李　楠

（葛洲壩集團機電建設(shè)有限公司，湖北 宜昌 443002）

蒸發(fā)冷卻技術(shù)在三峽水輪發(fā)電機上的應(yīng)用

李楠

（葛洲壩集團機電建設(shè)有限公司，湖北 宜昌 443002）

摘要：大型水輪發(fā)電機的冷卻技術(shù)，關(guān)系到水輪發(fā)電機參數(shù)選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計和造價，是保證發(fā)電機的絕緣壽命、提高發(fā)電機效率，保持發(fā)電機長期安全穩(wěn)定運行的關(guān)鍵技術(shù)之一。蒸發(fā)冷卻技術(shù)在三峽特大型機組上的應(yīng)用成功，進一步提高了我國首創(chuàng)的蒸發(fā)冷卻機組的技術(shù)水平，為設(shè)計制造特大型蒸發(fā)冷卻機組積累了經(jīng)驗，促進了大型水輪發(fā)電機組采用蒸發(fā)冷卻技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的進程．同時也使業(yè)內(nèi)人士對大型水輪發(fā)電機冷卻方式有新的認識：即“最好采用全空冷，如要想上水冷，不如上蒸發(fā)冷卻”,這是對大型水輪發(fā)電機蒸發(fā)冷卻技術(shù)的肯定。

關(guān)鍵詞：三峽機組；蒸發(fā)冷卻；定子繞組；應(yīng)用

1引言

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，水輪發(fā)電機的單機容量越來越大，因此大型水輪發(fā)電機的冷卻技術(shù)也越來越受到高度的重視。大型水輪發(fā)電機的冷卻技術(shù)，關(guān)系到水輪發(fā)電機參數(shù)選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計和造價，是保證發(fā)電機的絕緣壽命、提高發(fā)電機效率，保持發(fā)電機長期安全穩(wěn)定運行的關(guān)鍵技術(shù)之一。當(dāng)前大型水輪發(fā)電機冷卻技術(shù)主要有3種不同的冷卻方式即：一是全空冷，二是半水內(nèi)冷（定子繞組水冷），三是蒸發(fā)冷卻（定子繞組蒸發(fā)冷卻）。而蒸發(fā)冷卻技術(shù)應(yīng)用于大型水輪發(fā)電機是繼目前已廣泛采用的全空冷、定子水內(nèi)冷方式后，在20世紀80年代我國自行開發(fā)的具有自主知識產(chǎn)權(quán)的新型冷卻方式。

2我國的蒸發(fā)冷卻技術(shù)的研究情況

1958年中國科學(xué)院電工所開始從事蒸發(fā)冷卻技術(shù)的研究。并于同年在全國第一次三峽科研工作會議上，就如何采用這種蒸發(fā)冷卻技術(shù)來設(shè)計制造三峽巨型水輪發(fā)電機冷卻問題進行了討論。經(jīng)過調(diào)研和試驗后，提出了利用氟里昂作為介質(zhì)的自循環(huán)蒸發(fā)冷卻方式。這種冷卻方式是利用立式水輪發(fā)電機的定子繞組，以及液體汽化后密度發(fā)生變化而引起壓差變化，從而形成自然循環(huán)。其原理如下：繞組空心導(dǎo)體內(nèi)的冷卻液體吸收了定子繞組的熱量，在常溫下汽化，定子繞組通道內(nèi)形成氣液兩相的混合物，其混合密度小于回液管中未受熱的液體密度。在重力加速度作用下，兩管中的靜壓頭不同就產(chǎn)生了壓差，這就是自循環(huán)的動力，稱為流動壓頭。它是利用介質(zhì)吸收的熱量做功，推動流體循環(huán)，無需外加動力。經(jīng)過40多年的研究試驗，為我國大型電機冷卻方式尋找新的出路作出了重要貢獻。中國科學(xué)院電工所與東方電機廠合作，將蒸發(fā)冷卻技術(shù)應(yīng)用于水輪發(fā)電機上，1983年在云南大寨水電站單機容量10 MW、額定轉(zhuǎn)速1000r/min的蒸發(fā)冷卻水輪發(fā)電機首次投入運行；此后于1992年在陜西安康水電站單機容量50MW，額定轉(zhuǎn)速214.3r/min的蒸發(fā)冷卻水輪發(fā)電機投入運行；1999年在青海李家峽水電站單機容量400MW，額定轉(zhuǎn)速為125r/min的大型蒸發(fā)冷卻水輪發(fā)電機投入運行。通過大寨、安康和李家峽等電站的蒸發(fā)冷卻機組的設(shè)計、制造和運行，進一步提高了我國首創(chuàng)的蒸發(fā)冷卻機組的水平，為設(shè)計制造特大型蒸發(fā)冷卻機組積累了一定的經(jīng)驗，為我國制造特大型蒸發(fā)冷卻的水輪發(fā)電機組開創(chuàng)了廣闊的前景。目前，不論是在基礎(chǔ)試驗研究或是機組運行經(jīng)驗上，在蒸發(fā)冷卻電機方面，我國都處于世界領(lǐng)先地位。

