水布埡電廠3號發(fā)電機(jī)下風(fēng)道甩風(fēng)分析及治理

王 維，唐衛(wèi)東，魏興波，黃明輝

(湖北清江水電開發(fā)有限責(zé)任公司，湖北 宜昌 443000)

水布埡水輪發(fā)電機(jī)采用雙路徑向無風(fēng)扇通風(fēng)方式。冷卻空氣在轉(zhuǎn)子支架、磁軛和磁極產(chǎn)生的壓頭作用下，軸向進(jìn)入轉(zhuǎn)子支架內(nèi)，然后徑向流經(jīng)磁軛風(fēng)道、磁極極間和氣隙，再徑向流經(jīng)定子風(fēng)溝，完成電機(jī)通風(fēng)散熱過程[1]。冷卻氣體攜帶發(fā)電機(jī)的損耗熱最終經(jīng)定子鐵心背部匯集至空氣冷卻器，熱空氣與冷卻水熱交換散去熱量后，重新分成上、下兩路進(jìn)入轉(zhuǎn)子支架，構(gòu)成密閉自循環(huán)通風(fēng)系統(tǒng)[2-3]。電機(jī)主要通風(fēng)結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

1 結(jié)構(gòu)尺寸

1)轉(zhuǎn)子支架。轉(zhuǎn)子支架入風(fēng)口是冷卻空氣必經(jīng)的過流通道，入風(fēng)口尺寸及位置的選擇既要滿足過風(fēng)面積的需要，又要考慮提供旋轉(zhuǎn)壓頭的需要[4]。轉(zhuǎn)子支架采用斜支臂結(jié)構(gòu)，共有20個支臂，轉(zhuǎn)子支架入風(fēng)

表1 電機(jī)主要結(jié)構(gòu)參數(shù) mm

口內(nèi)徑為R1.927 m，外徑為R2.500 m。

2)磁軛入風(fēng)口。水布埡水輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁軛采用無通風(fēng)溝結(jié)構(gòu)。磁軛沿軸向分為兩段，每段高度1.48 m，磁軛段間間隙為60 mm，磁軛上下兩端各有40 mm高的通風(fēng)間隙。磁軛沖片厚度為2.5 mm，一片掛4極，采用兩片一疊整極串的疊片方式，磁軛疊片形成風(fēng)隙，風(fēng)隙入口及出口寬度均為100 mm。

3)定子徑向風(fēng)溝。定子徑向風(fēng)溝數(shù)72，定子徑向風(fēng)溝高為5 mm。

4)擋風(fēng)板位置。在磁軛軸向、磁極軸向及氣隙處均裝有擋風(fēng)板等部件，用以增大電機(jī)有效風(fēng)量。其中，氣隙端部擋風(fēng)板風(fēng)隙為10 mm。

2 主要問題

水布埡電廠3號機(jī)組擴(kuò)修改造更換轉(zhuǎn)子支架和中心體后，下風(fēng)道紊亂向上甩風(fēng)，造成空氣冷卻器冷凝水隨風(fēng)道甩至下風(fēng)道墻壁及發(fā)電機(jī)出口引線上，如圖1所示。嚴(yán)重威脅發(fā)電機(jī)安全穩(wěn)定運行。

圖1 3號發(fā)電機(jī)上風(fēng)洞空冷冷凝水情況圖

3 問題分析

水布埡水輪發(fā)電機(jī)風(fēng)路如圖2所示。根據(jù)風(fēng)路圖可以看出，電機(jī)上風(fēng)道過流比較順暢，冷卻器出風(fēng)經(jīng)機(jī)座上端開孔位置流入機(jī)座內(nèi)，經(jīng)銅環(huán)、定子繞組上端部后，一路順暢地流入轉(zhuǎn)子支架內(nèi)[5]；而下風(fēng)道過流阻礙較多，冷卻器出風(fēng)經(jīng)地坑通道進(jìn)入機(jī)座內(nèi)，流經(jīng)定子繞組下端部、制動器、受阻于軸承油箱后改變方向流入轉(zhuǎn)子支架內(nèi)。下風(fēng)道冷卻氣體在制動器、制動環(huán)綁合筋板、軸承油箱所形成的空間內(nèi)將發(fā)生撞擊、形成漩渦，由此形成流動阻力影響氣流順暢流入轉(zhuǎn)子支架內(nèi)。

根據(jù)風(fēng)路圖分析可知，電機(jī)上下風(fēng)路不對稱、風(fēng)量不平衡，導(dǎo)致下風(fēng)道冷卻風(fēng)量不能順暢進(jìn)入轉(zhuǎn)子支架內(nèi)，造成向上甩風(fēng)現(xiàn)象，空氣冷卻器冷凝水隨風(fēng)吹散在上風(fēng)洞電氣設(shè)備上，威脅發(fā)電機(jī)安全運行。

