三峽地下電站700 MW水輪發(fā)電機(jī)蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)環(huán)流、溫升與穩(wěn)定性提高

張濤，呂衛(wèi)國

（三峽水力發(fā)電廠,湖北宜昌443000）

三峽地下電站700 MW水輪發(fā)電機(jī)蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)環(huán)流、溫升與穩(wěn)定性提高

張濤，呂衛(wèi)國

（三峽水力發(fā)電廠,湖北宜昌443000）

文章對三峽地下電站水輪發(fā)電機(jī)蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)的原理進(jìn)行簡要論述,并對運行過程中冷卻介質(zhì)HFC-4310壓力與液位變化規(guī)律、系統(tǒng)環(huán)流、溫升以及如何提高系統(tǒng)穩(wěn)定性等技術(shù)問題進(jìn)行了探討。

水輪發(fā)電機(jī)；蒸發(fā)冷卻；液位變化規(guī)律；穩(wěn)定性提高

1 引言

蒸發(fā)冷卻技術(shù)最早是由荷蘭的T.De.koning于1949提出的。許多國家對此技術(shù)進(jìn)行過理論研究,并建立了一些實驗機(jī)組,取得過不少成果和專利,但始終未能形成工業(yè)樣機(jī)投入使用,且主要研究方向是針對汽輪發(fā)電機(jī)的。水輪發(fā)電機(jī)為立式結(jié)構(gòu)，這給冷卻介質(zhì)的自然循環(huán)創(chuàng)造了必要條件。蒸發(fā)后的介質(zhì)蒸汽可用環(huán)境溫度的水直接冷卻。它無需外加動力，依靠介質(zhì)受熱后所產(chǎn)生的密度變化形成循環(huán)驅(qū)動力，從而可以產(chǎn)生自然循環(huán)。

在國內(nèi),中國科學(xué)院電工所于20世紀(jì)50年代末開始蒸發(fā)冷卻的應(yīng)用基礎(chǔ)研究,1976年后與東方電機(jī)廠聯(lián)合研制開發(fā)2臺10 MW云南大寨電站蒸發(fā)冷卻水輪發(fā)電機(jī),于1983年投產(chǎn)。1992年又在安康火石巖聯(lián)營電站52.5 MW水輪發(fā)電機(jī)上應(yīng)用此項技術(shù)。為檢驗蒸發(fā)冷卻效果及摸索運行經(jīng)驗,故將原設(shè)計為全空冷的李家峽水電站400 MW 4號水輪發(fā)電機(jī)改為蒸發(fā)冷卻發(fā)電機(jī)。并于1999年12月改裝完畢,投產(chǎn)發(fā)電。

隨著三峽水電站的興建,我國水輪發(fā)電機(jī)容量達(dá)到了一個前所未有的水平。但三峽發(fā)電機(jī)定子鐵心高度高達(dá)4 m。理論計算表明它已達(dá)到空冷效果的極限（圖1）,這為蒸發(fā)冷卻技術(shù)的應(yīng)用提供了一個很好的機(jī)會。

三峽地下電站中2臺機(jī)組定子線棒采用HFC-4310為介質(zhì)自循環(huán)蒸發(fā)冷卻技術(shù)，在全世界尚屬首例在700 MW巨型水輪發(fā)電機(jī)上運用。本文通過蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)的原理和運行特點等研究和分析產(chǎn)生環(huán)流和溫升的原因，并結(jié)合缺陷處理，探索提高系統(tǒng)穩(wěn)定性的措施和方法。

圖1 空冷發(fā)電機(jī)極限容量與轉(zhuǎn)速的關(guān)系

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

蒸發(fā)冷卻自循環(huán)系統(tǒng)由6部分組成：定子繞組蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)、冷凝器、冷凝器供排水管路系統(tǒng)、均壓排氣管路系統(tǒng)、蒸發(fā)冷卻供排液系統(tǒng)及控制系統(tǒng)。另外配置1套移動式抽真空裝置（2臺機(jī)共用）。

