大型水氫氫汽輪發(fā)電機(jī)通風(fēng)系統(tǒng)特點(diǎn)及性能分析

胡磊　袁益超

摘 要： 目前功率在600 MW及以上的大型汽輪發(fā)電機(jī)多采用水氫氫冷卻方式，即定子線圈采用水冷，定子鐵芯及轉(zhuǎn)子線圈采用氫冷.通過將采用不同通風(fēng)型式的定子鐵芯及轉(zhuǎn)子線圈進(jìn)行組合，可派生出多種通風(fēng)系統(tǒng)，但是不同通風(fēng)系統(tǒng)之間的性能尚無法用統(tǒng)一的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行量化.在對水氫氫汽輪發(fā)電機(jī)不同通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行分析、比較的基礎(chǔ)上，提出了通風(fēng)系統(tǒng)效率（EVS）的概念，并給出相應(yīng)的計算方法，可對不同通風(fēng)系統(tǒng)的性能進(jìn)行比較，也可為通風(fēng)系統(tǒng)的選擇提供一定的參考依據(jù).

關(guān)鍵詞： 大型水氫氫汽輪發(fā)電機(jī)； 通風(fēng)系統(tǒng)； 效率

中圖分類號： TM 311 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

Characteristics and performance of the ventilation system for

largescale waterhydrogenhydrogen turbo generator

HU Lei1，2， YUAN Yichao1

（1.School of Energy and Power Engineering， University of Shanghai for Science and Technology/

Shanghai Key Laboratory of Multiphase Flow and Heat Transfer in Power Engineering，

Shanghai 200093， China； 2.Design Department， Shanghai Electric Power Generation

Equipment Co. ， Ltd. ， Generator Plant， Shanghai 200240， China）

Abstract： At present，the cooling method for the largescale turbo generators with capacity of 600 MW or more is mainly in the form of waterhydrogenhydrogen，which means that the stator winding is cooled by water while the stator core and rotor winding are cooled by hydrogen.Different combination between the stator core and rotor winding can form many types of ventilation system.However，there is still no general mathematical model to quantify the efficiency of the ventilation system.The concept of the efficiency of ventilation system （EVS） for the largescale waterhydrogenhydrogen turbo generator is proposed in this paper.The corresponding equation is given.In terms of EVS，the performance of different ventilation systems can be conveniently evaluated.It also provides the reference for the selection of the suitable ventilation system during the turbo generator design.

Keywords： largescale waterhydrogenhydrogen turbo generator； ventilation system； efficiency

目前600 MW及以上容量的大型汽輪發(fā)電機(jī)，由于定子線負(fù)荷高、熱流密度大，多采用水氫氫冷卻方式[1-3]，即：定子線圈水內(nèi)冷、定子鐵芯和轉(zhuǎn)子線圈氫冷.定子鐵芯和轉(zhuǎn)子線圈雖然為氫冷，但其通風(fēng)型式卻多樣化：轉(zhuǎn)子線圈最為常見的有槽底副槽徑向通風(fēng)、氣隙取氣斜流通風(fēng)及軸向-徑向通風(fēng)三種；定子鐵芯則多為軸向通風(fēng)、徑向通風(fēng)兩種.

目前汽輪發(fā)電機(jī)通風(fēng)冷卻領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)主要集中在流場分布、溫度場分布、熱源分布以及流場與溫度場耦合等方面，并取得了一系列研究成果.而對于水氫氫汽輪發(fā)電機(jī)不同通風(fēng)系統(tǒng)之間性能的對比分析，尚未見報導(dǎo).

1 通風(fēng)系統(tǒng)特點(diǎn)

目前國內(nèi)外主流的發(fā)電機(jī)制造廠家，通過將水氫氫汽輪發(fā)電機(jī)的定子鐵芯和轉(zhuǎn)子線圈不同通風(fēng)型式之間進(jìn)行組合，派生出多種型式的通風(fēng)系統(tǒng)[1].

（1） 轉(zhuǎn)子采用槽底副槽徑向通風(fēng)型式：如上海發(fā)電機(jī)廠（以下簡稱上電）生產(chǎn)的300 MW等級水氫氫汽輪發(fā)電機(jī)，轉(zhuǎn)子采用槽底副槽徑向通風(fēng)，定子鐵芯采用徑向通風(fēng)，此發(fā)電機(jī)最初為上電、哈爾濱電機(jī)廠（以下簡稱哈電）與美國西屋公司于20世紀(jì)80年代聯(lián)合開發(fā)設(shè)計的機(jī)型；上電、哈電、東方電機(jī)廠（以下簡稱東電）生產(chǎn)的100～200 MW系列空冷汽輪發(fā)電機(jī)，轉(zhuǎn)子均采用槽底副槽徑向通風(fēng)，定子鐵芯采用軸向分區(qū)的多進(jìn)多出徑向通風(fēng)（如一進(jìn)二出、二進(jìn)三出、四進(jìn)五出等）.

