抽水蓄能機組新型隔聲降噪外罩通風設(shè)計

劉 政，王 勇，陳泓宇，何 偉，杜芳勉

（1．東方電機有限公司，四川省德陽市 618000；2．南方電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻發(fā)電公司工程建設(shè)管理分公司，廣東省廣州市 510600）

0 引言

隨著中國大水電工業(yè)的快速發(fā)展，大容量、高轉(zhuǎn)速抽水蓄能機組的隔聲降噪得到了廣泛的關(guān)注。同時，人們對抽水蓄能電站的運行和工作的環(huán)境也提出了更高的、更加人性化的要求。越來越多抽水蓄能機組在隔聲降噪方面進行了更加深入的研究與嘗試。

抽水蓄能電站機坑內(nèi)的噪聲，經(jīng)上蓋板與電機端部的外罩傳至發(fā)電機層。因此，上蓋板與外罩是蓄能發(fā)電機層隔聲降噪的關(guān)鍵部件。在M抽水蓄能電站，除了利用加厚型吸音上蓋板與減震器降低發(fā)電機層噪聲外，還采用了新型的隔聲降噪外罩。

這種外罩與常規(guī)的開式外罩相比，擁有專門的工藝美學設(shè)計，采用相對密閉的結(jié)構(gòu)設(shè)計。研究表明，在隔聲罩內(nèi)壁涂刷阻尼材料和粘貼吸聲層能夠取得較好的降噪效果[1]，因此側(cè)壁還設(shè)計有隔聲層。其外觀質(zhì)量與隔聲降噪效果都比過去傳統(tǒng)的水電外罩有了明顯的提高，如圖1所示。

圖1 M抽水蓄能機組新型隔聲降噪外罩Figure 1 New type of noise reduction outer housing of pumped storage unit

這種外罩近年來逐漸被廣泛接受，其使用范圍甚至延伸到常規(guī)巨型混流式水輪發(fā)電機組。

理論上，完全封閉的隔聲罩隔聲性能最好，而機組實際需要考慮進氣與排風[1]。因此在擁有這些優(yōu)點的同時，新型隔聲降噪外罩也因為其良好的密閉性能，使得其通風冷卻需有針對性地設(shè)計，以防止內(nèi)部出現(xiàn)過熱現(xiàn)象。

1 新型隔聲降噪外罩結(jié)構(gòu)與主要熱源

1．1 新型隔聲降噪外罩主體結(jié)構(gòu)

M抽水蓄能外罩為圓柱體，高約1.9m，直徑約5m，由支架、側(cè)壁、頂蓋組成。側(cè)壁內(nèi)嵌吸音層，并開有進人門。外罩內(nèi)部安裝有集電環(huán)碳刷裝置及支架、包圍式碳粉吸塵裝置、照明系統(tǒng)、通風系統(tǒng)等，如圖2所示。

圖2 新型隔聲降噪外罩主體結(jié)構(gòu)Figure 2 Main structure of new noise reduction outer housing

1．2 新型隔聲降噪外罩內(nèi)主要熱源

從其功能和結(jié)構(gòu)分析，外罩內(nèi)主要熱源有：

（1）集電環(huán)及碳刷，含電氣與摩擦損耗；

（2）通風系統(tǒng)風機，含電氣損耗。

這里忽略較小的熱源：照明、上導油槽傳導。

外罩內(nèi)部主要冷卻部位為集電環(huán)。碳刷與滑環(huán)環(huán)面溫度在90℃左右，濕度在50%左右，空氣清潔度良好的情況下，容易形成氧化膜[2]。當溫度超過100 ℃時，接觸電阻急劇增加，使原流過此電刷上的電流進行“雪崩”式重新分配[3]。因此，冷卻目標為集電環(huán)溫度：

2 新型隔聲降噪外罩通風設(shè)計

水輪發(fā)電機有其獨特的通風系統(tǒng)。根據(jù)建立風壓的方法，可分為自通風和強迫通風方式[4]。傳統(tǒng)的外罩，因為其結(jié)構(gòu)特點，屬于開啟式自通風系統(tǒng)[5]，由旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生風壓，通過開啟式外罩，自然與外部進行熱交換。

而新型隔聲降噪外罩，由于其密閉特性，設(shè)計一種合理的通風結(jié)構(gòu)，確保外罩內(nèi)的溫升限制，是這種外罩設(shè)計的關(guān)鍵點之一[6-8]。同時，還應(yīng)結(jié)合外罩結(jié)構(gòu)和內(nèi)部設(shè)備特點的研究，確定其通風設(shè)計。

2．1 新型隔聲降噪外罩通風型式

新型隔聲降噪外罩的總體通風型式設(shè)計為兩方面：一是由包圍式碳粉吸塵裝置形成的內(nèi)部循環(huán)通風；二是由外罩與外部熱交換形成的外循環(huán)通風，如圖3所示。

圖3 新型隔聲降噪外罩通風型式Figure 3 Ventilation type of new noise reduction outer housing

內(nèi)循環(huán)動力來源于碳粉除塵器的吸塵風機，均勻布置2臺，單臺風機額定功率1kW；機組工作時，吸塵風機將包圍圈內(nèi)的熱空氣吸排至外罩內(nèi)，同時，外罩內(nèi)的空氣通過包圍圈的進風口進入到包圍圈內(nèi)，冷卻集電環(huán)和碳刷。

