飛來(lái)峽機(jī)組冷卻系統(tǒng)改造方案分析

［摘要］飛來(lái)峽發(fā)電機(jī)采用較新穎的表面冷卻器，設(shè)計(jì)時(shí)裕度不足，夏季時(shí)表面冷卻器熱交換能力不足，導(dǎo)致冷卻系統(tǒng)不能滿足設(shè)備長(zhǎng)期安全運(yùn)行的要求。文章對(duì)飛來(lái)峽機(jī)組冷卻系統(tǒng)作分析介紹，提出相應(yīng)的改造方案。

［關(guān)鍵詞］發(fā)電機(jī)組；冷卻系統(tǒng)；改造方案

［作者簡(jiǎn)介］劉仕賢，廣東省飛來(lái)峽水利樞紐管理局，廣東清遠(yuǎn)，511825

［中圖分類(lèi)號(hào)］ TM312 ［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］ A ［文章編號(hào)］ 1007-7723（2009）04-0061-0003

一、水利樞紐水電站概況

飛來(lái)峽水利樞紐位于珠江水系北江干流中游的廣東省清遠(yuǎn)市，是以防洪為主，兼有航運(yùn)、發(fā)電等綜合效益的大型水利工程。電站為低水頭徑流式，廠房為河床式。裝有四臺(tái)燈泡貫流式機(jī)組，單機(jī)容量35MW，是目前國(guó)內(nèi)已投運(yùn)同類(lèi)型機(jī)組中容量最大的，總裝機(jī)140MW。

飛來(lái)峽水輪發(fā)電機(jī)組具有良好的性能，水輪發(fā)電機(jī)組的高效率區(qū)較寬，最高效率為95.79%；綜合參數(shù)ns為1079ｍ·kW，為國(guó)內(nèi)同水頭段最高。

發(fā)電機(jī)溫度過(guò)高。當(dāng)河水溫度為30℃時(shí)，當(dāng)機(jī)組帶額定容量39MW，額定功率因素工況發(fā)電機(jī)長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)行時(shí)應(yīng)滿足發(fā)電機(jī)定子線棒、發(fā)電機(jī)鐵芯溫度不超過(guò)120℃，瓦溫不超過(guò)70℃；而實(shí)際發(fā)電機(jī)定子線棒溫度高達(dá)134.2℃，發(fā)電機(jī)定子鐵芯溫度達(dá)112.2℃，正向推力軸承瓦溫達(dá)70.2℃。當(dāng)夏季來(lái)臨河水溫度大于27℃后，機(jī)組將受到溫度高報(bào)警的困擾，為保證設(shè)備安全，機(jī)組被迫限負(fù)荷運(yùn)行。其原因主要是發(fā)電機(jī)冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)欠妥造成的。傳統(tǒng)的燈泡貫流式機(jī)組通常采用較為成熟的冷卻套結(jié)構(gòu)，而飛來(lái)峽發(fā)電機(jī)采用較新穎的表面冷卻器，設(shè)計(jì)時(shí)裕度不足，夏季時(shí)表面冷卻器熱交換能力不足，導(dǎo)致冷卻系統(tǒng)不能滿足設(shè)備長(zhǎng)期安全運(yùn)行的要求，建議應(yīng)對(duì)水冷卻器進(jìn)行改造。

二、飛來(lái)峽機(jī)組冷卻系統(tǒng)介紹

飛來(lái)峽機(jī)組采用的是密閉循環(huán)強(qiáng)迫通風(fēng)的冷卻方式。整個(gè)系統(tǒng)由8臺(tái)軸流風(fēng)機(jī)、8臺(tái)空氣/水熱交換器、2組水/水表面冷卻器、2臺(tái)互為備用的循環(huán)水泵、1個(gè)膨脹水箱及管路等組成。圖1表示了發(fā)電機(jī)“空氣-冷卻水”、“冷卻水-河水”的熱量傳遞方式。

表面冷卻器所使用材料：AlMg4.5MnW28，安裝在機(jī)組泡頭豎井與管形座之間，設(shè)計(jì)時(shí)存在不足，造成飛來(lái)峽水機(jī)組運(yùn)行時(shí)溫度偏高。在機(jī)組試運(yùn)行期間，四臺(tái)機(jī)組普遍出現(xiàn)過(guò)在帶額定負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，定子線圈溫度高于機(jī)組的最高設(shè)計(jì)溫度的現(xiàn)象，特別是1#機(jī)組，定子線圈溫度曾高達(dá)134.2℃，鐵芯溫度達(dá)112.2℃，正向推力瓦溫達(dá)69℃。在夏季，機(jī)組在運(yùn)行時(shí)多次出現(xiàn)了發(fā)電機(jī)風(fēng)溫度高的報(bào)警，使機(jī)組時(shí)有被迫限負(fù)荷運(yùn)行，甚至在減負(fù)荷時(shí)出現(xiàn)了熱風(fēng)溫度高跳閘的事件。后曾多次完善，效果仍不理想，機(jī)組運(yùn)行溫度較高。以1#機(jī)組為例，其運(yùn)行溫度見(jiàn)表1。