（2） 轉(zhuǎn)子采用氣隙取氣斜流通風(fēng)型式：如上電生產(chǎn)的600 MW等級水氫氫汽輪發(fā)電機(jī)，轉(zhuǎn)子采用氣隙取氣斜流通風(fēng)，定子鐵芯采用軸向分區(qū)的多進(jìn)多出徑向通風(fēng)，此發(fā)電機(jī)最初為上電、哈電在美國西屋公司于20世紀(jì)80年代完成的優(yōu)化設(shè)計機(jī)型；通用電氣（GE）公司生產(chǎn)的300 MW以上等級的全速水氫氫汽輪發(fā)電機(jī)，也采用上述通風(fēng)型式的組合；哈電、東電生產(chǎn)的功率范圍在200～1 000 MW以內(nèi)的全速水氫氫汽輪發(fā)電機(jī)，通風(fēng)系統(tǒng)均采用上述通風(fēng)型式的組合.

（3） 轉(zhuǎn)子采用軸向-徑向通風(fēng)型式：如上電生產(chǎn)的900～1 200 MW等級全速、1 100～1 300 MW等級半速兩個系列水氫氫汽輪發(fā)電機(jī)，轉(zhuǎn)子采用軸向-徑向通風(fēng)，定子鐵芯采用軸向通風(fēng)；西門子（Siemens）公司生產(chǎn)的功率在600 MW以上等級的全速和半速水氫氫汽輪發(fā)電機(jī)，通風(fēng)系統(tǒng)均采用上述通風(fēng)型式的組合.

綜上可知，對于水氫氫汽輪發(fā)電機(jī)而言，定子鐵芯通常采用軸向通風(fēng)或徑向通風(fēng)型式，其結(jié)構(gòu)較為簡單；而轉(zhuǎn)子則分別采用氣隙取氣斜流通風(fēng)、槽底副槽徑向通風(fēng)、軸向-徑向通風(fēng)三種不同的通風(fēng)型式，且其結(jié)構(gòu)差異較大.

1.1 氣隙取氣斜流通風(fēng)型式

轉(zhuǎn)子線圈氣隙取氣斜流通風(fēng)型式，其本質(zhì)上是一種自通風(fēng)方式：維持冷卻氣體在轉(zhuǎn)子線圈內(nèi)循環(huán)的動力主要來自于轉(zhuǎn)子自身旋轉(zhuǎn)引起的泵壓.轉(zhuǎn)子槽楔進(jìn)、出風(fēng)斗合理的空氣動力學(xué)形狀是保證轉(zhuǎn)子線圈內(nèi)有足夠流量的關(guān)鍵因素.

該通風(fēng)型式的特定結(jié)構(gòu)決定了定子鐵芯往往采用軸向分區(qū)的多進(jìn)多出徑向通風(fēng)型式，以便與轉(zhuǎn)子線圈的進(jìn)、出風(fēng)區(qū)相匹配，這是轉(zhuǎn)子線圈采用氣隙取氣斜流通風(fēng)型式的一個特點(diǎn).另外，定子鐵芯和轉(zhuǎn)子線圈若采用上述通風(fēng)型式的組合，其通風(fēng)系統(tǒng)的阻力一般較低，在轉(zhuǎn)子汽勵兩端各安裝一單級軸流風(fēng)扇即可滿足通風(fēng)系統(tǒng)的要求.

該通風(fēng)型式的優(yōu)點(diǎn)為：由于沿轉(zhuǎn)子槽部軸向長度上分為多個進(jìn)、出風(fēng)區(qū)，所以每個風(fēng)區(qū)內(nèi)的通風(fēng)路徑較短，轉(zhuǎn)子線圈槽內(nèi)部分的冷卻氣體流量基本和轉(zhuǎn)子長度成正比，便于發(fā)電機(jī)系列化設(shè)計（例如上電生產(chǎn)的600～700 MW系列水氫氫汽輪發(fā)電機(jī)，轉(zhuǎn)子外徑維持不變，僅僅通過改變轉(zhuǎn)子軸向長度和進(jìn)、出風(fēng)區(qū)的數(shù)量對應(yīng)系列內(nèi)不同功率的發(fā)電機(jī)）；轉(zhuǎn)子線圈溫升均勻，溫升不均勻度（轉(zhuǎn)子線圈最高溫升與平均溫升之比）較低；由于為自通風(fēng)方式，一般不必使用高壓風(fēng)扇.其缺點(diǎn)為：轉(zhuǎn)子表面及風(fēng)斗結(jié)構(gòu)復(fù)雜，槽楔及線圈加工較為繁瑣；轉(zhuǎn)子匝間若加工處理不當(dāng)，容易引起匝間絕緣.

