南津渡水電站發(fā)電機(jī)冷卻系統(tǒng)技術(shù)改造初探

陳敬明

（湖南省南津渡水電站 永州市 425100）

南津渡水電站位于湖南省永州市境內(nèi)，是一座集防洪、供水、發(fā)電、航運(yùn)等綜合利用的水電樞紐工程，也是湘江支流瀟水流域水電梯級(jí)開(kāi)發(fā)的最后一個(gè)梯級(jí)電站，距湘江河口7 km，壩址控制流域面積11 791 km2，總庫(kù)容為6 100萬(wàn)m3，電站總裝機(jī)容量為60 MW，為奧地利ELIN 公司低水頭徑流式燈泡貫流式機(jī)組，單機(jī)容量20 MW。 1991年發(fā)電機(jī)冷卻系統(tǒng)投運(yùn)后效果一直不理想，線棒滿負(fù)荷運(yùn)行最高溫度達(dá)120℃，導(dǎo)致機(jī)組線棒在運(yùn)行10年后事故不斷，冷卻系統(tǒng)改造刻不容緩。

1 機(jī)組冷卻系統(tǒng)基本情況

1.1 冷卻方式

發(fā)電機(jī)現(xiàn)有通風(fēng)冷卻系統(tǒng)采用的是密閉循環(huán)強(qiáng)迫通風(fēng)的冷卻方式，冷卻系統(tǒng)是完全獨(dú)立的，它由4臺(tái)軸流風(fēng)機(jī)、8 臺(tái)空氣水熱交換器、2 臺(tái)冷卻水泵、1個(gè)錐形冷卻套等組成，具有兩個(gè)密閉循環(huán)冷卻系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)兩次熱交換進(jìn)行冷卻，如圖1 冷卻水系統(tǒng)示意圖所示。 通過(guò)空氣水熱交換器后的冷空氣由軸流風(fēng)機(jī)吹至轉(zhuǎn)子的下游側(cè)，流經(jīng)磁極端部、定子支架、磁極間氣隙、磁極與定子線圈間氣隙等，在上游側(cè)端部匯合后通過(guò)空氣水熱交換器再次進(jìn)入軸流風(fēng)機(jī)，達(dá)到對(duì)發(fā)電機(jī)定子、轉(zhuǎn)子的冷卻，這便是密閉氣循環(huán)?？諝馑疅峤粨Q器中所產(chǎn)生的熱水通過(guò)冷卻套時(shí)，由流道中的河水對(duì)其進(jìn)行冷卻，冷卻后的冷水經(jīng)水泵送入空氣水熱交換器中再次對(duì)發(fā)電機(jī)的熱風(fēng)進(jìn)行冷卻，這便是密閉水循環(huán)。

圖1 冷卻水示意圖

電站冷卻水系統(tǒng)在為發(fā)電機(jī)提供冷卻水的同時(shí)還為軸承油系統(tǒng)、調(diào)速器油系統(tǒng)提供冷卻水，軸承油冷卻水的流量是受恒溫控制器控制的，原冷卻水系統(tǒng)原理圖如圖2 所示。

1.2 現(xiàn)階段冷卻效果及原因分析

圖2 冷卻水系統(tǒng)原理圖（改造前）

運(yùn)行發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有冷卻系統(tǒng)的冷卻效果很不理想，發(fā)電機(jī)線棒仲夏運(yùn)行的最高溫度達(dá)120℃，發(fā)電機(jī)燈泡頭環(huán)境溫度最高達(dá)45℃，對(duì)發(fā)電機(jī)組絕緣造成極大的危害。 造成的原因有三個(gè)方面：

（1）設(shè)計(jì)時(shí)冷卻器的熱交換功率不夠，達(dá)不到冷卻效果的要求。

首先對(duì)原有空氣水熱交換器的熱交換功率進(jìn)行核算：

根據(jù)在熱量交換過(guò)程中的熱量守恒定律進(jìn)行計(jì)算，在同一時(shí)間段內(nèi)空氣水熱交換器中水溫度升高所吸收的熱量等于空氣溫度降低所釋放的熱量。

