大型空冷汽輪發(fā)電機(jī)冷卻技術(shù)探究

侯 鍵

(哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司，哈爾濱 150040)

大型空冷汽輪發(fā)電機(jī)在運(yùn)行過程中定子繞組與轉(zhuǎn)子繞組會產(chǎn)生大量的熱，以往的氫冷卻技術(shù)在冷卻質(zhì)量、冷卻效率、經(jīng)濟(jì)性上具有一定的局限性，而空冷發(fā)電機(jī)使用的冷卻介質(zhì)是空氣，簡化了水處理和制氫環(huán)節(jié)，結(jié)構(gòu)簡單，冷卻效率高，在發(fā)電領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。但是，該項(xiàng)技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中也存在一定的缺點(diǎn)，與氫冷汽輪發(fā)電機(jī)相比，運(yùn)行效率略低，其空氣導(dǎo)熱能力不如氫氣，增加了運(yùn)行過程中的風(fēng)損耗，尤其是大型的空冷汽輪發(fā)電機(jī)，通風(fēng)損耗達(dá)到了整體通風(fēng)的30%左右，整體運(yùn)行效率降低了0.1%左右，需要通過技術(shù)改進(jìn)與創(chuàng)新解決通風(fēng)損耗問題，提高空冷汽輪發(fā)電機(jī)的冷卻成效。

1 大型空冷汽輪發(fā)電機(jī)空冷系統(tǒng)的分類

大型空冷汽輪發(fā)電機(jī)采用排汽空冷系統(tǒng)，替代了循環(huán)冷卻水系統(tǒng)，核心部件為空冷器，主要由擋風(fēng)墻、風(fēng)機(jī)、抽氣系統(tǒng)、凝結(jié)水箱、翅片管等組成，如圖1所示。其冷卻過程可節(jié)約大量的水資源，90%以上的水主要消耗在冷卻塔環(huán)節(jié)，其直接冷卻排汽，無須用水作為中間介質(zhì)，實(shí)現(xiàn)了汽輪機(jī)發(fā)電節(jié)水的目的。冷卻原理是排汽經(jīng)過管道流入翅片管，空氣流經(jīng)翅片管帶走熱量，排汽冷凝成水后最終流入到冷凝水箱中。

圖1 空冷器結(jié)構(gòu)Fig.1 Air cooling structure

1.1 直接空冷系統(tǒng)

直接空冷系統(tǒng)采用的技術(shù)較為簡單，直接應(yīng)用粗大排汽管道作為汽輪機(jī)的排汽通道，將排汽運(yùn)輸至室外的空冷器中，風(fēng)機(jī)吹動空氣在散熱器表面流動，促使排汽冷卻成水。該空冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，使用的設(shè)備較少，建設(shè)成本較低。實(shí)際應(yīng)用中的不足之處是需要使用粗大排汽管道，密封難度大，運(yùn)行過程中需維持管道內(nèi)部的真空環(huán)境。該系統(tǒng)在冬季應(yīng)用時(shí)室外溫度過低，致使管道易結(jié)冰。

1.1.1 真空抽氣系統(tǒng)

該系統(tǒng)為空冷核心系統(tǒng)。大型空冷汽輪發(fā)電機(jī)運(yùn)行中，真空抽氣系統(tǒng)抽取空冷器、排汽管道、凝結(jié)水箱中的空氣，維持排汽系統(tǒng)的真空狀態(tài)，保證直接空冷系統(tǒng)正常運(yùn)行。此外，整個(gè)空冷系統(tǒng)為密封狀態(tài)，采用雙層焊接，避免空冷系統(tǒng)密封性不夠，影響空冷效果。

1.1.2 風(fēng)機(jī)與排汽管道系統(tǒng)

風(fēng)機(jī)系統(tǒng)主體結(jié)構(gòu)為風(fēng)機(jī)與風(fēng)筒，直接空冷系統(tǒng)要求風(fēng)機(jī)可在40%～100%的轉(zhuǎn)速區(qū)間正常工作，減壓效率應(yīng)在70%以上且變頻性能優(yōu)異。直接空冷系統(tǒng)的排汽管道安裝難度大，其連接著汽輪機(jī)房與空冷島，在安裝現(xiàn)場組裝后需要借助吊機(jī)安裝。粗大管道對接與焊接環(huán)節(jié)非常關(guān)鍵，要實(shí)行嚴(yán)格的質(zhì)量檢查與管理措施，以保證直接空冷系統(tǒng)的建設(shè)效果。

1.1.3 凝結(jié)水系統(tǒng)