按照冷卻介質(zhì)的流動方向，包括：回液管、下集液環(huán)管、下絕緣引流管、定子線棒（圖2、圖3中僅用1根示意）、上絕緣引流管、上集氣環(huán)管、上導(dǎo)流管、冷凝器，以及管路內(nèi)部充入適量的冷卻介質(zhì)等，同時各冷卻單元通過冷凝器上部的均壓管連接成整體，形成蒸發(fā)冷卻循環(huán)回路。

圖2 蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)示意圖

圖3 蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)模型圖

3 基本原理

當(dāng)機(jī)組運行時，定子線棒發(fā)熱，線棒空心導(dǎo)體中的冷卻介質(zhì)（介質(zhì)HFC-4310，二氫十氟戊烷，沸點55℃，無色透明，易揮發(fā)，本文簡稱氟里昂）吸收定子線棒的熱量，當(dāng)冷卻介質(zhì)溫度達(dá)到一定時冷卻介質(zhì)部分沸騰汽化，由于空心導(dǎo)體內(nèi)的介質(zhì)為氣液混合態(tài)，其密度小于回液管中純液態(tài)介質(zhì)的密度。回液管和空心導(dǎo)體間的密度差在重力加速度作用下，生成流動壓頭。該壓頭克服回路中的阻力壓降維持一定流量的循環(huán)，使含熱兩相介質(zhì)進(jìn)入系統(tǒng)中壓力最低的冷凝器，經(jīng)與二次冷卻介質(zhì)——水進(jìn)行熱交換后還原為純液態(tài)再流到回液管進(jìn)行新一輪循環(huán)，如此往復(fù)把熱量傳到外部，從而冷卻發(fā)電機(jī)定子線棒。

簡單來說，介質(zhì)HFC-4310冷卻定子線棒，技術(shù)供水用于冷卻介質(zhì)HFC-4310。蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)能自行調(diào)整蒸發(fā)點位置、介質(zhì)流量和蒸氣干度,這一過程不依靠外力,是自循環(huán)調(diào)整方式。當(dāng)二次冷卻水足量時，冷凝器內(nèi)介質(zhì)所在空間幾為零壓狀態(tài)，而系統(tǒng)中各種部件所承受的壓力僅是其內(nèi)含液態(tài)介質(zhì)重力的反映，各部壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于純水系統(tǒng)壓力，運行可靠性大幅度上升。

4 運行過程中HFC-4310壓力與液位變化規(guī)律

在大寨水電站10 MW發(fā)電機(jī)上，氟里昂液位及壓力變化表現(xiàn)出較為單一的規(guī)律:即在負(fù)荷增加的過程中，壓力逐漸升高，回液管液位逐漸降低。簡單理論解釋可以認(rèn)為，隨負(fù)荷加大，定子線棒發(fā)熱加大,氟里昂汽化加劇，液態(tài)氟里昂減少。從而使壓力上升，液位下降。而三峽蒸發(fā)冷卻機(jī)組為大型水輪發(fā)電機(jī)組,其規(guī)律與小型發(fā)電機(jī)有明顯不同。主要表現(xiàn)為:某一負(fù)荷以下，規(guī)律與前述基本相同，而超過這一負(fù)荷，就會出現(xiàn)壓力上升同時液位也上升的情況。

初步分析原因認(rèn)為:在某一負(fù)荷以上，線棒溫度升高到一定值，介質(zhì)汽化位置在線棒中下移，同時汽壓上升，液體被壓迫至回液管中，導(dǎo)致線棒內(nèi)液體量減少，回液管液位指示上升。具體的這一負(fù)荷分界點，隨液體添加量不同而不同。液位變化為診斷蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)穩(wěn)定性提供了有效的依據(jù)，具體規(guī)律如下：

（1）沒有泄露情況下機(jī)組停機(jī)后一段時間，隨著定子線槽溫度的下降，介質(zhì)液位有所下降。

（2）機(jī)組停機(jī)時介質(zhì)液位高于并網(wǎng)運行時液位；機(jī)組并網(wǎng)運行穩(wěn)定后，當(dāng)線槽溫度大于61℃時，線槽溫度上升，介質(zhì)液位隨之升高；線槽溫度下降，介質(zhì)液位隨之下降。

