特大型水轮发电机冷却方式研究(图)

　　摘要：特大型水轮发电机冷却方式的选择对发电机长期安全可靠运行和电机的使用寿命有着重要的影响。其冷却方式有全空气冷却方式（全空冷）、定子绕组水内冷方式（半水冷）和蒸发冷却方式，以及不常用的空调冷却方式。分析了几种常用冷却方式的优缺点，着重探讨了空调冷却方式的特点、冷却效果及冷风机设备布置，提出将这一冷却方式作为特大型水轮发电机冷却方式，以满足其电机散热的要求。

　　关键词：冷却方式；空调冷却；方案比较；水轮发电机

　　中国分类号：TV734.21　文献标识码：A

　　特大型水轮发电机，其冷却方式的选择对发电机长期安全可靠运行和电机的使用寿命有着重要的影响。目前，国内外较大容量机组常用的冷却方式有全空冷，半水冷和蒸发冷却方式3种，空调冷却方式是极少使用的、尚处在控研阶段的一种冷却方式。随着大型水坝和发电机制造业新技术的发展，水轮机的单机容量正向巨型迈进，目前已超过800MW，呈现出进一步增长的趋势，进入特大型巨型机的行列，采用传统的空气冷却方式已不能满足电机散热的要求。

　　1 水轮发电机组几种常用的冷却方式

　　1.1 全空冷方式

　　水轮发电机所采用的传统冷却方式一般都是空冷。

　　发电机的额定容量可由下式计算：

　　

　　式中Sn为额定容量，kVA；K为常数，对于大容量的水轮发电机，K取1.35×10-12；As为定子线负荷，A/cm；Bδ为空载气隙磁通密度，Gs；Di为定子内径，cm；li为定子铁芯有效长度，cm；nN为转子额定转速，r/min。

　　对应于飞逸转速nr时的发电机转子圆周速度为：

　　式中kr为飞逸系数，kr=nf/nN；nf为转子飞逸转速，r/min。

　　从容量计算式可以看出，空冷水轮发电机的极限容量由电磁负荷、材料强度和定子铁芯长度决定。Bδ值受铁芯材料饱和的限制不宜高于8000Gs。线负荷As的取值与采用的绝缘等级以及冷却方式有关。对于空冷效果较好的大容量水轮发电机，定子线圈采用F级绝缘，A的取值可为800A/cm。叠片磁轭的最大圆周速度可取到170m/s。对于在水电站进行机座装焊、定子铁芯整圆叠装和下线的水轮发电机，lt理论上适宜的最大值取为4m。在以上各量的极限取值下，空冷轮发电机的极限容量由下式计算：

　　

　　空冷水轮发电机的极限容量也可由下列近似公式表述：

　　当额定转速、飞逸转速确定后，空冷电机的极限容量也就确定了。当空冷电机的单机容量不能满足要求时，为了提高电机容量便选择更有效的其他冷却方式。

　　电机的发热状况通常用每极容量来表征。我国现已运行的每极容量最大的大型全空冷机组为：每极容量14.57MVA的二滩电站等机组，目前正在设计制造的为每极容量达19.445MVA的小湾电站机组。除每极容量外，电机的发热与温升主要与槽电流、热负荷及支路的匹配直接相关。全空冷水轮发电机有一个共同的特点，即槽电流通常需控制在5500-6700A，目前扩大到5500-7500A，个别最高值可达8000A。但热负荷不宜突破3000A2/（mm2?cm）。电机的定子铁芯长度对通风冷却性能有较大的影响，对空冷发电机定子铁芯长度也有一定的限制。定子铁芯长度lt>3m时，定子铁芯通风冷却困难，对空冷式机组，铁芯长度过长，铁芯散热条件差，温度分布不均匀，容易产生局部过热，不利于发电机长期稳定运行，制造时装压亦困难。目前单机容量超过500MW典型机组的定子铁芯长度最大值是3.8m。当机组转子外缘周速较高时，其转子自身产生的冷却风量已能够满足通风散热的需要。因此，可以采用无风扇端部回风双路径向密闭自循环全空冷方式。在满足发电机散热需要的前提下，这种冷却方式具有结构简单、运行可靠、维护方便等优点，能有效地减少电厂的二次运行费用。