3蒸發(fā)冷卻在三峽特大型機組上的應(yīng)用

蒸發(fā)冷卻技術(shù)在三峽特大型機組上的應(yīng)用，是在中國長江三峽工程開發(fā)總公司的積極支持下，中科院電工研究所和東電等有關(guān)設(shè)計、科研、制造單位通力合作，進行了局部計算機模擬試驗和數(shù)值仿真計算，解決了蒸發(fā)冷卻技術(shù)在大型水輪發(fā)電機上工業(yè)化應(yīng)用的一系列技術(shù)難題。現(xiàn)在三峽地下電站由東方電機廠生產(chǎn)的二臺單機容量為700MW，額定轉(zhuǎn)速為75r/min的大型水輪發(fā)電機組就是采用蒸發(fā)冷卻技術(shù)。三峽水電站蒸發(fā)冷卻方式的水輪發(fā)電機組，第一臺于2011年已投運。最后一臺也已于2012 年7月4日投入商業(yè)運行。從當(dāng)前三峽水電站二臺蒸發(fā)冷卻的水輪發(fā)電機組的運行工況來看，經(jīng)過3年多的運行考驗，其運行工況基本正常，達到了安全穩(wěn)定發(fā)電的設(shè)計要求。但是蒸發(fā)冷卻技術(shù)與其他冷卻方式相比的優(yōu)劣和經(jīng)濟性等，尚需經(jīng)過長期工業(yè)運行實踐的檢驗。最近據(jù)通過600臺半水內(nèi)冷機組16年調(diào)研的統(tǒng)計資料顯示，定子繞組發(fā)生故障是在電氣試驗中,其主要原因是：冷卻水泄漏、磨損，縫隙腐蝕，銅管泄漏和水的導(dǎo)電率等問題，其中75%是由于絕緣受潮。而蒸發(fā)冷卻介質(zhì)具有高絕緣、防火和滅弧性能，因此不存在因冷卻水泄漏絕緣受潮問題，故當(dāng)前業(yè)內(nèi)人士對大型水輪發(fā)電機冷卻方式有新的認識：即“最好采用全空冷，如要想上水冷，不如上蒸發(fā)冷卻”，這是對大型水輪發(fā)電機蒸發(fā)冷卻技術(shù)的肯定。

3.1三峽蒸發(fā)冷卻發(fā)電機的有關(guān)技術(shù)參數(shù)

額定容量（MVA）/額定功率（MW）777.8/700

最大容量（MVA）/功率（MW）840/756

額定電壓（kV）20

額定電流（A）22453

額定功率因數(shù)0.9

GD2（t-m2）450000

額定轉(zhuǎn)速（r/min）75

飛逸轉(zhuǎn)速（r/min）150

發(fā)電機冷卻方式定子繞組蒸發(fā)冷卻、定子鐵芯及轉(zhuǎn)子繞組空冷

3.2三峽蒸發(fā)冷卻發(fā)電機定子有關(guān)技術(shù)參數(shù)

表1蒸發(fā)冷卻發(fā)電機定子有關(guān)技術(shù)參數(shù)

3.3定子線棒蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)設(shè)備

定子線棒蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)設(shè)備為主機配套的附屬設(shè)備系統(tǒng)，系統(tǒng)主要包括：冷凝器、回液管、下集液環(huán)管、絕緣引流管、上集汽環(huán)管、均壓管、冷卻水供排水管等部件，以及配套的蒸發(fā)冷卻介質(zhì)和監(jiān)測、保護裝置等。

除上述管道、閥門及相應(yīng)部位設(shè)置的流量計、壓力計、檢溫計、檢漏計外，蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)設(shè)備及各種管道外，每臺機蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)設(shè)備還包括：

供排液裝置及介質(zhì)回收裝置各1臺套

冷凝器16臺套

磁翻柱液位計1個

移動式介質(zhì)儲液罐1臺套（2臺機共用）

移動式抽真空裝置1臺套（2臺機共用）

蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)動力/控制柜等1個

3.4蒸發(fā)冷卻的原理及冷卻系統(tǒng)