此外，由于表面冷卻器布置的局限性，其外部河水流速小，容易造成泥沙淤積和粘聚貝殼之類(lèi)的河水寄生物影響冷卻效果。水生物引起冷卻器表面出現(xiàn)易脫落白色蜂窩狀腐蝕斑點(diǎn)，脫落后腐蝕深度最大達(dá)3mm左右，已多次造成密閉的冷卻系統(tǒng)加壓運(yùn)行時(shí)漏水，機(jī)組被迫停運(yùn)。

三、改造方案

要解決機(jī)組運(yùn)行溫度高的問(wèn)題和提高冷卻系統(tǒng)的可靠性，需對(duì)原系統(tǒng)進(jìn)行徹底的改造?？紤]飛來(lái)峽發(fā)電廠的實(shí)際情況，經(jīng)綜合經(jīng)濟(jì)比較，確定如下改造方案。

保留發(fā)電機(jī)組原表面冷卻器，在流道蓋板上方加裝一組板式冷卻器，通過(guò)水泵從河道取水，經(jīng)新增過(guò)濾器對(duì)板式冷卻器內(nèi)側(cè)冷卻水進(jìn)行二次冷卻。原有表面冷卻器及相關(guān)管路保留，通過(guò)管路及閥門(mén)與新增冷卻器并列。該方案改造風(fēng)險(xiǎn)較小，運(yùn)用中采用冗余方式，原系統(tǒng)與新增系統(tǒng)可彼此備用，可靠性大大提高，維護(hù)檢修方便。

方案的主要優(yōu)點(diǎn)有：兩套冷卻器可獨(dú)立運(yùn)行，以板式冷卻器為主，特別是當(dāng)任一冷卻器出現(xiàn)故障時(shí)，可切換到另一冷卻器運(yùn)行，不影響機(jī)組運(yùn)行；不拆除原有表面冷卻器及相關(guān)管路，可保持流道內(nèi)的水力學(xué)關(guān)系，改造工程量較小。

根據(jù)水泵壓水管路中允許的經(jīng)濟(jì)流速（1.5m/s～5.5m/s），供水管徑選擇d=150mm鋼管。水流通過(guò)管道時(shí)的水力損失，包括沿程摩擦損失hf為10m和局部阻力損失hj為5.38m，管路損失總計(jì)15.38m，選擇Q=214㎡/h，H=25m，P=22KW，型號(hào)為KCP150-125-315臥式離心泵。

外循環(huán)水取自流道取水閥，經(jīng)布置于定轉(zhuǎn)子機(jī)坑14.75層上游側(cè)自潔式過(guò)濾器、水泵、板式冷卻器、流道蓋板孔口回流至流道。內(nèi)循環(huán)水保留原有管路不變，原表面冷卻進(jìn)出口加裝一旁通閥組，正常運(yùn)行情況下，旁通閥組打開(kāi)，表面冷卻器進(jìn)出口閥門(mén)關(guān)閉。

冷卻水泵有兩種啟動(dòng)方式：開(kāi)停機(jī)程序控制、機(jī)旁屏手動(dòng)控制。兩臺(tái)冷卻水泵由機(jī)組LCU的順控模塊根據(jù)運(yùn)行時(shí)間進(jìn)行主、備用輪換，通過(guò)硬布線控制回路設(shè)置了兩臺(tái)水泵不能同時(shí)運(yùn)行。在操作員站上能觀察到水泵的運(yùn)行狀態(tài)、冷卻水泵出口壓力值、冷卻器進(jìn)出口水溫、監(jiān)測(cè)該系統(tǒng)冷卻水流量是否低報(bào)警。

四、機(jī)組冷卻系統(tǒng)完善機(jī)械部分設(shè)計(jì)說(shuō)明

（一）板式水水熱交換器設(shè)計(jì)

1. 冷卻功率設(shè)計(jì)

在額定電壓10.5kV，額定頻率、額定功率因素時(shí)帶39MVA連續(xù)運(yùn)行的情況下（不含軸承損耗和馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的冷卻水泵的損耗），機(jī)組熱損耗產(chǎn)生情況分布見(jiàn)表2。

按定子貼壁式冷卻可直接排出總損耗熱量的25%～30%，取最低值25%計(jì)算，定子貼壁冷卻帶走的熱量173kW，實(shí)際需冷卻器帶走的損耗為519 kW；取60%的裕量計(jì)算，冷卻功率為830 kW。

2. 冷卻流量設(shè)計(jì)

以原冷卻系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)回路盡量不改動(dòng)，減少工程量為原則，冷卻流量取150m³/H；冷卻器外循環(huán)水流量取200m³/H。

3. 工況設(shè)計(jì)

參考原冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)與運(yùn)行實(shí)際數(shù)據(jù)，以保證機(jī)組正常運(yùn)行，熱天額定負(fù)荷運(yùn)行定子線圈溫度不超110℃、正推軸承溫不超65℃為目標(biāo)。

