發(fā)電機(jī)定子冷卻水系統(tǒng)節(jié)能潛力

謝尉揚(yáng)

（浙能技術(shù)中心，杭州市，310052）

0 引言

發(fā)電機(jī)定子冷卻水系統(tǒng)的作用是通過冷卻水帶走發(fā)電機(jī)定子線圈產(chǎn)生的熱量，防止定子線圈超溫。國內(nèi)引進(jìn)西屋、日立、東芝技術(shù)生產(chǎn)的水-氫-氫冷發(fā)電機(jī)，定子內(nèi)冷線圈采用銅質(zhì)材料。為維持定子冷卻水的水質(zhì)，該系統(tǒng)除定子以外的設(shè)備和管道全部采用不銹鋼材料，并通過過濾、水質(zhì)再生和水箱充氮等措施，防止線圈銅質(zhì)材料的氧化和腐蝕。定子冷卻水系統(tǒng)通常配置有水箱、水泵、冷卻器、過濾器、調(diào)節(jié)閥、去離子裝置等設(shè)備以及各種測(cè)量?jī)x器[1-12]。集裝式定子冷卻水裝置一般布置在標(biāo)高低于發(fā)電機(jī)本體的汽輪機(jī)房0 m層或夾層，為防止定子冷卻水回水可能產(chǎn)生的虹吸現(xiàn)象，從發(fā)電機(jī)定子線圈匯水管出來的冷卻水被破壞真空后流回到定子冷卻水箱。如果能合理地控制定子冷卻水的流量，并且利用冷卻水的回水勢(shì)能，該系統(tǒng)還有較大的節(jié)能潛力。

1 定子冷卻水流量

機(jī)組投運(yùn)后發(fā)電機(jī)定子冷卻水的流量通常被設(shè)定為一定值，但實(shí)際上發(fā)電機(jī)的負(fù)荷必須隨時(shí)服從電網(wǎng)調(diào)度的指令，發(fā)電機(jī)定子線圈產(chǎn)生的熱量隨負(fù)荷而變，基本上呈線性關(guān)系。當(dāng)發(fā)電機(jī)負(fù)荷下降時(shí)，如果定子冷卻水的流量維持不變，則定子冷卻水的溫升必定降低；如果只維持定子線圈的出水溫度不超標(biāo)，則可以減少定子冷卻水的流量，從而降低該系統(tǒng)的能耗。通過試驗(yàn)，可以找出在定子線圈出水溫度不超標(biāo)條件下機(jī)組負(fù)荷與冷卻水流量的關(guān)系，按照所需的流量進(jìn)行控制，就能達(dá)到節(jié)能的目的。改變冷卻水流量可以通過調(diào)節(jié)閥來實(shí)現(xiàn)，也可以利用電機(jī)變頻技術(shù)，通過改變水泵轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)。目前控制流量常規(guī)的手段是利用調(diào)節(jié)閥，但水流通過調(diào)節(jié)閥后會(huì)產(chǎn)生一定的壓降，造成相應(yīng)的能量損失。由于離心泵比較平坦的壓力-流量特性，在流量減少時(shí)壓力升高的幅度較小，故利用調(diào)節(jié)閥節(jié)流也能起到較好的節(jié)能效果?？紤]到管道系統(tǒng)的阻力特性與流速（流量）的2次方成比例關(guān)系，當(dāng)流量降低時(shí)系統(tǒng)的阻力也相應(yīng)降低，因此可以利用電機(jī)變頻技術(shù)，通過降低水泵的轉(zhuǎn)速來降低系統(tǒng)的流量和阻力，由于水泵的功率與轉(zhuǎn)速的3次方成比例關(guān)系，因而其節(jié)能效果將更加明顯。由于水泵特性必須與管路系統(tǒng)的阻力特性相匹配，具體的轉(zhuǎn)速降低范圍還需要通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)來確定。

