穿片式空氣冷卻器在潘家口發(fā)電機(jī)組的應(yīng)用

趙丁葉

（水利部海委引灤工程管理局，河北 遷西 064300）

潘家口水庫位于河北省遷西縣，水力水電機(jī)組共4 臺(tái)，總?cè)萘?20 MW，其中1 號(hào)機(jī)組為常規(guī)水力發(fā)電機(jī)組，容量150 MW，2、3、4 號(hào)機(jī)組為抽水蓄能機(jī)組，容量為90 MW×3。潘家口水電廠1 號(hào)機(jī)組的水輪機(jī)型號(hào)為HL-220-LJ-550、發(fā)電機(jī)型號(hào)為SF150-60/1280、額定轉(zhuǎn)速100 r/min，1980 年12 月投入運(yùn)行，肩負(fù)著防洪、供水、發(fā)電和華北與冀北電網(wǎng)緊急備用任務(wù)。水電機(jī)組優(yōu)勢(shì)是開機(jī)并網(wǎng)迅速，開機(jī)令發(fā)出后30 min 內(nèi)該機(jī)組即可并網(wǎng)并帶滿負(fù)荷150 MW。近年來國(guó)家電網(wǎng)對(duì)電網(wǎng)管理水平及電能質(zhì)量的要求不斷提高，華北電力調(diào)控中心對(duì)機(jī)組并網(wǎng)后發(fā)電機(jī)運(yùn)行環(huán)境溫度以及機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行也提出了更高的要求。基于以上認(rèn)識(shí)和我廠機(jī)組目前條件，為保證機(jī)組運(yùn)行環(huán)境溫度和發(fā)電時(shí)的安全穩(wěn)定，本文研究目前應(yīng)用較為先進(jìn)成熟且穩(wěn)定的穿片式空氣冷卻器在潘家口水電廠空氣冷卻器改造與應(yīng)用情況。

1 原潘家口1 號(hào)機(jī)組空氣冷卻器狀況分析

原潘家口1 號(hào)機(jī)組采用的空氣冷卻器是繞簧式空氣冷卻器，其風(fēng)阻大、易積灰、成本高，而且使用過程中空氣冷卻器的散熱性能下降較快。

1.1 原潘家口1 號(hào)機(jī)組繞簧式空氣冷卻器結(jié)構(gòu)

原潘家口1 號(hào)發(fā)電機(jī)組共有18 組繞簧式空氣冷卻器，繞簧式空氣冷卻器單體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。由圖1 可以看出，由于繞簧式結(jié)構(gòu)本身有陳舊落后的缺陷，長(zhǎng)期使用后，產(chǎn)生繞簧內(nèi)灰塵逐漸增多無法清理、繞簧與銅管接觸不良等情況。近幾年，由于銅管封堵的越來越多，冷卻器封堵銅管超過規(guī)定的上限20%，即27 根，造成冷卻器散熱能力不佳，不能有效降低1 號(hào)發(fā)電機(jī)組在運(yùn)行時(shí)定子、轉(zhuǎn)子周圍環(huán)境溫度而出現(xiàn)冷卻效果差的問題。同時(shí)冷卻器安裝方位朝向發(fā)電機(jī)組定子，存在漏水后水流滋向定子發(fā)生不可預(yù)見性事故的重大安全事故隱患。

圖1 繞簧式空氣冷卻器單體結(jié)構(gòu)

