析

阮琳，陳金秀，顧國(guó)彪

(中國(guó)科學(xué)院電工研究所，北京100190)

白鶴灘水電站是金沙江下游水電開發(fā)的第二個(gè)梯級(jí)電站，計(jì)劃裝設(shè)14臺(tái)單機(jī)容量為1000MW的機(jī)組。目前全球范圍內(nèi)沒有該容量機(jī)組的設(shè)計(jì)、制造經(jīng)驗(yàn)，其中冷卻方式的選型是一個(gè)非常關(guān)鍵的問題。本文首先依據(jù)該機(jī)組的基本參數(shù)分別提出了定子空冷和蒸發(fā)冷卻初步電磁方案的設(shè)計(jì)，并在此基礎(chǔ)上開展了電磁場(chǎng)的相關(guān)仿真并獲取熱源分布;其次，開展了兩種方案的三維溫度場(chǎng)仿真，從電機(jī)尺寸、材料消耗、介質(zhì)用量以及熱性能等多方面全面對(duì)比了兩種冷卻方案，為未來(lái)發(fā)電機(jī)招標(biāo)冷卻技術(shù)的選型提供有價(jià)值的參考。

1000MW水輪發(fā)電機(jī);蒸發(fā)冷卻;三維溫度場(chǎng);綜合性能對(duì)比

1 引言

在三峽機(jī)組引進(jìn)、消化、吸收和部分創(chuàng)新的基礎(chǔ)上，中國(guó)水電用7年的時(shí)間實(shí)現(xiàn)了30年的跨越發(fā)展，國(guó)內(nèi)已經(jīng)形成較為完善成熟的巨型機(jī)組設(shè)計(jì)、試驗(yàn)研究、材料供應(yīng)和制造的產(chǎn)業(yè)鏈［1］。此時(shí)，依托白鶴灘水電站的開發(fā)，開展1000MW水輪發(fā)電機(jī)組的研制，掌握和發(fā)展1000MW水輪發(fā)電機(jī)組的關(guān)鍵技術(shù)，必將推動(dòng)我國(guó)特大型水電設(shè)備設(shè)計(jì)制造技術(shù)的創(chuàng)新和發(fā)展，全面提升我國(guó)電工裝備國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力。

然而，1000MW級(jí)水輪發(fā)電機(jī)組研究是一個(gè)大型系統(tǒng)工程，涉及工程經(jīng)濟(jì)、水力、機(jī)械、電氣、材料、工藝等課題的研究，需要結(jié)合電站的工程實(shí)際，從廣泛的角度系統(tǒng)地進(jìn)行創(chuàng)新研究。其中機(jī)組的材料選型、冷卻技術(shù)以及相關(guān)測(cè)試技術(shù)都是亟待解決的問題。傳統(tǒng)冷卻方式如水內(nèi)冷技術(shù)過(guò)于復(fù)雜，冷卻系統(tǒng)組裝困難，存在很大的安全運(yùn)行隱患，所以在百萬(wàn)千瓦機(jī)組的定子冷卻方式選型中，水內(nèi)冷基本被排除，成熟的可選技術(shù)方案只有空冷和蒸發(fā)冷卻技術(shù)［2-5］。

對(duì)于大容量長(zhǎng)鐵心的水輪發(fā)電機(jī)，由于定子線棒長(zhǎng)度特別長(zhǎng)，線棒截面匝數(shù)多，股線間及股線不同位置的散熱條件不同，加上由于擠流效應(yīng)產(chǎn)生的股線渦流差值，空冷方式作為一種外冷方式將導(dǎo)致定子繞組溫差特別大，這將大幅降低絕緣壽命。此外，由于導(dǎo)線銅導(dǎo)體與外包絕緣材料的熱膨脹系數(shù)相差較大，加上兩者之間具有較大的溫差，運(yùn)行時(shí)其熱膨脹差值大，將會(huì)在導(dǎo)體與絕緣間產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，從而出現(xiàn)脫殼擊穿燒毀絕緣的危險(xiǎn)［6］。根據(jù)設(shè)計(jì)院的設(shè)計(jì)參數(shù)，1000MW的水輪發(fā)電機(jī)組額定電壓需提高到24kV［7］，定子線棒主絕緣在現(xiàn)有20kV電機(jī)所采用的主絕緣基礎(chǔ)上必須增厚，此時(shí)對(duì)于空冷方式，線棒徑向溫度梯度又進(jìn)一步加大，使得上述熱應(yīng)力問題更為嚴(yán)重。

