特大型發(fā)電機(jī)組冷卻方式介紹及運(yùn)行可靠性分析

郭敏　焦江明　劉先科

摘 要：闡述了特大型水輪發(fā)電機(jī)冷卻方式的分類和原理，對(duì)不同冷卻方式進(jìn)行了比較分析，并比較了其運(yùn)行可靠性、經(jīng)濟(jì)性。

關(guān)鍵詞：水輪發(fā)電機(jī)；冷卻方式；蒸發(fā)冷卻；齒壓板

中圖分類號(hào)：TM312 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.03.070

21世紀(jì)，我國(guó)已經(jīng)建造了許多以大容量機(jī)組為主的水電站，包括長(zhǎng)江三峽、向家壩、溪洛渡等水電站，其機(jī)組單機(jī)容量為700 MW甚至更大。大型水輪發(fā)電機(jī)組的面世極大地促進(jìn)了國(guó)內(nèi)對(duì)水輪發(fā)電機(jī)冷卻技術(shù)的研究，并產(chǎn)生了大量的新型技術(shù)和專利。然而，冷卻方式的區(qū)別導(dǎo)致其冷卻機(jī)理、冷卻效果、機(jī)組運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性不盡相同。

1 特大型發(fā)電機(jī)冷卻方式簡(jiǎn)介

1.1 全風(fēng)冷冷卻的原理

在特大型水輪發(fā)電機(jī)中，轉(zhuǎn)子和定子鐵心、定子線棒全部采用空氣冷卻的方式稱為全風(fēng)冷冷卻。冷風(fēng)經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)子磁軛和磁極的風(fēng)道進(jìn)入冷卻器進(jìn)行熱交換，通過(guò)冷卻水冷卻熱風(fēng)將熱量帶走，冷卻后的冷風(fēng)再一次進(jìn)入發(fā)電機(jī)定轉(zhuǎn)子風(fēng)道形成封閉式循環(huán)系統(tǒng)。在機(jī)組運(yùn)行中，需要對(duì)定子線棒、定子鐵心、齒壓板、轉(zhuǎn)子繞組等部位的溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以保證水輪發(fā)電機(jī)組的安全運(yùn)行。

1.2 半水冷冷卻的原理

轉(zhuǎn)子和定子鐵心采用風(fēng)冷，其結(jié)構(gòu)與全空冷方式的結(jié)構(gòu)基本相同，風(fēng)道的設(shè)計(jì)略有不同。定子線棒采用純水冷卻稱為半水冷，定子線棒由導(dǎo)電的實(shí)心導(dǎo)線和通水的多股空心股線組成，空心股線存在的目的是為了帶走實(shí)心股線產(chǎn)生的熱量。空心股線中通入經(jīng)過(guò)離子交換器處理過(guò)的純水（對(duì)純水的導(dǎo)電率有嚴(yán)格要求，通過(guò)加壓泵打入），吸收熱量后的純水進(jìn)入冷卻器與二次水進(jìn)行熱交換；經(jīng)過(guò)冷卻的純水經(jīng)過(guò)處理后再次進(jìn)入空心股線進(jìn)行冷卻形成封閉的水冷循環(huán)。

1.3 蒸發(fā)冷卻的機(jī)理

轉(zhuǎn)子、定子鐵心和匯流環(huán)采用的風(fēng)冷，其結(jié)構(gòu)與全空冷方式的結(jié)構(gòu)基本相同，定子線棒采用蒸發(fā)冷卻介質(zhì)冷卻稱為蒸發(fā)冷卻，蒸發(fā)冷卻介質(zhì)從液態(tài)變化為氣態(tài)，吸收線棒熱量，并通過(guò)冷卻水帶走熱量。在發(fā)電機(jī)定子繞組的空心導(dǎo)線內(nèi)充入低沸點(diǎn)的液體介質(zhì)，當(dāng)定子繞組溫度高于介質(zhì)沸點(diǎn)時(shí)，介質(zhì)由液態(tài)汽化變?yōu)闅鈶B(tài)。在汽化過(guò)程中，介質(zhì)吸收繞組導(dǎo)體產(chǎn)生的熱量，通過(guò)動(dòng)力，將蒸氣導(dǎo)入冷凝器，冷凝器的二次冷卻水將熱量帶走；同時(shí)，蒸氣變?yōu)橐后w，重新流入繞組導(dǎo)體內(nèi)，如此循環(huán)往復(fù)，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的蒸發(fā)冷卻。

2 3種冷卻方式的運(yùn)行可靠性分析

運(yùn)行可靠性分析包括水輪發(fā)電機(jī)的等效利用時(shí)間、運(yùn)行過(guò)載能力、使用壽命、事故隱患及故障率等。大量數(shù)據(jù)表明，大型半水冷機(jī)組和全空冷機(jī)組可靠性都比較高。

過(guò)載能力泛指機(jī)組在不正常工況下的運(yùn)行能力，本文主要討論發(fā)電機(jī)在冷卻系統(tǒng)不正常工作時(shí)的運(yùn)行能力。某電廠規(guī)程中規(guī)定，全空冷機(jī)組退出2臺(tái)空氣冷卻器的情況下仍能正常運(yùn)行，只要定子繞組溫度低于105 ℃即可。某電廠常年運(yùn)行數(shù)據(jù)顯示，機(jī)組全部空冷器運(yùn)行時(shí)定子繞組溫度在75 ℃，當(dāng)兩組空冷器退出運(yùn)行時(shí)，溫度在90 ℃左右運(yùn)行。半水冷發(fā)電機(jī)退出2臺(tái)空氣冷卻器的情況下仍能正常運(yùn)行，在純水系統(tǒng)停運(yùn)的狀態(tài)下，發(fā)電機(jī)額定負(fù)荷運(yùn)行約60 s，30%額定出力可長(zhǎng)期運(yùn)行；蒸發(fā)冷卻發(fā)電機(jī)退出2臺(tái)空氣冷卻器和1臺(tái)冷凝器的情況下能正常運(yùn)行，當(dāng)冷凝器的冷卻水中斷時(shí)必須停機(jī)。