外循環(huán)動力來源于強迫通風風機，均勻布置4臺，對稱180°處2臺風機運行排氣，另外2臺風機停運自動補氣，單臺風機額定功率0.18kW。機組工作時，風機將外罩內(nèi)的熱空氣排出，并從外部廠房環(huán)境補充入冷空氣，冷卻外罩內(nèi)環(huán)境。風機端部通過消聲器與外部廠房環(huán)境相連，阻斷噪聲通向外界的通道。

2．2 新型隔聲降噪外罩內(nèi)通風冷卻計算

以M電站新型隔聲降噪外罩為例進行通風計算?；緟?shù)如下：

額定轉(zhuǎn)速n；

集電環(huán)外徑D；

集電環(huán)內(nèi)徑D1；

集電環(huán)寬度w1；

碳刷截面Ae；

碳刷長度Le；

每級碳刷數(shù)Ne；

勵磁電流If。

2.2.1 外罩內(nèi)設(shè)備損耗P

（1）電刷損耗P1：主要包括碳刷與集電環(huán)接觸壓降損耗Pd和碳刷與集電環(huán)表面摩擦損耗Pv，即：

式中：ΔU——集電環(huán)與碳刷間接觸壓降；

I——通過碳刷的電流；

μ——碳刷與集電環(huán)的摩擦系數(shù)；

F——碳刷的壓強；

S——碳刷總面積；

V——集電環(huán)表面圓周速度。

計算得，電刷損耗：P1=6.36 kW。

（2）強迫通風風機損耗P2：單臺風機功率0.18kW，2臺風機，P2=0.36kW。

（3）吸塵風機損耗P3：單臺風機功率1kW，2臺風機，P3=2kW。

外罩內(nèi)設(shè)備總損耗：P=P1+P2+P3=8.72kW。

2.2.2 外罩內(nèi)通風網(wǎng)絡(luò)計算

采用流體網(wǎng)絡(luò)仿真軟件，對外罩進行通風計算，獲得風速、風量、壓力的分布，如表1和圖4所示。

表1 M蓄能電站外罩通風計算結(jié)果Table 1 Outer housing ventilation calculation result

圖4 M蓄能電站外罩風速、風壓分布Figure 4 Wind speed and pressure distribution of new noise reduction outer housing

2.2.3 外罩內(nèi)空氣溫升計算

以通風網(wǎng)絡(luò)計算為基礎(chǔ)，對外罩內(nèi)的空氣、集電環(huán)進行溫升計算。假設(shè)：

（1）廠房環(huán)境溫度40℃。發(fā)電機部件冷卻計算時，冷風溫度常取40℃。該計算按環(huán)境40℃計算（而實際M電站地下廠房環(huán)境溫度測量約為20℃）。

（2）外罩內(nèi)外熱交換主要通過通風進行。

空氣溫升計算如表2所示。

表2 M蓄能電站外罩內(nèi)空氣溫升計算Table 2 Air temperature rising in outer housing

2.2.4 集電環(huán)溫升計算

集電環(huán)溫升計算采用CFD_FLUENT進行，計算模型包括集電環(huán)與電刷，如圖5所示。

圖5 集電環(huán)溫升計算模型Figure 5 Calculation mode of collector ring

計算中采用的主要邊界條件為：

（1）電刷損耗P1=6.36kW；

（2）廠房環(huán)境溫度40℃；

（3）外罩內(nèi)空氣平均溫度為47.48℃。

計算結(jié)果如表3所示：

表3 M蓄能電站集電環(huán)溫升計算結(jié)果Table 3 Collector ring temperature rising calculation

溫度分布云圖如圖6所示：

圖6 集電環(huán)溫度分布云圖Figure 6 Collector ring temperature distribution map

2.2.5 結(jié)果分析

當廠房環(huán)境空氣溫度40℃時，M抽水蓄能機組集電環(huán)最高溫度為98.9℃，最高溫升為58.9K；集電環(huán)平均溫度83.5℃，平均溫升43.5K。

抽水蓄能地下廠房實際溫度低于40℃。實測M抽水蓄能電站廠房內(nèi)溫度穩(wěn)定在20℃左右。如果以實測溫度為基準，則集電環(huán)溫度最高約為78.9 ℃，平均63.5℃。

對M電站2#發(fā)電機發(fā)電工況實測，開機1h以后，外罩內(nèi)部溫度如表4所示。

表4 M蓄能電站外罩內(nèi)實測溫度Table 4 Measured temperature of outer housing

集電環(huán)測量溫度與理論推導溫度較為接近，碳刷由于結(jié)構(gòu)原因，測量位置是碳刷的側(cè)部，而不是接觸面的最高溫度，僅作為參考溫度。

當前M抽水蓄能電站的隔聲降噪外罩工作穩(wěn)定，溫度適當。

2.2.6 注意事項

需要注意的是，外罩外循環(huán)風機風路必須保持通暢。因此在風機端部吸音設(shè)備設(shè)計的時候，要考慮設(shè)計通暢的風路。同時，在通路的上端勿采用風阻很大的遮擋物。近期曾有抽水蓄能機組因為風路不夠流暢導致外罩內(nèi)部出現(xiàn)溫度過高現(xiàn)象。

在新機組的設(shè)計中，可通過發(fā)熱的總體評估，選取合適的外循環(huán)風機。

3 結(jié)語

通過新型隔聲降噪外罩通風系統(tǒng)的研究，解決了該相對密閉系統(tǒng)內(nèi)部冷卻的難題。當前抽水蓄能電站對于隔聲降噪減振等方面的需求逐漸提高，越來越多的地方采用密閉、封堵的方案。該研究對于抽水蓄能電機其他帶熱源的密閉系統(tǒng)的通風冷卻研發(fā)，也有著借鑒的意義。