1 小時(shí)內(nèi)水溫升高所吸收的熱量為：

1 小時(shí)內(nèi)空氣溫度降低所釋放的熱量為：

空氣與水在1 小時(shí)內(nèi)所交換的熱量大致平衡，電站現(xiàn)有8 臺(tái)空氣水熱交換器的熱交換功率為360 kW。

缺容計(jì)算：（449-360）/360=24.7%

上述計(jì)算說(shuō)明在最初設(shè)計(jì)時(shí)空氣水熱交換器的熱交換功率沒(méi)有達(dá)到設(shè)計(jì)的要求。

鑒于電站使用的ELIN公司設(shè)計(jì)的空氣水熱交換器在冷卻水的進(jìn)出口均未設(shè)計(jì)溫度表計(jì)，電站當(dāng)時(shí)也未加裝，所以無(wú)法統(tǒng)計(jì)歷年來(lái)水溫的變化情況。 從2005年以及2007年對(duì)發(fā)電機(jī)熱風(fēng)、冷風(fēng)的溫度統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來(lái)看，冷卻氣體溫度平均降溫為20℃左右，并沒(méi)有達(dá)到設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)25.6℃，這也進(jìn)一步說(shuō)明了空氣水熱交換器存在缺容現(xiàn)象。

（2）冷卻套與河水的熱交換不夠充分。

冷卻套的外壁較厚且與河水直接接觸的面積有限，影響了熱對(duì)流的效果，導(dǎo)致空氣水熱交換器中的熱水沒(méi)到降到所要求的溫度，從而降低了機(jī)組的冷卻效果，特別是在夏天環(huán)境溫度較高的時(shí)候更是如此，定子線棒極限運(yùn)行溫度達(dá)120℃，對(duì)定子線棒和機(jī)組的長(zhǎng)期安全穩(wěn)定運(yùn)行不利，同時(shí)縮短設(shè)備壽命。

（3）冷卻計(jì)算時(shí)ELIN 進(jìn)水溫度取得較低，而實(shí)際溫度比計(jì)算取值高。

ELIN 公司在設(shè)計(jì)空氣水熱交換器的進(jìn)口水溫時(shí)所考慮的河水溫度比我國(guó)低，而實(shí)際上空氣水熱交換器的進(jìn)水口水溫比設(shè)計(jì)值要高，導(dǎo)致冷水與熱空氣之間的溫差變小，溫差越小，熱對(duì)流時(shí)所帶走的熱量越少，從而降低了空氣水熱交換器的冷卻效果。

2 冷卻系統(tǒng)更新改造的可行性分析

飛來(lái)峽、大源渡等電站改造前與南津渡電站的冷卻方式是一樣的，冷卻水系統(tǒng)均為密閉循環(huán)強(qiáng)迫通風(fēng)的冷卻方式，后來(lái)均改為復(fù)式冷卻，即利用外置冷卻器對(duì)錐形冷套出來(lái)的冷水再進(jìn)行一次冷卻，進(jìn)一步降低發(fā)電機(jī)空冷器的進(jìn)水口水溫，從而提高了熱空氣與冷水之間的溫差，增強(qiáng)了空氣水熱交換器的冷卻效果，使得線棒的溫度得到進(jìn)一步的降低。

根據(jù)同類型機(jī)組廣州飛來(lái)峽電站采用增加1組板式冷卻器對(duì)冷卻系統(tǒng)改造后運(yùn)行1年的情況來(lái)看，在環(huán)境溫度最高時(shí)，機(jī)組額定工況下運(yùn)行安全穩(wěn)定，達(dá)到改造設(shè)計(jì)要求，能將發(fā)電機(jī)線圈溫度降低9℃左右。

附表為飛來(lái)峽電站改造前后的冷卻效果對(duì)照表。

附表 飛來(lái)峽電站改造前后的冷卻效果對(duì)照表 ℃

從多個(gè)ELIN 進(jìn)口燈泡貫流機(jī)組的冷卻系統(tǒng)改造的經(jīng)驗(yàn)看，改造是可行的。

3 更新改造的步驟安排及預(yù)計(jì)效果

運(yùn)行近20年后，3 臺(tái)機(jī)組的線棒均有不同程度的損壞，已全部更換為國(guó)內(nèi)線棒，為保證更換線棒后的機(jī)組能在合適的溫度環(huán)境下運(yùn)行，延長(zhǎng)它的使用壽命，3 臺(tái)機(jī)組的冷卻系統(tǒng)必須進(jìn)行更新改造。 改造分三個(gè)階段安排：