對(duì)于大型和超大型水輪發(fā)電機(jī)，蒸發(fā)冷卻技術(shù)作為一種內(nèi)冷技術(shù)，利用介質(zhì)相變換熱帶走定子繞組的熱量，降低繞組溫升，特別是能有效減小繞組的溫差，使整個(gè)發(fā)電機(jī)定子繞組溫度分布均勻，消除了主絕緣上的熱傳導(dǎo)溫差，從而大大減少熱應(yīng)力，提高絕緣壽命。由于采用內(nèi)冷方式，絕緣上不承受溫降，絕緣可適當(dāng)加厚，從而可以提高電壓等級(jí)，減輕輸變電系統(tǒng)開關(guān)部件的壓力，可靠性也相應(yīng)提高。所以蒸發(fā)冷卻方式的應(yīng)用使得發(fā)電機(jī)電壓等級(jí)的選擇更具靈活性［8］。

蒸發(fā)冷卻發(fā)電機(jī)定子繞組損耗不再需要定子鐵心的傳導(dǎo)，其鐵心溫升是由鐵心自身?yè)p耗產(chǎn)生，溫升值較空冷方式有很大幅度的降低。因此，其鐵心與機(jī)座溫差相對(duì)較小，鐵心熱應(yīng)力較易控制。發(fā)電機(jī)在采用蒸發(fā)冷卻后，電磁負(fù)荷可適當(dāng)提高，發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸有大幅度的減少，轉(zhuǎn)子重量可適當(dāng)減小，相應(yīng)的推力負(fù)荷下降，定子鐵心長(zhǎng)度也可適當(dāng)縮短。這樣，即降低了發(fā)電機(jī)的制造難度同時(shí)又節(jié)約了原材料成本。

當(dāng)然，隨著通風(fēng)技術(shù)的不斷進(jìn)步，空冷技術(shù)能夠應(yīng)用的容量極限在不斷加大，材料的改進(jìn)和工藝的進(jìn)步使得空冷的冷卻效果有一定程度的改善，絕緣上的徑向溫度梯度有降低的趨勢(shì)。

然而空冷和蒸發(fā)冷卻技術(shù)都是在百萬(wàn)千瓦機(jī)組上首次使用，那項(xiàng)技術(shù)綜合效益最優(yōu)，需要進(jìn)行全面的分析比較。本文利用綜合物理場(chǎng)仿真分析平臺(tái)，以白鶴灘1000MW水輪發(fā)電機(jī)作為分析目標(biāo)工程，分別提出了空冷和蒸發(fā)冷卻的初步電磁方案，并對(duì)兩個(gè)方案分別開展了三維溫度場(chǎng)仿真分析，最后從電機(jī)尺寸、材料消耗、介質(zhì)用量以及溫度特性等方面全面對(duì)比了兩種冷卻方案，為未來(lái)發(fā)電機(jī)招標(biāo)冷卻技術(shù)的選型提供了有價(jià)值的參考。

2 電磁方案

利用綜合物理場(chǎng)仿真分析平臺(tái)，根據(jù)白鶴灘1000MW水輪發(fā)電機(jī)的基本參數(shù)(見表1)，分別提出了空冷和蒸發(fā)冷卻的初步電磁方案，并對(duì)兩個(gè)方案分別開展了二維磁場(chǎng)分析并獲取損耗分布，為后續(xù)的溫度場(chǎng)仿真奠定基礎(chǔ)［9］。

