燈泡貫流式機(jī)組一、二次冷卻水混合利用探索

張 鑫

(四川嘉陵江桐子壕航電開發(fā)有限公司，四川 武勝 638400)

燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)組具有效率高、體積小、造價(jià)低、建設(shè)開挖量少等眾多優(yōu)點(diǎn)，是開發(fā)低水頭水力資源的一種良好機(jī)型，被廣泛用于低水頭電站。

隨著制造技術(shù)的不斷提高與完善，燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)組單機(jī)容量不斷增大，目前世界上單機(jī)容量最大的燈泡貫流式機(jī)組已經(jīng)達(dá)到75 MW。發(fā)電機(jī)的絕緣受溫度影響很大，隨著機(jī)組容量的不斷增大，發(fā)電機(jī)的冷卻成為一個(gè)難以忽視的技術(shù)難題。由于燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)為臥式布置，且完全淹沒在流道中，出于水力設(shè)計(jì)方面的考慮，其發(fā)電機(jī)尺寸不能設(shè)計(jì)得過大，且結(jié)構(gòu)緊湊，這給發(fā)電機(jī)的冷卻帶來了不小的困難。

1 大型燈泡貫流式機(jī)組常見冷卻方式[1-2]

燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)組傳統(tǒng)的冷卻水方式主要有以下兩種：

一種是二次冷卻水模式，即密閉循環(huán)水冷卻模式(見圖1)。冷卻發(fā)電機(jī)后產(chǎn)生的熱空氣經(jīng)空氣冷卻器傳遞給循環(huán)冷卻水，循環(huán)冷卻水再通過“水-水”冷卻器(燈泡貫流式機(jī)組錐體冷卻套或外置式水冷卻器)把熱量傳遞至與之外表面接觸的河水帶走。該冷卻方式因循環(huán)水水質(zhì)良好，在管道內(nèi)部不會(huì)產(chǎn)生堵塞現(xiàn)象。但由于“水-水”冷卻器外表面經(jīng)常被水生物及其他雜物覆蓋，且容易結(jié)垢，散熱效果不佳，特別是環(huán)境溫度較高時(shí)對(duì)于大容量機(jī)組冷卻效果不夠理想。

圖1 二次冷卻水原理圖

另一種是一次冷卻水模式，即非循環(huán)冷卻模式(見圖2)。在一次冷卻水模式下，冷卻發(fā)電機(jī)后產(chǎn)生的熱空氣由空氣冷卻器中的冷卻水吸收，而該冷卻水直接引用河水，將熱量帶走后直接排入河道，一次性使用。該冷卻方式因河水溫度較低，冷卻效果好，但若水質(zhì)差則易對(duì)設(shè)備產(chǎn)生損害。同時(shí)，直接引用河水會(huì)導(dǎo)致管道內(nèi)引入大量蚌類水生物，此類水生物極易吸附在管壁上大量繁殖，使較小管徑的空氣冷卻器管路產(chǎn)生堵塞，最終嚴(yán)重影響冷卻效果。

圖2 一次冷卻水原理圖

2 桐子壕燈泡貫流式機(jī)組冷卻水系統(tǒng)改造情況

2.1 工程概況

四川嘉陵江桐子壕航電樞紐位于四川省武勝縣境內(nèi)的嘉陵江干流上，距武勝縣城12 km，多年平均氣溫17.5℃，系徑流式低水頭電站，電站裝有3臺(tái)單機(jī)容量36 MW的燈泡貫流式機(jī)組(東方電機(jī)有限公司生產(chǎn))。電站基本參數(shù)如下：上游正常蓄水位224.00 m，死水位223.00 m，正常尾水位211.10 m，額定水頭10 m，最大水頭14.8 m，最小水頭4.2 m，加權(quán)平均水頭11.3 m，多年平均含沙量2.41 kg/m3，過機(jī)平均含沙量1.06 kg/m3。