早期轉(zhuǎn)子線圈的風(fēng)斗采用凸風(fēng)斗，雖然取風(fēng)系數(shù)較高，但轉(zhuǎn)子表面風(fēng)摩損耗較大.為了解決上述問題，國內(nèi)主要發(fā)電機(jī)制造商通過與高校合作或自主開發(fā)的方式展開研究：上電和上海理工大學(xué)合作進(jìn)行靜態(tài)和動態(tài)模擬試驗(yàn)，得到不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下全隱式、半隱式風(fēng)斗的取風(fēng)系數(shù)[4-5]；東電在廠內(nèi)開展靜態(tài)及動態(tài)模擬試驗(yàn)，得到風(fēng)斗在不同高度下的取風(fēng)系數(shù)，同時解決了端部通風(fēng)中的溫度不平衡問題[6]；哈電也在廠內(nèi)開展靜態(tài)及動態(tài)模擬試驗(yàn)，采用隱風(fēng)斗代替凸風(fēng)斗，并在一臺300 MW水氫氫汽輪發(fā)電機(jī)上進(jìn)行真機(jī)試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明：采用隱風(fēng)斗后，由于取風(fēng)系數(shù)稍有下降，轉(zhuǎn)子線圈平均溫升提高4.4℃；轉(zhuǎn)子表面風(fēng)摩損耗減少478 kW，發(fā)電機(jī)效率由98.94%提高至99.03%[7].

1.2 槽底副槽徑向通風(fēng)型式

轉(zhuǎn)子線圈槽底副槽徑向通風(fēng)型式，其本質(zhì)上也是一種自通風(fēng)方式，轉(zhuǎn)子離心泵壓是氣體循環(huán)的主要壓力源.

轉(zhuǎn)子線圈若采用此種通風(fēng)型式，定子鐵芯一般采用軸向分區(qū)的多進(jìn)多出徑向通風(fēng)型式與之匹配，其通風(fēng)系統(tǒng)的阻力也較低，一般在轉(zhuǎn)子汽勵兩端各安裝一單級軸流風(fēng)扇也可滿足通風(fēng)系統(tǒng)的要求.

轉(zhuǎn)子線圈槽底副槽徑向通風(fēng)型式如圖2所示.

此種通風(fēng)型式的優(yōu)點(diǎn)：槽楔加工、線圈沖制和定位均較簡單；由于為自通風(fēng)方式，一般不需高壓風(fēng)扇；與氣隙取氣斜流通風(fēng)型式相比，轉(zhuǎn)子冷卻氣體直接來自風(fēng)扇，未經(jīng)定子鐵芯預(yù)熱，因而進(jìn)風(fēng)溫度更低.缺點(diǎn)：沿轉(zhuǎn)子軸向長度冷卻氣體流量分配不易均勻.

為了解決沿轉(zhuǎn)子軸向長度冷卻氣體流量分配不易均勻，繼而導(dǎo)致各徑向風(fēng)道內(nèi)溫度分布不均勻的問題，國內(nèi)一些學(xué)者對此展開了相關(guān)研究：胡曉紅等[8]采用離散模型對各徑向風(fēng)道的流量分配特性進(jìn)行研究，考慮轉(zhuǎn)子各徑向風(fēng)道之間的流量相依性，得到變副槽結(jié)構(gòu)及變徑向風(fēng)道結(jié)構(gòu)對徑向風(fēng)道風(fēng)量分配的影響規(guī)律；路義萍等[9]采用CFD數(shù)值模擬的方法，對某臺150 MW空冷汽輪發(fā)電機(jī)，在改變其轉(zhuǎn)子副槽幾何形狀、徑向通風(fēng)道數(shù)目及間距的條件下，研究轉(zhuǎn)子線圈的溫度場分布，結(jié)果表明，在相同的入口風(fēng)速條件下，兩條徑向風(fēng)道的散熱效果優(yōu)于一條徑向風(fēng)道，且徑向風(fēng)道之間存在最佳中心距.