凝結(jié)水箱位于蒸汽進(jìn)下方，汽輪機(jī)低壓缸下方設(shè)置排汽裝置，將汽輪機(jī)形成的蒸汽經(jīng)由排汽裝置流入至蒸汽進(jìn)處，再進(jìn)入空冷器中，最后凝結(jié)成水流入至凝結(jié)水箱。凝結(jié)水箱負(fù)責(zé)收集排汽凝結(jié)水，并將水通過水泵輸送至汽輪機(jī)的回?zé)嵯到y(tǒng)，實(shí)現(xiàn)水的循環(huán)利用。

1.2 間接空冷系統(tǒng)

空冷塔的運(yùn)行狀況受到天氣、溫度的影響，在高溫季節(jié)，氣溫與水溫之間溫差小，大風(fēng)天氣狀況下風(fēng)力影響空冷塔的進(jìn)風(fēng)量，會降低空冷塔的冷卻效果。一旦空冷塔水溫較高，將影響汽輪機(jī)的空冷成效，降低排汽冷卻效能，進(jìn)而影響整個(gè)汽輪機(jī)組的運(yùn)行狀況，因此需要使用間接空冷系統(tǒng)，增加汽輪機(jī)空冷效果。如果聯(lián)合使用蒸發(fā)式冷卻器與冷卻塔，采用蒸發(fā)水吸收冷卻塔中循環(huán)水的熱量，可分流循環(huán)水，減少冷卻塔中的水流量，達(dá)到減少出水口溫度的目的，降低汽輪機(jī)的熱壓力，保證冷卻效果。如果冷卻塔出現(xiàn)運(yùn)行不良現(xiàn)象，使用蒸發(fā)式冷卻器替代其運(yùn)行，也可起到一定的冷卻效果，避免機(jī)組發(fā)生生產(chǎn)事故。蒸發(fā)式冷卻器分流的循環(huán)水完成冷卻后，與冷卻塔中冷卻后的循環(huán)水最終都將流入凝結(jié)水箱中。

2 大型空冷汽輪發(fā)電機(jī)的優(yōu)勢

2.1 性能良好

空冷汽輪發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)不復(fù)雜，性能穩(wěn)定，維護(hù)簡便，尤其是空冷系統(tǒng)，簡化了一定的程序，無須安裝制氫裝置也無水處理設(shè)備，中間環(huán)節(jié)的縮減減少了輔助設(shè)備失靈和發(fā)電機(jī)運(yùn)行故障等問題，提高了空冷發(fā)電機(jī)運(yùn)行的可靠性?？绽浒l(fā)電機(jī)是空氣冷卻，日常維護(hù)過程不用添加冷卻介質(zhì)，進(jìn)一步提高了工作的安全性。

2.2 經(jīng)濟(jì)效益良好

空冷發(fā)電機(jī)簡化了諸多程序，使用的構(gòu)件和裝置較少，降低了整體制造成本，特別是冷卻介質(zhì)使用的是空氣，無須安裝輔助性制冷裝置和設(shè)備，降低了維護(hù)難度和成本。與氫冷汽輪發(fā)電機(jī)相比，運(yùn)行費(fèi)用和前期投入成本較低，高新冷卻技術(shù)的運(yùn)用進(jìn)一步提升了空冷發(fā)電機(jī)性能，使生產(chǎn)效率更高，整體經(jīng)濟(jì)效益顯著。

2.3 市場條件成熟

國際發(fā)電市場非常注重生產(chǎn)的清潔性和環(huán)保性，燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)電站的興建刺激了大型空冷發(fā)電機(jī)市場的快速發(fā)展。空冷發(fā)電機(jī)使用空氣制冷，節(jié)水效益良好，啟停速度快，性能穩(wěn)定，生產(chǎn)效率高，可以滿足循環(huán)發(fā)電站對發(fā)電機(jī)的各項(xiàng)要求，市場條件成熟，為空冷發(fā)電機(jī)的研發(fā)提供了良好的市場環(huán)境。

3 大型空冷汽輪發(fā)電機(jī)冷卻技術(shù)及改進(jìn)措施

3.1 大型空冷汽輪發(fā)電機(jī)冷卻技術(shù)

大型空冷發(fā)電機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)是通風(fēng)冷卻系統(tǒng)，需具良好的經(jīng)濟(jì)性，應(yīng)針對結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，提高通風(fēng)冷卻系統(tǒng)性能。冷卻系統(tǒng)的風(fēng)量需在發(fā)電機(jī)內(nèi)部均勻分布，可及時(shí)有效地帶走熱量。風(fēng)路設(shè)計(jì)主要是風(fēng)阻的合理設(shè)計(jì)。轉(zhuǎn)子是發(fā)電機(jī)的動力構(gòu)件，其產(chǎn)生的熱量較高，應(yīng)注重此位置的冷卻設(shè)計(jì)。通風(fēng)冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要以節(jié)約成本為原則，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)最簡化，并達(dá)到性能最優(yōu)化。設(shè)計(jì)通風(fēng)冷卻系統(tǒng)時(shí)，要從空冷發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)出發(fā)，發(fā)電機(jī)定子繞組需借助定子鐵芯傳導(dǎo)，由徑向風(fēng)路進(jìn)行間接冷卻，而轉(zhuǎn)子繞組直接冷卻即可。