　　空气冷却的特点是定子绕组绝缘内导体的发热量必须经过绝缘外表向空气散热，或者再经过铁芯传导后向空气散热，这必然导致导体温度升高。当机组立体性尺寸增大，绕组的高温升还会引起定子铁芯的热度变形，以及过大的热应力。电机起停过程中的冷热循环造成绕组伸缩而使绝缘疲劳脱壳，以及与定子槽的相对滑动等，这已经成为大型发电机影响电机可靠性的重要问题。水轮发电机采用空气冷却存在着一些不利于运行可靠性的问题。空冷电机因为热量及温度分布不均匀，定子线棒温度高，铁芯与机座的热应力大，所以硅钢片可能引起拱曲，内膛产生非圆形；甩负荷时，转子的应变增大，即直径比正常运行时大，容易发生“扫膛”（即定转子相撞）的事故。对于负荷变化大、频繁起停的调峰机组，定子线棒在运行的过程中会发生热变形，由于铜导体和外包绝缘的温度热膨胀系数不同而造成的疲劳，会引起绝缘脱壳及老化，产生内部电晕，破坏绝缘。

　　1.2 定子绕组水内冷方式

　　不完全统计，近30-40a，水冷为大型水轮发电机的主要冷却方式。首先内冷技术的采用降低了绕组温升，特别是能有效减小绕组线棒的温差，使整个发电机定子绕组温度分布均匀，延长了绝缘寿命；由于使用内冷方式，发电机定子绕组损耗的发散不再需要定子铁芯负担，定子铁芯的温升由其自身损耗产生，其温升较之空冷方式有很大幅度的降低；内冷电机由于铁芯与机座温差相对较小，铁芯热应力较易控制；内冷技术的应用将大大减小导体与绝缘之间的热应力，避免了绝缘脱壳和内部电晕；定子绕组内冷后，发电机的电磁负荷可提高，结构尺寸有一定程度的减小，特别是转子重量的减小，可降低推力负荷和转子机械应力。例如：当采用水内冷时，由于冷却效果增强了，线负荷可提高到1200A/cm。气隙磁密可取8000-9000Gs，其利用效率约为空冷发电机的1.5倍，极限容量约为空冷发电机的1.5-2倍。水内冷发电机槽电流的控制值约为10000A。

　　水冷与空冷相比，在定子铁芯内径相同条件下，铁芯高度前者为后者的2/3，重量为3/4，转动惯量GD2约为70%，满载时发电机效率大致相同，在部分负荷时，水冷发电机略高。

　　由于空冷发电机定子绕组和铁芯温度高，随着水轮发电机单机容量的增长，定子和转子绕组的热负荷不断提高，大型和特大型发电机采用传统的空气冷却方式，其散热存在一定的问题。国外大型和特大型发电机多采用定子绕组水冷却技术，据统计，全世界大于600MW水轮发电机中采用定子绕组水冷却技术的占85%以上。水内冷技术的使用，改善了上述空冷机组存在的问题。降低了绕组温升，特别是能有效减小绕组线棒的温差，使整个发电机定子绕组温度分布均匀，延长绝缘寿命；使用内冷方式，发电机定子铁芯的温升较之空冷方式有很大幅度的降低，因此内冷电机由于铁芯与机座温差相对较小，铁芯热应力较易控制；内冷技术的应用将大大减小导体与绝缘体之间的热应力，避免约绝缘脱壳和内部电晕；定子绕组内冷后，发电机的电磁负荷可提高，结构尺寸有一定程度的减小，特别是转子重量的减小，可降低推力负荷和转子机械应力。但水内冷技术使用水作为循环冷却介质，虽然具有内冷方式的各种优点，但却存在着不可避免的弊端：除了需要在水电站安装一套复杂的净水系统外，还存在着线棒冷却孔淤堵、接头泄漏及水力钻孔的致命弱点。

　　据国际大电网会议组织调查，水冷的运行可靠性较空冷的低4%-5%，这是用户难以接受水冷的关键[1]。由于水冷方案技术要求高，存在设备复杂、运行工作量大、可能发生故障等问题，故机组在空冷方案满足要求的情况下，不宜采用水冷方案。

　　1.3 定子绕组蒸发冷却方式

　　大型水轮发电机的这下子绕组自循环蒸发冷却技术在冷却效果、安全性等方面与现有的空冷技术和水冷技术相比，有独特之处，针对机组频繁起停的特点，蒸发冷却方式是一个选择。蒸发冷却是一项新型的电机冷却技术。

　　与水冷技术相比，蒸发冷却机组的空心导线内部最高压力为0.03MPa，大约相当于水冷机组的1/20。克服了冷却水泄漏和结垢对安全运行造成的威胁，还可省掉造价高昂、占地较大、维护最大的纯水处理系统，降低了成本，缩短了工期。由于采用了无泵自循环机理，简化了运行维护程序，机组的可靠性得到提高。