1.2 原潘家口1 號(hào)機(jī)組繞簧式空氣冷卻器使用年限

原潘家口1 號(hào)發(fā)電機(jī)組空氣冷卻器為遼寧營(yíng)口通風(fēng)機(jī)械廠1979 年1 月生產(chǎn)的1B145 型繞簧式空氣冷卻器，設(shè)計(jì)使用年限20 年，實(shí)際運(yùn)行42 年，使用年限過長(zhǎng)，銅管銹蝕嚴(yán)重，管壁變薄。近幾年，1號(hào)機(jī)組運(yùn)行過程中，繞簧式空氣冷卻器銅管漏水、銅管端部擴(kuò)管處漏水、下端蓋銹蝕漏水現(xiàn)象越來越頻繁，尤其是2006 年，先是4 月3 日發(fā)生13 組空氣冷卻器大量往外滋水現(xiàn)象，險(xiǎn)些造成1 號(hào)發(fā)電機(jī)組停機(jī)事故，后采取緊急措施，關(guān)閉13 組空氣冷卻器的供水閥門，退出13 組空氣冷卻器，才使1 號(hào)發(fā)電機(jī)組能夠繼續(xù)正常運(yùn)行。后又在8 月10 日7 組空冷器大量噴水，險(xiǎn)些將水噴向定子，嚴(yán)重危及1 號(hào)發(fā)電機(jī)組的安全運(yùn)行，最后臨時(shí)采取緊急措施，關(guān)閉7 組空氣冷卻器的供水閥門，退出7 組空氣冷卻器，避免了1 號(hào)發(fā)電機(jī)組停機(jī)事故。由此可見1 號(hào)發(fā)電機(jī)組繞簧式空氣冷卻器銅管已經(jīng)嚴(yán)重老化、銹蝕，嚴(yán)重影響機(jī)組的安全運(yùn)行（圖2）。

圖2 舊空氣冷卻器

2 現(xiàn)潘家口1 號(hào)機(jī)組空氣冷卻器狀況分析

現(xiàn)潘家口1 號(hào)發(fā)電機(jī)組采用的是穿片式空氣冷卻器。穿片式空氣冷卻器是一種目前應(yīng)用較為廣泛的空氣冷卻器，是一項(xiàng)應(yīng)用于水力發(fā)電機(jī)組的先進(jìn)成熟的空氣冷卻技術(shù)。

2.1 空氣冷卻器發(fā)展歷史

我國(guó)空氣冷卻器隨著水力發(fā)電、電機(jī)等行業(yè)發(fā)展而共同發(fā)展，20 世紀(jì)50 年代我國(guó)主要采用的是蘇聯(lián)的繞簧式空氣冷卻器，由于當(dāng)時(shí)我國(guó)存在技術(shù)空白，繞簧式空氣冷卻器在我國(guó)所占比重較大，20世紀(jì)70 年代中葉，上海電機(jī)廠有開展擠片式空氣冷卻器的研究，但由于工藝技術(shù)等條件限制沒有深入，20 世紀(jì)80 年代初，我國(guó)逐漸引進(jìn)西方技術(shù)，開始出現(xiàn)繞片式空氣冷卻器，在125 MW 以上的氫冷發(fā)電機(jī)組應(yīng)用較多。20 世紀(jì)90 年代以來，隨著不斷引進(jìn)國(guó)外新技術(shù)，在我國(guó)出現(xiàn)了繞簧式、擠片式、針刺式和穿片式多種形式的空氣冷卻器并存的局面[1]。其中穿片式空氣冷卻器以結(jié)構(gòu)性與技術(shù)性能優(yōu)勢(shì)明顯而成為國(guó)內(nèi)先進(jìn)且應(yīng)用廣泛的空氣冷卻器。經(jīng)綜合比較分析，潘家口水電廠1 號(hào)發(fā)電機(jī)空氣冷卻器改造選用穿片式空氣冷卻器。

2.2 空氣冷卻器的改造

2021 年11 月18 日，我廠召開動(dòng)員大會(huì)，進(jìn)行技術(shù)及安全交底，在安全和技術(shù)上做到關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)有把控，危險(xiǎn)源有措施，并做防護(hù)措施，做好設(shè)備防護(hù)，11 月23 日～30 日，空冷器安裝前水壓試驗(yàn)；12 月1日～3 日，拆除舊空冷器；4 日～7 日，安裝新空冷器；8 日～9 日，發(fā)電機(jī)蓋板回裝等恢復(fù)工作；30 日，充水試驗(yàn)及試運(yùn)行，潘家口1 號(hào)機(jī)組空氣冷卻器改造完畢。

2.3 穿片式空氣冷卻器結(jié)構(gòu)與技術(shù)性能分析

穿片式空氣冷卻器是采用銅管穿入帶有沖有凸緣多孔的薄金屬片上，之后利用脹接的方法結(jié)合而成，薄金屬片作為管束外的整體翅片，沖孔的凸緣用來保證兩翅片中間的距離，同時(shí)可以增加翅片與銅管間的接觸面積，減小接觸熱阻。穿片式空氣冷卻器優(yōu)點(diǎn)如下：

