1000MW水輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子高效冷卻技術(shù)研究

鄭小康，張?zhí)禊i，劉云平，羅永剛，李冬梅，王 超

（東方電氣集團(tuán)東方電機(jī)有限公司，四川省德陽(yáng)市 618000）

0 引言

白鶴灘水輪發(fā)電機(jī)單機(jī)容量高達(dá)1000MW，但相對(duì)溪洛渡、三峽等700～800MW容量等級(jí)的水輪發(fā)電機(jī)，由于受限于轉(zhuǎn)子外圓線速度和超長(zhǎng)鐵芯壓緊難度，其幾何體積并未隨容量的增加而線性增大（部分參數(shù)對(duì)比見表1）。這意味著發(fā)電機(jī)單位體積內(nèi)的機(jī)電能量轉(zhuǎn)換量大幅增加[1]，定轉(zhuǎn)子等發(fā)熱部件的冷卻難度也隨之大幅增加。如果沿用傳統(tǒng)的冷卻結(jié)構(gòu)，由于其較低的冷卻空氣利用率，需要大幅增加冷卻風(fēng)量才能滿足白鶴灘發(fā)電機(jī)的冷卻需要。風(fēng)量的增加一方面會(huì)繼續(xù)降低熱交換效率，另一方面會(huì)引起通風(fēng)損耗的大幅增加，限制電機(jī)效率的進(jìn)一步提升[2]。同時(shí)，由于發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸的增大，定轉(zhuǎn)子溫升需要被嚴(yán)格控制，以降低內(nèi)部熱應(yīng)力，保證機(jī)組長(zhǎng)期安全穩(wěn)定可持續(xù)運(yùn)行[3]。隨著技術(shù)進(jìn)步和發(fā)電機(jī)容量的進(jìn)一步提升，這樣的矛盾會(huì)更加突出。

白鶴灘發(fā)電機(jī)額定效率保證值為99.01%，為迄今為止水輪發(fā)電機(jī)的最高水平。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，電機(jī)冷卻風(fēng)量被嚴(yán)格限制以降低通風(fēng)損耗。與此同時(shí)，勵(lì)磁繞組平均溫升的保證值僅為58K，遠(yuǎn)低于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和類似機(jī)組設(shè)計(jì)值。白鶴灘發(fā)電機(jī)每極容量為常規(guī)水輪發(fā)電機(jī)的最高水平，為20.58MVA。雖然這一標(biāo)志磁極冷卻難度的參數(shù)相對(duì)仙游、仙居等發(fā)電電動(dòng)機(jī)略低，但白鶴灘發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組平均溫升的指標(biāo)卻更為嚴(yán)格，而且這一指標(biāo)還是在低風(fēng)量的嚴(yán)苛條件下需要實(shí)現(xiàn)的。因此，白鶴灘發(fā)電機(jī)需要在當(dāng)前發(fā)電電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子冷卻結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上做進(jìn)一步突破。本文從研究機(jī)理著手，并結(jié)合溫度場(chǎng)計(jì)算和模型試驗(yàn)，對(duì)應(yīng)用于白鶴灘1000MW水輪發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子高效冷卻技術(shù)進(jìn)行介紹。

表1 部分大型水輪發(fā)電機(jī)參數(shù)對(duì)比Table 1 Parameter comparison of some giant hydro generator

1 勵(lì)磁繞組冷卻研究機(jī)理

電機(jī)熱穩(wěn)定時(shí)，勵(lì)磁繞組損耗熱主要依靠流經(jīng)表面的冷卻空氣帶走，損耗的傳遞路徑可近似理解為：損耗在銅排本體產(chǎn)生，經(jīng)銅排熱傳導(dǎo)至線圈表面，再與冷卻空氣進(jìn)行對(duì)流熱交換[4]。因此勵(lì)磁繞組對(duì)冷風(fēng)的溫升可以近似用下式表達(dá)：

式中θg——流過(guò)轉(zhuǎn)子的空氣平均溫升，K；

θs——?jiǎng)?lì)磁繞組表面溫升，K；

θt——線圈內(nèi)部與表面溫差，K；

Pr——?jiǎng)?lì)磁繞組損耗，kW；

cg——空氣體積比熱，kW/m3；

ρg——空氣密度，kg/m3；

Qg——冷卻風(fēng)量，m3/s；

As——?jiǎng)?lì)磁繞組散熱面積，m2；

αs——?jiǎng)?lì)磁繞組表面對(duì)流散熱系數(shù)，kW/（m2·℃）；

lt——熱傳遞路徑長(zhǎng)度，m；

At——熱傳遞路徑截面積，m2；

λt——熱傳導(dǎo)系數(shù)，kW/（m·℃）。

通常，流過(guò)轉(zhuǎn)子的空氣溫升θg并不高，一般在5～15K之間。由于白鶴灘發(fā)電機(jī)冷卻風(fēng)量的限制，降低勵(lì)磁繞組溫升主要從降低繞組表面溫升θs和線圈內(nèi)部與表面溫差θt著手考慮。

