一種貫流式水輪機(jī)新型冷卻方式的應(yīng)用

劉 偉

(四川明星電力股份有限公司，四川？遂寧？629000)

1 概 述

發(fā)電機(jī)的冷卻方式主要考慮冷卻介質(zhì)、通風(fēng)路徑、循環(huán)方式等。由于燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)呈臥式浸沒于水中，周圍介質(zhì)是水，因此該類型的發(fā)電機(jī)組冷卻難度要大于立式水輪發(fā)電機(jī)組。目前，國內(nèi)燈泡貫流式發(fā)電機(jī)通常采用的冷卻方式有以下幾種：

1.1 空氣冷卻器冷卻方式

該冷卻方式又稱為一次冷卻。發(fā)電機(jī)由循環(huán)空氣介質(zhì)冷卻，是利用空氣冷卻器冷卻發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的全部熱量，將冷卻后的空氣由風(fēng)機(jī)打入發(fā)電機(jī)進(jìn)行下一循環(huán)冷卻；空冷器的冷卻水采用的是經(jīng)過過濾后的河水，再經(jīng)過空冷器熱交換后直接排至下游。

1.2 空氣冷卻器——冷卻套冷卻方式

該冷卻方式又稱二次冷卻。運(yùn)行中的發(fā)電機(jī)熱風(fēng)通過空冷器內(nèi)的冷卻水進(jìn)行對(duì)流換熱冷卻，空冷器中的介質(zhì)吸收熱量后通過水泵注入冷卻套(散熱隔腔)，再由流道中的河水通過冷卻套的外壁進(jìn)行換熱，帶走空冷器介質(zhì)吸收的部分熱量，從而完成冷卻系統(tǒng)的二次冷卻過程。

2 機(jī)組冷卻方式及狀況

過軍渡水電站位于四川省遂寧市龍鳳場涪江干流河段，為燈泡貫流式機(jī)組。針對(duì)其水輪發(fā)電機(jī)的冷卻，主要分為定子、轉(zhuǎn)子的冷卻及軸承瓦的冷卻，詳見圖1。

圖1 機(jī)組原有的閉式循環(huán)冷卻系統(tǒng)圖

2.1 定子、轉(zhuǎn)子的冷卻

冷卻方式為常壓、強(qiáng)迫通風(fēng)閉路循環(huán)，水—水二次冷卻。該通風(fēng)冷卻系統(tǒng)主要由2個(gè)空冷器、6臺(tái)風(fēng)機(jī)、2套互為備用的循環(huán)水泵、導(dǎo)風(fēng)板、擋風(fēng)板等組成，通風(fēng)方式為徑向磁軛通風(fēng)。通風(fēng)的循環(huán)路徑為：由風(fēng)機(jī)打入的冷風(fēng)一小部分從上游側(cè)間隙進(jìn)定、轉(zhuǎn)子冷卻上游側(cè)線圈端部；一小部分通過轉(zhuǎn)子支架到下游側(cè)，冷卻下游側(cè)端部線圈和鐵心；大部分的冷卻風(fēng)通過磁軛通風(fēng)隙進(jìn)入極間冷卻磁極后，進(jìn)入定子通風(fēng)溝冷卻定子線圈和鐵心；冷卻定、轉(zhuǎn)子后的熱風(fēng)沿機(jī)座通風(fēng)孔進(jìn)入空冷器冷卻，然后再由風(fēng)機(jī)打入定、轉(zhuǎn)子循環(huán)。

6臺(tái)風(fēng)機(jī)在開機(jī)時(shí)投入，停機(jī)時(shí)延時(shí)停止，該空冷器的冷卻水來自發(fā)電機(jī)冷卻錐內(nèi)的循環(huán)水，冷卻水的循環(huán)路徑為：水泵→空冷器(油冷器)→冷卻錐→水泵。

