郭敏　焦江明　劉先科

摘 要：闡述了特大型水輪發(fā)電機冷卻方式的分類和原理，對不同冷卻方式進行了比較分析，并比較了其運行可靠性、經(jīng)濟性。

關(guān)鍵詞：水輪發(fā)電機；冷卻方式；蒸發(fā)冷卻；齒壓板

中圖分類號：TM312 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.03.070

21世紀，我國已經(jīng)建造了許多以大容量機組為主的水電站，包括長江三峽、向家壩、溪洛渡等水電站，其機組單機容量為700 MW甚至更大。大型水輪發(fā)電機組的面世極大地促進了國內(nèi)對水輪發(fā)電機冷卻技術(shù)的研究，并產(chǎn)生了大量的新型技術(shù)和專利。然而，冷卻方式的區(qū)別導致其冷卻機理、冷卻效果、機組運行的安全性和經(jīng)濟性不盡相同。

1 特大型發(fā)電機冷卻方式簡介

1.1 全風冷冷卻的原理

在特大型水輪發(fā)電機中，轉(zhuǎn)子和定子鐵心、定子線棒全部采用空氣冷卻的方式稱為全風冷冷卻。冷風經(jīng)過轉(zhuǎn)子磁軛和磁極的風道進入冷卻器進行熱交換，通過冷卻水冷卻熱風將熱量帶走，冷卻后的冷風再一次進入發(fā)電機定轉(zhuǎn)子風道形成封閉式循環(huán)系統(tǒng)。在機組運行中，需要對定子線棒、定子鐵心、齒壓板、轉(zhuǎn)子繞組等部位的溫度進行監(jiān)測，以保證水輪發(fā)電機組的安全運行。

1.2 半水冷冷卻的原理

轉(zhuǎn)子和定子鐵心采用風冷，其結(jié)構(gòu)與全空冷方式的結(jié)構(gòu)基本相同，風道的設(shè)計略有不同。定子線棒采用純水冷卻稱為半水冷，定子線棒由導電的實心導線和通水的多股空心股線組成，空心股線存在的目的是為了帶走實心股線產(chǎn)生的熱量?？招墓删€中通入經(jīng)過離子交換器處理過的純水（對純水的導電率有嚴格要求，通過加壓泵打入），吸收熱量后的純水進入冷卻器與二次水進行熱交換；經(jīng)過冷卻的純水經(jīng)過處理后再次進入空心股線進行冷卻形成封閉的水冷循環(huán)。

1.3 蒸發(fā)冷卻的機理

轉(zhuǎn)子、定子鐵心和匯流環(huán)采用的風冷，其結(jié)構(gòu)與全空冷方式的結(jié)構(gòu)基本相同，定子線棒采用蒸發(fā)冷卻介質(zhì)冷卻稱為蒸發(fā)冷卻，蒸發(fā)冷卻介質(zhì)從液態(tài)變化為氣態(tài)，吸收線棒熱量，并通過冷卻水帶走熱量。在發(fā)電機定子繞組的空心導線內(nèi)充入低沸點的液體介質(zhì)，當定子繞組溫度高于介質(zhì)沸點時，介質(zhì)由液態(tài)汽化變?yōu)闅鈶B(tài)。在汽化過程中，介質(zhì)吸收繞組導體產(chǎn)生的熱量，通過動力，將蒸氣導入冷凝器，冷凝器的二次冷卻水將熱量帶走；同時，蒸氣變?yōu)橐后w，重新流入繞組導體內(nèi)，如此循環(huán)往復，實現(xiàn)了電機的蒸發(fā)冷卻。

2 3種冷卻方式的運行可靠性分析

運行可靠性分析包括水輪發(fā)電機的等效利用時間、運行過載能力、使用壽命、事故隱患及故障率等。大量數(shù)據(jù)表明，大型半水冷機組和全空冷機組可靠性都比較高。

過載能力泛指機組在不正常工況下的運行能力，本文主要討論發(fā)電機在冷卻系統(tǒng)不正常工作時的運行能力。某電廠規(guī)程中規(guī)定，全空冷機組退出2臺空氣冷卻器的情況下仍能正常運行，只要定子繞組溫度低于105 ℃即可。某電廠常年運行數(shù)據(jù)顯示，機組全部空冷器運行時定子繞組溫度在75 ℃，當兩組空冷器退出運行時，溫度在90 ℃左右運行。半水冷發(fā)電機退出2臺空氣冷卻器的情況下仍能正常運行，在純水系統(tǒng)停運的狀態(tài)下，發(fā)電機額定負荷運行約60 s，30%額定出力可長期運行；蒸發(fā)冷卻發(fā)電機退出2臺空氣冷卻器和1臺冷凝器的情況下能正常運行，當冷凝器的冷卻水中斷時必須停機。

