1000MW水輪發(fā)電機定子空冷和蒸發(fā)冷卻方式的對比分析

阮琳，陳金秀，顧國彪

(中國科學(xué)院電工研究所，北京100190)

1000MW水輪發(fā)電機定子空冷和蒸發(fā)冷卻方式的對比分析

阮琳，陳金秀，顧國彪

(中國科學(xué)院電工研究所，北京100190)

白鶴灘水電站是金沙江下游水電開發(fā)的第二個梯級電站，計劃裝設(shè)14臺單機容量為1000MW的機組。目前全球范圍內(nèi)沒有該容量機組的設(shè)計、制造經(jīng)驗，其中冷卻方式的選型是一個非常關(guān)鍵的問題。本文首先依據(jù)該機組的基本參數(shù)分別提出了定子空冷和蒸發(fā)冷卻初步電磁方案的設(shè)計，并在此基礎(chǔ)上開展了電磁場的相關(guān)仿真并獲取熱源分布;其次，開展了兩種方案的三維溫度場仿真，從電機尺寸、材料消耗、介質(zhì)用量以及熱性能等多方面全面對比了兩種冷卻方案，為未來發(fā)電機招標(biāo)冷卻技術(shù)的選型提供有價值的參考。

1000MW水輪發(fā)電機;蒸發(fā)冷卻;三維溫度場;綜合性能對比

1 引言

在三峽機組引進(jìn)、消化、吸收和部分創(chuàng)新的基礎(chǔ)上，中國水電用7年的時間實現(xiàn)了30年的跨越發(fā)展，國內(nèi)已經(jīng)形成較為完善成熟的巨型機組設(shè)計、試驗研究、材料供應(yīng)和制造的產(chǎn)業(yè)鏈［1］。此時，依托白鶴灘水電站的開發(fā)，開展1000MW水輪發(fā)電機組的研制，掌握和發(fā)展1000MW水輪發(fā)電機組的關(guān)鍵技術(shù)，必將推動我國特大型水電設(shè)備設(shè)計制造技術(shù)的創(chuàng)新和發(fā)展，全面提升我國電工裝備國際競爭力。

然而，1000MW級水輪發(fā)電機組研究是一個大型系統(tǒng)工程，涉及工程經(jīng)濟、水力、機械、電氣、材料、工藝等課題的研究，需要結(jié)合電站的工程實際，從廣泛的角度系統(tǒng)地進(jìn)行創(chuàng)新研究。其中機組的材料選型、冷卻技術(shù)以及相關(guān)測試技術(shù)都是亟待解決的問題。傳統(tǒng)冷卻方式如水內(nèi)冷技術(shù)過于復(fù)雜，冷卻系統(tǒng)組裝困難，存在很大的安全運行隱患，所以在百萬千瓦機組的定子冷卻方式選型中，水內(nèi)冷基本被排除，成熟的可選技術(shù)方案只有空冷和蒸發(fā)冷卻技術(shù)［2-5］。

對于大容量長鐵心的水輪發(fā)電機，由于定子線棒長度特別長，線棒截面匝數(shù)多，股線間及股線不同位置的散熱條件不同，加上由于擠流效應(yīng)產(chǎn)生的股線渦流差值，空冷方式作為一種外冷方式將導(dǎo)致定子繞組溫差特別大，這將大幅降低絕緣壽命。此外，由于導(dǎo)線銅導(dǎo)體與外包絕緣材料的熱膨脹系數(shù)相差較大，加上兩者之間具有較大的溫差，運行時其熱膨脹差值大，將會在導(dǎo)體與絕緣間產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，從而出現(xiàn)脫殼擊穿燒毀絕緣的危險［6］。根據(jù)設(shè)計院的設(shè)計參數(shù)，1000MW的水輪發(fā)電機組額定電壓需提高到24kV［7］，定子線棒主絕緣在現(xiàn)有20kV電機所采用的主絕緣基礎(chǔ)上必須增厚，此時對于空冷方式，線棒徑向溫度梯度又進(jìn)一步加大，使得上述熱應(yīng)力問題更為嚴(yán)重。