水輪發(fā)電機以往所使用的冷卻方式：全空冷、水內(nèi)冷，從熱學(xué)原理上來講都是利用介質(zhì)的比熱吸熱從而帶走熱量。而蒸發(fā)冷卻從熱學(xué)原理上是利用流體沸騰時的汽化潛熱帶走熱量。這種利用流體沸騰時的汽化潛熱的冷卻方式就叫做“蒸發(fā)冷卻”。由于流體的汽化潛熱要比流體的比熱大很多，所以蒸發(fā)冷卻的冷卻效果更為顯著。蒸發(fā)冷卻的基本原理就是利用高絕緣性能、低沸點的冷卻介質(zhì)沸騰時的汽化潛熱帶走電機線棒所產(chǎn)生的熱量，整個循環(huán)冷卻系統(tǒng)，沒有用壓縮機，而是冷卻介質(zhì)的自循環(huán)。這是因為冷卻介質(zhì)受熱汽化成氣體后的比重明顯變小，與液態(tài)冷卻介質(zhì)存在著壓差，這種壓差促使冷卻介質(zhì)在系統(tǒng)內(nèi)自然循環(huán)。當(dāng)機組帶的負荷越大，定子繞組的銅耗越大，產(chǎn)生的熱量也越多，冷卻介質(zhì)大量蒸發(fā)，促使循環(huán)加快冷卻效果也越好。當(dāng)發(fā)電機運行時，定子繞組溫度上升，線棒空心導(dǎo)體內(nèi)的冷卻介質(zhì)吸收熱量而不斷汽化，形成氣、液兩相混合體的流動，其密度小于回液管中未加熱的液體密度，產(chǎn)生壓差，形成自循環(huán)的動力壓頭，該壓頭克服沿程流阻后，進入冷凝器內(nèi)，介質(zhì)所含熱量與冷凝器的冷卻水進行熱交換，由水將熱量帶走，并冷凝成液態(tài)，然后通過回液管、下連通管再重新進入線棒，構(gòu)成密閉自循環(huán)系統(tǒng)。三峽定子蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)示意圖見圖1。

3.5定子繞組蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)

蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖見圖2。

3.6電機的冷卻介質(zhì)的選擇

冷卻介質(zhì)的選擇首先要考慮的因素是冷卻介質(zhì)必須是清潔的、符合環(huán)保要求的產(chǎn)品，以及對運行無安全影響的。其物理性能和化學(xué)性能穩(wěn)定性好，與電機的材料相容，安全無毒、不燃，氣、液態(tài)時對金屬和絕緣材料無腐蝕等。

圖1三峽定子蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)示意圖

圖2蒸發(fā)冷卻機組發(fā)電機結(jié)構(gòu)效果圖

原大塞等水電站的水輪發(fā)電機的冷卻介質(zhì)是采用氟利昂CFC/113，這種冷卻介質(zhì)的沸點為47.3℃，其絕緣、滅火性能均較良好，但因其不符合環(huán)保要求已被淘汰出局。因此三峽水電站水輪發(fā)電機的冷卻介質(zhì)的選擇，是經(jīng)過對CFC-113（C2Cl3F3）、HFC-4310 （C5H2H10）、HFCAE-3000（C4H3F7O）、FLa（（C2F5）2N）等4種冷卻介質(zhì)進行比選，最終確定HFC-4310 （C5H2H10）作為冷卻介質(zhì)。它既能滿足環(huán)保要求、其沸點、絕緣、滅火性能也能滿足電機要求。

3.7蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)設(shè)備安裝工藝

蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)設(shè)備安裝工藝流程見圖3。

3.8蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)的撿漏

蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)檢漏是蒸發(fā)冷卻繞組安裝的關(guān)鍵項目。單根線棒密封試驗采用0.3MPa氮氣和發(fā)泡劑進行，歷時3min，應(yīng)無氣泡產(chǎn)生。系統(tǒng)整體密封性試驗分為兩個階段。第一階段泄漏性試驗：將潔凈空氣加入微量鹵素氣體充入待檢系統(tǒng)內(nèi)進行試驗：試驗壓力0.25MPa，保壓4h，應(yīng)無泄漏；第二階段進行密封性試驗：試驗壓力0.25MPa，保壓48h，壓力下降不大于0.005MPa。在密封性試驗階段，檢測是否有微滲點，如果存在應(yīng)處理合格。檢測方法可以在密封試驗的氮氣中注入少量SF6氣體或介質(zhì)，利用專業(yè)檢測工具進行循環(huán)檢測，不宜采用涂抹肥皂水的方法。由于氣密試驗壓力較低，氣密試驗應(yīng)記錄環(huán)境溫度，在溫度相對恒定的情況下壓力下降值不得大于0.005MPa，所以要求配置高精度的壓力表或壓力傳感器。