1.3 軸向

徑向通風(fēng)型式

轉(zhuǎn)子線圈軸向-徑向通風(fēng)型式，其本質(zhì)上是一種強(qiáng)迫通風(fēng)方式，主要依靠外加高壓風(fēng)扇維持冷卻氣體在轉(zhuǎn)子線圈內(nèi)的流動.

轉(zhuǎn)子線圈若采用此種通風(fēng)型式，定子鐵芯通常采用軸向通風(fēng)型式與之匹配，其通風(fēng)系統(tǒng)的阻力明顯高于前面所述的兩種通風(fēng)系統(tǒng)，因此一般需在轉(zhuǎn)子一端安裝高壓多級軸流風(fēng)扇才能滿足通風(fēng)系統(tǒng)的要求.

此種通風(fēng)型式的優(yōu)點(diǎn)：轉(zhuǎn)子線圈加工簡單；轉(zhuǎn)子表面風(fēng)摩損耗較??；另外，轉(zhuǎn)子線圈若采用此種通風(fēng)型式，其定子鐵芯一般采用軸向通風(fēng)型式與之匹配，由于省卻了鐵芯徑向冷卻風(fēng)道，在容量相當(dāng)?shù)那闆r下，可縮短發(fā)電機(jī)的軸向尺寸.缺點(diǎn)：風(fēng)扇結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，風(fēng)扇本身的功率較大；由于冷卻風(fēng)路較長，與轉(zhuǎn)子線圈采用其它兩種通風(fēng)型式相比，線圈溫升不均勻度較高.

此種通風(fēng)型式多出現(xiàn)于西門子及西屋（Westinghouse）技術(shù)流派的汽輪發(fā)電機(jī)中，其它國內(nèi)外發(fā)電機(jī)制造商較少采用.胡晟等[10]曾對一臺采用軸向-徑向通風(fēng)型式的930 MW半速水氫氫汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行研究，給出了轉(zhuǎn)子繞組槽部各匝導(dǎo)體通風(fēng)道局部阻力系數(shù)及沿程阻力系數(shù)的計算方法，對槽部線圈建立等效熱網(wǎng)絡(luò)模型并得到其溫度分布.

2 通風(fēng)系統(tǒng)效率

如前所述，對于600 MW及以上容量的汽輪發(fā)電機(jī)，絕大多數(shù)采用水氫氫冷卻方式.其主要目的是：通過冷卻水的循環(huán)帶走定子線圈的熱量，通過氫氣的循環(huán)帶走轉(zhuǎn)子線圈、定子鐵芯、端部結(jié)構(gòu)件等的熱量，從而將轉(zhuǎn)子線圈、定子鐵芯及絕緣材料維持在一定的溫度水平，以確保汽輪發(fā)電機(jī)的運(yùn)行可靠性.其中，定子線圈冷卻水的循環(huán)依靠冷卻水系統(tǒng)的水泵實(shí)現(xiàn)，而氫氣的循環(huán)則需借助安裝于轉(zhuǎn)子上的風(fēng)扇.由于不同通風(fēng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)差異，導(dǎo)致冷卻介質(zhì)氫氣在其內(nèi)部流動的阻力也各不相同，且差異較大.因此，對采用不同通風(fēng)系統(tǒng)的水氫氫汽輪發(fā)電機(jī)，為帶走其轉(zhuǎn)子線圈、定子鐵芯、端部結(jié)構(gòu)件等的發(fā)熱量，需配置不同功率的風(fēng)扇，風(fēng)扇功率的不同將不可避免地對汽輪發(fā)電機(jī)的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性產(chǎn)生一定影響.

為比較水氫氫汽輪發(fā)電機(jī)在采用不同通風(fēng)系統(tǒng)下的性能優(yōu)劣，本文提出衡量其通風(fēng)系統(tǒng)性能的指標(biāo)，即通風(fēng)系統(tǒng)效率（Efficiency of Ventilation System）.其定義為

EVS=QflowPblower

（1）

式中：Qflow為冷卻氣體帶走的損耗，kW；Pblower為風(fēng)扇功率，kW.

由式（1）可看出，僅就為了帶走汽輪發(fā)電機(jī)內(nèi)相應(yīng)的熱量而言，其數(shù)值越大，則通風(fēng)系統(tǒng)的性能越好，反之則越差.