對于大型和超大型水輪發(fā)電機，蒸發(fā)冷卻技術(shù)作為一種內(nèi)冷技術(shù)，利用介質(zhì)相變換熱帶走定子繞組的熱量，降低繞組溫升，特別是能有效減小繞組的溫差，使整個發(fā)電機定子繞組溫度分布均勻，消除了主絕緣上的熱傳導(dǎo)溫差，從而大大減少熱應(yīng)力，提高絕緣壽命。由于采用內(nèi)冷方式，絕緣上不承受溫降，絕緣可適當(dāng)加厚，從而可以提高電壓等級，減輕輸變電系統(tǒng)開關(guān)部件的壓力，可靠性也相應(yīng)提高。所以蒸發(fā)冷卻方式的應(yīng)用使得發(fā)電機電壓等級的選擇更具靈活性［8］。

蒸發(fā)冷卻發(fā)電機定子繞組損耗不再需要定子鐵心的傳導(dǎo)，其鐵心溫升是由鐵心自身損耗產(chǎn)生，溫升值較空冷方式有很大幅度的降低。因此，其鐵心與機座溫差相對較小，鐵心熱應(yīng)力較易控制。發(fā)電機在采用蒸發(fā)冷卻后，電磁負(fù)荷可適當(dāng)提高，發(fā)電機結(jié)構(gòu)尺寸有大幅度的減少，轉(zhuǎn)子重量可適當(dāng)減小，相應(yīng)的推力負(fù)荷下降，定子鐵心長度也可適當(dāng)縮短。這樣，即降低了發(fā)電機的制造難度同時又節(jié)約了原材料成本。

當(dāng)然，隨著通風(fēng)技術(shù)的不斷進(jìn)步，空冷技術(shù)能夠應(yīng)用的容量極限在不斷加大，材料的改進(jìn)和工藝的進(jìn)步使得空冷的冷卻效果有一定程度的改善，絕緣上的徑向溫度梯度有降低的趨勢。

然而空冷和蒸發(fā)冷卻技術(shù)都是在百萬千瓦機組上首次使用，那項技術(shù)綜合效益最優(yōu)，需要進(jìn)行全面的分析比較。本文利用綜合物理場仿真分析平臺，以白鶴灘1000MW水輪發(fā)電機作為分析目標(biāo)工程，分別提出了空冷和蒸發(fā)冷卻的初步電磁方案，并對兩個方案分別開展了三維溫度場仿真分析，最后從電機尺寸、材料消耗、介質(zhì)用量以及溫度特性等方面全面對比了兩種冷卻方案，為未來發(fā)電機招標(biāo)冷卻技術(shù)的選型提供了有價值的參考。

2 電磁方案

利用綜合物理場仿真分析平臺，根據(jù)白鶴灘1000MW水輪發(fā)電機的基本參數(shù)(見表1)，分別提出了空冷和蒸發(fā)冷卻的初步電磁方案，并對兩個方案分別開展了二維磁場分析并獲取損耗分布，為后續(xù)的溫度場仿真奠定基礎(chǔ)［9］。

表1 1000MW水輪發(fā)電機基本參數(shù)Tab.1Basic parameters of 1000MW hydrogenertaors

2.1 1000MW空冷和蒸發(fā)冷卻的電磁設(shè)計方案

空冷及蒸發(fā)冷卻方案的基本電磁參數(shù)分別見表2和表3，其性能參數(shù)和效率都能滿足設(shè)計指標(biāo)要求。

2.2 電磁損耗

本文以對比分析兩種冷卻方式為目標(biāo)，冷卻效果的優(yōu)劣可以通過熱特性來體現(xiàn)。為了獲得準(zhǔn)確的三維溫度場仿真結(jié)果，作為熱源的損耗分布必須首先準(zhǔn)確計算。本文通過Maxwell二維有限元仿真分析首先得到磁場分析結(jié)果，再利用場計算器得到每個部件的損耗分布，與磁路仿真RMxprt計算結(jié)果互相校對，從而為下一步的溫度場仿真提供準(zhǔn)確的熱源輸入。磁場分析結(jié)果如圖1所示。

表2 空冷方案基本電磁參數(shù)Tab.2Electromagnetic parameters for air cooling hydrogenerator

表3 蒸發(fā)冷卻方案基本電磁參數(shù)Tab.3Electromagnetic parameters for evaporative cooling hydrogenerator