表1 1000MW水輪發(fā)電機(jī)基本參數(shù)Tab.1Basic parameters of 1000MW hydrogenertaors

2.1 1000MW空冷和蒸發(fā)冷卻的電磁設(shè)計(jì)方案

空冷及蒸發(fā)冷卻方案的基本電磁參數(shù)分別見表2和表3，其性能參數(shù)和效率都能滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

2.2 電磁損耗

本文以對(duì)比分析兩種冷卻方式為目標(biāo)，冷卻效果的優(yōu)劣可以通過(guò)熱特性來(lái)體現(xiàn)。為了獲得準(zhǔn)確的三維溫度場(chǎng)仿真結(jié)果，作為熱源的損耗分布必須首先準(zhǔn)確計(jì)算。本文通過(guò)Maxwell二維有限元仿真分析首先得到磁場(chǎng)分析結(jié)果，再利用場(chǎng)計(jì)算器得到每個(gè)部件的損耗分布，與磁路仿真RMxprt計(jì)算結(jié)果互相校對(duì)，從而為下一步的溫度場(chǎng)仿真提供準(zhǔn)確的熱源輸入。磁場(chǎng)分析結(jié)果如圖1所示。

表2 空冷方案基本電磁參數(shù)Tab.2Electromagnetic parameters for air cooling hydrogenerator

表3 蒸發(fā)冷卻方案基本電磁參數(shù)Tab.3Electromagnetic parameters for evaporative cooling hydrogenerator

圖1 發(fā)電機(jī)接入電網(wǎng)3s對(duì)稱運(yùn)行的磁密分布Fig.1Diagram of flux density after unit connected with grid and symmetrically operating for 3s

交流電機(jī)的定子銅損耗包括基本銅損耗和橫向漏磁通使股線截面上電流分布不均勻所帶來(lái)的附加銅損耗，但是由于Maxwell二維場(chǎng)分析中無(wú)法真實(shí)體現(xiàn)繞組中股線的交織換位效果，所以銅損耗計(jì)算結(jié)果與實(shí)際有差別，因此，本文通過(guò)引入費(fèi)立德系數(shù)手工計(jì)算定子總的銅損耗來(lái)修正RMxprt輸出的銅損耗值，兩種冷卻方案的損耗分布如表4所示。

表4 損耗分布對(duì)比Tab.4Comparison of loss between air cooling and evaporative cooling

3 溫度場(chǎng)仿真對(duì)比

3.1 分析方法

水輪發(fā)電機(jī)定子的鐵心和繞組是主要發(fā)熱部件，因此本文采用具有內(nèi)部熱源的三維溫度場(chǎng)分析方法［10，11］，求解域的熱傳導(dǎo)方程為

式中，λ為熱傳導(dǎo)率，單位:W/m·K;T為溫度，單位: K;q為內(nèi)部發(fā)熱源的生熱密度，單位:W/m3。

在三維直角坐標(biāo)系下，忽略輻射換熱過(guò)程，式(1)可寫為

3.1.1 換熱條件［12，13］

定子通風(fēng)溝內(nèi)對(duì)流換熱系數(shù)α1為:

式中，計(jì)算用風(fēng)速

定子軛外表面對(duì)流換熱系數(shù)α2為40W/ (m2·℃)

氣隙中對(duì)流換熱系數(shù)α3為

式中，氣隙的切向線速度

定子鐵心端部表面對(duì)流換熱系數(shù)α4為

3.1.2 邊界條件

鐵心和線圈中心面為絕熱面，T/n=0。

風(fēng)溝內(nèi)鐵心端面空氣溫度認(rèn)為是線性遞增的。

定子軛外表面、定子通風(fēng)溝內(nèi)、氣隙、定子鐵心端部表面和定子繞組端部表面都作為第三類邊界條件輸入。

空心導(dǎo)線內(nèi)壁面溫度作為第一類邊界條件輸入［14］。首先在電機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)幾種股線尺寸進(jìn)行選型，然后用備選空心股線建立1∶1實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?如圖2所示)，在所選出的股線上加載其在電機(jī)各種運(yùn)行工況時(shí)所需承擔(dān)的熱負(fù)荷，用加載等效直流電流的方式來(lái)模擬實(shí)際所需熱負(fù)荷，用實(shí)驗(yàn)的方式得出對(duì)應(yīng)工況下的第一類邊界條件，即空心導(dǎo)線內(nèi)壁面溫度的輸入，如圖3所示。