3.1.1 單路壓入技術(shù)

發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子兩端設(shè)置風(fēng)扇，發(fā)電機(jī)運(yùn)行過程中，空冷器會不斷輸送冷風(fēng)，由風(fēng)扇將冷風(fēng)吹進(jìn)轉(zhuǎn)子內(nèi)部，冷風(fēng)經(jīng)過鐵芯進(jìn)入端蓋。采用單路壓入冷卻技術(shù)的定子結(jié)構(gòu)應(yīng)盡量簡單，冷風(fēng)在定子內(nèi)部流動過程中與熱氣混合后會分散在定子各個(gè)零部件上，所以該項(xiàng)技術(shù)適用于小于150 MW的空冷發(fā)電機(jī)，如果將其應(yīng)用在大于150 MW的發(fā)電機(jī)中，熱氣與冷風(fēng)混合后會增加徑向風(fēng)溝中空氣的溫度，導(dǎo)致鐵芯冷卻效果較差。

3.1.2 單路抽風(fēng)技術(shù)

單路抽風(fēng)技術(shù)是冷風(fēng)在發(fā)電機(jī)內(nèi)部按照一定的路徑流動，帶走發(fā)電機(jī)內(nèi)部的熱量，空冷器將冷風(fēng)先輸送至鐵芯背部和轉(zhuǎn)子，流入徑向風(fēng)道。到達(dá)氣隙位置后，此處位置設(shè)有兩臺風(fēng)扇，將氣隙中的熱風(fēng)抽出。應(yīng)用該技術(shù)可以同時(shí)冷卻轉(zhuǎn)子和定子，在氣隙位置將熱氣及時(shí)抽出，風(fēng)扇自身產(chǎn)生的熱量就不會影響發(fā)電機(jī)。其不足之處是風(fēng)扇安裝在定子端部，增加了此處位置的復(fù)雜性，聚集了大量的熱氣，對定子端部散熱產(chǎn)生了一定的影響。

3.1.3 分段多流技術(shù)

空冷器輸送的冷風(fēng)輸送至發(fā)電機(jī)內(nèi)部后將被分成三路，第一路經(jīng)由定子端部流進(jìn)，第二路氣流進(jìn)入機(jī)座，流動至鐵芯背部，第三路冷風(fēng)被輸送至通風(fēng)副槽，流入氣隙。這三路氣流最終會在氣隙位置聚集，經(jīng)由出風(fēng)口流出發(fā)電機(jī)內(nèi)部。該技術(shù)的不足是三路氣流多數(shù)聚集在氣隙位置，會相應(yīng)地減少鐵芯背部的氣流，有時(shí)會導(dǎo)致倒流問題，不利于背部位置的冷卻，在實(shí)際應(yīng)用中，需要安裝一個(gè)擋風(fēng)板，降低氣隙處的進(jìn)風(fēng)量。

3.1.4 轉(zhuǎn)子冷卻技術(shù)

空冷發(fā)電機(jī)的大型化發(fā)展提高了對冷卻技術(shù)的要求，以往的轉(zhuǎn)子表面冷卻技術(shù)已經(jīng)無法完全保證發(fā)電機(jī)的可靠運(yùn)行，故而需要采用以下技術(shù)。其一，槽底副槽技術(shù)，冷風(fēng)直接進(jìn)入副槽，流入轉(zhuǎn)子銅線，最后進(jìn)入氣隙。該技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢是冷風(fēng)經(jīng)副槽流入，減少了轉(zhuǎn)子的風(fēng)摩損耗，不需要安裝風(fēng)扇且槽楔制作容易，不足之處是進(jìn)風(fēng)面積較小，冷卻效果不夠理想。其二，軸向進(jìn)氣技術(shù)，空冷器輸出冷風(fēng)后經(jīng)由轉(zhuǎn)子兩端流至槽楔出風(fēng)孔，最后流進(jìn)氣隙。該技術(shù)解決了副槽風(fēng)阻大的問題，缺點(diǎn)是風(fēng)道過長，增加了風(fēng)阻力，需要使用高壓風(fēng)扇，但是在風(fēng)扇應(yīng)用過程中，通風(fēng)損耗增加，影響了發(fā)電機(jī)整體的冷卻效率。此外該技術(shù)實(shí)現(xiàn)較為困難，比較適用于大型空冷發(fā)電機(jī)。