第一階段：安裝分體空調(diào)（每臺(tái)機(jī)約5 kW），根據(jù)空調(diào)的功率與發(fā)電機(jī)燈泡頭的冷卻空間容積相匹配來(lái)計(jì)算，將發(fā)電機(jī)燈泡頭的空氣溫度降低10℃左右，即保證燈泡頭的溫度最高在35℃左右，全面改善泡頭環(huán)境溫度，預(yù)計(jì)線棒降溫（1～2）℃。

第二階段：對(duì)冷卻介質(zhì)進(jìn)行強(qiáng)迫冷卻，根據(jù)廣州飛來(lái)峽電站冷卻系統(tǒng)成功改造成后的經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，計(jì)算線棒降溫為（8～10）℃。

第三階段：對(duì)空冷器進(jìn)行增容更換，增大冷卻風(fēng)量，進(jìn)一步降低線棒溫度，力爭(zhēng)降溫（3～5）℃。

4 機(jī)組冷卻系統(tǒng)改造（第二階段）技術(shù)方案設(shè)計(jì)

4.1 方案選擇

通過(guò)對(duì)同類型燈泡貫流式機(jī)組的考察和分析，不同電站根據(jù)自身機(jī)組的情況以及水質(zhì)情況一般采取兩種改造方案：一是由原來(lái)的密閉式內(nèi)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)改造為開(kāi)放式外循環(huán)冷卻水系統(tǒng)（如廣州的白垢電站），改造后的系統(tǒng)圖如圖3 所示；二是復(fù)式冷卻，在不改變?cè)欣鋮s系統(tǒng)設(shè)備的基礎(chǔ)上增加一組板式冷卻器（如廣州飛來(lái)峽電站），對(duì)原有冷卻水進(jìn)行二次冷卻（如圖4 所示），兩種方案均能達(dá)到所要求的冷卻效果。 方案一的缺點(diǎn)是洪水季節(jié)水質(zhì)對(duì)冷卻水設(shè)備及管道會(huì)產(chǎn)生腐蝕以及微生物在管道內(nèi)壁的粘附會(huì)造成管道內(nèi)流態(tài)的改變，增加檢修的工作量和設(shè)備潛在的風(fēng)險(xiǎn)，所以只適用于水質(zhì)情況比較好的電站；方案二雖然需要增加一組平板冷卻器，卻避免了上述風(fēng)險(xiǎn)的發(fā)生，并且可以做到和外循環(huán)一樣的冷卻效果，并且從梧州長(zhǎng)洲電站內(nèi)安裝的4個(gè)廠家（東電、哈電、天阿、東芝）16 臺(tái)機(jī)組看密閉循環(huán)冷卻系統(tǒng)是主流和發(fā)展方向。所以建議采用方案二，需要考慮南津渡水電站機(jī)組的安裝比較緊湊，發(fā)電機(jī)層和抗壓蓋板上空閑空間均不多，需要優(yōu)化設(shè)備的布置。

4.2 整體布置及開(kāi)孔說(shuō)明

圖3 冷卻水系統(tǒng)原理圖（改造后）

圖4 復(fù)式冷卻系統(tǒng)圖

進(jìn)水、取水口均可布置在抗壓蓋板的下面，需要注意的是考慮到抗壓蓋板和導(dǎo)流板之間的水幾乎為死水，流動(dòng)緩慢，淤泥沉積，建議將進(jìn)出水口均穿過(guò)導(dǎo)流板伸入到流道內(nèi)，并在進(jìn)出水口安裝過(guò)濾網(wǎng)，進(jìn)水口安裝在出水口的上游側(cè)，兩臺(tái)水泵均安裝在抗壓蓋板上，見(jiàn)圖5。

圖5 抗壓蓋板設(shè)備平面布置圖

考慮到發(fā)電機(jī)層和抗壓蓋板上所空閑的空間均不多，以及避免大修時(shí)增加拆卸的設(shè)備，建議將過(guò)濾器和板式冷卻器均安裝在水泵房的走廊上，雖然增加了一部分管道，但便于安裝，巡視、維修和整體布置，見(jiàn)圖6。

5 結(jié)語(yǔ)

電站冷卻水系統(tǒng)的更新改造計(jì)劃3年內(nèi)完成，改造完成后發(fā)電機(jī)組定子線棒的最高運(yùn)行溫度在100℃，將大為改善發(fā)電機(jī)運(yùn)行環(huán)境，延長(zhǎng)機(jī)組的使用壽命。

圖6 水泵房走廊設(shè)備平面布置圖