大藤峽水輪發(fā)電機(jī)組通風(fēng)冷卻系統(tǒng)介紹

吳義斌

（廣西大藤峽水利樞紐開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司，廣西 南寧537226）

大藤峽水利樞紐工程位于珠江流域西江水系黔江干流大藤峽出口弩灘上，地屬?gòu)V西壯族自治區(qū)桂平市，工程任務(wù)為防洪、航運(yùn)、發(fā)電、補(bǔ)水壓咸、灌溉等綜合利用。電站裝機(jī)容量1600 MW，安裝8臺(tái)單機(jī)容量為200 MW的軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)發(fā)電機(jī)組，其中左岸廠房3臺(tái)機(jī)組，右岸廠房5臺(tái)機(jī)組。電站的供電范圍為廣西電網(wǎng)，承擔(dān)電網(wǎng)的發(fā)電和調(diào)峰任務(wù)，按無(wú)人值班（少人值守）方式設(shè)計(jì)。

大藤峽水輪發(fā)電機(jī)組主要參數(shù)：發(fā)電機(jī)型號(hào)為SF200-88/1773；視在功率為228.6 MVA；額定電壓為15.75 kV；額定轉(zhuǎn)速為68.2 r/min；功率因素為0.875（滯后）；發(fā)電機(jī)總重量為1805 t；轉(zhuǎn)動(dòng)慣量GD2≥ 138000 t·m2；推力負(fù)荷 4430 t；絕緣等級(jí)為F級(jí)；定子繞組連接為Y形連接，經(jīng)中性點(diǎn)接地。

大藤峽水電站自然條件：主廠房最高溫度39.2℃；最低溫度-3.3℃；冷卻水進(jìn)水最高溫度為30℃；平均相對(duì)濕度為80%。

1 大藤峽水輪發(fā)電機(jī)組冷卻方式的選擇

目前國(guó)內(nèi)外大容量低轉(zhuǎn)速的水輪發(fā)電機(jī)組采用的主要冷卻方式有4種：空冷、半水冷、全水冷及蒸發(fā)冷卻[1]。發(fā)電機(jī)冷卻方式采用空冷或水冷，在技術(shù)上都是可行的，但從運(yùn)行可靠性、安裝、檢修和運(yùn)行維護(hù)的管理和費(fèi)用來(lái)考慮，特別是發(fā)電機(jī)的飛輪力矩要求較大，直軸瞬變電抗要求較小時(shí)，宜優(yōu)先采用空冷方式[2]。

全空冷水輪發(fā)電機(jī)組具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠和維護(hù)方便的明顯優(yōu)勢(shì)。隨著通風(fēng)冷卻技術(shù)的發(fā)展、絕緣技術(shù)的進(jìn)步以及防止鐵心膨脹翹曲的設(shè)計(jì)優(yōu)化，國(guó)內(nèi)外大容量空冷機(jī)組得到廣泛應(yīng)用，并且容量、槽電流及電負(fù)荷有不斷增大的趨勢(shì)。

大藤峽水輪發(fā)電機(jī)組單機(jī)容量為228.6 MVA（主要技術(shù)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1），目前已成功投運(yùn)這一等級(jí)的全空冷水輪發(fā)電機(jī)組有二灘（612 MVA）、白山（343 MVA）、巖灘（345.7 MVA）等電機(jī)。電機(jī)的發(fā)熱與溫升是和槽電流等電磁參數(shù)直接相關(guān)的，從表1可知以上這些發(fā)電機(jī)有一個(gè)共同的特點(diǎn)，即槽電流都在6500 A以下，大藤峽水輪發(fā)電機(jī)組的槽電流為4189 A，也具有這個(gè)特點(diǎn)。

