大型水輪發(fā)電機(jī)滑環(huán)碳粉吸收裝置優(yōu)化設(shè)計與應(yīng)用

馮 宇

（中國長江電力股份有限公司三峽水力發(fā)電廠，湖北 宜昌 443133）

0 引言

三峽水電站共安裝6 臺VGS 機(jī)型水輪發(fā)電機(jī)組，其額定容量為777.8 MVA，額定電壓為20 kV。VGS 機(jī)組滑環(huán)系統(tǒng)未安裝碳粉吸收裝置，機(jī)組在運行過程中產(chǎn)生的碳粉易被分散，與發(fā)電機(jī)滑環(huán)室內(nèi)油污混合在一起，既影響發(fā)電機(jī)滑環(huán)室環(huán)境，又造成滑環(huán)室內(nèi)導(dǎo)電環(huán)、勵磁銅排、滑環(huán)正負(fù)極間絕緣立柱等重要設(shè)備均落滿碳粉，影響轉(zhuǎn)子絕緣性能及機(jī)組安全運行。改善滑環(huán)室運行環(huán)境，需設(shè)計一套適用于左岸VGS 機(jī)組滑環(huán)室碳粉吸收的裝置，使滑環(huán)與碳刷冷卻的更加均勻，運行產(chǎn)生的碳粉得到收集，從而保證設(shè)備的安全穩(wěn)定運行。

1 設(shè)備現(xiàn)狀與方案設(shè)計

1.1 設(shè)備現(xiàn)狀

VGS 機(jī)組勵磁系統(tǒng)額定勵磁電流為3 602 A，滑環(huán)裝置共安裝3 6 個二孔刷握，碳刷尺寸為32 m m×32 m m×64 mm，計算電流密度為9.77 A/cm2。導(dǎo)電環(huán)為分瓣式布置方式，勵磁電纜由端部引出。

滑環(huán)系統(tǒng)安裝有2 套冷卻風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)出風(fēng)量為8 640 m3/h。冷卻風(fēng)機(jī)分別布置于滑環(huán)兩側(cè)，靠近滑環(huán)位置為出風(fēng)口，風(fēng)機(jī)安裝于滑環(huán)室壁罩位置，通過冷卻風(fēng)機(jī)管道將滑環(huán)室外空氣吹向滑環(huán)位置，對滑環(huán)進(jìn)行冷卻。

1.2 方案設(shè)計

以現(xiàn)有滑環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計，碳粉吸收裝置由導(dǎo)電環(huán)及刷桿座、吸塵管路、碳粉除塵器、控制系統(tǒng)等部件組成。在滑環(huán)外圍設(shè)置集塵罩，集塵罩采用一體式結(jié)構(gòu)，選用玻璃鋼材料。集塵罩通過高強(qiáng)度軟管與4 臺碳粉除塵器連接，利用碳粉除塵器將產(chǎn)生的碳粉從密閉腔體中抽出，將碳粉處理、收集。4 臺碳粉除塵器總風(fēng)量4 800 m3/h,采用濾筒式過濾結(jié)構(gòu)，便于更換濾芯及日常維護(hù)。每2 臺碳粉收集裝置的出風(fēng)合并為一路，由一根排氣管與原冷卻風(fēng)機(jī)安裝法蘭連接，將風(fēng)排到外罩外，取消原冷卻風(fēng)機(jī)。

導(dǎo)電環(huán)本體采用碳鋼材料，表面鍍鋅防腐處理，與銅排搭接部位鍍銀，以減少接觸電阻，防止發(fā)熱?？蓭щ姴鹦端⑽詹捎贸墒旆€(wěn)定可帶電拆卸刷握，具有重量輕、安裝拆卸方便、可帶電更換碳刷等功能。刷架設(shè)計與原安裝孔位置、勵磁銅排安裝孔位置匹配。碳刷數(shù)量由36 只/極增加到49 只/極，可使電流密度由改造前0.098 A/mm2下降到0.056 9 A/mm2。使用單孔刷握，采用可帶電拆卸刷握，刷座采用全銅材料的整體式結(jié)構(gòu)，減少自身電阻。碳粉集塵罩與刷架采用整體式結(jié)構(gòu)，將碳粉固定于一個空間中，防止碳粉四處飛揚。