　　与空冷技术相比，线棒温度分布均匀，绕组在满负荷时温度不超过65℃，温升约相当于空冷机组允许温升的1/4，绝缘寿命大大延长，在发电机负荷变化时，温升基本不变，大大减少了由于温差大而产生的定子和线棒的摩擦和变形[2]。

　　蒸发冷却是利用高绝缘、低沸点液体腾吸收汽化潜热进行冷却的一种自循环冷却系统，其这下子绕组采用空心铜线和实心铜线组合，空心铜线用于冷却介质（蒸发用介质）通过。当发电机运行时线棒内液态冷却介质受热而汽化，通过线棒上端集汽管，将汽化的冷却介质进入冷凝器液化后又返回线棒下端集液管，液态的介质再次进入线棒内的空心铜线，并再进行新的循环，将电机内部的热量带走进行冷却。

　　蒸发冷却水轮发电机自1983年第1台云南大寨10MW发电机运行以来，相继投运了52.5MW和大容量的400MW发电机，运行时间已接近20a，通过长期运行考验，机组运行可靠，各项性能指标达到预期效果。

　　蒸发冷却过去采用氟里昂类物质CFC113作为冷却介质，因为该种冷却介质对大气臭氧层有破坏作用，将被限制使用。为此，东方电机股份有限公司与中科院电工所从20世纪90年代初开始进行新介质的研究，经过筛选、分析实验、性能测试和机组运行考核等，已确定将Fla、HFC-4310和HFCAR-3000作为今后蒸发冷却系统使用的首选介质，该介质在性能上完全符合使用的要求，蒸发温度适中、流动性好、传热能力强；其将，它属氟碳氮化合物，不含氯元素，因而不会破坏大气臭氧层，无毒、无刺激性、使用安全。Fla已在大寨10MW蒸发冷却水轮发电机上得到应用，并获得了良好的运行效果，但价格较贵。

　　目前，蒸发冷却技术在水轮发电机的应用实践中只采用了半内冷方式，即发电机定子采用蒸发冷却、其他部位采用空冷方式，本文所述的蒸发冷却方式均指半内冷方式。

　　2 几种常用冷却方式的优缺点

　　大型水轮发电机每一种常见的冷却方式都各有优缺点。空冷方式结构简单，运行维护方便，但受转速和容量的限制，且同容量体只庞大；水冷效率远高于空冷且体积相应较小，但结构复杂，且运行维护工作量大；蒸发冷却技术在大容量机组上的运用微乎其微，还存在一些没有解决的问题，未形成完整的产业化、标准化、特别是两相流问题的处理还缺乏准确性。

　　大型水轮机常用冷却方式的优缺点见表1。

表1 大型水轮发电机常用冷却方式优缺点

　　

　　3 空调冷却方式

　　特大型水轮发电机绕组的工作寿命尤其令人关注。西门子公司委托加拿大多伦多大学进行的千次热循环试验证明，国外各名牌厂家的线棒均发生了脱壳现象。线棒与铁芯纵向上的热膨胀差别会造成绝缘与铁芯接触面磨损。发电机端部沿圆周通风及损耗分布不均，造成温升差别大，从而导致端部故障频繁。按照绝缘的8-10℃法则，温度每升高8-10℃，绝缘的寿命就减半，因此特大型水轮发电机绕组冷却发电机绕组冷却方式的冷却效果显得极其重要。目前空调冷却方式还处于研究阶段，本文特此探研将空调冷却方式作为特大型水轮发电机冷却方式的可能性。

　　3.1 特点

　　空调冷却是从机外吸入新鲜空气，经过专门的空调洗涤室喷雾水洗、降温、去温后进入发电机内，冷却完后热空气经管道排出。其优点是：

　　（1）水量消耗非常小，能量消耗也小。

　　（2）由于发电机内热空气的混合，发电机中冷空气从不出现完全饱和现象，故发电机内不会结露。

　　（3）由于可控制较低的风机冷风温度，发电机运行温度稳定热膨胀减少，大大缓解了热变形的问题，绝缘寿命延长。

　　（4）需要空气量较少，通风损耗较少，效率提高。

　　（5）结构简单，比较经济。

　　空调冷却方式的缺点是：金属耗量大、较重[3]。这主要是指设置的金属管路多，这一问题可通过将金属管路转换为工程塑料管路予以解决。

　　3.2 冷却效果计算

　　本文推荐的空调冷却方式是，不从机外吸气，而是从机内吸入发电机冷却后的热风，经空冷风机处理后将冷风送至发电机上下风道进风区，这样可保证机内的冷却气路为密闭循环，空气也不必再进行干燥处理。

