抽水蓄能機組溫升及通風系統分析

丁大鵬，李廣德，安志華

(哈爾濱電機廠有限責任公司，黑龍江哈爾濱150040)

0 引言

某水力發電廠抽水蓄能機組為ABB公司產品，其投產運行后，發現該機組定子線圈溫度過高，電機線圈局部有擊穿痕跡。為了查明此因，避免這些現象，保證機組安全可靠運行，現場技術人員對該機組進行了相關試驗，如通風試驗、結構測量及流場測試，并根據實驗數據進行了通風系統分析和定子溫升研究。

1 通風試驗分析

1.1 風量及鼓風機前后壓力測量

機組裝備4臺冷卻器，單個冷卻器面積為2.024 m2。表1給出了風速測試儀測得的風速值及風量值。表2給出了機組上下兩端風機前后壓力及風量測量值。

機組的測試風量約27.7 m3/s，機組的設計風量為28.5 m3/s，說明機組通風系統產生的風量基本接近設計值;上端鼓風機驅送的總風量為14.07 m3/s，下端鼓風機驅送的總風量為12.07 m3/s，說明上下風道的風量分配基本均勻;上端鼓風機的設計工作點壓力為1 200 Pa，下端鼓風機的設計工作點壓力為950 Pa。鼓風機壓力的設計值與測量值比較接近。

表1 多功能風速儀測量值

表2 機組上下端風機前后壓力及風量測量值

1.2 定子風溝風速、風溫測量

分別在鼓風機正下方和側面測量兩組定子風溝風速、風溫數據，根據數據繪風速沿軸向分布規律如圖1所示;圖2為定子風溝沿軸向風溫分布規律。

圖1 定子風溝沿軸向風速分布規律

圖2 定子風溝沿軸向風溫分布規律

從定子風溝沿軸向風速分布規律看，考慮不同位置對測試傳感器放置的影響，個別數據會有偏差，從規律上分析，下端風速比上端略低;從溫度值上看，定子風溝邊段溫度較低，這是由于冷風由此進入氣隙引起;從整體的溫度分布看，下端風溫高于上端，說明電機下端的冷卻效果低于上端。

1.3 通風損耗測量

表3給出了通風損耗試驗記錄數據。電阻標定如下:環境溫度為29.75℃;冷風電阻網電阻為80.67 Ω;熱風電阻網電阻為70.80 Ω。

表3 通風損耗試驗記錄

通風損耗:Pv=1.1×(42.015 2-32.088 3)× 27.769 2=303.2 kW。

通風損耗測量值與原設計值比較，測量值偏大。試驗測得電機風量與設計值接近，若損耗值與設計值吻合，電機是不會過熱的，而實際電機的運行情況說明，電機存在過熱問題，因此認為電機的實際損耗高于設計值。

1.4 總損耗測量

分別在發電機和電動機工況下機組帶不同負荷運行，達到熱穩定，進行冷卻器前、后冷熱風溫度的測量，如表4所示。

表4 總損耗測量記錄

2 機組通風系統結構與改造方案分析

抽水蓄能機組通風系統設計與其冷卻方式密切相關。對于容量較大的中低速機組，由于電機直徑相對較大，轉子旋轉產生的壓頭能夠滿足驅送風量的要求，可采用無風扇徑向通風方式，這種結構不僅結構簡單，還能降低通風損耗。Palmiet電站200MW機組通風系統屬此結構。一些中低速蓄能電機，在轉子旋轉產生的壓頭驅送風量的同時還安裝了離心式風扇，可采用帶風扇徑向通風方式。城山電站71.6MW機組通風系統屬此結構。

對于高速蓄能電機，由于轉速高，電機結構緊湊，通風空間有限。因此除采用磁軛徑向通風溝外，還通常在定轉子上方蓋板及機座支撐件等處加裝若干鼓風機，在上下風路上進行強迫通風，提高冷卻效果，本文所涉及到的機組屬這一類。

2.1 原機組風量計算與定子各部分溫度分析

通過分析機組的結構，確定了計算網絡，其中包括鼓風機、磁極的壓力元件、風阻元件、定子入口、出口風阻元件、冷卻器等風阻元件。在此基礎上，進行通風系統計算分析，得到原機總風量Q=25.09 m3/s。

依此重新對電機原通風系統進行了分析計算，計算結果與測試結果接近，在此邊界條件下，確定定子風溝等位置的對流換熱系數，計算定子的各部分溫度。圖3給出了原機組定子各部分溫度計算結果。

圖3 原結構定子各部分溫度的計算(單位:℃)

從計算結果看，定子繞組平均溫度約為128.1℃，定子齒部平均溫度約為91.83℃，定子軛部平均溫度約為67.28℃。結果說明電機的繞組溫度偏高。

2.2 改造方案及改造后的計算結果

由于電機的結構緊湊，對電機內的通風系統進行改造的空間十分有限，并且制動器位置制約了風扇的尺寸，在轉子上安裝風扇不能明顯提高風量。因此，在本次通風系統的改造中，采取提高鼓風機的功率和壓力、結構密封和更換冷卻器的改造方案。

2.2.1 鼓風機改造方案

本著節約成本、原有鼓風機再利用的原則，通過對方案的計算，下端可安裝原上端鼓風機，其安裝直徑為φ483 mm，下端開孔直徑應滿足其安裝直徑，共6臺，功率為6.5 kW，工作點壓力為1 200 Pa，流量為2.3 m3/s。上端更換為4個大功率鼓風機，安裝直徑約為φ600 mm，功率為11 kW，工作點壓力為1 550 Pa，流量為4.0 m3/s。

2.2.2 電機結構密封方案

原電機上端部及立筋處存在風隙漏風現象，造成冷風損失和熱風回風等不利影響。可堵死這些漏風間隙和孔，以便提高冷卻效率。

2.2.3 冷卻器改造方案

原冷卻器為不銹鋼穿片式空氣冷卻器。每個冷卻器又以散熱片為單位進行穿管，每組管間都有較大的間隙，部分熱風沒被徹底冷卻，就從間隙處流出，使經鼓風機的冷風入口溫度高于設計值;同時冷卻管和散熱片都是不銹鋼材料，其導熱能力較差，若選擇銅片冷卻器，可在相同的安裝空間內有效降低冷卻氣體的溫度。銅管冷卻器傳熱性能計算如表5(其中風量取改造后風量，損耗取實驗測得損耗)所示。

表5 冷卻器傳熱性能計算

2.3 改造后機組風量與定子各部分溫度分析

對改造后機組通風系統進行模擬計算，總風量Q=29.21 m3/s。在通風計算的基礎上，計算了定子各部分平均溫度，定子繞組平均溫度約為119.9℃，定子齒部平均溫度約為85.09℃，定子軛部平均溫度約為61.23℃，計算結果說明改造后電機定子各部分溫度降低8℃左右。

3 結論

由于電機的實際損耗高于設計值，通風系統產生的風量不足以帶走電機產生的熱量，這是該電機發熱的主要原因。在不能改動結構尺寸的前提下，本次改造通過對機組通風系統采取提高鼓風機的功率和壓力、密封部分漏風間隙和更換冷卻器的改造方案，使電機的總風量增加了4.1 m3/s;冷卻器出風溫度降低了4.46℃;定子繞組的溫度降低約8℃左右。冷卻效果改善明顯，可使電機運行在允許溫度限值以內。同時，這種改造分析方法對解決同類機組的過熱及增容問題起到了參考作用。

［1］ 魏永田.電機內熱交換［M］.北京:機械工業出版社，1998.

［2］ 丁舜年.大型電機發熱與冷卻［M］.北京:科學出版社，1992.