碳粉除塵器專用的控制柜，可實現(xiàn)自動和手動運行切換、遠(yuǎn)程控制、故障上傳、延時停機(jī)等功能。

圖1 碳粉吸收裝置布置圖

圖2 碳粉吸收裝置通風(fēng)原理圖

2 仿真計算

2.1 技術(shù)路線

采用數(shù)值模擬與實驗研究相結(jié)合的方法。按以下層次展開：

（1）構(gòu)建碳粉吸收裝置三維模型，并建立合適數(shù)學(xué)模型。

（2）基于COMSOL Multiphysics 軟件中的CFD模塊模擬計算碳粉收集裝置內(nèi)流體流動的速度場與壓力場。與運行機(jī)組現(xiàn)場測試值對比，確定數(shù)學(xué)計算模型的正確性。

（3）模擬計算出碳粉收集裝置內(nèi)的速度云圖后，進(jìn)行流固耦合計算，模擬分析碳粉收集裝置對碳粉的吸收能力即碳粉顆粒在流場內(nèi)的運動軌跡，在本項目中由于碳粉顆粒體積微小，對氣相流體的流動影響極小，故稀疏氣固兩相流模型適用于本次計算。

（4）模擬多工況下（即正常運行及停運1 臺風(fēng)機(jī)）碳粉吸收裝置內(nèi)的空氣流動情況及滑環(huán)的溫度分布。

（5）根據(jù)模擬結(jié)果與現(xiàn)場測試結(jié)果分析碳粉吸收裝置的集塵與換熱機(jī)理。

2.2 集電裝置流動與換熱數(shù)值

2.2.1 基本假設(shè)

根據(jù)碳粉吸收裝置內(nèi)的實際流動換熱情況，建立數(shù)學(xué)模型時做出如下假設(shè)：碳粉吸收裝置內(nèi)的空氣流動為三維定常不可壓縮流動；忽略空氣重力的作用；忽略輻射換熱，傳熱在穩(wěn)態(tài)下進(jìn)行；把玻璃鋼材料的除塵罩看做絕熱壁面。

2.2.2 控制方程

2.2.3 邊界條件與數(shù)值模擬方法

使用Comsol Multiphysic 軟件求解碳粉吸收裝置與勵磁裝置滑環(huán)的流動與換熱。本文中采用可實現(xiàn)的k-ε模型和壁面函數(shù)法來模擬碳粉吸收裝置與滑環(huán)的流動與換熱。與標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型相比，可實現(xiàn)的k-ε模型提高了復(fù)雜湍流中渦旋和流動分離的預(yù)測能力，能夠有效的應(yīng)用于不同類型的流動，包括旋轉(zhuǎn)剪切均勻流，包含有射流和混合流的自由流動、管道內(nèi)流動、邊界層流動以及帶有分離的流動。碳粉吸收裝置內(nèi)的流動工質(zhì)為空氣。模擬中設(shè)定的環(huán)境溫度為T=293.15 K（20℃）時，此時空氣的物性參數(shù)見表1。

表1 空氣的物性參數(shù)

其中，每臺碳粉除塵器的風(fēng)量為1 200 m3/h，4 臺除塵器同時運行時，流場模擬中入口邊界條件為體積流率V=4 800 m3/h，出口設(shè)定為與碳粉吸收裝置離心風(fēng)機(jī)同靜壓曲線的風(fēng)扇。

2.2.4 集電裝置產(chǎn)生熱量

（1）碳刷自身電阻發(fā)熱Q11=N·I2·R，I為流過單個碳刷的電流，其大小由額定勵磁電流IfN及每極碳刷數(shù)量N決定，R為每個碳刷電阻。當(dāng)選用某種材質(zhì)或者牌號的碳刷后，碳刷電阻R恒定，機(jī)組的額定勵磁電流IfN恒定，碳刷自身發(fā)熱量與碳刷數(shù)量成反比。