圖1 發(fā)電機接入電網(wǎng)3s對稱運行的磁密分布Fig.1Diagram of flux density after unit connected with grid and symmetrically operating for 3s

交流電機的定子銅損耗包括基本銅損耗和橫向漏磁通使股線截面上電流分布不均勻所帶來的附加銅損耗，但是由于Maxwell二維場分析中無法真實體現(xiàn)繞組中股線的交織換位效果，所以銅損耗計算結(jié)果與實際有差別，因此，本文通過引入費立德系數(shù)手工計算定子總的銅損耗來修正RMxprt輸出的銅損耗值，兩種冷卻方案的損耗分布如表4所示。

表4 損耗分布對比Tab.4Comparison of loss between air cooling and evaporative cooling

3 溫度場仿真對比

3.1 分析方法

水輪發(fā)電機定子的鐵心和繞組是主要發(fā)熱部件，因此本文采用具有內(nèi)部熱源的三維溫度場分析方法［10，11］，求解域的熱傳導(dǎo)方程為

式中，λ為熱傳導(dǎo)率，單位:W/m·K;T為溫度，單位: K;q為內(nèi)部發(fā)熱源的生熱密度，單位:W/m3。

在三維直角坐標(biāo)系下，忽略輻射換熱過程，式(1)可寫為

3.1.1 換熱條件［12，13］

定子通風(fēng)溝內(nèi)對流換熱系數(shù)α1為:

式中，計算用風(fēng)速

定子軛外表面對流換熱系數(shù)α2為40W/ (m2·℃)

氣隙中對流換熱系數(shù)α3為

式中，氣隙的切向線速度

定子鐵心端部表面對流換熱系數(shù)α4為

3.1.2 邊界條件

鐵心和線圈中心面為絕熱面，T/n=0。

風(fēng)溝內(nèi)鐵心端面空氣溫度認(rèn)為是線性遞增的。

定子軛外表面、定子通風(fēng)溝內(nèi)、氣隙、定子鐵心端部表面和定子繞組端部表面都作為第三類邊界條件輸入。

空心導(dǎo)線內(nèi)壁面溫度作為第一類邊界條件輸入［14］。首先在電機設(shè)計過程中對幾種股線尺寸進(jìn)行選型，然后用備選空心股線建立1∶1實驗?zāi)Ｐ?如圖2所示)，在所選出的股線上加載其在電機各種運行工況時所需承擔(dān)的熱負(fù)荷，用加載等效直流電流的方式來模擬實際所需熱負(fù)荷，用實驗的方式得出對應(yīng)工況下的第一類邊界條件，即空心導(dǎo)線內(nèi)壁面溫度的輸入，如圖3所示。

圖2 全尺寸空心導(dǎo)線蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)實驗?zāi)Ｐ虵ig.2Experimental model of evaporative cooling system for full-size hollow conductor

圖3 不同負(fù)荷下空心導(dǎo)線的壁面溫度分布Fig.3Temperature distribution of outer wall of hollow conductor at different load

3.2 計算結(jié)果

(1)空冷方案100%負(fù)荷計算結(jié)果

空冷方案額定工況時鐵芯及線棒的溫度分布與導(dǎo)體的銅溫計算結(jié)果分別如圖4和圖5所示。

圖4 額定工況時鐵芯及線棒的溫度分布Fig.4Temperature distribution of stator core and stator bar at rated load

圖5 額定工況時導(dǎo)體的銅溫Fig.5Copper temperature distribution of conductor at rated load

(2)蒸發(fā)冷卻方案100%負(fù)荷計算結(jié)果

蒸發(fā)冷卻方案額定工況時鐵芯及線棒的溫度分布與導(dǎo)體的銅溫計算結(jié)果分別如圖6和圖7所示。

圖6 額定工況時鐵芯及線棒的溫度分布Fig.6Temperature distribution of stator core and stator bar at rated load

圖7 額定工況時導(dǎo)體的銅溫Fig.7Copper temperature distribution of conductor at rated load

4 綜合性能對比

為了客觀全面地分析1000MW水輪發(fā)電機采用哪種冷卻方式時綜合性能最優(yōu)，本文基于前述電磁方案和溫度場仿真分析結(jié)果，從電機尺寸、材料消耗、損耗分布以及溫度分布水平等多個角度對定子空冷和定子繞組蒸發(fā)冷卻方案進(jìn)行了對比，最后還開展了成本的相對值對比分析。

