大型水輪發(fā)電機(jī)冷卻方式的經(jīng)濟(jì)性比較

俞立婷

摘 要：文章闡述了大型水輪發(fā)電機(jī)三種不同冷卻方式的原理及特點(diǎn)。從制造成本、運(yùn)行維護(hù)成本等方面對全空冷、水冷、蒸發(fā)冷卻等不同冷卻方式的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了對比。對大型水輪發(fā)電機(jī)冷卻方式的應(yīng)用給出了參考意見。

關(guān)鍵詞：大型水輪發(fā)電機(jī)；冷卻方式；經(jīng)濟(jì)性

前言

20世紀(jì)90年代以來，我國開始新建三峽水電站、龍灘水電站等大型水電站，其水輪發(fā)電機(jī)單機(jī)容量均為700MW。大型水輪發(fā)電機(jī)冷卻技術(shù)包括全空冷與介質(zhì)內(nèi)冷兩大類；介質(zhì)內(nèi)冷又包括水內(nèi)冷與蒸發(fā)冷卻兩種方式。大型水輪發(fā)電機(jī)冷卻方式既影響到發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、重量及造價等方面，也對機(jī)組投運(yùn)以后的安全穩(wěn)定運(yùn)行及運(yùn)行維護(hù)量產(chǎn)生重要影響。因此，比較各種冷卻方式的經(jīng)濟(jì)性對大型水輪發(fā)電機(jī)組選擇何種冷卻方式有著重要的意義。

1 大型水輪發(fā)電機(jī)冷卻方式介紹

現(xiàn)在我國投入運(yùn)行的大型水輪發(fā)電機(jī)主要有三種冷卻方式，全空冷發(fā)電機(jī)、水內(nèi)冷發(fā)電機(jī)以及蒸發(fā)冷卻發(fā)電機(jī)。

水內(nèi)冷冷卻是指定子繞組為水內(nèi)冷，定子鐵芯和轉(zhuǎn)子為空冷。繞組采用水內(nèi)冷具有承載容量大、溫升低、絕緣壽命長、機(jī)組熱應(yīng)力小等優(yōu)點(diǎn)，繞組水內(nèi)冷系統(tǒng)包括一套純水處理設(shè)備和冷卻水路，相同容量的機(jī)組可以大大減小機(jī)組的設(shè)計(jì)制造尺寸。發(fā)電機(jī)定子繞組水冷技術(shù)，在世界上已有較為成功的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，在三峽水電站700MW機(jī)組上也已安全穩(wěn)定運(yùn)行超過10年。但定子繞組水冷方式受定子結(jié)構(gòu)熱變形和機(jī)組振動的影響，對定子線棒內(nèi)部的冷卻水管、水接頭和水處理設(shè)備的可靠性要求較高，如果定子繞組冷卻水出現(xiàn)泄漏就會危及發(fā)電機(jī)絕緣，給發(fā)電機(jī)的安全運(yùn)行帶來風(fēng)險(xiǎn)。

全空冷是指定子鐵心、定子繞組、匯流銅環(huán)、轉(zhuǎn)子繞組、轉(zhuǎn)子鐵心均為空氣冷卻。大型水輪發(fā)電全空冷冷卻方式多為無風(fēng)扇雙路徑徑向密閉、端部回風(fēng)自循環(huán)空氣冷卻系統(tǒng)?？諝馔ㄟ^轉(zhuǎn)子的風(fēng)扇作用，產(chǎn)生動力循環(huán)，并通過布置在定子機(jī)座外側(cè)周圍的空氣冷卻器進(jìn)行冷卻，再由電站技術(shù)供水系統(tǒng)冷卻空冷器并把熱量帶走。這種通風(fēng)冷卻方式損耗小、風(fēng)量分配均勻，上下路徑對稱；并且便于檢修。

蒸發(fā)冷卻是指定子繞組蒸發(fā)冷卻方式，定子鐵芯和轉(zhuǎn)子為空冷方式。蒸發(fā)冷卻技術(shù)是應(yīng)用了絕緣性能好、沸點(diǎn)合適的液體替代水作為冷卻介質(zhì)，充入電機(jī)定子線棒的空心導(dǎo)線內(nèi)部，利用液體沸騰吸收潛熱來冷卻發(fā)電機(jī)，冷卻液沸點(diǎn)一般在60℃左右，蒸汽不必壓縮即可由冷凝器在常溫條件下經(jīng)二次冷卻水散出。吸熱而沸騰后的流體改變了它的密度，利用吸熱量及流體密度的變化，形成了自循環(huán)動力。不需要外加動力，就可使流體介質(zhì)在全密封的冷卻系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)，實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)的自行冷卻目標(biāo)。

2 不同冷卻方式的經(jīng)濟(jì)性比較

因三種冷卻方式各有其特點(diǎn)，發(fā)電機(jī)采購成本及后期運(yùn)行維護(hù)成本等方面也各有不同。現(xiàn)通過對比三種不同水輪發(fā)電機(jī)冷卻方式的造價成本及運(yùn)行維護(hù)成本來對其經(jīng)濟(jì)性做一個評價。

2.1 不同冷卻方式造價比較

通過對比三種不同冷卻方式的國產(chǎn)700MW水輪發(fā)電機(jī)價格，三種冷卻方式發(fā)電機(jī)總體價格差異不大。

單獨(dú)對比發(fā)電機(jī)冷卻系統(tǒng)的造價發(fā)現(xiàn)，蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)因?yàn)槠涫褂美鋮s介質(zhì)的特殊性及密封性的高要求，其造價最高，而全空冷冷卻系統(tǒng)主要依靠自循環(huán)空氣冷卻，其造價也相對最低；水冷冷卻系統(tǒng)價格居中。