隨著通風(fēng)系統(tǒng)的優(yōu)化和線圈散熱性能的改善，從留有一定熱負(fù)荷裕度考慮，大型全空冷水輪發(fā)電機(jī)組槽電流的取值范圍可擴(kuò)大為5500～7500 A，最高值達(dá)8000 A。但熱負(fù)荷值宜不超過(guò)3000 A2/mm2·cm，以控制鐵心熱脹變形和定子溫升，確保發(fā)電機(jī)安全穩(wěn)定運(yùn)行。從表1可看出，大藤峽水輪發(fā)電機(jī)組的槽電流和熱負(fù)荷值都在上述范圍內(nèi)。

因此，大藤峽水輪發(fā)電機(jī)組的冷卻方式應(yīng)優(yōu)先選擇全空冷方式。

表1 國(guó)內(nèi)典型空冷水輪發(fā)電機(jī)組主要技術(shù)數(shù)據(jù)對(duì)比

2 大藤峽水輪發(fā)電機(jī)組通風(fēng)冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

大藤峽水輪發(fā)電機(jī)組通風(fēng)冷卻系統(tǒng)采用雙路徑向無(wú)風(fēng)扇端部回風(fēng)密閉自循環(huán)全空冷冷卻方式，冷卻空氣由轉(zhuǎn)子支架、磁軛、磁極旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的風(fēng)扇作用進(jìn)入轉(zhuǎn)子支架入口，流經(jīng)磁軛風(fēng)溝、磁極極間、氣隙、定子徑向風(fēng)溝，冷卻氣體攜帶發(fā)電機(jī)損耗熱經(jīng)定子鐵心背部匯集到冷卻器與冷卻水熱交換散去熱量后，重新分上、下兩路流經(jīng)定子線圈端部進(jìn)入轉(zhuǎn)子支架，構(gòu)成密閉自循環(huán)端部回風(fēng)通風(fēng)系統(tǒng)[3]。通風(fēng)系統(tǒng)示意見(jiàn)圖1。

圖1 大藤峽水輪發(fā)電機(jī)組風(fēng)路系統(tǒng)示意

由于大藤峽水輪發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速較低，轉(zhuǎn)子外徑較大，在通風(fēng)冷卻系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上應(yīng)盡量減小流道內(nèi)的阻力，合理地控制風(fēng)量，有效地控制通風(fēng)損耗。為了避免在磁極軸向、氣隙等處漏風(fēng)較多，增加通風(fēng)損耗，在水輪發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)子上裝設(shè)旋轉(zhuǎn)擋風(fēng)板，擋住該部分漏風(fēng)；同時(shí)在定子線圈端部裝設(shè)密封橡膠圈，極大地減小漏風(fēng)量，提高冷卻能力，具體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。

圖2 空氣密封結(jié)構(gòu)

對(duì)于轉(zhuǎn)子支架擋風(fēng)板與轉(zhuǎn)子支架旋轉(zhuǎn)時(shí)在支架入風(fēng)口產(chǎn)生的壓力損失，通過(guò)通風(fēng)系統(tǒng)計(jì)算分析，確定轉(zhuǎn)子支架位置和結(jié)構(gòu)尺寸。為了有效減小轉(zhuǎn)子支架與磁軛之間的間隙漏風(fēng)，降低通風(fēng)損耗，該部分采用密封結(jié)構(gòu)。

大藤峽水輪發(fā)電機(jī)組的磁軛過(guò)流通道由磁軛風(fēng)溝和磁軛縫隙組成，即在兩張沖片間有縫隙，疊片方式為移動(dòng)半個(gè)極距。同時(shí)，由導(dǎo)風(fēng)帶形成通風(fēng)溝，冷風(fēng)由這些通道進(jìn)入轉(zhuǎn)子磁極極間。通風(fēng)隙入口寬度和出口寬度均為170 mm；通風(fēng)溝入口和出口寬度分別為350 mm和170 mm，具體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3。