2.2 冷卻系統(tǒng)概況

桐子壕電站發(fā)電機(jī)采用密閉強(qiáng)迫自循環(huán)混合式通風(fēng)系統(tǒng)，冷卻水系統(tǒng)原設(shè)計(jì)為二次冷卻水模式(密閉水循環(huán)方式)，經(jīng)空氣冷卻器熱交換后的熱水進(jìn)入錐形冷卻套，利用河水將冷卻套內(nèi)的水冷卻，再通過水泵加壓后注入空氣冷卻器以構(gòu)成水冷卻循環(huán)系統(tǒng)。冷卻水系統(tǒng)主要參數(shù)如下：設(shè)計(jì)水溫30℃；二次循環(huán)水容量4 m3；二次循環(huán)水流量230 m3/h。

桐子壕電站3臺(tái)發(fā)電機(jī)組自2003年投產(chǎn)以來，定子線圈溫度一直處于110～130℃運(yùn)行。投產(chǎn)初期，為解決定子線圈溫度過高的問題，曾嘗試將原設(shè)計(jì)的6臺(tái)11 kW軸流風(fēng)機(jī)全部更換為22 kW的軸流風(fēng)機(jī)，但未能解決問題。機(jī)組定子線圈溫度過高大大加快了機(jī)組的絕緣老化，減少機(jī)組的使用壽命，威脅到機(jī)組的運(yùn)行安全。

2.3 冷卻系統(tǒng)改造過程

通過對(duì)兩種傳統(tǒng)冷卻方式的利弊分析，最終確定在桐子壕電站2010～2011年年度檢修期間，對(duì)機(jī)組冷卻方式進(jìn)行改造，將傳統(tǒng)的各有弊端的兩種冷卻方式進(jìn)行優(yōu)化組合，取長補(bǔ)短，合理切換，既可以有效控制發(fā)電機(jī)組定子線圈溫度在合理范圍內(nèi)，同時(shí)最大限度保證了機(jī)組冷卻系統(tǒng)的安全性、穩(wěn)定性和可靠性(見圖3)。

圖3 一、二次冷卻水混合利用原理圖

經(jīng)過改造，兩種方式的冷卻系統(tǒng)共存。二次循環(huán)冷卻水經(jīng)冷卻水泵加壓注入空氣冷卻器，經(jīng)空氣冷卻器熱交換后的熱水進(jìn)入錐體冷卻套，利用河水將錐體冷卻套內(nèi)的水冷卻，再進(jìn)入冷卻水泵加壓構(gòu)成水冷卻循環(huán)系統(tǒng)；一次冷卻水從上游流道直接取水，經(jīng)冷卻水泵加壓、濾水器過濾后注入空氣冷卻器，經(jīng)空氣冷卻器熱交換后的熱水直接排至流道。二者獨(dú)立運(yùn)行，可通過閥門進(jìn)行合理切換。整個(gè)冷卻水系統(tǒng)中設(shè)置有濾水器、水處理器、電磁流量計(jì)和壓差開關(guān)等設(shè)備，可分別用于濾除冷卻水中較大的雜質(zhì)，防止管路及設(shè)備內(nèi)壁結(jié)垢，監(jiān)測(cè)冷卻水流量以及管路堵塞情況。

2.4 改造效果說明

桐子壕電站機(jī)組冷卻水系統(tǒng)改造后，在使用一次冷卻水時(shí)，空冷器進(jìn)、出風(fēng)溫度均有較大幅度下降，進(jìn)、出水溫差也明顯增大，顯示熱交換效率更高(見表1)。

表1 不同冷卻方式下空冷器相關(guān)溫度對(duì)比表 ℃

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，機(jī)組改造后定子線圈溫度較改造前約降低15～20℃。圖4為改造前后機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)定子線圈最高溫度對(duì)比(環(huán)境溫度相近)?？梢姡舜渭几娘@著降低了機(jī)組定子線圈溫度。

圖4 技改前、后定子最高溫度對(duì)比圖

桐子壕電站機(jī)組冷卻水系統(tǒng)改造后已經(jīng)安全穩(wěn)定運(yùn)行8年時(shí)間。期間，即使在環(huán)境溫度超過40℃的超高溫季節(jié)，發(fā)電機(jī)依然可以維持在較低溫度運(yùn)行；經(jīng)多年運(yùn)行，也未出現(xiàn)空冷器堵塞、管路明顯磨損等現(xiàn)象。實(shí)踐證明，此次改造是成功的。