3.2 空冷汽輪發(fā)電機(jī)冷卻技術(shù)的改進(jìn)措施

3.2.1 提升風(fēng)扇動力

冷卻風(fēng)扇借助轉(zhuǎn)子驅(qū)動，屬于耗功元件，在轉(zhuǎn)動過程中會消耗機(jī)械能，將機(jī)械能用于冷風(fēng)的驅(qū)動?？绽涫褂玫睦鋮s介質(zhì)要多于氫冷發(fā)電機(jī)，增加了風(fēng)扇的摩擦損耗，所以需要對風(fēng)扇的動力進(jìn)行改進(jìn)。日本生產(chǎn)的250 MW空冷汽輪發(fā)電機(jī)，在風(fēng)扇設(shè)計(jì)上采用了與NACA葉片相類似的方案，將風(fēng)扇的效率提高至60%。

3.2.2 控制風(fēng)摩損耗

改進(jìn)轉(zhuǎn)子通風(fēng)結(jié)構(gòu)。轉(zhuǎn)子的風(fēng)摩損耗分為兩個(gè)方面，一是內(nèi)部風(fēng)路，主要是冷卻介質(zhì)流動過程中的風(fēng)摩損耗，在氣體分流和回流過程中受到風(fēng)道的摩阻，因此需要對風(fēng)道結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，比如在分流時(shí)，應(yīng)盡量做到均勻分配或是對副槽進(jìn)行變截面設(shè)計(jì)等，可有效降低風(fēng)摩損耗；二是轉(zhuǎn)子表面，其與氣流之間會產(chǎn)生摩擦，并引起一定的阻礙，需要將轉(zhuǎn)子表面打磨光滑，以減少風(fēng)阻。

改進(jìn)定子通風(fēng)結(jié)構(gòu)。定子的風(fēng)摩損耗分為兩個(gè)方面，一是徑向支路，支路的形狀和截面改變是形成損耗的主要原因，需要適當(dāng)增加通風(fēng)的面積，降低支路的風(fēng)摩損耗；二是鐵芯與氣隙之間產(chǎn)生的損耗，主要是冷風(fēng)流動過程中的沿程摩阻形成的損耗，采用的方法是增大氣隙的面積，對通風(fēng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。

改進(jìn)算法。通風(fēng)量計(jì)算方法的改進(jìn)是冷卻技術(shù)優(yōu)化的關(guān)鍵，目前應(yīng)用較多的計(jì)算方法是等效風(fēng)路法，而通風(fēng)系統(tǒng)會根據(jù)計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行設(shè)計(jì)，令其在實(shí)際運(yùn)用中實(shí)測獲得的風(fēng)量值與計(jì)算值之間有著較大的差異，引起發(fā)電機(jī)部件過熱現(xiàn)象，降低了發(fā)電機(jī)的冷卻效果，形成較大的風(fēng)摩損耗，因此在算法改進(jìn)時(shí)需要采取以下對策：重新設(shè)定阻力系數(shù)，不但與風(fēng)道結(jié)構(gòu)有關(guān)，還與風(fēng)量分配有關(guān)。局部阻力系數(shù)的測定較為復(fù)雜，存在阻力損失，主要分為阻礙范圍內(nèi)與前后影響長度內(nèi)兩個(gè)方面的損失，在通風(fēng)計(jì)算中需要考慮這些損失問題?；谕L(fēng)道的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，其與局部阻礙間距不夠，不宜使用局部阻力系數(shù)。轉(zhuǎn)子在通風(fēng)冷卻系統(tǒng)中，其冷卻空氣是向著軸向方向流動且逐漸減少，當(dāng)副槽截面阻力沒有變化時(shí)，冷卻空氣流動速度下降，導(dǎo)致風(fēng)道兩個(gè)方向上的壓力出現(xiàn)差異，形成冷卻不均勻現(xiàn)象。設(shè)計(jì)中應(yīng)注重副槽截面阻力的計(jì)算，調(diào)整截面結(jié)構(gòu)，以平衡兩個(gè)方向的壓力，保證冷卻的均勻性。

4 結(jié)語

從空冷發(fā)電機(jī)冷卻技術(shù)分析可以看出，冷卻技術(shù)還需要進(jìn)一步深入研究，如冷卻風(fēng)扇的設(shè)計(jì)，由于其轉(zhuǎn)動形成較大的損耗，需要進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)和改進(jìn)，以提高風(fēng)扇的冷卻性能，降低其功率損耗。要對定子和轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，以降低風(fēng)摩損耗，從而提高空冷發(fā)電機(jī)的冷卻性能。