節(jié)能型整體片式水輪發(fā)電機(jī)空氣冷卻器研發(fā)與應(yīng)用

馮艷蓉，佟德利

（豐滿發(fā)電廠，吉林吉林 132108）

節(jié)能型整體片式水輪發(fā)電機(jī)空氣冷卻器研發(fā)與應(yīng)用

馮艷蓉，佟德利

（豐滿發(fā)電廠，吉林吉林 132108）

長期以來，水輪發(fā)電機(jī)空氣冷卻器采用傳統(tǒng)的繞簧式結(jié)構(gòu)，該空氣冷卻器制造工藝復(fù)雜、散熱性差、散熱管剛度弱、體積大、檢修維護(hù)不方便等弱點(diǎn)，在總結(jié)國內(nèi)外各類水輪發(fā)電機(jī)空氣冷卻器的設(shè)計(jì)、制造、安裝、運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，借鑒當(dāng)前汽車制造行業(yè)冷卻器的特點(diǎn)，自行研發(fā)、制造出節(jié)能型水輪發(fā)電機(jī)空氣冷卻器。經(jīng)過5年多現(xiàn)場實(shí)際運(yùn)行的考驗(yàn)，其運(yùn)行性能良好，為水輪發(fā)電機(jī)空氣冷卻改造和新電站空氣冷卻器的選用探索出了一條新路。

節(jié)能型；整體片式；水輪發(fā)電機(jī)；空氣冷卻器；研發(fā)；應(yīng)用

0 概述

長期以來，水輪發(fā)電機(jī)空氣冷卻器采用傳統(tǒng)的繞簧式結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)形式在發(fā)電機(jī)空氣冷卻系統(tǒng)中通用了半個世紀(jì)，由于受到加工條件的限制和認(rèn)識上的不足，水電機(jī)組新型的空氣冷卻器制作技術(shù)并沒有得到研制和開發(fā)，20世紀(jì)末21世紀(jì)初，空氣冷卻器的發(fā)展有了很大改觀，出現(xiàn)了針刺式和單管片式空氣冷卻器。豐滿發(fā)電廠一期工程安裝的8臺機(jī)組經(jīng)過半個世紀(jì)的長期運(yùn)行，原繞簧式空氣冷卻器銹蝕嚴(yán)重，需要對該設(shè)備進(jìn)行更換。鑒于原繞簧式空氣冷卻器、單管針式空氣冷卻器、單管片式空氣冷卻器的特點(diǎn)，這些冷卻器在運(yùn)行中都有散熱性差、散熱管剛度弱、體積大、檢修維護(hù)不方便等弱點(diǎn)，有必要研發(fā)新型、高效節(jié)能空氣冷卻器。

豐滿發(fā)電廠通過科學(xué)論證和廣泛的調(diào)查研究，在總結(jié)國內(nèi)外各類水輪發(fā)電機(jī)空氣冷卻器的設(shè)計(jì)、制造、安裝、運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，借鑒當(dāng)前汽車制造行業(yè)冷卻器的特點(diǎn)，自行研發(fā)、制造出節(jié)能型水輪發(fā)電機(jī)空氣冷卻器。經(jīng)過6年多（兩次汛期大發(fā)電）現(xiàn)場實(shí)際運(yùn)行的考驗(yàn)，其運(yùn)行性能良好，為水輪發(fā)電機(jī)空氣冷卻器改造和新電站空氣冷卻器的選用探索出了一條新路。

1 節(jié)能型空氣冷卻器研發(fā)方案的確定

經(jīng)過廣泛調(diào)研了解到，國內(nèi)外生產(chǎn)的水輪發(fā)電機(jī)空氣冷卻器的形式有三種，管繞簧式、單管針式、單管片式。這三種冷卻器的結(jié)構(gòu)尺寸大、效率低。目前，汽車制造業(yè)發(fā)展很快，而汽車上的冷卻器不僅結(jié)構(gòu)尺寸小，而且冷卻效果好。鑒于上述調(diào)研結(jié)果，我們從汽車制造業(yè)應(yīng)用的冷卻器獲得設(shè)計(jì)靈感，在綜合汽車?yán)鋮s器、水輪發(fā)電機(jī)空氣冷卻器諸多優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，研發(fā)節(jié)能、高效、適應(yīng)水輪發(fā)電機(jī)長期可靠運(yùn)行的新型空氣冷卻器是十分重要的。課題組經(jīng)過詳細(xì)的計(jì)算與分析，在保證原發(fā)電機(jī)空氣冷卻器運(yùn)行效果的前提下，確定研發(fā)新的節(jié)能型整體片式空氣冷卻器，該冷卻器不僅具有體積小、結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)計(jì)合理、制造成本低、冷卻效果明顯、整體剛度強(qiáng)、運(yùn)行可靠、便于檢修等特點(diǎn)，而且可節(jié)約大量水能。因此，課題組將設(shè)計(jì)、制造節(jié)能型整體片式空氣冷卻器作為主攻目標(biāo)。