因水輪發(fā)電機(jī)冷卻方式不同決定了發(fā)電機(jī)定、轉(zhuǎn)子尺寸、線棒結(jié)構(gòu)等各個方面也不相同，因此單獨(dú)比較冷卻系統(tǒng)造價并不能完全說明其經(jīng)濟(jì)性優(yōu)劣。建議應(yīng)以發(fā)電機(jī)及其輔助系統(tǒng)的整體價格來評估不同冷卻方式的經(jīng)濟(jì)性。

2.2 不同冷卻方式運(yùn)行維護(hù)成本比較

現(xiàn)從700MW水輪發(fā)電機(jī)冷卻系統(tǒng)運(yùn)行期間損耗量、冷卻系統(tǒng)損壞率、維護(hù)費(fèi)用等方面來對比三種冷卻方式的經(jīng)濟(jì)性。

空冷器是通過轉(zhuǎn)子的風(fēng)扇作用，產(chǎn)生動力循環(huán)，冷卻水源取自技術(shù)供水，基本不存在運(yùn)行損耗成本。另外，經(jīng)統(tǒng)計(jì)空冷器的損壞率及維修率相對很低，基本不存在維修成本。

發(fā)電機(jī)蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)運(yùn)行期間冷卻液處于自然循環(huán)狀態(tài)，無需外加動力，因此不存在耗電量。蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)冷卻液在不發(fā)生泄漏的情況下，每年要求泄漏量不大于5%。蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定之后，實(shí)際每臺發(fā)電機(jī)冷卻液年損耗量應(yīng)在1%左右，穩(wěn)定運(yùn)行后的蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)基本也處于免維護(hù)狀態(tài)。

700MW水內(nèi)冷發(fā)電機(jī)冷卻系統(tǒng)運(yùn)行期間主要耗電量為純水泵運(yùn)行耗電量，按一臺純水泵功率約75KW，平均每套純水系統(tǒng)年運(yùn)行8000小時計(jì)算，每臺每年約耗電量60萬度。另經(jīng)統(tǒng)計(jì)，700MW水內(nèi)冷發(fā)電機(jī)純水系統(tǒng)每臺機(jī)組每年耗水量約為145L。純水系統(tǒng)的運(yùn)行維護(hù)量及維護(hù)費(fèi)用遠(yuǎn)高于全空冷系統(tǒng)和蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)。每年純水系統(tǒng)因損壞而更換的主要部件包括膨脹節(jié)、電導(dǎo)率變送器、壓力開關(guān)、軟啟動器、電機(jī)、純水泵機(jī)封、油封、水封等等。根據(jù)統(tǒng)計(jì)某大型水電站2013至2014年一年的維護(hù)情況，單臺700MW發(fā)電機(jī)純水系統(tǒng)年維護(hù)成本在不計(jì)人工成本情況下約30000元。

針對以上情況，對三種發(fā)電機(jī)冷卻形式的年運(yùn)行損耗費(fèi)用、年檢修維護(hù)費(fèi)用進(jìn)行模糊統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。因發(fā)電機(jī)前期運(yùn)行的不穩(wěn)定性所造成的技改和維護(hù)量不會在以后的長期的維護(hù)中體現(xiàn)，表1數(shù)據(jù)只統(tǒng)計(jì)了冷卻系統(tǒng)趨于穩(wěn)定運(yùn)行后的損耗量及維護(hù)量。

表1 三種發(fā)電機(jī)冷卻系統(tǒng)年運(yùn)行及維護(hù)成本

表1數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)未將人工成本計(jì)入在內(nèi)，但從平時缺陷數(shù)量及檢修情況來看，人工成本同樣是純水冷卻系統(tǒng)最高，全空冷系統(tǒng)最低。根據(jù)某大型水電站發(fā)變輸電設(shè)備日常缺陷的統(tǒng)計(jì)，純水系統(tǒng)的缺陷數(shù)量最多，占缺陷總數(shù)的57%，這極大增加了純水系統(tǒng)的人工的維護(hù)成本，人工成本在水冷機(jī)組冷卻系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性比較中不容忽視。

3 結(jié)束語

根據(jù)以上對大型水輪發(fā)電機(jī)的造價成本、運(yùn)行維護(hù)成本的統(tǒng)計(jì)分析，水內(nèi)冷發(fā)電機(jī)因其維護(hù)量大，維護(hù)成本高，從后期運(yùn)行維護(hù)角度來看其經(jīng)濟(jì)性是最低的。蒸發(fā)冷卻發(fā)電機(jī)器造價成本略高，但在運(yùn)行穩(wěn)定的情況下，與全空冷發(fā)電機(jī)相同，基本不存在維護(hù)成本。全空冷發(fā)電機(jī)無論從造價成本，還是運(yùn)行維護(hù)成本上來看其經(jīng)濟(jì)性都是最高的。

隨著2007年我國自主研發(fā)、設(shè)計(jì)、制造的全空冷發(fā)電機(jī)在三峽電站的投產(chǎn)，數(shù)年的運(yùn)行維護(hù)經(jīng)驗(yàn)表明全空冷冷卻技術(shù)在大型水輪發(fā)電機(jī)上的應(yīng)用是成功，且其經(jīng)濟(jì)性明顯高于其它冷卻方式，具有廣闊的應(yīng)用前景。