1.1 降低繞組表面溫升θs

對(duì)于勵(lì)磁繞組表面，若要增加散熱系數(shù)αs，需要提高空氣的流速，減小極間距，同時(shí)增加散熱表面的粗糙度[5]。由于白鶴灘相比溪洛渡等類似的大型水輪發(fā)電機(jī)而言，極間距、轉(zhuǎn)子外圓額定線速度等參數(shù)都比較接近，而且線圈都采用了散熱翅或散熱匝結(jié)構(gòu)以提高散熱表面粗糙度和散熱面積，區(qū)別也不大。因此提高白鶴灘發(fā)電機(jī)磁極線圈表面散熱系數(shù)αs的手段有限，作用也有限。降低繞組表面溫升θs主要考慮從增大繞組散熱面積As入手。

常規(guī)水輪發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁繞組僅依靠外表面進(jìn)行散熱，盡管采用銅排散熱翅結(jié)構(gòu)可以增大散熱面積，但增幅有限。發(fā)電電動(dòng)機(jī)普遍應(yīng)用線圈與鐵芯間部分架空的通風(fēng)結(jié)構(gòu)，也即通常所說(shuō)的內(nèi)外表面散熱方式。這種通風(fēng)結(jié)構(gòu)由于增加了線圈內(nèi)側(cè)和極身之間的狹窄風(fēng)道，相比單一的外表面散熱，能夠增加10%～20%的散熱面積，結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。而從表2中的數(shù)據(jù)可以看出，白鶴灘發(fā)電機(jī)即使采用發(fā)電電動(dòng)機(jī)的現(xiàn)有冷卻方案，將磁極線圈的散熱面積增加11%，冷卻條件相比溪洛渡也并無(wú)優(yōu)勢(shì)。

為此，在白鶴灘發(fā)電機(jī)上創(chuàng)新地開發(fā)了轉(zhuǎn)子空內(nèi)冷技術(shù)——即在磁極銅排本體直接開設(shè)通風(fēng)孔，在原結(jié)構(gòu)內(nèi)外表面冷卻技術(shù)的基礎(chǔ)上增加了內(nèi)部冷卻風(fēng)道。該技術(shù)可以大幅增加磁極線圈的散熱面積，增幅達(dá)33%，保證白鶴灘發(fā)電機(jī)磁極線圈冷卻條件優(yōu)于溪洛渡發(fā)電機(jī)。

圖1 常規(guī)發(fā)電機(jī)（左上）、發(fā)電電動(dòng)機(jī)（左下）、白鶴灘發(fā)電機(jī)（右）磁極線圈冷卻示意Figure 1 Schematic for winding cooling of normal generator （U.L.），generator-motor（L.L.），and BHT generator（R）

表2 白鶴灘與溪洛渡發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組散熱條件對(duì)比Table 2 Cooling condition comparison between BHT & XLD generator

1.2 降低線圈內(nèi)部與表面溫差θt

由于勵(lì)磁繞組內(nèi)部的熱傳導(dǎo)方式基本是確定的，繞組和絕緣材料也都是一樣的，因此其熱傳遞路徑截面積At和熱傳導(dǎo)系數(shù)λt也都不會(huì)有太大變化。由式（1）可知，降低θt的主要手段應(yīng)當(dāng)著眼于縮短熱傳導(dǎo)路徑長(zhǎng)度lt。

常規(guī)發(fā)電機(jī)采用的傳統(tǒng)冷卻結(jié)構(gòu)，線圈熱量?jī)H能傳遞至外表面進(jìn)行熱交換，熱傳導(dǎo)路徑較長(zhǎng)。而發(fā)電電動(dòng)機(jī)通過(guò)在局部區(qū)域增加內(nèi)表面散熱，將此區(qū)域內(nèi)的熱量傳導(dǎo)路徑長(zhǎng)度縮短了一半，提高了傳熱效率。所以即使散熱面積僅增加了10%～20%，發(fā)電電動(dòng)機(jī)在每極容量大幅提高的情況下，依然能保證勵(lì)磁繞組溫升滿足要求。

而白鶴灘發(fā)電機(jī)通過(guò)采用轉(zhuǎn)子空內(nèi)冷技術(shù)，換熱區(qū)域直接設(shè)置在了銅排內(nèi)部即熱源本體，進(jìn)一步大幅縮短了傳熱路徑，傳熱效率可以獲得進(jìn)一步的大幅提升。