（1）風(fēng)阻低且檢修維護(hù)方便。穿片式空氣冷卻器結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)決定了風(fēng)道的阻力遠(yuǎn)小于繞簧式空氣冷卻器，發(fā)電機(jī)的熱風(fēng)通過冷卻器風(fēng)道時(shí)風(fēng)速較快，所以熱風(fēng)室壓力較低。且由于風(fēng)阻低，風(fēng)速快，冷卻器積塵慢，所以新冷風(fēng)器維護(hù)檢查尤其是清掃時(shí)比較方便。

（2）體積小且散熱效率高。穿片式結(jié)構(gòu)散熱面積為每米管長(zhǎng)1.04 m2，遠(yuǎn)大于繞簧式，穿片式空氣冷卻器的散熱面積與接觸面積的關(guān)系，其中每米管長(zhǎng)水接觸面積為0.053 m2，綜合考慮穿片式空氣冷卻器散熱面積較大。蘇華[2]還對(duì)穿孔翅片管進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值分析。結(jié)果表明：在平翅片表面局部換熱系數(shù)較低、換熱薄弱的區(qū)域開圓孔的穿孔翅片管的換熱系數(shù)可提高12.5%，而阻力增加不超過7%。

（3）冷卻器剛度大、整體性好，延長(zhǎng)了使用壽命。繞簧式空氣冷卻器是單根結(jié)構(gòu)，互相之間的固定方式除上、下端板固定之外，中間再由夾板加以固定，運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)了容易松動(dòng)，造成繞簧松動(dòng)或漏水等現(xiàn)象發(fā)生[3]；穿片式冷卻器在結(jié)構(gòu)上翅片、銅水管與整個(gè)穿片式空氣冷卻器支架為一個(gè)整體，冷卻器的剛度大、整體性較好，從源頭上解決了冷卻水銅管的根部由于抗振性小引起的易松動(dòng)問題，延長(zhǎng)了穿片式空氣冷卻器的使用壽命。

2.4 潘家口水電廠穿片式空氣冷卻器使用效果

改造前繞簧式空冷器冷風(fēng)溫度普遍在29～30 ℃，改造前后冷風(fēng)溫度對(duì)比如表1 所示。

表1 改造前測(cè)值時(shí)間為2021 年8 月24 日，18號(hào)測(cè)點(diǎn)失效顯示為0。更換新穿片式空冷器后冷風(fēng)溫度普遍在9～11 ℃，改造后測(cè)值時(shí)間為2022 年5月15 日，由于只能在1 號(hào)機(jī)組開機(jī)并網(wǎng)發(fā)電后才能測(cè)值，因此并不能保證在同一時(shí)間測(cè)值，但由于機(jī)組在海拔141 m，低于當(dāng)?shù)仄骄０?50 m，受季節(jié)溫度影響較小，前后測(cè)值對(duì)比仍具有參考價(jià)值。安裝新穿片式空氣冷卻器后1～18 組空冷器冷風(fēng)溫度總體平均下降了20 ℃，冷卻效果顯著。穿片式空氣冷卻器的風(fēng)阻力小、傳熱系數(shù)大，單位體積散熱面積大，經(jīng)過半年運(yùn)行后，現(xiàn)冷卻效果完全達(dá)到改造目的，數(shù)據(jù)穩(wěn)定且連續(xù)。

3 結(jié)論

通過分析和研究最近半年穿片式空氣冷卻器的監(jiān)視數(shù)據(jù)，確認(rèn)穿片式空氣冷卻器的可靠性，其降溫效果符合預(yù)期要求。得出應(yīng)用于潘家口發(fā)電機(jī)組中的穿片式空氣冷卻器，有效地降低了發(fā)電機(jī)組運(yùn)行環(huán)境溫度，對(duì)潘家口1 號(hào)機(jī)組推力瓦溫產(chǎn)生積極影響，保證了1 號(hào)機(jī)組安全、穩(wěn)定地運(yùn)行，驗(yàn)證了穿片式空氣冷卻器是一種應(yīng)用較為先進(jìn)成熟且穩(wěn)定的空氣冷卻器，為穿片式空氣冷卻器的推廣積累了經(jīng)驗(yàn)。