目前發(fā)電機(jī)空氣冷卻器結(jié)構(gòu)形式主要有單管繞簧式（見圖1）、單管針式、單管片式和我們新研發(fā)的整體片式（見圖2），其優(yōu)缺點(diǎn)對比見表1。

節(jié)能型空氣冷卻器與繞簧式相比有明顯的優(yōu)勢：

（1）風(fēng)阻低。整體片式空氣冷卻器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，風(fēng)道的阻力小于繞簧式，發(fā)電機(jī)熱風(fēng)通過風(fēng)道時風(fēng)速較快，故熱風(fēng)室壓力較低，冷卻效果較好。

（2）體積小。因整體片式結(jié)構(gòu)散熱面積遠(yuǎn)大于繞簧式，經(jīng)周密計(jì)算，綜合考慮空氣冷卻器的厚度和散熱面積的關(guān)系，新冷卻器的冷卻銅管的數(shù)量由原來的96根降低到64根，即新冷卻器的冷卻銅管比繞簧式減少兩排，其散熱面積為繞簧式的1.3倍，而新冷風(fēng)器的厚度比原來減薄90 mm，設(shè)備的檢修空間大。散熱面積大。在空氣冷卻器結(jié)構(gòu)尺寸、紫銅管數(shù)量相同的情況下，節(jié)能型整體片式散熱面積是繞簧式結(jié)構(gòu)的1.6倍，遠(yuǎn)大于繞簧式空氣冷卻器，且還有減小結(jié)構(gòu)尺寸的空間。

（3）散熱效率高。節(jié)能型冷風(fēng)器散熱面積為繞簧式的1.3倍，其散熱效率較繞簧式提高約30%。

（4）冷卻用水量小。新冷卻器的冷卻銅管數(shù)量由原來的96根降低到64根，比繞簧式冷卻器減少了三分之一。機(jī)組運(yùn)行時，空氣冷風(fēng)器進(jìn)出口壓力相同時，可節(jié)約發(fā)電機(jī)空氣冷風(fēng)器用水量約三分之一。

（5）制造成本低。因新型冷風(fēng)器的散熱材料為0.2 mm厚黃銅板取代原繞簧式空氣冷卻器的紫銅漆包線、冷卻紫銅管數(shù)量少、結(jié)構(gòu)尺寸小等，制造一臺機(jī)組整體片式空氣冷卻器比繞簧式冷卻器的成本費(fèi)減少約三分之一。

（6）檢修維護(hù)方便。新冷風(fēng)器檢查、維護(hù)、清掃方便。

（7）冷卻器剛度大、整體性好，延長了使用壽命。繞簧式空氣冷卻器是單根結(jié)構(gòu)，互相之間的固定方式除上、下端板固定之外，中間再由木制夾板加以固定，運(yùn)行時間長了以后容易松動，形成繞簧松動或漏水等現(xiàn)象發(fā)生；整體片式冷卻器結(jié)構(gòu)從散熱片、紫銅管與整個空氣冷卻器支架完全合成一個整體，冷卻器剛度大、整體性好，從根本上解決了冷卻銅管根部抗振性小、易松動問題，延長了冷風(fēng)器的使用壽命。

2 冷卻器的設(shè)計(jì)、制造、安裝

為了確保節(jié)能型水輪發(fā)電機(jī)空氣冷卻器研發(fā)質(zhì)量，在實(shí)際工作中重點(diǎn)抓好設(shè)計(jì)、制造、安裝三大環(huán)節(jié)，嚴(yán)把質(zhì)量關(guān)。

（1）冷卻器的設(shè)計(jì)

為了確保水輪發(fā)電機(jī)空氣冷卻器的設(shè)計(jì)質(zhì)量，豐滿發(fā)電廠工程技術(shù)人員考慮到同平面外形尺寸整體片式結(jié)構(gòu)散熱面積遠(yuǎn)大于繞簧式，在滿足散熱面積前提下，經(jīng)周密計(jì)算，綜合考慮空氣冷卻器的厚度和散熱面積的關(guān)系，新冷卻器的冷卻銅管的數(shù)量由原來的96根降低到64根，即新冷卻器的冷卻銅管比繞簧式減少兩排，冷卻器的厚度比原來減薄90mm，其散熱面積為是繞簧式結(jié)構(gòu)的1.3倍。在此基礎(chǔ)上，重點(diǎn)考慮散熱銅片沖孔公差、加強(qiáng)筋、增大沖片與紫銅管的接觸面積、散熱銅片和紫銅管固定等要點(diǎn)，設(shè)計(jì)空氣冷卻器的各部結(jié)構(gòu)圖紙。節(jié)能型空氣冷卻器設(shè)計(jì)圖紙經(jīng)過專家的審查后，投入生產(chǎn)。