　　基于700MW级水轮发电机通风模型试验研究的结果[4]；这一级容量的通风量为300m3/s较为合适，水轮发电机的散热平衡公式为：

　　Q发热风-Q热风出+Q冷风时=Q发冷风

　　设水轮发电机通风热风平均温度为51.3℃，冷风平均温度为30.5℃[4]，下面分析了3种热风置换量情况。

　　（1）如果采用1/3的热风置换量，空冷风机的额定通风量应为100m3/s。设8台空冷风机，每台空冷风机的额定出风量为12.5m3/s，最大出风量为14.4m3/s；设12台空冷风机，每台空冷风机的额定出风量为8.33m3/s，最大出风量为9.6m3/s。300m3/s×51.3℃-100m3/s×51.3℃+100m3/s×t℃=300m3/s×30.5℃，则进入发电机上、下风道进风区的空冷风机冷风温度；t=-11.1℃。

　　（2）如果采用2/3的热风置换量，空冷风机的额定通风量应为200m3/s。设8台空冷风机，每台空冷风机的额定出风量为25m3/s，最大出风量为28.8m3/s；设12台空冷风机，每台空冷风机的额定出风量为16.67m3/s，最大出风量为19.2m3/s。300m3/s×51.3℃-200m3/s×51.3℃+200m3/s×t℃=300m3/s×30.5℃，则进入发电机上、下风道进风区的空冷风机冷风温度；t=20.1℃。

　　（3）如果采用3/3的热风置换量，空冷风机的额定通风量应为300m3/s。设8台空冷风机，每台空冷风机的额定出风量为37.5m3/s，最大出风量为43.2m3/s；设12台空冷风机，每台空冷风机的额定出风量为25m3/s，最大出风量为28.8m3/s，则进入发电机上、下风道进风区的空冷风机冷风湿度；t=30.5℃。

　　第2种方案较为合适。依目前我国冷风机制造水平，可制造出上述参数的空冷风机。其单机压力在100Pa左右，功率为16-48kW。

　　在确定合适的冷却风速参数并完成结构设计后，需通过水轮发电机通风模型试验获取最佳风速，以达到经济实效。

　　3.3 冷风机设备布置

　　图1为以某600W水轮发电机组为例，在发电机机坑四周壁上布置空冷风机，保证机内的冷却气路为密闭循环。气路的设计如下：分上、下两冷风出口，由隔板将冷热风道分开，冷风流对着绕组端部流过，保证绕组端部有良好的冷却效果。

图1 某600W水轮发电机空冷风机冷却方案布置（单位：mm）

　　特大型水轮发电机其机坑直径大，壁厚，利于布置空冷风机时避开发电机出线。

　　4 空冷风机的运行

　　空冷风机在各个季节中的转速应有所不同，以适应机组负荷的需要。在春、秋季（约占全年时间的36%），空冷风机以中速运行，不仅节约厂用电，还能降低噪声；在冬季（约占全年48%），空冷风机以低速运行，可更好地满足节能、降低噪声和防冻要求；在夏季（约占全年16%），空冷风机则以高速和满速运行，以多发电、多带负荷。采用变频调速技术后则可实现上述要求，并可延长设备的使用寿命，实现风机的软启动、远程控制和自动控制，特别适用于不允许空冷风机停机的场合。据资料，转速降低10%，约可减少能耗30%。

　　为防止因长期运行后冷却空气泄露等原因而造成风量不足，在空冷风机上设置空气过滤器，可随时补充因泄露而减少的空气。

　　5 结语

　　近几年来，龙滩、小湾、构皮滩、瀑布沟、锦屏、拉西瓦、向家坝、溪洛渡等一批大型水电站相继开工建设，其中有些项目的部分工程已投产发电；金沙江流域水电开发全面启动，溪洛渡电站于2007年11月8日实现截流。截至2007年底，水电发电设备容量达1.45亿kW，水轮机的单机容量随之向巨型迈进，水电在国民经济建设中将发挥越来越重要的作用。随着水电建设步伐的加快，水轮发电机的质量、工作寿命令人关注，本文详细分析了大型水轮发电机几种常用的冷却方式，针对其存在的不足和问题，探研了采用空冷风机的空调冷却方式作为特大型水轮发电机的冷却方式。作者认为空冷风机的空调冷却方式经济，能达到有效的冷却效果。

　　参考文献：

　　[1]阮琳大型发电机冷却方式的发展及特点电世界，2001，（6）

　　[2]阮琳，顾国彪蒸发冷却技术的发展进步及现存技术难点电世界，2001（7）

　　[3]水电站机电设计手册--水力机械篇北京；水利电力出版社，1983

　　[4]安志华，刘双等 700MW级水轮发电机通风模型试验研究大电机技术，2006，（3）