圖2 全尺寸空心導(dǎo)線蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ虵ig.2Experimental model of evaporative cooling system for full-size hollow conductor

圖3 不同負(fù)荷下空心導(dǎo)線的壁面溫度分布Fig.3Temperature distribution of outer wall of hollow conductor at different load

3.2 計(jì)算結(jié)果

(1)空冷方案100%負(fù)荷計(jì)算結(jié)果

空冷方案額定工況時(shí)鐵芯及線棒的溫度分布與導(dǎo)體的銅溫計(jì)算結(jié)果分別如圖4和圖5所示。

圖4 額定工況時(shí)鐵芯及線棒的溫度分布Fig.4Temperature distribution of stator core and stator bar at rated load

圖5 額定工況時(shí)導(dǎo)體的銅溫Fig.5Copper temperature distribution of conductor at rated load

(2)蒸發(fā)冷卻方案100%負(fù)荷計(jì)算結(jié)果

蒸發(fā)冷卻方案額定工況時(shí)鐵芯及線棒的溫度分布與導(dǎo)體的銅溫計(jì)算結(jié)果分別如圖6和圖7所示。

圖6 額定工況時(shí)鐵芯及線棒的溫度分布Fig.6Temperature distribution of stator core and stator bar at rated load

圖7 額定工況時(shí)導(dǎo)體的銅溫Fig.7Copper temperature distribution of conductor at rated load

4 綜合性能對(duì)比

為了客觀全面地分析1000MW水輪發(fā)電機(jī)采用哪種冷卻方式時(shí)綜合性能最優(yōu)，本文基于前述電磁方案和溫度場(chǎng)仿真分析結(jié)果，從電機(jī)尺寸、材料消耗、損耗分布以及溫度分布水平等多個(gè)角度對(duì)定子空冷和定子繞組蒸發(fā)冷卻方案進(jìn)行了對(duì)比，最后還開展了成本的相對(duì)值對(duì)比分析。

(1)電機(jī)尺寸、材料消耗

電機(jī)尺寸、材料消耗對(duì)比結(jié)果見表5。

表5 電機(jī)尺寸、材料消耗對(duì)比Tab.5Comparison of unit size，material consumption between air cooling and evaporative cooling

(2)100%負(fù)荷特征溫度對(duì)比

100%負(fù)荷特征溫度對(duì)比結(jié)果見表6。從特征溫度對(duì)比可以看出，蒸發(fā)冷卻定子整體溫度分布均勻，溫差小，尤其是導(dǎo)體銅溫比空冷方案低近50℃，大大降低了導(dǎo)體和主絕緣的溫度梯度，從而極大改善了絕緣的可靠性和壽命。

表6100 %負(fù)荷特征溫度對(duì)比Tab.6Comparison of feature temperature between air cooling and evaporative cooling at rated load

(3)成本相對(duì)值對(duì)比分析

成本相對(duì)值對(duì)比結(jié)果見表7。

表7 成本相對(duì)值對(duì)比Tab.7Comparison of relative cost between air cooling and evaporative cooling

注:(1)表中未考慮蒸發(fā)冷卻線棒制造難度導(dǎo)致的制造成本略高于空冷線棒;(2)冷卻介質(zhì)選型可有多種方案，單價(jià)350～550元/kg，共計(jì)112～176萬(wàn)元;(3)由于線棒數(shù)量減少了648根，由此節(jié)省的絕緣材料用量也不容小覷。