2.2 軸承潤滑油的冷卻

油系統(tǒng)是水電站的重要組成部分，是保證系統(tǒng)正常運(yùn)行，安全生產(chǎn)的主要裝置之一。該機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)軸承由外部供油潤滑冷卻，采用強(qiáng)迫循環(huán)冷卻方式，潤滑油通過高位油箱產(chǎn)生的壓差流入。潤滑油的循環(huán)路線為：高位油箱→導(dǎo)軸承(水導(dǎo)、發(fā)導(dǎo))和正、反向推力軸承→回油箱→油泵→油冷卻器→高位油箱。

為保證軸承供油可靠，設(shè)有2臺(tái)軸承供油螺桿泵，1臺(tái)油泵連續(xù)工作，另一臺(tái)油泵處于備用狀態(tài)。潤滑油經(jīng)油泵、濾油器、油冷卻器冷卻后至軸承高位油箱，油冷卻器的冷卻水來自發(fā)電機(jī)冷卻錐內(nèi)的循環(huán)水。

3 目前冷卻方式存在的問題

3.1 定子、轉(zhuǎn)子冷卻現(xiàn)狀

機(jī)組長時(shí)間運(yùn)行時(shí)，隨著冷卻錐冷卻效果變差(冷卻錐外表面附有水生物、泥垢等使冷卻效果逐漸變差)，循環(huán)水溫度會(huì)升高，從而影響定子及轉(zhuǎn)子的冷卻效果。

有記錄顯示，該機(jī)組在夏季高溫高負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，線圈及鐵心溫度最高超過110 ℃，達(dá)到113.7 ℃，一般都在109 ℃左右；而機(jī)組正常運(yùn)行情況下，定子及轉(zhuǎn)子溫度應(yīng)維持在60～100 ℃之間。

高溫運(yùn)行對(duì)機(jī)組定子及轉(zhuǎn)子的絕緣存在較嚴(yán)重的影響，使用壽命會(huì)大大縮短。運(yùn)行溫度越高，其絕緣材料的壽命越短，絕緣材料壽命隨溫度按指數(shù)函數(shù)下降；通常情況下，每當(dāng)溫度增高8 ℃，絕緣壽命縮短一半，可見溫度對(duì)絕緣壽命影響很大。目前冷卻方式無法有效降低定子及轉(zhuǎn)子的溫度。

3.2 軸承瓦冷卻現(xiàn)狀

機(jī)組長時(shí)間運(yùn)行時(shí)，軸承潤滑油的溫度逐漸升高，對(duì)機(jī)組瓦溫冷卻效果變差；油隨著溫度升高，潤滑效果變差；油隨著溫度升高黏度變小，使油泵出力變差，需2臺(tái)油泵不斷地同時(shí)運(yùn)行才能滿足高位油箱油量的要求。隨著油溫升高，影響到循環(huán)水，時(shí)間越長，循環(huán)水的溫度會(huì)升高。

目前，電站軸承溫度最高達(dá)到61～63 ℃(軸承額定運(yùn)行最高允許溫度：推力軸承為70 ℃，發(fā)導(dǎo)軸承70 ℃，水導(dǎo)軸承65 ℃)。因發(fā)導(dǎo)溫度傳感器的安裝位置不佳，往往傳感器所測得的溫度值較實(shí)際發(fā)導(dǎo)溫度偏低。

4 新型冷卻方式的應(yīng)用

為使機(jī)組在安全工況下長時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行，針對(duì)冷卻方式做了一些新的嘗試：

這兩套散熱器均使用前池河水作為冷卻水源，利用河水與循環(huán)水的溫差將循環(huán)油、水中的部分熱量充分換熱。由于冷卻水源是前池和尾水之間的高低壓差形成近0.13 MPa水壓而自流，帶走的熱量直接排掉而未重新進(jìn)入循環(huán)；因此這種新式機(jī)組冷卻系統(tǒng)在冷卻效果和節(jié)能效果方面相比原冷卻系統(tǒng)有較明顯的優(yōu)勢。另外，增加的散熱器與原系統(tǒng)既可同時(shí)運(yùn)行，也可單獨(dú)運(yùn)行，極大地提高了設(shè)備切換的靈活性，詳見圖2。