1）從整體來看，機(jī)組停機(jī)時，介質(zhì)液位相對較高；機(jī)組并網(wǎng)運行后，介質(zhì)液位較低。這說明并網(wǎng)運行后，部分介質(zhì)揮發(fā)成氣體（沸點55℃），且揮發(fā)作用的影響大于液體的熱膨脹，故介質(zhì)液位降低。

2）當(dāng)機(jī)組運行一段時間后，隨著定子線槽溫度的變化，介質(zhì)液位正向變化，此時介質(zhì)液體的熱膨脹占主導(dǎo)地位。

3）開始時隨著機(jī)組負(fù)荷的增加，定子線槽溫度隨之上升（略微滯后），介質(zhì)液位下降。以大概判斷，機(jī)組開機(jī)過程中線槽溫度小于59.5℃時，隨著線槽溫度的上升，介質(zhì)液位呈下降趨勢；線槽溫度在59.5～61℃時，介質(zhì)液位比較穩(wěn)定；線槽溫度大于61℃時，隨著線槽溫度的上升，介質(zhì)液位上升。

（3）蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)介質(zhì)泄漏。

某年8月上旬28 F滿負(fù)荷運行時，對應(yīng)的蒸發(fā)冷卻介質(zhì)還比較平穩(wěn)，從8月23日開始有所下降。

結(jié)合前面分析得結(jié)論：沒有泄露情況下機(jī)組停機(jī)后，隨著定子線槽溫度的下降，介質(zhì)液位有所下降。剔除這部分影響外，介質(zhì)液位仍有所下降。

（4）當(dāng)蒸發(fā)冷卻介質(zhì)泄露時，機(jī)組停機(jī)時泄露速率小于機(jī)組并網(wǎng)運行時泄露速率。

為盡量避免線槽溫度對蒸發(fā)冷卻介質(zhì)的影響，選取開機(jī)前某個相對較平穩(wěn)的點以及停機(jī)后某個相對較平穩(wěn)的點來估算開機(jī)的這段時間內(nèi)蒸發(fā)冷卻介質(zhì)的平均泄漏量。當(dāng)然，選取的兩個點臨近開機(jī)以及停機(jī)時刻的點。

選取9月8日06:00對應(yīng)的介質(zhì)液位作為開機(jī)前液位（此點之后有一段突變增高，是強(qiáng)制介質(zhì)液位以滿足開機(jī)條件），此時液位為2 854.875 mm。

選取9月11日04:00對應(yīng)的介質(zhì)液位作為停機(jī)后液位（停機(jī)后，由于熱脹冷縮，蒸發(fā)冷卻介質(zhì)有減小，故時間選取滯后點），此段開機(jī)時間內(nèi)，平均每小時泄漏量為每小時介質(zhì)液位下降3.79 mm。

選取停機(jī)后9月10日21:10機(jī)組停機(jī)后的介質(zhì)液位作為計算。同樣，停機(jī)后，由于熱脹冷縮，蒸發(fā)冷卻介質(zhì)有減小，故時間選取滯后點，選9月11日00:00對應(yīng)的2 628.75 mm作為起點，選9月11日07:00對應(yīng)的2 623.125 mm作為終點，歷時7 h而下降5.625 mm，平均每小時下降0.803 mm。

比較開機(jī)和停機(jī)時蒸發(fā)冷卻介質(zhì)平均每小時泄漏量，可得知停機(jī)時泄漏慢。

5 提高穩(wěn)定性措施與實施

5.1 回液管活接頭松動導(dǎo)致大量冷卻介質(zhì)泄漏

檢修過程中發(fā)現(xiàn)由于管箍式活接頭自身設(shè)計的原因，其緊固螺栓只有兩根，在震動環(huán)境下容易逐漸松動，而其內(nèi)部密封使用橡膠材質(zhì)，又有使用壽命的局限，在蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)中使用這種接頭有一定的不可靠性,從現(xiàn)場管道布置情況來看，回液管緊貼風(fēng)洞地面，因此用自主設(shè)計的矩形法蘭來替代傳統(tǒng)圓形法蘭。