5 結(jié)論

從上述綜合性能對(duì)比分析可以看出，蒸發(fā)冷卻由于冷卻效果好，可以大幅增加發(fā)電機(jī)的電磁負(fù)荷，相當(dāng)程度節(jié)省材料消耗，從而使蒸發(fā)冷卻方案較空冷方案節(jié)約至少100萬(wàn)以上?？紤]未盡科目，1000MW蒸發(fā)冷卻水輪發(fā)電機(jī)至少可以做到與空冷成本基本相當(dāng)。雖然銅耗增加，但由于鐵心損耗和風(fēng)摩損耗的降低，兩個(gè)方案的總損耗基本相當(dāng)，效率也基本相當(dāng)。但從熱特性來(lái)看，蒸發(fā)冷卻方案的優(yōu)勢(shì)十分突出。

本文以白鶴灘電站作為研究對(duì)象，分別對(duì)定子空冷技術(shù)和定子繞組蒸發(fā)冷卻技術(shù)從定性和定量(溫度場(chǎng)分析，經(jīng)濟(jì)效益計(jì)算)兩個(gè)角度進(jìn)行了對(duì)比分析，充分說(shuō)明蒸發(fā)冷卻技術(shù)應(yīng)用于1000MW以上容量等級(jí)的水輪發(fā)電機(jī)是有優(yōu)勢(shì)的，這為業(yè)界在超大容量水輪發(fā)電機(jī)的冷卻方式選型上又增加了一種成熟方案。

［1］中國(guó)長(zhǎng)江三峽集團(tuán)公司機(jī)電工程局(China Three Gorges Corporation，Electromechanical Engineering Bureau).三峽工程電站機(jī)電設(shè)備國(guó)產(chǎn)化總結(jié)(Conclusion of electromechanical device localization in Three Gorges hydropower station)［A］.三峽工程電站重大裝備國(guó)產(chǎn)化研討會(huì)文集(Seminars of Major Equipment Localization in Three Gorges Station)［C］.北京(Beijing)，2012.

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［8］阮琳，顧國(guó)彪，田新東，等(Ruan Lin，Gu Guobiao，Tian Xindong，et al.).百萬(wàn)千瓦級(jí)水電機(jī)組應(yīng)用蒸發(fā)冷卻技術(shù)的可行性分析(Feasibility analysis of applying evaporative cooling technology to million kilowatt hydroelectric generating set)［A］.第二屆水力發(fā)電技術(shù)國(guó)際會(huì)議論文集(The Second International Conference of Hydroelectric Generation)［C］.北京(Beijing)，2009.

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Comparison and analysis of stator’s air cooling and evaporative cooling method of 1000MW hydrogenerators

RUAN Lin，CHEN Jin-xiu，GU Guo-biao
(Institute of Electrical Engineering，CAS，Beijing 100190，China)

Baihetan hydropower station has 14 hydrogenerators with the unit capacity of 1000MW.On a global scale，there are no experiences on design and manufacture of such huge hydrogenerators.There are a lot of technical problems to be solved，among which the selection of cooling mode is a very key problem.Firstly，this paper put forward the general electromagnetic scheme of the air cooling and evaporative cooling hydrogenerators.Based on it，we carried out the simulation of the electromagnetic field and got the distribution of the heat source.Secondly，we carried out the simulation of the 3-D temperature field for the stator of generator with two kinds of cooling modes respectively.Finally，we made comprehensive characteristic comparison between these two cooling methods from the aspects of unit size，material consumption，the quantity of coolant usage and thermal performance，and the comparison provides valuable reference for the future selection of cooling mode in the Baihetan unit bid.

1000MW hydrogenerator;evaporative cooling;3-D temperature field;comprehensive characteristic comparison

TM312

A

1003-3076(2014)09-0001-06

2014-04-18

阮琳(1976-)，女，甘肅籍，研究員，博士，主要從事大型、高熱流密度電氣與電子設(shè)備新型蒸發(fā)冷卻技術(shù)方面的研究工作;陳金秀(1988-)，女，湖南籍，博士研究生，主要從事蒸發(fā)冷卻技術(shù)在水電設(shè)備上的應(yīng)用研究。