圖2 新式冷卻系統(tǒng)的原理圖

4.1 新冷卻方式的效果

對(duì)新冷卻方式應(yīng)用前后機(jī)組各項(xiàng)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比(該數(shù)據(jù)截取為夏季高溫高負(fù)荷某一天內(nèi)最高溫度)。

水冷卻器投入前，1號(hào)機(jī)與2號(hào)機(jī)各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)最高溫度對(duì)比如表1所示。

表1 近3年夏季機(jī)組運(yùn)行參數(shù)表 ℃

水冷卻器(閥門開50%)投入后，1號(hào)機(jī)與2號(hào)機(jī)各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)最高溫度對(duì)比如表2所示。

表2 2023年夏季機(jī)組運(yùn)行參數(shù)表 ℃

根據(jù)統(tǒng)計(jì)(上表只是其中一部分)可得出結(jié)論：1號(hào)機(jī)在安裝投入水冷卻器之后，瓦溫有明顯降幅(平均有3℃降幅)，線圈與鐵心能達(dá)到10 ℃降幅；2號(hào)機(jī)組投入油冷卻器后瓦溫分別降低約1～2 ℃。在做試驗(yàn)時(shí)將1臺(tái)機(jī)組油冷卻器冷卻水加大，油溫、瓦溫下降明顯。

4.2 新冷卻方式的安全、經(jīng)濟(jì)效益

油溫降低使?jié)櫥陀唾|(zhì)不易惡化，延長了使用年限；瓦溫降低使機(jī)組安全運(yùn)行得以保障，為機(jī)組持續(xù)穩(wěn)定高效運(yùn)行提供了支撐；定子及轉(zhuǎn)子溫度的降低，延長了機(jī)組使用壽命，本質(zhì)安全得以保證，安全性能得以提高。

5 運(yùn)用及思考

新冷卻方式投運(yùn)以來，整體效果較好，但也存在一些問題：一是當(dāng)油冷卻器水量增加時(shí)，油溫下降較大，影響油泵的出力，可能使備用泵不時(shí)啟動(dòng)，所以需調(diào)節(jié)冷卻器的水量。二是當(dāng)油冷卻器、水冷卻器都投入時(shí)水量不夠，存在“搶水”現(xiàn)象，水冷卻器的功能不能完全發(fā)揮。三是按當(dāng)初設(shè)想在水冷卻器完全發(fā)揮其功能時(shí)，定子及轉(zhuǎn)子的溫度將下降較大，此時(shí)可將冷卻風(fēng)機(jī)退出或退出一部分，這樣既達(dá)到冷卻效果，又能節(jié)約廠用電。

為了更好地達(dá)到冷卻器的冷卻效果，后期將采用供水側(cè)分離、共用出水管方式，這樣使油冷卻器、水冷卻器用水獨(dú)立，油冷卻器不再出現(xiàn)搶水；同時(shí)水冷卻器的冷卻效果將大大提升。隨著冷卻器效果的提升，可將機(jī)組空冷器6臺(tái)風(fēng)機(jī)分為2組或3組運(yùn)行，在冬季環(huán)境溫度較低時(shí)，運(yùn)行一組或不用即能達(dá)到安全運(yùn)行要求；在夏季高溫高負(fù)荷時(shí)針對(duì)定、轉(zhuǎn)子或瓦溫也可選擇性地投入風(fēng)機(jī)；這樣就避免了風(fēng)機(jī)的長時(shí)間運(yùn)行，延長了風(fēng)機(jī)的使用壽命，在節(jié)約人力檢修成本的同時(shí)又大大節(jié)約了廠用電損耗。