（2）冷卻器的制造

為了確保整體片式空氣冷卻器的制造質(zhì)量，根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙的要求，電站配件修造廠根據(jù)現(xiàn)有的加工設(shè)備制定了空氣冷卻器端板加工、空氣冷卻器整體框架加工、散熱片整體穿片、紫銅管拉脹脹管操作、整體組裝裝配、打壓試驗(yàn)等工藝。同時，專門設(shè)計(jì)、加工空氣冷卻器沖片模具及冷卻器工裝。經(jīng)過努力，整體片式空氣冷卻器經(jīng)有關(guān)技術(shù)人員的驗(yàn)收，滿足設(shè)計(jì)及現(xiàn)場需要。

（3）冷卻器的安裝

在安裝前進(jìn)行了大量的現(xiàn)場試驗(yàn)等準(zhǔn)備工作，編寫了“豐滿6號水輪發(fā)電機(jī)空氣冷卻器現(xiàn)場施工方案”。拆除舊空氣冷卻器，對新冷卻器進(jìn)行現(xiàn)場耐壓試驗(yàn)，安裝新冷卻器。新冷卻器安裝后，根據(jù)發(fā)電機(jī)檢修規(guī)程的要求，對6號發(fā)電機(jī)整體片式空氣冷卻器進(jìn)行了現(xiàn)場試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明滿足廠《發(fā)電機(jī)檢修規(guī)程》的要求，6號機(jī)組于2003年9月21日投入系統(tǒng)運(yùn)行。

3 運(yùn)行情況

新節(jié)能型整體片式空氣冷卻器在豐滿6號發(fā)電機(jī)上已經(jīng)運(yùn)行了6年，實(shí)際運(yùn)行情況表明，節(jié)能型整體片式空氣冷卻器投入運(yùn)行后，發(fā)電機(jī)的運(yùn)行效果明顯好于原繞簧式空氣冷卻器，通過對6號發(fā)電機(jī)冷卻器改造前后運(yùn)行參數(shù)的比較，卷線溫度最高點(diǎn)分別下降22℃，卷線溫度平均溫度分別下降了約20℃，采用新型冷風(fēng)器的六號機(jī)的冷風(fēng)溫度很均勻，熱風(fēng)溫度平均溫度分別下降12℃，新空氣冷卻器的熱交換效率高。

綜上所述，6年來，新冷卻器運(yùn)行穩(wěn)定，沒有出現(xiàn)任何缺陷，發(fā)電機(jī)的冷卻效果非常良好，與原繞簧式空氣冷卻器相比，具有體積小、結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)計(jì)合理、節(jié)約大量冷卻水能（三分之一）、運(yùn)行可靠、檢修方便、阻力小、冷卻效率高、傳熱性能好、卷線溫度低（下降約20℃）、使用壽命長等諸多優(yōu)點(diǎn)，它是一種新型、節(jié)能、散熱效率高的空氣冷卻器；整體片式空氣冷卻器未出現(xiàn)任何缺陷，運(yùn)行安全可靠，為確保6號機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行做出了貢獻(xiàn)。

4 效果

為了檢驗(yàn)節(jié)能型整體片式空氣冷卻器在6號發(fā)電機(jī)上運(yùn)行效果，豐滿發(fā)電廠委托東北電力科學(xué)研究院，對6號發(fā)電機(jī)進(jìn)行通風(fēng)與溫升試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明發(fā)電機(jī)通風(fēng)的風(fēng)摩損耗小232.75 kW （通風(fēng)損耗率為0.27%）、發(fā)電機(jī)定子鐵芯背部延軸向溫度分布均勻，發(fā)電機(jī)通風(fēng)效果良好。6號發(fā)電機(jī)溫升試驗(yàn)結(jié)果表明：定子繞組、轉(zhuǎn)子繞組最大溫升分別為41.49℃和41.76℃。而該發(fā)電機(jī)定子、轉(zhuǎn)子最大溫升是100℃和80℃，這樣，發(fā)電機(jī)定子、轉(zhuǎn)子溫升余度很大，由此可見，新的節(jié)能型整體片式空氣冷卻器應(yīng)用到6號發(fā)電機(jī)后，空氣冷卻器冷卻效果十分明顯。

由此可見，制造一臺機(jī)組整體片式空氣冷卻器比繞簧式冷卻器的成本（散熱材料、冷卻銅管、鋼板等）減少約三分之一、節(jié)約發(fā)電機(jī)冷卻用水三分之一，即每年可節(jié)約用于發(fā)電機(jī)冷卻的水能約600萬m3，這些水可增發(fā)電量86.13萬度，每年創(chuàng)直接經(jīng)濟(jì)效益19.1萬元。

綜上所述，新研發(fā)的節(jié)能型整體片式空氣冷卻器不僅體積小、結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)計(jì)合理、制造成本低、冷卻效果明顯、節(jié)約大量水能、整體剛度強(qiáng)、運(yùn)行可靠、便于檢修、運(yùn)行穩(wěn)定等特點(diǎn)，而且該冷卻器是一種新型、節(jié)能、散熱效率高的空氣冷卻器，具有廣泛的推廣應(yīng)用前景。

book=8,ebook=19

TM301.4+1

B

1672-5387（2010）04-0008-03

2010-05-08

馮艷蓉，女,高級工程師，從事水電廠生產(chǎn)技術(shù)管理工作。