相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，特大型發(fā)電機在最大容量運行時，全空冷定子線棒的溫度比內(nèi)冷高，但絕緣材料采用的都是F級絕緣材料，因此，可保證合同使用壽命期。以某電廠多年運行數(shù)據(jù)為例，全空冷水輪發(fā)電機定子線棒運行溫度最高，所以，內(nèi)冷水輪發(fā)電機絕緣壽命的余度要大于全空冷水輪發(fā)電機，但全空冷機組的運行壽命可以完全滿足水電站的運行要求?，F(xiàn)代電網(wǎng)要求機組必須滿足電網(wǎng)調(diào)峰的需要，但這樣機組會頻繁開停機，可能會造成線棒相對位移和定子鐵心翹曲，這是全空冷水輪發(fā)電機組運行人員最關(guān)注的問題之一?，F(xiàn)階段，大型水輪發(fā)電機組將線棒的軸向溫差控制在9.8 ℃以內(nèi)，定子基座采用更加合理的浮動或斜支臂結(jié)構(gòu)，同時，增加了雙鴿尾定位筋等措施，這樣可以將溫度應(yīng)力引起的變形控制在安全范圍內(nèi)，可滿足電網(wǎng)開停機的要求。綜上所述，相比其他冷卻方式，全空冷機組的使用壽命較短，但可完全滿足當前水電站的運行需求。

從冷卻系統(tǒng)自身的結(jié)構(gòu)看，內(nèi)冷發(fā)電機除空冷部分外，增加了純水系統(tǒng)或蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)，因此，空冷發(fā)電機的可用率將高于內(nèi)冷發(fā)電機。相關(guān)數(shù)據(jù)表示，全風冷機組報警和停機信號包括空冷器流量、空冷器冷風溫度；而純水冷卻機組額外還有純水一次水流量、純水二次水流量、純水大泄漏等信號；蒸發(fā)冷卻機組的信號包括冷凝器流量、凝器退出、冷凝器泄露、介質(zhì)液位等。因此，純水和蒸發(fā)冷卻機組停機因素最多，必然會增加運行監(jiān)控的工作量，且提高了機組事故率。

統(tǒng)計某水電站特大型機組一年內(nèi)統(tǒng)計的3種不同冷卻方式的故障次數(shù)發(fā)現(xiàn)，空冷機組Ⅲ級缺陷74條，純水冷卻機組的Ⅲ級缺陷238條、Ⅱ級缺陷79條，蒸發(fā)冷卻機組的Ⅲ級缺陷34條、Ⅰ級缺陷4條。通過上述數(shù)據(jù)分析可知，在可用率、過載能力、使用壽命等方面相差無幾的情況下，全空冷機組在事故率方面明顯低于其他機型。

3 結(jié)束語

經(jīng)過多年理論及實踐研究，特大型水輪發(fā)電機的冷卻方式選取全空冷、半水冷、蒸發(fā)冷卻三種。這3種冷卻方式相比，全空冷機組的運行原理簡單，隨著技術(shù)的不斷進步，特別是發(fā)電機單機容量所需的冷卻風量、總風量與空氣冷卻器出口的有效總風量在不斷減小，風道設(shè)計不斷完善，單位容量耗風量不斷減小，各部位最高耐受溫度限值在不斷提高，這些都為全空冷機組大面積應(yīng)用提供了便利。同時，材料的發(fā)展解決了溫度應(yīng)力可能導致鐵心翹曲和線棒相對位移的問題。在此情況下，全空冷機組固有的結(jié)構(gòu)簡單、安裝工期短、運行維護工作量少等優(yōu)點就變得尤為突出。在可用率、過載能力、使用壽命等方面相同的情況下，空冷機組在特大型水輪發(fā)電機電站中的實際運故障率較低，設(shè)備維護率和經(jīng)濟性較高。綜上所述，全空冷技術(shù)在700 MW級的水輪發(fā)電機中的使用前景較好。

〔編輯：張思楠〕