圖3 空氣流經(jīng)極間、磁軛通風(fēng)隙

定子鐵心疊片時(shí)在軸向分段以形成通風(fēng)溝，通風(fēng)溝由點(diǎn)焊在通風(fēng)槽片上的通風(fēng)槽鋼形成。冷卻流體在定子通風(fēng)溝中流動(dòng)產(chǎn)生的壓力損失占通風(fēng)冷卻系統(tǒng)壓力損失的比例很大，定子通風(fēng)溝的設(shè)計(jì)要考慮如何布置通風(fēng)槽鋼會(huì)使流道流暢，同時(shí)通過(guò)選擇合理的通風(fēng)溝數(shù)量和高度來(lái)相對(duì)增大散熱面積，保證一定的風(fēng)速值來(lái)提高通風(fēng)溝內(nèi)的對(duì)流換熱。另外，選擇性價(jià)比合適的導(dǎo)磁材料及邊段鐵心采用階梯結(jié)構(gòu)，以降低鐵心及端部的損耗，緩解冷卻壓力，圖4為定子鐵心端部示意。

大藤峽水輪發(fā)電機(jī)組的磁極線圈材料為無(wú)氧退火銅排，采用成熟的四角中頻焊接的特殊工藝。為增大總的冷卻面積，部分匝（散熱匝）比其他匝要寬，使繞組外表面看上去像帶散熱筋的冷卻面。

圖4 定子鐵心端部示意

3 大藤峽水輪發(fā)電機(jī)組損耗及對(duì)通風(fēng)冷卻系統(tǒng)的要求

電機(jī)損耗主要包括繞組損耗、鐵心損耗、附加損耗、機(jī)械損耗等，對(duì)于全空氣冷卻的電機(jī)，除軸承損耗外，絕大部分損耗由電機(jī)內(nèi)流動(dòng)的冷卻氣體帶走。

表2 發(fā)電機(jī)各部分損耗

大藤峽水輪發(fā)電機(jī)組在運(yùn)行過(guò)程中，產(chǎn)生表2中的損耗，為滿足發(fā)電機(jī)各部件的冷卻要求，通風(fēng)冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)保證發(fā)電機(jī)各部位的風(fēng)速，風(fēng)量分布比較合理和均勻，以防止發(fā)電機(jī)因冷卻不均造成的鐵心翹曲等機(jī)械變形。

大藤峽水輪發(fā)電機(jī)組需要通風(fēng)冷卻系統(tǒng)帶走的損耗為3019.9 kW，按空氣在冷卻器中溫降28 k計(jì)算，需要的空氣流量為98.05 m3/s。

4 大藤峽水輪發(fā)電機(jī)組通風(fēng)冷卻系統(tǒng)計(jì)算

根據(jù)大藤峽水輪發(fā)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)，風(fēng)路計(jì)算方法系采用電機(jī)內(nèi)的各部分流動(dòng)損失所形成的流體流動(dòng)網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)化為一線性網(wǎng)絡(luò)的分析方法，建立通風(fēng)冷卻系統(tǒng)的模擬網(wǎng)絡(luò)[3]。在網(wǎng)絡(luò)中，計(jì)算元件包含轉(zhuǎn)子支架、磁軛風(fēng)溝、磁極極間的壓力元件及阻力元件，以及氣隙、定子風(fēng)溝、冷卻器等阻力元件。從而建立各節(jié)點(diǎn)的多個(gè)支路元件的線性方程矩陣，進(jìn)行求解，計(jì)算出電機(jī)的總風(fēng)量及風(fēng)量分配，并在通風(fēng)計(jì)算網(wǎng)絡(luò)上顯示流量、流速、壓力等變量。發(fā)電機(jī)詳細(xì)的通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)見(jiàn)圖5，具體風(fēng)量計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖6。

圖5 大藤峽水輪發(fā)電機(jī)組通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)

圖6 通風(fēng)計(jì)算結(jié)果

從圖6可看出，大藤峽水輪發(fā)電機(jī)組的有效總風(fēng)量為106.2 m3/s，上風(fēng)路的風(fēng)量約占總風(fēng)量的50%，下風(fēng)路的風(fēng)量約占總風(fēng)量的50%。大藤峽水輪發(fā)電機(jī)組需要風(fēng)量為98.05 m3/s，設(shè)計(jì)風(fēng)量有8.3%的余量。