（2）摩擦發(fā)熱Q13=N·f·S，由碳刷與集電環(huán)的摩擦力f及碳刷與集電環(huán)每秒相對行程S決定。其中，f=μ·FN，S=π·n·d/60，μ為碳刷與集電環(huán)的摩擦系數(shù)，n為集電環(huán)每分鐘的轉(zhuǎn)速，與機(jī)組額定轉(zhuǎn)速一致。由此可見在機(jī)組額定工況下，碳刷與集電環(huán)摩擦總發(fā)熱量與碳刷數(shù)量的平方成正比。

（3）接觸電阻和散熱電阻發(fā)熱Q14=N·I·r，I為流過碳刷的電流，r為接觸電阻和散熱電阻的有效值；其中，I=IfN/N,所以Q14=IfN·r，既接觸電阻和散熱電阻發(fā)熱量Q14由碳刷與集電環(huán)接觸電阻和散熱電阻的有效值有關(guān)，與系統(tǒng)碳刷數(shù)量無關(guān)。

（4）滑環(huán)自身電阻很小，發(fā)熱很小，可以忽略不計，滑環(huán)發(fā)熱主要由碳刷摩擦發(fā)熱決定。

（5）導(dǎo)電環(huán)發(fā)熱為由勵磁電流通過導(dǎo)電環(huán)時產(chǎn)生的熱量，正常情況下，導(dǎo)電環(huán)自身及其與勵磁電纜接觸面發(fā)熱很小，也可以忽略不計。

換熱模擬計算時，滑環(huán)與碳刷摩擦產(chǎn)生的摩擦熱Q13以及碳刷與滑環(huán)接觸熱阻發(fā)熱Q14遠(yuǎn)大于其余部件產(chǎn)生的熱量，所以為了計算方便，將滑環(huán)與碳刷摩擦產(chǎn)生的摩擦熱Q13以及碳刷與滑環(huán)接觸熱阻發(fā)熱Q14設(shè)計為集電裝置的熱源，即滑環(huán)與碳粉吸收裝置內(nèi)流動空氣接觸面的邊界熱源，其值為q=15 612 W/m2。碳刷本身的電阻極低約為0.001 068 Ω，故其產(chǎn)生的焦耳熱忽略不計?；h(huán)除與碳粉吸收裝置內(nèi)的流動空氣換熱還有三個面與外界空氣直接換熱，換熱量較大不可忽略。故與外界空氣直接接觸的外表面設(shè)定一個換熱系數(shù)恒定的熱通量。

2.3 計算結(jié)果與分析

2.3.1 計算結(jié)果

（1）4 臺碳粉除塵器同時運行時空氣流速與溫度

圖3 空氣流速圖（4 臺風(fēng)機(jī)投運）

圖4 溫度云圖（4 臺風(fēng)機(jī)投運）

（2）1 臺風(fēng)機(jī)停止時空氣流速與溫度

圖5 空氣流速圖（1 臺風(fēng)機(jī)停運）

圖6 溫度云圖（1 臺風(fēng)機(jī)停運）

2.3.2 分析總結(jié)

仿真計算結(jié)果表明，通過設(shè)置集塵罩及碳粉收集裝置，在集電環(huán)與集塵罩之間形成相對密閉空間較小，使集電環(huán)與碳刷接觸面的循環(huán)風(fēng)量相對增加，集電環(huán)罩內(nèi)風(fēng)路狀況得以優(yōu)化，加強(qiáng)了空氣流動和碳粉吸收效果，能夠及時將機(jī)組運行時產(chǎn)生的碳粉洗出，提升了集塵罩內(nèi)空氣熱交換效率，使滑環(huán)系統(tǒng)運行可靠性更高。