5.2 消除集汽環(huán)管產(chǎn)生的環(huán)流和溫升

另外由于蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)集汽環(huán)管布置在定子線棒正上方，在機(jī)組運行時轉(zhuǎn)子磁場磁力線會切割集汽環(huán)管，從而在環(huán)管上產(chǎn)生感應(yīng)電流。環(huán)管由16根集汽支管組成，支管與支管采用卡箍接頭連接。由于卡箍接頭的結(jié)構(gòu)限制，支管與支管極易接觸不良，環(huán)管上的感應(yīng)電流會在卡箍接頭上產(chǎn)生極高的溫度（感應(yīng)電流大小未測量，但卡箍上溫度已超過測溫片最高量程127℃），該溫度足以使卡箍的密封橡膠熔毀。另外如此高的溫度也會對環(huán)管內(nèi)介質(zhì)產(chǎn)生不良影響。綜合上面的因素，故我們對集汽環(huán)管采用了一點斷開并一點接地的導(dǎo)流方式改造。

在發(fā)電機(jī)中性點附近的一處集汽管法蘭孔內(nèi)套“T”型絕緣套，加平墊片后穿螺栓把緊，確保螺栓與法蘭不直接接觸，測兩側(cè)法蘭之間絕緣電阻≥2MΩ，使集汽環(huán)管形成電氣斷開點。將集汽環(huán)管與冷凝器連接的上導(dǎo)流管連接法蘭螺栓全部加絕緣套，在斷開點對側(cè)180°附近上導(dǎo)流管連接法蘭兩端加短接銅扁線，形成一點接地。

5.3 定子直流耐壓及泄漏電流試驗不合格處理

由于蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)機(jī)組開機(jī)實驗定子直流耐壓及泄漏電流試驗不合格，經(jīng)檢測發(fā)現(xiàn)蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)對地絕緣不合格，故將系統(tǒng)中所有法蘭密封墊全部更換為聚四氟乙烯加玻璃纖維材質(zhì)的密封墊，并將集液環(huán)管支撐支架上加諾麥克紙以提高系統(tǒng)絕緣。

6 總結(jié)

措施實施完畢后，針對蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)穩(wěn)定性進(jìn)行了一系列的試驗：灌液前進(jìn)行了整體氣密性試驗；注入介質(zhì)后還對定子繞組進(jìn)行了電氣試驗，主要包括：絕緣電阻、吸收比和極化指數(shù)測試；測量集汽管和集液管絕緣電阻值；對定子繞組進(jìn)行交流耐壓試驗，試驗結(jié)果均滿足要求，經(jīng)過改造后機(jī)組已穩(wěn)定運行累計超過3000h，系統(tǒng)穩(wěn)定性得到顯著的提高（圖4）。

圖4

大型發(fā)電機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)難題就包括定子繞組的冷卻問題，所以蒸發(fā)冷卻效果的好壞直接影響機(jī)組運行的出力和溫升控制情況，采用蒸發(fā)冷卻技術(shù)的機(jī)組難點是絕緣引流管的安裝、蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)整體氣密性與兩相流動的系統(tǒng)穩(wěn)定性、消除內(nèi)部環(huán)流和溫升傳熱問題于實踐中的保證等。

蒸發(fā)冷卻技術(shù)首次應(yīng)用于700 MW大型水輪發(fā)電機(jī)組上，難免還存在一些值得改進(jìn)的地方，以上是對三峽地下電站700 MW水輪發(fā)電機(jī)蒸發(fā)冷卻原理的闡述和一些技術(shù)問題的探討。作為一項新興技術(shù)蒸發(fā)冷卻具有冷卻效果好、可靠性更高、維護(hù)工作量小等特點；具有廣闊前景。如何更好地發(fā)揮蒸發(fā)冷卻的效果提高系統(tǒng)穩(wěn)定性并掌握其運行規(guī)律,有待于

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TM312

B

1672-5387（2017）04-0066-04

10.13599/j.cnki.11-5130.2017.04.020

2016-08-01

張濤（1983-），男，高級工程師，從事水電站機(jī)械設(shè)備技術(shù)管理工作。