抽水蓄能機(jī)組溫升及通風(fēng)系統(tǒng)分析

丁大鵬，李廣德，安志華

(哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司，黑龍江哈爾濱150040)

0 引言

某水力發(fā)電廠抽水蓄能機(jī)組為ABB公司產(chǎn)品，其投產(chǎn)運(yùn)行后，發(fā)現(xiàn)該機(jī)組定子線圈溫度過(guò)高，電機(jī)線圈局部有擊穿痕跡。為了查明此因，避免這些現(xiàn)象，保證機(jī)組安全可靠運(yùn)行，現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員對(duì)該機(jī)組進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)，如通風(fēng)試驗(yàn)、結(jié)構(gòu)測(cè)量及流場(chǎng)測(cè)試，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了通風(fēng)系統(tǒng)分析和定子溫升研究。

1 通風(fēng)試驗(yàn)分析

1.1 風(fēng)量及鼓風(fēng)機(jī)前后壓力測(cè)量

機(jī)組裝備4臺(tái)冷卻器，單個(gè)冷卻器面積為2.024 m2。表1給出了風(fēng)速測(cè)試儀測(cè)得的風(fēng)速值及風(fēng)量值。表2給出了機(jī)組上下兩端風(fēng)機(jī)前后壓力及風(fēng)量測(cè)量值。

機(jī)組的測(cè)試風(fēng)量約27.7 m3/s，機(jī)組的設(shè)計(jì)風(fēng)量為28.5 m3/s，說(shuō)明機(jī)組通風(fēng)系統(tǒng)產(chǎn)生的風(fēng)量基本接近設(shè)計(jì)值;上端鼓風(fēng)機(jī)驅(qū)送的總風(fēng)量為14.07 m3/s，下端鼓風(fēng)機(jī)驅(qū)送的總風(fēng)量為12.07 m3/s，說(shuō)明上下風(fēng)道的風(fēng)量分配基本均勻;上端鼓風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)工作點(diǎn)壓力為1 200 Pa，下端鼓風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)工作點(diǎn)壓力為950 Pa。鼓風(fēng)機(jī)壓力的設(shè)計(jì)值與測(cè)量值比較接近。

表1 多功能風(fēng)速儀測(cè)量值

表2 機(jī)組上下端風(fēng)機(jī)前后壓力及風(fēng)量測(cè)量值

1.2 定子風(fēng)溝風(fēng)速、風(fēng)溫測(cè)量

分別在鼓風(fēng)機(jī)正下方和側(cè)面測(cè)量?jī)山M定子風(fēng)溝風(fēng)速、風(fēng)溫?cái)?shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)繪風(fēng)速沿軸向分布規(guī)律如圖1所示;圖2為定子風(fēng)溝沿軸向風(fēng)溫分布規(guī)律。

圖1 定子風(fēng)溝沿軸向風(fēng)速分布規(guī)律

圖2 定子風(fēng)溝沿軸向風(fēng)溫分布規(guī)律

從定子風(fēng)溝沿軸向風(fēng)速分布規(guī)律看，考慮不同位置對(duì)測(cè)試傳感器放置的影響，個(gè)別數(shù)據(jù)會(huì)有偏差，從規(guī)律上分析，下端風(fēng)速比上端略低;從溫度值上看，定子風(fēng)溝邊段溫度較低，這是由于冷風(fēng)由此進(jìn)入氣隙引起;從整體的溫度分布看，下端風(fēng)溫高于上端，說(shuō)明電機(jī)下端的冷卻效果低于上端。

1.3 通風(fēng)損耗測(cè)量

表3給出了通風(fēng)損耗試驗(yàn)記錄數(shù)據(jù)。電阻標(biāo)定如下:環(huán)境溫度為29.75℃;冷風(fēng)電阻網(wǎng)電阻為80.67 Ω;熱風(fēng)電阻網(wǎng)電阻為70.80 Ω。

表3 通風(fēng)損耗試驗(yàn)記錄

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

通風(fēng)損耗測(cè)量值與原設(shè)計(jì)值比較，測(cè)量值偏大。試驗(yàn)測(cè)得電機(jī)風(fēng)量與設(shè)計(jì)值接近，若損耗值與設(shè)計(jì)值吻合，電機(jī)是不會(huì)過(guò)熱的，而實(shí)際電機(jī)的運(yùn)行情況說(shuō)明，電機(jī)存在過(guò)熱問(wèn)題，因此認(rèn)為電機(jī)的實(shí)際損耗高于設(shè)計(jì)值。

1.4 總損耗測(cè)量

分別在發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)工況下機(jī)組帶不同負(fù)荷運(yùn)行，達(dá)到熱穩(wěn)定，進(jìn)行冷卻器前、后冷熱風(fēng)溫度的測(cè)量，如表4所示。

表4 總損耗測(cè)量記錄

2 機(jī)組通風(fēng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與改造方案分析

抽水蓄能機(jī)組通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與其冷卻方式密切相關(guān)。對(duì)于容量較大的中低速機(jī)組，由于電機(jī)直徑相對(duì)較大，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的壓頭能夠滿足驅(qū)送風(fēng)量的要求，可采用無(wú)風(fēng)扇徑向通風(fēng)方式，這種結(jié)構(gòu)不僅結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，還能降低通風(fēng)損耗。Palmiet電站200MW機(jī)組通風(fēng)系統(tǒng)屬此結(jié)構(gòu)。一些中低速蓄能電機(jī)，在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的壓頭驅(qū)送風(fēng)量的同時(shí)還安裝了離心式風(fēng)扇，可采用帶風(fēng)扇徑向通風(fēng)方式。城山電站71.6MW機(jī)組通風(fēng)系統(tǒng)屬此結(jié)構(gòu)。