2 回水勢(shì)能

由于集裝式定子冷卻水裝置低位布置于發(fā)電機(jī)下面，定子冷卻水的回水通常被破壞真空后流回到冷卻水箱，沒能利用虹吸效應(yīng)，從而浪費(fèi)了回水的勢(shì)能。如果定子冷卻水設(shè)備（水箱）布置在0 m層，從回水管高點(diǎn)到冷卻水箱的高差則是從運(yùn)行層到0 m層的高差，300 MW機(jī)組有12 m，600 MW機(jī)組有13.7 m，1 000 MW機(jī)組有17 m，即使是布置在夾層，也約有上述一半的高差，與冷卻水泵的揚(yáng)程相比，這部分高差也占相當(dāng)比例。如果要利用這部分回水的勢(shì)能，必須對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行合理的布置，讓整個(gè)冷卻水的回水管也充滿水。譬如可以將水箱從集裝式定子冷卻水裝置中分離出來，提高其布置標(biāo)高，使之能略高于（幾m即可）定子冷卻水回水的最高點(diǎn)，其他定子冷卻水設(shè)備仍低位布置在0 m層或夾層，這樣既可保證整個(gè)定子冷卻水系統(tǒng)的管路充滿水，又不會(huì)過于增加整個(gè)系統(tǒng)的壓力。這時(shí)候的水箱在高位，主要起到系統(tǒng)膨脹水箱的作用，因而可以大大減小水箱的容量。定子冷卻水系統(tǒng)這樣布置后，由于利用了回水的勢(shì)能，可以相應(yīng)地降低冷卻水泵的揚(yáng)程，理論上可以降低回水高差。目前采用西門子技術(shù)的1 000 MW汽輪發(fā)電機(jī)，定子冷卻水系統(tǒng)的水箱已經(jīng)高位布置，充分利用了回水的勢(shì)能，水箱的容積為0.58 m3，而某公司生產(chǎn)的水箱采用低位布置，其容積為5 m3。

如果不能完全利用定子冷卻水的回水勢(shì)能，也可設(shè)法利用一部分。譬如將布置在0 m層的集裝式定子冷卻水裝置提高到夾層，這樣回水勢(shì)能的損失可以從運(yùn)行層至0 m層的高差減少到從運(yùn)行層至夾層的高差，相當(dāng)于利用了從夾層到0 m層高差的回水勢(shì)能，這時(shí)候水泵的揚(yáng)程也可相應(yīng)減少，這樣布置縮短了管道的總體長(zhǎng)度，也降低了管道的阻力。

3 水質(zhì)再生

當(dāng)定子冷卻水系統(tǒng)是有銅系統(tǒng)時(shí)，為防止銅質(zhì)材料的氧化和腐蝕，對(duì)冷卻水的水質(zhì)有較高的要求。按照DL/T 801—2002《大型發(fā)電機(jī)內(nèi)冷水質(zhì)及系統(tǒng)技術(shù)要求》，定子冷卻水應(yīng)采用除鹽水或凝結(jié)水，水質(zhì)要求如下：pH（25℃）值7.0～9.0，電導(dǎo)率（25℃）不大于2.0 μs/cm，硬度小于2.0 μmol/L，溶氧量小于30 μg/L，含銅量不大于40 μg/L，溶氨量小于300 μg/L。為保證水質(zhì)指標(biāo)，定子冷卻水的整個(gè)外部系統(tǒng)采用全不銹鋼材料，同時(shí)對(duì)定子冷卻水的水箱進(jìn)行充氮保護(hù)，以防止空氣進(jìn)入該系統(tǒng)；另一方面還專門對(duì)冷卻水進(jìn)行去離子再生處理，通常是配置1套樹脂交換裝置，將冷卻水流量的10%～20%經(jīng)樹脂交換裝置再生，再生后的高純度水流回到系統(tǒng)。如果系統(tǒng)的水質(zhì)維持較好，則可以減少再生水的流量，甚至可以暫時(shí)不進(jìn)行再生處理，相應(yīng)節(jié)省水泵的能耗。當(dāng)定子冷卻線圈內(nèi)襯不銹鋼材料時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)為全不銹鋼系統(tǒng)，水中無含銅量，水質(zhì)指標(biāo)較容易保證，可以減少冷卻水的再生流量。如采用西門子技術(shù)的1 000 MW汽輪發(fā)電機(jī)，定子冷卻線圈內(nèi)襯不銹鋼，該系統(tǒng)僅對(duì)補(bǔ)充水部分進(jìn)行樹脂交換處理，并且流量也很小（120 L/h），不需要額外消耗水泵的功率。由于系統(tǒng)水質(zhì)較好，并且無泄漏，實(shí)際上不需要一直補(bǔ)水，建議對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行適當(dāng)優(yōu)化，從水泵出口增加1路相應(yīng)流量的旁路水經(jīng)樹脂再生后流回系統(tǒng)，這樣可以減少系統(tǒng)的溢流損失。