圖3蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)設(shè)備安裝的工藝流程

4蒸發(fā)冷卻的優(yōu)缺點比較

4.1蒸發(fā)冷卻與水內(nèi)冷方式比較

（1）蒸發(fā)冷卻方式與水內(nèi)冷方式比較有如下優(yōu)勢：

1）無采用不銹鋼空心線特殊材料要求，無氧化堵塞問題；

2）取消了價格昂貴的純水處理系統(tǒng)（進口ABB 和SIEMENS設(shè)備價格分別為108萬美元和220萬美元，使發(fā)電機總成本增加2.5%～5%），且布置尺寸減小；

3）蒸發(fā)冷卻介質(zhì)無毒、安全、化學(xué)穩(wěn)定性好，且具有高絕緣、防火和滅弧性的環(huán)保型冷卻介質(zhì)，從根本上杜絕了泄漏引起的絕緣故障的問題，因而克服了水內(nèi)冷方式的致命缺點；

4）相應(yīng)循環(huán)系統(tǒng)的管路密封較易解決，在容器和管路中不結(jié)垢；不像水內(nèi)冷為運行壓力高（0.6MPa）的高壓純水強迫循環(huán)系統(tǒng)，而且是無壓的無泵自循環(huán)系統(tǒng)；

5）運行簡單、維護方便、可靠性較高；

6）施工安全和工期較短；

7）檢修和維護的工作量比半水內(nèi)冷少。

（2）蒸發(fā)冷卻與半水內(nèi)冷比較有如下的缺點：

溫度比半水內(nèi)冷略高。由于冷卻介質(zhì)在繞組內(nèi)的不同部位存在蒸發(fā)的相變過程，使繞組的溫度差也比半水冷繞組稍大，因此定子的機械變形、鐵芯膨脹翹曲和線棒與鐵芯的相對位移也比半水內(nèi)冷略大。

4.2蒸發(fā)冷卻與全空冷相比

（1）蒸發(fā)冷卻與全空冷相比有如下的優(yōu)點：

1）蒸發(fā)冷卻發(fā)電機尺寸比全空冷較小，且材料利用系數(shù)較高；

2）蒸發(fā)冷卻可延長繞組絕緣使用壽命，改善定子綜合機械應(yīng)力；

3）蒸發(fā)冷卻由于使用的清潔冷卻介質(zhì)的壓力低，泄漏的可能性小，即使泄漏，絕緣介質(zhì)也不會對運行造成過大的危害，使運行的安全性提高。

（2）蒸發(fā)冷卻與全空冷相比有下列缺點：

1）主要問題是定子線棒軸向溫度分布均勻度略差些，由熱引起的機械應(yīng)力、定子鐵芯膨脹及“瓢曲”等問題較液體內(nèi)冷發(fā)電機稍重些。同時增加了二次冷卻水的滲漏問題；

2）蒸發(fā)冷卻與全空冷相比增加了繞組的冷卻介質(zhì)接頭、介質(zhì)的液、氣循環(huán)系統(tǒng)和冷凝器等輔助設(shè)備，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、設(shè)備增多，造價增加，增加了制造、安裝的工作量。

（3）全空冷卻比蒸發(fā)冷卻的主要優(yōu)點是；

1）發(fā)電機采用全空冷方式，其電氣參數(shù)較好，而定點的效率略高；結(jié)構(gòu)、布置簡單；安裝、運行、維護簡便；運行成本低，可靠性高，對電站經(jīng)濟效益的回報較為有利；

2）蒸發(fā)冷卻除定子繞組以外，定子鐵心和勵磁繞組等損耗仍然要靠空氣冷卻解決，冷卻空氣的流動是發(fā)電機轉(zhuǎn)動自然形成的，空氣冷卻需要有流暢的風(fēng)路和足夠而均勻的風(fēng)量，在發(fā)電機機坑內(nèi)布置大量蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)的設(shè)備后，對于風(fēng)路的合理性應(yīng)作仔細論證。

全空氣冷卻的這些優(yōu)點，是其他的冷卻方式無法比擬的，所以當(dāng)前水輪發(fā)電機冷卻方式的選擇上，只要技術(shù)經(jīng)濟比較是可行的，還是大量采用全空氣冷卻技術(shù)。