3 應(yīng)用與優(yōu)化

3.1 應(yīng)用情況

項目實施后，定期對碳粉吸收裝置運行情況及效果進(jìn)行跟蹤，運行情況評估如下：

（1）碳粉吸收效果明顯，現(xiàn)滑環(huán)室內(nèi)導(dǎo)電環(huán)、勵磁銅排、刷架等部位無碳粉堆積現(xiàn)象，碳粉均吸附于裝置濾芯內(nèi)，滑環(huán)室整體環(huán)境明顯得到改善，滑環(huán)室內(nèi)干凈整潔。

（2）8 F 機(jī)組加裝碳粉吸收裝置后，發(fā)電分部對滑環(huán)室內(nèi)設(shè)備溫度進(jìn)行了長期跟蹤，滑環(huán)室運行溫度比之前使用冷卻風(fēng)機(jī)時偏高，見表2。

表2 碳粉吸收裝置改造后測溫情況對比（最高溫度）

由以上測溫數(shù)據(jù)可見，8 F 機(jī)組加裝碳粉吸收裝置后滑環(huán)溫度比之前使用冷卻風(fēng)機(jī)時偏高，主要是因為碳粉吸收裝置是通過碳粉除塵器將滑環(huán)室內(nèi)熱風(fēng)吸入碳粉吸收管路，然后排出到滑環(huán)室外，被動降溫；而冷卻風(fēng)機(jī)是將廠房內(nèi)冷空氣往滑環(huán)室內(nèi)吹，屬主動降溫，效果更為明顯。

（3）隨著機(jī)組運行時間的增加，下滑環(huán)表面狀況惡化嚴(yán)重，從而導(dǎo)致下滑環(huán)溫度迅速升高。

3.2 優(yōu)化措施

針對8 F 加裝碳粉吸收裝置后滑環(huán)室溫度偏高現(xiàn)象，三峽水力發(fā)電廠聯(lián)系華能水電廠家做了諸多改進(jìn)，主要有：

（1）對原碳粉吸收管路進(jìn)行改進(jìn)，將原“Y”字型吸收管路改進(jìn)為上、下滑環(huán)各單獨安裝一根碳粉吸收軟管，見圖7、圖8。

圖7 改進(jìn)前“Y”形進(jìn)風(fēng)管

圖8 優(yōu)化后單獨進(jìn)風(fēng)管

（2）8 F 機(jī)頭兩側(cè)出風(fēng)罩由原三層濾網(wǎng)改進(jìn)為單層濾網(wǎng)，增加出風(fēng)量。

（3）調(diào)換8 F 滑環(huán)正負(fù)極極性，減輕滑環(huán)負(fù)極碳刷打火及磨損。

（4）拆除原正負(fù)極間環(huán)氧擋風(fēng)板，增加上下滑環(huán)冷卻空氣流量。

3.3 優(yōu)化效果

經(jīng)過優(yōu)化改造，增加了集塵罩內(nèi)冷卻空氣流量，使集電環(huán)與碳刷接觸面的循環(huán)風(fēng)量相對增加，使滑環(huán)運行溫度明顯降低。改進(jìn)后測溫數(shù)據(jù)見表5。

表5 改進(jìn)后測溫數(shù)據(jù)（最高溫度）

由以上測溫數(shù)據(jù)可見，發(fā)電機(jī)加裝碳粉吸收裝置后滑環(huán)溫度比之前使用冷卻風(fēng)機(jī)時略高，主要是因為碳粉吸收裝置采用被動降溫方式，通過碳粉除塵器將滑環(huán)室內(nèi)熱風(fēng)吸入碳粉吸收管路，然后排出到滑環(huán)室外；而冷卻風(fēng)機(jī)是將廠房內(nèi)冷空氣往滑環(huán)室內(nèi)吹，屬主動降溫，降溫效果更為明顯。

滑環(huán)室加裝碳粉吸收裝置之后，有效解決了碳粉隨處飄落污染滑環(huán)室的問題，保障了設(shè)備的安全穩(wěn)定運行。