5 大藤峽水輪發(fā)電機(jī)組空氣冷卻器選擇計(jì)算

決定冷卻器傳熱系數(shù)大小的主要因素是：用于傳熱的材料接觸熱阻的大小、材料導(dǎo)熱系數(shù)的高低、翼片形狀結(jié)構(gòu)選擇是否合理等。從良好的散熱效果和經(jīng)濟(jì)效果角度出發(fā)，綜合考慮最佳的傳熱系數(shù)與最佳的散熱面積兩者之間的矛盾，大藤峽電廠選擇了GEA公司制造的穿片式冷卻器，圖7為穿片式冷卻器模型散熱元件圖。穿片式冷卻器是由穿片式冷卻元件組成的，而穿片式冷卻元件是一片多管脹接的整體破口片。

空氣冷卻器用法蘭直接固定在定子機(jī)座上，冷卻管上帶有散熱片以均衡空氣和水的熱交換系數(shù)和流速。散熱片可顯著增加冷卻面積。冷卻管一端的承管板裝在一導(dǎo)向螺桿上，另一端固定在冷卻座上，這樣可保證冷卻水管的熱膨脹。水箱可從水管和承管板上拆下來(lái)?？諝饫鋮s器水管內(nèi)水速設(shè)計(jì)值為1.5 m/s，采用防止沉淀物堵塞的冷卻水管，材料選用散熱良好的紫銅，散熱片為鋁片。水箱上部密封裝有一空氣釋放孔，由一自動(dòng)空氣釋放閥與排水系統(tǒng)相連。此外，所有冷卻器下部均裝有一排水閥及與排水系統(tǒng)相連的水管?？紤]電機(jī)長(zhǎng)期運(yùn)行，冷卻器的散熱片附著的油污及水管生銹等因素對(duì)冷卻器散熱能力的影響，在冷卻器設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)散熱系數(shù)等參數(shù)采用污垢系數(shù)進(jìn)行修正。

圖7 穿片式冷卻器結(jié)構(gòu)

根據(jù)規(guī)程要求：發(fā)電機(jī)在額定工況連續(xù)運(yùn)行、冷風(fēng)溫度為40℃，冷卻水進(jìn)水溫度為30℃，并當(dāng)有15%總冷卻容量的空氣冷卻器退出運(yùn)行時(shí)，機(jī)組運(yùn)行時(shí)電機(jī)各部位溫升仍不超過(guò)允許的溫升限值。大藤峽水輪發(fā)電機(jī)組共設(shè)置16臺(tái)空氣冷卻器，考慮到非正常工況下有2臺(tái)冷卻器發(fā)生故障退出工作時(shí)，總風(fēng)量為106.2 m3/s，其總換熱容量仍可以滿足發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行要求，在冷卻器的設(shè)計(jì)上，留有足夠的余量，保證部分冷卻器故障狀態(tài)下，其余的空氣冷卻器仍能承擔(dān)并完成大藤峽水輪發(fā)電機(jī)組冷卻任務(wù)并能保證發(fā)電機(jī)各發(fā)熱部件的溫度不超過(guò)絕緣限值?？諝饫鋮s器主要技術(shù)數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

表3 空氣冷卻器計(jì)算結(jié)果

6 結(jié)論

大藤峽水輪發(fā)電機(jī)組采用雙路徑向密閉自循環(huán)的端部回風(fēng)通風(fēng)結(jié)構(gòu)，水輪發(fā)電機(jī)組冷卻需要風(fēng)量為98.05 m3/s，計(jì)算風(fēng)量為106.2 m3/s，產(chǎn)生的總風(fēng)量能滿足發(fā)電機(jī)通風(fēng)冷卻要求，各部分風(fēng)速沿軸向均勻分布，風(fēng)量分配合理、匹配。在額定容量工況運(yùn)行時(shí)，空氣冷卻器的裕度達(dá)34.14%。在額定容量運(yùn)行時(shí)，2臺(tái)冷卻器退出運(yùn)行后仍具有一定的散熱裕度，滿足安全可靠運(yùn)行要求。