(1)電機尺寸、材料消耗

電機尺寸、材料消耗對比結(jié)果見表5。

表5 電機尺寸、材料消耗對比Tab.5Comparison of unit size，material consumption between air cooling and evaporative cooling

(2)100%負(fù)荷特征溫度對比

100%負(fù)荷特征溫度對比結(jié)果見表6。從特征溫度對比可以看出，蒸發(fā)冷卻定子整體溫度分布均勻，溫差小，尤其是導(dǎo)體銅溫比空冷方案低近50℃，大大降低了導(dǎo)體和主絕緣的溫度梯度，從而極大改善了絕緣的可靠性和壽命。

表6100 %負(fù)荷特征溫度對比Tab.6Comparison of feature temperature between air cooling and evaporative cooling at rated load

(3)成本相對值對比分析

成本相對值對比結(jié)果見表7。

表7 成本相對值對比Tab.7Comparison of relative cost between air cooling and evaporative cooling

注:(1)表中未考慮蒸發(fā)冷卻線棒制造難度導(dǎo)致的制造成本略高于空冷線棒;(2)冷卻介質(zhì)選型可有多種方案，單價350～550元/kg，共計112～176萬元;(3)由于線棒數(shù)量減少了648根，由此節(jié)省的絕緣材料用量也不容小覷。

5 結(jié)論

從上述綜合性能對比分析可以看出，蒸發(fā)冷卻由于冷卻效果好，可以大幅增加發(fā)電機的電磁負(fù)荷，相當(dāng)程度節(jié)省材料消耗，從而使蒸發(fā)冷卻方案較空冷方案節(jié)約至少100萬以上。考慮未盡科目，1000MW蒸發(fā)冷卻水輪發(fā)電機至少可以做到與空冷成本基本相當(dāng)。雖然銅耗增加，但由于鐵心損耗和風(fēng)摩損耗的降低，兩個方案的總損耗基本相當(dāng)，效率也基本相當(dāng)。但從熱特性來看，蒸發(fā)冷卻方案的優(yōu)勢十分突出。

本文以白鶴灘電站作為研究對象，分別對定子空冷技術(shù)和定子繞組蒸發(fā)冷卻技術(shù)從定性和定量(溫度場分析，經(jīng)濟效益計算)兩個角度進(jìn)行了對比分析，充分說明蒸發(fā)冷卻技術(shù)應(yīng)用于1000MW以上容量等級的水輪發(fā)電機是有優(yōu)勢的，這為業(yè)界在超大容量水輪發(fā)電機的冷卻方式選型上又增加了一種成熟方案。

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Comparison and analysis of stator’s air cooling and evaporative cooling method of 1000MW hydrogenerators

RUAN Lin，CHEN Jin-xiu，GU Guo-biao
(Institute of Electrical Engineering，CAS，Beijing 100190，China)

Baihetan hydropower station has 14 hydrogenerators with the unit capacity of 1000MW.On a global scale，there are no experiences on design and manufacture of such huge hydrogenerators.There are a lot of technical problems to be solved，among which the selection of cooling mode is a very key problem.Firstly，this paper put forward the general electromagnetic scheme of the air cooling and evaporative cooling hydrogenerators.Based on it，we carried out the simulation of the electromagnetic field and got the distribution of the heat source.Secondly，we carried out the simulation of the 3-D temperature field for the stator of generator with two kinds of cooling modes respectively.Finally，we made comprehensive characteristic comparison between these two cooling methods from the aspects of unit size，material consumption，the quantity of coolant usage and thermal performance，and the comparison provides valuable reference for the future selection of cooling mode in the Baihetan unit bid.

1000MW hydrogenerator;evaporative cooling;3-D temperature field;comprehensive characteristic comparison

TM312

A

1003-3076(2014)09-0001-06

2014-04-18

阮琳(1976-)，女，甘肅籍，研究員，博士，主要從事大型、高熱流密度電氣與電子設(shè)備新型蒸發(fā)冷卻技術(shù)方面的研究工作;陳金秀(1988-)，女，湖南籍，博士研究生，主要從事蒸發(fā)冷卻技術(shù)在水電設(shè)備上的應(yīng)用研究。