圖2 水布埡水輪發(fā)電機(jī)風(fēng)路圖

4 防治措施

為解決這一問題，可以從兩方面入手。一是在保證冷卻風(fēng)量的前提下，在空冷器處設(shè)置阻擋、收集冷凝水；二是改變風(fēng)路結(jié)構(gòu)對稱性，在上風(fēng)道轉(zhuǎn)子支架入風(fēng)口位置加設(shè)擋風(fēng)板，減小入風(fēng)口面積，從而增加風(fēng)阻、降低上風(fēng)道入風(fēng)量，使上下風(fēng)道平衡，從根本上解決向上甩風(fēng)的問題。

由于3號機(jī)組已投產(chǎn)發(fā)電，臨近汛期，為防止發(fā)電機(jī)出口引線潮濕導(dǎo)致短路事故，采取第一種方法，在空氣冷卻器進(jìn)水側(cè)加裝無紡布擋水網(wǎng)來吸收空氣冷卻器冷凝水，再在下方安裝集水槽排水，如圖3所示。加裝擋水網(wǎng)后，增加風(fēng)阻，從擋水網(wǎng)出來的風(fēng)量明顯降低，冷凝水在擋水網(wǎng)上析出，匯集在集水槽后排至排水溝，發(fā)電機(jī)定子繞組及鐵心溫度無明顯變化。

圖3 空冷器加裝擋水網(wǎng)圖

水布埡電廠4號機(jī)組發(fā)電機(jī)與3號機(jī)組發(fā)電機(jī)采用相同的改造工藝，為從根本上解決風(fēng)道紊亂情況，在4號機(jī)轉(zhuǎn)子支架上入風(fēng)口位置加設(shè)擋風(fēng)板，擋風(fēng)板位置如圖4所示。轉(zhuǎn)子支架原入風(fēng)口R外=2 700 mm，R內(nèi)=1 700 mm，現(xiàn)調(diào)整為R外=2 100 mm。加設(shè)擋風(fēng)板后，轉(zhuǎn)子支架上入風(fēng)口面積顯著減少，從而增加風(fēng)阻系數(shù)，風(fēng)量與下風(fēng)道阻力相當(dāng)。

圖4 加裝擋風(fēng)板位置圖

根據(jù)發(fā)電機(jī)的通風(fēng)結(jié)構(gòu)，確定計算網(wǎng)絡(luò)，其中包括轉(zhuǎn)子支架、磁軛和磁極等壓力元件及風(fēng)阻元件，還有定子入口、出口、氣隙入口和冷卻器等風(fēng)阻元件。應(yīng)用流體計算軟件FLOWMASTER 進(jìn)行通風(fēng)系統(tǒng)的計算分析[1]。轉(zhuǎn)子支架上入風(fēng)口加設(shè)擋風(fēng)板后，電機(jī)總風(fēng)量由180.6 m3/s減小為176.0 m3/s，減小約為2.5%。機(jī)組現(xiàn)運行溫度較低，總風(fēng)量略微減小不會對電機(jī)冷卻系統(tǒng)造成影響。上下風(fēng)道風(fēng)量分配發(fā)生顯著變化，原來受上下風(fēng)道阻力不對稱影響，上下風(fēng)道占比約為 1.96∶1，加設(shè)擋風(fēng)板后變?yōu)?.92∶1，下風(fēng)道風(fēng)量明顯增大，上下風(fēng)道風(fēng)量較平衡，從4號機(jī)組增加擋風(fēng)板后效果來看，該方案從根本上解決了向上甩風(fēng)的問題。

5 結(jié)論和建議

水布埡水輪發(fā)電機(jī)下風(fēng)道甩風(fēng)問題，主要原因是上下風(fēng)路不對稱，冷卻風(fēng)量在下風(fēng)道內(nèi)流通不順暢，受阻礙形成漩渦，進(jìn)入轉(zhuǎn)子支架入風(fēng)口阻力較大，下風(fēng)道風(fēng)量明顯低于上風(fēng)道，造成空氣冷卻器冷凝水甩至上風(fēng)洞內(nèi)電氣設(shè)備上，威脅發(fā)電機(jī)安全運行。

在空冷器進(jìn)水側(cè)加裝擋水網(wǎng)雖能防止冷凝水甩至發(fā)電機(jī)設(shè)備上，但不能從根本上解決甩風(fēng)問題，且需對其進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)及更換，在轉(zhuǎn)子支架上入風(fēng)口位置加設(shè)擋風(fēng)板后，增加上風(fēng)道風(fēng)阻，與下風(fēng)道阻力相匹配，使上下風(fēng)道風(fēng)量平衡，從根本上消除向上甩風(fēng)情況。后續(xù)將在機(jī)組檢修期間對3號機(jī)組轉(zhuǎn)子進(jìn)行改造，在上入風(fēng)口增設(shè)擋風(fēng)板。