因此，白鶴灘發(fā)電機(jī)采用轉(zhuǎn)子空內(nèi)冷高效冷卻技術(shù)，一方面大幅增加了磁極線圈的散熱面積，同時(shí)另一方面又大幅縮短了傳熱路徑。勵(lì)磁繞組的冷卻條件相比常規(guī)發(fā)電機(jī)和發(fā)電電動(dòng)機(jī)都有了大幅改善，有條件實(shí)現(xiàn)嚴(yán)苛不利條件下的高效冷卻。

2 模型試驗(yàn)驗(yàn)證

在轉(zhuǎn)子空內(nèi)冷技術(shù)研究的初步階段，為了驗(yàn)證該技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用效果和溫度場(chǎng)計(jì)算方法的計(jì)算精度，依據(jù)初步的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，建立了轉(zhuǎn)子空內(nèi)冷靜態(tài)模型試驗(yàn)裝置，開展了技術(shù)的熱模型試驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)裝置的原理圖和實(shí)物如圖2所示。

靜態(tài)熱模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)及對(duì)相應(yīng)結(jié)構(gòu)的有限元溫度場(chǎng)仿真計(jì)算結(jié)果對(duì)比見表3。

表3 靜態(tài)熱模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 3 Data of the static experiment

從表中數(shù)據(jù)可以得出以下結(jié)論：

（1）試驗(yàn)數(shù)據(jù)中，內(nèi)冷孔風(fēng)速為0時(shí)即對(duì)應(yīng)傳統(tǒng)冷卻結(jié)構(gòu)，此時(shí)磁極繞組平均溫升高達(dá)124K。根據(jù)計(jì)算，通風(fēng)孔內(nèi)風(fēng)速為15～20m/s，此時(shí)的磁極線圈平均溫升僅為54～57K，相對(duì)傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)下降近70K，充分證明了空內(nèi)冷技術(shù)的高效性。

（2）模型試驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果吻合度很高，說(shuō)明有限元溫度場(chǎng)仿真計(jì)算的精度滿足工程設(shè)計(jì)和應(yīng)用要求，能夠?qū)夹g(shù)應(yīng)用效果進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)判。

圖2 轉(zhuǎn)子空內(nèi)冷技術(shù)靜態(tài)熱模型試驗(yàn)裝置Figure 2 Schematic and device for Static experiment

3 勵(lì)磁繞組溫度場(chǎng)計(jì)算

轉(zhuǎn)子空內(nèi)冷技術(shù)在1000MW水輪發(fā)電機(jī)應(yīng)用的工程設(shè)計(jì)方案，相對(duì)初步研究階段的方案，在內(nèi)冷孔布置、尺寸、分布等方面進(jìn)行了優(yōu)化和調(diào)整。為預(yù)估勵(lì)磁繞組在低風(fēng)量下的散熱效果，結(jié)合研究階段經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的仿真計(jì)算方法，對(duì)工程設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了CFD溫度場(chǎng)分析計(jì)算[6-9]。計(jì)算模型取轉(zhuǎn)子一個(gè)磁極軸向一半，包括極身、極靴、繞組、端部擋風(fēng)板、磁軛、支架及周圍冷卻氣體。圖3為轉(zhuǎn)子計(jì)算模型。

圖3 溫度場(chǎng)計(jì)算模型Figure 3 Calculation model of temperature field

溫度場(chǎng)計(jì)算時(shí)，邊界條件給定如下：

（1）冷卻空氣入口設(shè)為轉(zhuǎn)子支架入口，出口設(shè)為定子風(fēng)溝及擋風(fēng)板間隙；

（2）發(fā)電機(jī)有效總風(fēng)量設(shè)為300m3/s，冷風(fēng)溫度設(shè)為40℃；

（3）發(fā)熱源按電磁設(shè)計(jì)給定。

對(duì)繞組溫升進(jìn)行了三種工況下的計(jì)算：

（1）僅考慮外表面冷卻工況，即對(duì)應(yīng)常規(guī)機(jī)組的傳統(tǒng)冷卻技術(shù)；

（2）考慮內(nèi)外表面冷卻工況，即對(duì)應(yīng)發(fā)電電動(dòng)機(jī)的內(nèi)外表面冷卻技術(shù)；

（3）白鶴灘發(fā)電機(jī)應(yīng)用的轉(zhuǎn)子空內(nèi)冷技術(shù)。

計(jì)算結(jié)果如表4和圖5所示。從表4中數(shù)據(jù)可以看出，應(yīng)用空內(nèi)冷技術(shù)之后，白鶴灘發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組評(píng)價(jià)溫升僅55K，滿足要求；如果考慮內(nèi)冷孔失效，溫升會(huì)增加8K，至63K；而只考慮外表面冷卻時(shí)，溫升會(huì)增加21K，至76K?？諆?nèi)冷技術(shù)的高效性體現(xiàn)無(wú)余。