5有關(guān)蒸發(fā)冷卻技術(shù)的建議

我國蒸發(fā)冷卻技術(shù)自1958年提出應(yīng)用于水輪發(fā)電機上以來，已經(jīng)走過了近60年的歷程。從1983年我國開始應(yīng)用這一技術(shù)于水輪發(fā)電機上以來，至今已有30余年的經(jīng)歷，因此對蒸發(fā)冷卻發(fā)電機的技術(shù)應(yīng)該有一個定論，如果說這種技術(shù)是可行的，那么有關(guān)技術(shù)文件的研究和編制應(yīng)該有一個規(guī)范性的文件，可做為今后工作的指導(dǎo)性方針，以更有利于促進水輪發(fā)電機組采用蒸發(fā)冷卻技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的進程。目前至少應(yīng)完善如下技術(shù)文件：

（1）蒸發(fā)冷卻水輪發(fā)電機的技術(shù)條件及設(shè)計規(guī)范。蒸發(fā)冷卻技術(shù)從中國科學(xué)院電工所于1958年開始研究，并于同年在全國第一次三峽科研工作會議上，就如何采用這種先進技術(shù)來設(shè)計制造三峽巨型水輪發(fā)電機問題，至今已走過了近60年，應(yīng)該有一個成熟“蒸發(fā)冷卻水輪發(fā)電機的技術(shù)條件及設(shè)計規(guī)范”，以做為設(shè)計工作的指導(dǎo)方針供設(shè)計參考。

（2）蒸發(fā)冷卻水輪發(fā)電機的安裝、運行、維護規(guī)范。我國從第一臺蒸發(fā)冷卻水輪發(fā)電機1983年在云南大寨水電站投入運行，以及此后于1992年在陜西安康水電站、1999年李家峽水電站、以及2011～2012年三峽水電站的二臺機組投入商業(yè)運行，也走過了近30余年的歷程。應(yīng)該有一個“蒸發(fā)冷卻水輪發(fā)電機的安裝、運行、維護規(guī)范”。例如“蒸發(fā)冷卻水輪發(fā)電機的安裝工法”，如果目前條件還不成熟，至少也應(yīng)先編寫一部“蒸發(fā)冷卻水輪發(fā)電機的安裝、運行、維護施工工藝導(dǎo)則”也是可行的。當(dāng)前現(xiàn)行“水輪發(fā)電機組安裝技求規(guī)范（GB/T8564-2003）”已經(jīng)應(yīng)用了10來年，是應(yīng)該進行修改了，故希望借此次規(guī)范修改的機會，能夠?qū)⒄舭l(fā)冷卻的有關(guān)內(nèi)容補充進去，使今后蒸發(fā)冷卻水輪發(fā)電機的安裝，有規(guī)可循，有范可依。

6結(jié)語

上述水電站水輪發(fā)電機定子繞組蒸發(fā)冷卻技術(shù)應(yīng)用的工業(yè)試驗成功，為我國蒸發(fā)冷卻技術(shù)的應(yīng)用開創(chuàng)了新的前景，對促進我國水輪發(fā)電機組采用蒸發(fā)冷卻技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的進程，創(chuàng)造了有利的條件。目前蒸發(fā)冷卻技術(shù)的應(yīng)用，盡管已有30年的經(jīng)歷，但其被采用的蒸發(fā)冷卻發(fā)電機還只是寥寥幾臺，而且從大塞水電站第一臺機開始應(yīng)用至安康水電站蒸發(fā)冷卻技術(shù)機組的投產(chǎn)，中間相隔近10年，從安康水電站至李家峽水電站中間相隔又是7年,從李家峽至三峽的應(yīng)用中間相隔又是10來年?？上驳氖侨龒{工程蒸發(fā)冷卻技術(shù)應(yīng)用，已進行了局部計算機模擬試驗和數(shù)值仿真計算，現(xiàn)在還有很多工作需要繼續(xù)進行。從提高我國首創(chuàng)的蒸發(fā)冷卻機組的水平、設(shè)計制造特大型蒸發(fā)冷卻機組技術(shù)的發(fā)展來看，需要建立計算機仿真平臺，進一步完善蒸發(fā)冷卻發(fā)電機內(nèi)電磁問題、熱應(yīng)力和熱變形問題等的仿真分析。進而形成大型蒸發(fā)冷卻水輪發(fā)電機優(yōu)化設(shè)計軟件的優(yōu)化設(shè)計方案。

參考文獻：

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[2]原忠杰.發(fā)電機冷卻水泄漏的測試經(jīng)驗[J].水電站機電技術(shù)，2014（1）.

中圖分類號：TV734.2

文獻標(biāo)識碼：B

文章編號：1672-5387（2015）04-0022-05

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2015.04.007

收稿日期：2014-11-03

作者簡介：李楠（1979-），男，工程師，從事水電站的電氣試驗工作。