4 節(jié)能潛力分析

以1 000 MW汽輪發(fā)電機(jī)為例，對(duì)A公司和B公司生產(chǎn)的定子冷卻水系統(tǒng)進(jìn)行比較。A公司設(shè)置了冷卻水高位水箱，水箱布置在25 m標(biāo)高，保證了定子冷卻水的回水管充滿水，充分利用了冷卻水的回水勢(shì)能。B公司的冷卻水箱在集裝式定子冷卻水裝置內(nèi)，整體布置于汽輪機(jī)房的0 m層，定子冷卻水的回水按破壞虹吸設(shè)計(jì)，沒有利用冷卻水的回水勢(shì)能。2家制造廠要求發(fā)電機(jī)定子線圈的冷卻水流量均為120 m3/h，所配定子冷卻水泵的額定參數(shù)見表1。

表1 1 000 MW汽輪發(fā)電機(jī)定子冷卻水泵額定參數(shù)Tab.1 Rated parameters of stator cooling water pump of 1 000 MWturbo-generator

由制造廠選配的水泵電機(jī)功率可知，A公司的功率比B公司的低27%，即使按水泵在額定參數(shù)下的軸功率計(jì)算，假定水泵的效率一致，前者的軸功率也比后者低33%。如果將B公司的定子冷卻水系統(tǒng)改造成高位水箱布置，僅以水泵揚(yáng)程降低17 m計(jì)算，水泵的功率也能降低16%。

當(dāng)集裝式定子冷卻水裝置的布置從0 m層提高到夾層時(shí)，1 000 MW機(jī)組的這2層高差有8.6 m，理論上計(jì)算B公司的冷卻水泵功率可以降低8%，A公司的冷卻水系統(tǒng)由于已經(jīng)利用了回水勢(shì)能，集裝式定子冷卻水裝置標(biāo)高的提高不能再降低能耗，但可以縮短管道的長(zhǎng)度，減小管道的阻力，因而也是有利的。

目前火電廠機(jī)組負(fù)荷率平均為75%，只要能維持定子線圈冷卻水的出口溫度不超標(biāo)，如果以調(diào)節(jié)閥來控制冷卻水流量，大約可以節(jié)約20%的能耗；如果定子冷卻水泵采用電機(jī)變頻技術(shù)，在流量減小的同時(shí)還可降低水泵的出口壓力，即使考慮到水泵轉(zhuǎn)速降低對(duì)水泵效率的影響，也可以節(jié)省更多的能耗，機(jī)組負(fù)荷率越低時(shí)節(jié)能效果越明顯。

5 結(jié)語

發(fā)電機(jī)定子冷卻水系統(tǒng)的總功率雖然不大，但如果能充分利用系統(tǒng)的回水勢(shì)能，并且按定子線圈的出水溫度不超標(biāo)來控制冷卻水流量，仍具有可觀的節(jié)能潛力，可以從系統(tǒng)的合理布置、流量的控制手段以及水質(zhì)再生流量最小化等方面對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)。對(duì)于B公司1 000 MW汽輪發(fā)電機(jī)的定子冷卻水系統(tǒng)，如果能夠充分利用冷卻水的回水勢(shì)能，水泵可以降低16%的功率，即使僅將集裝式定子冷卻水裝置的布置從汽輪機(jī)房0 m層提高到夾層，冷卻水泵也能降低8%的功率。按目前機(jī)組平均75%的負(fù)荷率計(jì)算，只要維持定子線圈出水溫度不超標(biāo)，如果以調(diào)節(jié)閥來控制冷卻水流量，大約可以節(jié)約20%的能耗；如果對(duì)冷卻水泵采用電機(jī)變頻技術(shù)，則可以節(jié)省更多的能耗。

[1]DL/T 801—2002大型發(fā)電機(jī)內(nèi)冷水質(zhì)及系統(tǒng)技術(shù)要求[S].北京：中國電力出版社，2002.

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