表4 白鶴灘勵(lì)磁繞組平均溫升計(jì)算結(jié)果Table 4 Calculation result of average temperature rise of excitation winding for BHT K

而對(duì)勵(lì)磁繞組的溫度場(chǎng)和流場(chǎng)分析結(jié)果（見圖5）表明：內(nèi)冷風(fēng)孔背風(fēng)面平均風(fēng)速12.3m/s，迎風(fēng)面10.7m/s，差別不大。因此應(yīng)用空內(nèi)冷技術(shù)后，勵(lì)磁繞組迎風(fēng)側(cè)和背風(fēng)側(cè)的溫差得到了明顯改善。

為進(jìn)一步準(zhǔn)確論證轉(zhuǎn)子空內(nèi)冷技術(shù)對(duì)降低冷卻風(fēng)量以提高電機(jī)效率的意義，對(duì)白鶴灘勵(lì)磁繞組在內(nèi)部冷卻區(qū)完全失效即采用傳統(tǒng)冷卻方案，勵(lì)磁繞組平均溫升滿足58K要求的同等條件下，對(duì)需求的電機(jī)冷卻風(fēng)量進(jìn)行了反向計(jì)算。計(jì)算表明，此時(shí)需要總風(fēng)量約為385m3/s，計(jì)算結(jié)果如圖6所示。也就是說(shuō)，應(yīng)用轉(zhuǎn)子空內(nèi)冷技術(shù)，白鶴灘發(fā)電機(jī)所需冷卻風(fēng)量減少了85m3/s（約22%），初步計(jì)算可以降低通風(fēng)損耗約1000kW，可以提高電機(jī)效率0.1個(gè)百分點(diǎn)。

另一項(xiàng)計(jì)算結(jié)果也可以對(duì)空內(nèi)冷技術(shù)的高效性做出注解：計(jì)算分析表明，流經(jīng)內(nèi)表面和內(nèi)冷孔的內(nèi)部冷卻區(qū)總風(fēng)量為35m3/s，僅為總風(fēng)量的11.7%，但經(jīng)其帶走的繞組損耗為690kW，高達(dá)繞組總損耗的37%。即內(nèi)部冷卻區(qū)以一成的風(fēng)量帶走了將近四成的損耗，對(duì)轉(zhuǎn)子空內(nèi)冷技術(shù)的高效性進(jìn)行了進(jìn)一步的驗(yàn)證。

圖4 不同冷卻條件下勵(lì)磁繞組溫度場(chǎng)分布Figure 4 Temperature field of different cooling conditions

圖5 迎、背風(fēng)側(cè)內(nèi)冷孔風(fēng)速和繞組溫升分布Figure 5 Wind velocity and temperature distribution of windward and leeward

圖6 相同溫升下不同冷卻結(jié)構(gòu)需求風(fēng)量計(jì)算結(jié)果（a）空內(nèi)冷技術(shù)，風(fēng)量300m3/s；（b）傳統(tǒng)冷卻技術(shù)，風(fēng)量385m3/sFigure 6 Air volume requirement for different cooling tech. at the same temperature achievement

4 結(jié)束語(yǔ)

轉(zhuǎn)子高效冷卻技術(shù)的研究機(jī)理是通過(guò)在熱源本體即銅排上開設(shè)內(nèi)冷孔，大幅增加線圈的散熱面積，同時(shí)大幅縮短了熱傳遞路徑，從而大幅改善勵(lì)磁繞組的冷卻條件。

白鶴灘1000MW水輪發(fā)電機(jī)應(yīng)用轉(zhuǎn)子空內(nèi)冷技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)低風(fēng)量嚴(yán)苛條件下勵(lì)磁繞組的高效冷卻，而且迎背風(fēng)側(cè)的溫差也得到了明細(xì)改善。

計(jì)算表明，轉(zhuǎn)子空內(nèi)冷技術(shù)可以大幅減少電機(jī)對(duì)冷卻風(fēng)量的需求，進(jìn)而大幅降低通風(fēng)損耗以提高電機(jī)效率。而對(duì)內(nèi)部冷卻區(qū)散熱能力的計(jì)算也對(duì)該技術(shù)的高效性進(jìn)行了充分驗(yàn)證。

通過(guò)增加空內(nèi)冷區(qū)域，該技術(shù)還具備進(jìn)一步的發(fā)揮空間，可以進(jìn)一步壓縮總風(fēng)量，進(jìn)一步提高電機(jī)效率。反之，通過(guò)增加冷卻風(fēng)量同時(shí)增加空內(nèi)冷區(qū)域，該技術(shù)可以應(yīng)用于更大容量和更高勵(lì)磁繞組損耗的水輪發(fā)電機(jī)。