3 一、二次冷卻水混合利用的優(yōu)勢(shì)及前提

由于我國南方地區(qū)大部分河流中均生存有一種名叫淡水殼菜的蚌類水生物，此類水生物由于其繁殖速度驚人，并且吸附在物體表面的牢固程度很高，常常使機(jī)組安全運(yùn)行受到威脅，尤其是在管路系統(tǒng)中，該類水生物的大量繁殖會(huì)使冷卻系統(tǒng)供水困難，有時(shí)迫使機(jī)組停機(jī)，進(jìn)行管路的清理工作。根據(jù)一些科研單位和電站的研究和實(shí)踐，已初步摸清有關(guān)此類水生物的生長規(guī)律，此類水生物依靠自身分泌的足絲牢牢地附生在物體上，形成層層堆疊的群體，它最適宜的生活條件是水流速度不大(如閥門背水側(cè)、管路拐彎處等)和水溫在16～25℃的地方，當(dāng)水溫超過32℃時(shí)，便不易生存[3]。由于二次冷卻水為循環(huán)利用，水溫將明顯高于該類水生物的生存環(huán)境溫度。通過合理切換，可以直接將一次冷卻水中引進(jìn)的蚌類水生物殺死，使其脫落，防止水生物在管道內(nèi)大量繁殖，從而有效避免了管道堵塞。

此外，由于一、二次冷卻水供水設(shè)備及供水對(duì)象均為共用，在傳統(tǒng)的單一冷卻水模式基礎(chǔ)上僅需增加取、排水管路，設(shè)備布置集中，造價(jià)低，施工及運(yùn)行維護(hù)方便。

為達(dá)到預(yù)期冷卻效果，同時(shí)維持設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行，需制定相應(yīng)的運(yùn)行規(guī)程。在實(shí)際應(yīng)用中，兩種冷卻方式切換的合理性是達(dá)到預(yù)期目標(biāo)的最大保障。為此，桐子壕電站在運(yùn)行規(guī)程中作出如下規(guī)定：一、二次冷卻水系統(tǒng)的啟用主要取決于環(huán)境溫度，當(dāng)環(huán)境溫度低于30℃時(shí)，使用二次密閉循環(huán)冷卻水系統(tǒng)；當(dāng)環(huán)境溫度長時(shí)間高于30℃時(shí)，經(jīng)批準(zhǔn)后，切換為一次冷卻水系統(tǒng)運(yùn)行。此外，當(dāng)洪水來臨時(shí)，由于水中泥沙含量及漂浮物大幅度增加，同時(shí)由于流量較大時(shí)水頭較低，機(jī)組無法滿負(fù)荷運(yùn)行，自身發(fā)熱不高，此時(shí)切換為二次冷卻水系統(tǒng)運(yùn)行，避免水質(zhì)差對(duì)設(shè)備產(chǎn)生磨損。

4 結(jié) 語

目前國內(nèi)大中型貫流式水輪發(fā)電機(jī)組普遍存在發(fā)電機(jī)溫度過高(二次冷卻水)、冷卻水系統(tǒng)管網(wǎng)水生物堵塞及設(shè)備磨損嚴(yán)重(一次冷卻水)等情況。針對(duì)以上這些問題，大多數(shù)機(jī)組利用機(jī)組年度檢修時(shí)進(jìn)行清理等方法來改善，但是此法耗時(shí)耗力。若機(jī)組正常運(yùn)行過程中因這些問題導(dǎo)致機(jī)組被迫降低負(fù)荷或停機(jī)，更將造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。為解決現(xiàn)有技術(shù)的上述缺點(diǎn)，就急需一種冷卻效果好、可靠性高，并能有效克服上述不足的冷卻方式。

該技術(shù)方案能很好地克服傳統(tǒng)冷卻方式的不足，且安裝維護(hù)方便、造價(jià)低廉，便于在行業(yè)內(nèi)推廣。目前，由桐子壕電站冷卻水系統(tǒng)技改為基礎(chǔ)延伸的燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)組一、二次冷卻水混合利用系統(tǒng)已獲國家發(fā)明專利授權(quán)(專利號(hào)：ZL 2012 1 0190443.2)，有望為行業(yè)中普遍存在的燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)組冷卻效果不佳的問題提供一個(gè)普遍性的解決方案。