表1給出了上電生產(chǎn)的采用不同通風(fēng)系統(tǒng)的300 MW等級水氫氫、600 MW等級水氫氫、1 000 MW全速水氫氫、1 100 MW半速水氫氫汽輪發(fā)電機(jī)各部分損耗、風(fēng)扇功率及通風(fēng)系統(tǒng)效率.

表1 部分水氫氫汽輪發(fā)電機(jī)主要通風(fēng)參數(shù)對比

Tab.1 Comparison of different waterhydrogenhydrogen turbo generators

由表1可看出，對于所比較的四種水氫氫汽輪發(fā)電機(jī)，轉(zhuǎn)子線圈采用槽底副槽徑向通風(fēng)和氣隙取氣斜流通風(fēng)型式、定子鐵芯采用徑向通風(fēng)型式時，其通風(fēng)系統(tǒng)效率明顯較高.其原因是由于定子鐵芯、轉(zhuǎn)子線圈所采用的通風(fēng)型式不同，尤其是轉(zhuǎn)子線圈不同通風(fēng)型式的結(jié)構(gòu)之間存在較大差異：轉(zhuǎn)子采用槽底副槽徑向通風(fēng)和氣隙取氣斜流通風(fēng)兩種通風(fēng)型式時，主要依靠轉(zhuǎn)子自身的離心泵壓推動冷卻氣體在其內(nèi)部流動，從而大大節(jié)約了風(fēng)扇的功率；而轉(zhuǎn)子采用軸向-徑向通風(fēng)型式時，其冷卻氣體的動力則主要來自風(fēng)扇的壓升，且此時定子鐵芯也采用軸向通風(fēng)型式，從而導(dǎo)致通風(fēng)系統(tǒng)的阻力較高，因此風(fēng)扇功率也相應(yīng)較大.如1 100 MW半速水氫氫汽輪發(fā)電機(jī)采用8級軸流風(fēng)扇，風(fēng)扇本身的功率已達(dá)到1 127.3 kW，所以導(dǎo)致其通風(fēng)系統(tǒng)效率與另外兩種通風(fēng)系統(tǒng)相比，劣勢較為明顯.

當(dāng)然，以上僅從通風(fēng)系統(tǒng)效率的角度出發(fā)對不同通風(fēng)系統(tǒng)的性能進(jìn)行對比，但這并不是最終選擇何種通風(fēng)系統(tǒng)的唯一依據(jù).汽輪發(fā)電機(jī)設(shè)計中，通風(fēng)系統(tǒng)的選擇與電磁、絕緣、制造、成本等各種因素有關(guān).在實(shí)際應(yīng)用中，無論采用何種通風(fēng)系統(tǒng)，只要設(shè)計合理，均可保證汽輪發(fā)電機(jī)的安全運(yùn)行[2].目前之所以出現(xiàn)幾種通風(fēng)系統(tǒng)共存的局面，還與各發(fā)電機(jī)制造商的設(shè)計經(jīng)驗(yàn)、制造傳統(tǒng)、現(xiàn)場管理以及知識產(chǎn)權(quán)等諸多方面的因素有關(guān).

3 結(jié) 論

本文在對大型水氫氫汽輪發(fā)電機(jī)通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行分析、比較的基礎(chǔ)上，提出通風(fēng)系統(tǒng)效率的概念，并給出相應(yīng)的計算公式.根據(jù)通風(fēng)系統(tǒng)效率，可對不同通風(fēng)系統(tǒng)的性能進(jìn)行比較，也可對通風(fēng)系統(tǒng)的選取提供一定的參考意義.

本文提出的通風(fēng)系統(tǒng)效率概念，尚未考慮電磁、絕緣、制造、成本等因素，實(shí)際通風(fēng)系統(tǒng)的選擇，還需結(jié)合以上因素綜合權(quán)衡.

另外，對于通風(fēng)系統(tǒng)效率定義中“風(fēng)扇功率”問題，僅計入風(fēng)扇本身的功率是否合理，仍需進(jìn)一步分析.例如：轉(zhuǎn)子線圈采用槽底副槽徑向通風(fēng)、氣隙取氣斜流通風(fēng)兩種通風(fēng)型式，雖然與軸向-徑向通風(fēng)型式相比所需的風(fēng)扇功率較小，但轉(zhuǎn)子自身泵壓的產(chǎn)生同樣需消耗一部分轉(zhuǎn)子軸功，其本質(zhì)上仍可等效為“風(fēng)扇功率”，如何將這種泵壓所消耗的軸功納入通風(fēng)系統(tǒng)效率定義中的“風(fēng)扇功率”，有待進(jìn)一步研究.

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