運(yùn)行環(huán)境：飛來(lái)峽河水設(shè)計(jì)最高水溫30℃， 年平均水溫21.9℃，實(shí)測(cè)最高水溫32.2℃，實(shí)測(cè)最低水溫4℃。

確定板式水水熱交換器工況：熱側(cè)39～34℃， 流量150m³/H；冷側(cè)32～35.75℃，流量200m³/H。

（二）供水管徑大小

水水冷卻器外循環(huán)水流量Q=214m³/h，根據(jù)水泵壓水管路中允許的經(jīng)濟(jì)流速（1.5～5.5m/s），則供水管徑 d=

式中：Q——管段的最大計(jì)算流量（m³/s）；

V——管段的計(jì)算流速（m/s），取v= 3.15m/s，代入上述公式得

d=0.150m，選擇d=150mm鋼管。

（三）水泵的選擇

水流通過(guò)管道時(shí)的水力損失，包括沿程摩擦損失hf和局部阻力損失hj，按水力學(xué)公式進(jìn)行計(jì)算。管路損失總計(jì)：

hw=hf+hj=10+5.38=15.38mH2O

（注：hf為水水熱交換器壓力損失，hj沿程及局部損失 ，計(jì)算過(guò)程見(jiàn)機(jī)組冷卻水系統(tǒng)完善水力管路計(jì)算表。）

板式冷卻器外循環(huán)水流量Q=214 m³/h。

選擇揚(yáng)程H不低于20m，Q=200 m³/h離心泵。

（四）過(guò)濾器的選擇

外循環(huán)水取自流道取水閥，運(yùn)行中存在較多的水生物等其他污物。ZPG-I型自動(dòng)沖洗過(guò)濾器是專(zhuān)用水管道上的一種新產(chǎn)品，設(shè)計(jì)合理、使用方便。管道在施工中會(huì)出現(xiàn)大量雜物帶進(jìn)管內(nèi)，在工作運(yùn)轉(zhuǎn)中這些雜物給管道上設(shè)備帶來(lái)極大危害，該產(chǎn)品起到了很大保護(hù)作用，它把所有雜物收到過(guò)濾器內(nèi)，可保護(hù)管道上設(shè)備。該產(chǎn)品在調(diào)試和維修中除污不需要拆卸任何部件，可節(jié)省人力、物力。

工作原理：管道系統(tǒng)在正常工作時(shí)，管道內(nèi)雜物會(huì)收集到過(guò)濾器網(wǎng)內(nèi)排污口上，不需拆卸過(guò)濾器任何部件來(lái)排除污物，只需打開(kāi)排污閥即可排污。（1）在排污前先把過(guò)濾器前閥門(mén)，關(guān)小流量；（2）排污時(shí)把轉(zhuǎn)向閥轉(zhuǎn)向沖洗方向，水從轉(zhuǎn)向閥前部進(jìn)入，往過(guò)濾網(wǎng)外部流過(guò)，然后又從過(guò)濾網(wǎng)外部進(jìn)入轉(zhuǎn)向閥后部，雜物全部集中到排污口上，然后再打開(kāi)排污閥進(jìn)行排污，起到了最佳自動(dòng)反沖洗過(guò)濾器全部功能。外循環(huán)水流量Q=214 m³/h。選擇DSL8型號(hào)自動(dòng)沖洗過(guò)濾器，額定流量250m³/h。

五、水泵設(shè)計(jì)運(yùn)行控制方式

冷卻水泵有兩種啟動(dòng)方式：開(kāi)停機(jī)程序控制、機(jī)旁屏手動(dòng)控制。兩臺(tái)冷卻水泵由機(jī)組LCU的順控模塊根據(jù)運(yùn)行時(shí)間進(jìn)行主、備用輪換，通過(guò)硬布線控制回路設(shè)置了兩臺(tái)水泵不能同時(shí)運(yùn)行。在操作員站上能觀察到水泵的運(yùn)行狀態(tài)、冷卻水泵出口壓力值、冷卻器進(jìn)出口水溫，監(jiān)測(cè)該系統(tǒng)冷卻水流量是否低報(bào)警。

水泵電機(jī)容量為22KW，其額定電流為In=37.4A。電機(jī)采用直接啟動(dòng)，這種啟動(dòng)方式的啟動(dòng)電流為額定電流的5～7倍，按7倍計(jì)算，其啟動(dòng)電流為261.8A。直接啟動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是不必另加啟動(dòng)設(shè)備，操作簡(jiǎn)單，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩足夠大，電氣回路設(shè)計(jì)容易；缺點(diǎn)是啟動(dòng)電流很大。

對(duì)于一般電機(jī)其啟動(dòng)過(guò)程由于電樞回路電阻很小，因此，啟動(dòng)電流將會(huì)很大，這樣大的電流，對(duì)回路中電氣設(shè)備產(chǎn)生不利影響。所以，一般用于小容量電機(jī)的啟動(dòng)。方案中的電機(jī)容量為22KW，采用直接啟動(dòng)方式，故其電氣設(shè)備選擇必須滿足其啟動(dòng)要求。

［參考文獻(xiàn)］

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