相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，特大型發(fā)電機(jī)在最大容量運(yùn)行時(shí)，全空冷定子線棒的溫度比內(nèi)冷高，但絕緣材料采用的都是F級(jí)絕緣材料，因此，可保證合同使用壽命期。以某電廠多年運(yùn)行數(shù)據(jù)為例，全空冷水輪發(fā)電機(jī)定子線棒運(yùn)行溫度最高，所以，內(nèi)冷水輪發(fā)電機(jī)絕緣壽命的余度要大于全空冷水輪發(fā)電機(jī)，但全空冷機(jī)組的運(yùn)行壽命可以完全滿足水電站的運(yùn)行要求?，F(xiàn)代電網(wǎng)要求機(jī)組必須滿足電網(wǎng)調(diào)峰的需要，但這樣機(jī)組會(huì)頻繁開(kāi)停機(jī)，可能會(huì)造成線棒相對(duì)位移和定子鐵心翹曲，這是全空冷水輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行人員最關(guān)注的問(wèn)題之一?，F(xiàn)階段，大型水輪發(fā)電機(jī)組將線棒的軸向溫差控制在9.8 ℃以內(nèi)，定子基座采用更加合理的浮動(dòng)或斜支臂結(jié)構(gòu)，同時(shí)，增加了雙鴿尾定位筋等措施，這樣可以將溫度應(yīng)力引起的變形控制在安全范圍內(nèi)，可滿足電網(wǎng)開(kāi)停機(jī)的要求。綜上所述，相比其他冷卻方式，全空冷機(jī)組的使用壽命較短，但可完全滿足當(dāng)前水電站的運(yùn)行需求。

從冷卻系統(tǒng)自身的結(jié)構(gòu)看，內(nèi)冷發(fā)電機(jī)除空冷部分外，增加了純水系統(tǒng)或蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)，因此，空冷發(fā)電機(jī)的可用率將高于內(nèi)冷發(fā)電機(jī)。相關(guān)數(shù)據(jù)表示，全風(fēng)冷機(jī)組報(bào)警和停機(jī)信號(hào)包括空冷器流量、空冷器冷風(fēng)溫度；而純水冷卻機(jī)組額外還有純水一次水流量、純水二次水流量、純水大泄漏等信號(hào)；蒸發(fā)冷卻機(jī)組的信號(hào)包括冷凝器流量、凝器退出、冷凝器泄露、介質(zhì)液位等。因此，純水和蒸發(fā)冷卻機(jī)組停機(jī)因素最多，必然會(huì)增加運(yùn)行監(jiān)控的工作量，且提高了機(jī)組事故率。

統(tǒng)計(jì)某水電站特大型機(jī)組一年內(nèi)統(tǒng)計(jì)的3種不同冷卻方式的故障次數(shù)發(fā)現(xiàn)，空冷機(jī)組Ⅲ級(jí)缺陷74條，純水冷卻機(jī)組的Ⅲ級(jí)缺陷238條、Ⅱ級(jí)缺陷79條，蒸發(fā)冷卻機(jī)組的Ⅲ級(jí)缺陷34條、Ⅰ級(jí)缺陷4條。通過(guò)上述數(shù)據(jù)分析可知，在可用率、過(guò)載能力、使用壽命等方面相差無(wú)幾的情況下，全空冷機(jī)組在事故率方面明顯低于其他機(jī)型。

3 結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過(guò)多年理論及實(shí)踐研究，特大型水輪發(fā)電機(jī)的冷卻方式選取全空冷、半水冷、蒸發(fā)冷卻三種。這3種冷卻方式相比，全空冷機(jī)組的運(yùn)行原理簡(jiǎn)單，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，特別是發(fā)電機(jī)單機(jī)容量所需的冷卻風(fēng)量、總風(fēng)量與空氣冷卻器出口的有效總風(fēng)量在不斷減小，風(fēng)道設(shè)計(jì)不斷完善，單位容量耗風(fēng)量不斷減小，各部位最高耐受溫度限值在不斷提高，這些都為全空冷機(jī)組大面積應(yīng)用提供了便利。同時(shí)，材料的發(fā)展解決了溫度應(yīng)力可能導(dǎo)致鐵心翹曲和線棒相對(duì)位移的問(wèn)題。在此情況下，全空冷機(jī)組固有的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝工期短、運(yùn)行維護(hù)工作量少等優(yōu)點(diǎn)就變得尤為突出。在可用率、過(guò)載能力、使用壽命等方面相同的情況下，空冷機(jī)組在特大型水輪發(fā)電機(jī)電站中的實(shí)際運(yùn)故障率較低，設(shè)備維護(hù)率和經(jīng)濟(jì)性較高。綜上所述，全空冷技術(shù)在700 MW級(jí)的水輪發(fā)電機(jī)中的使用前景較好。

〔編輯：張思楠〕