對(duì)于高速蓄能電機(jī)，由于轉(zhuǎn)速高，電機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊，通風(fēng)空間有限。因此除采用磁軛徑向通風(fēng)溝外，還通常在定轉(zhuǎn)子上方蓋板及機(jī)座支撐件等處加裝若干鼓風(fēng)機(jī)，在上下風(fēng)路上進(jìn)行強(qiáng)迫通風(fēng)，提高冷卻效果，本文所涉及到的機(jī)組屬這一類。

2.1 原機(jī)組風(fēng)量計(jì)算與定子各部分溫度分析

通過(guò)分析機(jī)組的結(jié)構(gòu)，確定了計(jì)算網(wǎng)絡(luò)，其中包括鼓風(fēng)機(jī)、磁極的壓力元件、風(fēng)阻元件、定子入口、出口風(fēng)阻元件、冷卻器等風(fēng)阻元件。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行通風(fēng)系統(tǒng)計(jì)算分析，得到原機(jī)總風(fēng)量Q=25.09 m3/s。

依此重新對(duì)電機(jī)原通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行了分析計(jì)算，計(jì)算結(jié)果與測(cè)試結(jié)果接近，在此邊界條件下，確定定子風(fēng)溝等位置的對(duì)流換熱系數(shù)，計(jì)算定子的各部分溫度。圖3給出了原機(jī)組定子各部分溫度計(jì)算結(jié)果。

圖3 原結(jié)構(gòu)定子各部分溫度的計(jì)算(單位:℃)

從計(jì)算結(jié)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(jié)果說(shuō)明電機(jī)的繞組溫度偏高。

2.2 改造方案及改造后的計(jì)算結(jié)果

由于電機(jī)的結(jié)構(gòu)緊湊，對(duì)電機(jī)內(nèi)的通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行改造的空間十分有限，并且制動(dòng)器位置制約了風(fēng)扇的尺寸，在轉(zhuǎn)子上安裝風(fēng)扇不能明顯提高風(fēng)量。因此，在本次通風(fēng)系統(tǒng)的改造中，采取提高鼓風(fēng)機(jī)的功率和壓力、結(jié)構(gòu)密封和更換冷卻器的改造方案。

2.2.1 鼓風(fēng)機(jī)改造方案

本著節(jié)約成本、原有鼓風(fēng)機(jī)再利用的原則，通過(guò)對(duì)方案的計(jì)算，下端可安裝原上端鼓風(fēng)機(jī)，其安裝直徑為φ483 mm，下端開孔直徑應(yīng)滿足其安裝直徑，共6臺(tái)，功率為6.5 kW，工作點(diǎn)壓力為1 200 Pa，流量為2.3 m3/s。上端更換為4個(gè)大功率鼓風(fēng)機(jī)，安裝直徑約為φ600 mm，功率為11 kW，工作點(diǎn)壓力為1 550 Pa，流量為4.0 m3/s。

2.2.2 電機(jī)結(jié)構(gòu)密封方案

原電機(jī)上端部及立筋處存在風(fēng)隙漏風(fēng)現(xiàn)象，造成冷風(fēng)損失和熱風(fēng)回風(fēng)等不利影響。可堵死這些漏風(fēng)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(gè)冷卻器又以散熱片為單位進(jìn)行穿管，每組管間都有較大的間隙，部分熱風(fēng)沒(méi)被徹底冷卻，就從間隙處流出，使經(jīng)鼓風(fēng)機(jī)的冷風(fēng)入口溫度高于設(shè)計(jì)值;同時(shí)冷卻管和散熱片都是不銹鋼材料，其導(dǎo)熱能力較差，若選擇銅片冷卻器，可在相同的安裝空間內(nèi)有效降低冷卻氣體的溫度。銅管冷卻器傳熱性能計(jì)算如表5(其中風(fēng)量取改造后風(fēng)量，損耗取實(shí)驗(yàn)測(cè)得損耗)所示。

表5 冷卻器傳熱性能計(jì)算

2.3 改造后機(jī)組風(fēng)量與定子各部分溫度分析

對(duì)改造后機(jī)組通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行模擬計(jì)算，總風(fēng)量Q=29.21 m3/s。在通風(fēng)計(jì)算的基礎(chǔ)上，計(jì)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(jì)算結(jié)果說(shuō)明改造后電機(jī)定子各部分溫度降低8℃左右。

3 結(jié)論

由于電機(jī)的實(shí)際損耗高于設(shè)計(jì)值，通風(fēng)系統(tǒng)產(chǎn)生的風(fēng)量不足以帶走電機(jī)產(chǎn)生的熱量，這是該電機(jī)發(fā)熱的主要原因。在不能改動(dòng)結(jié)構(gòu)尺寸的前提下，本次改造通過(guò)對(duì)機(jī)組通風(fēng)系統(tǒng)采取提高鼓風(fēng)機(jī)的功率和壓力、密封部分漏風(fēng)間隙和更換冷卻器的改造方案，使電機(jī)的總風(fēng)量增加了4.1 m3/s;冷卻器出風(fēng)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(jī)運(yùn)行在允許溫度限值以內(nèi)。同時(shí)，這種改造分析方法對(duì)解決同類機(jī)組的過(guò)熱及增容問(wèn)題起到了參考作用。

［1］ 魏永田.電機(jī)內(nèi)熱交換［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1998.

［2］ 丁舜年.大型電機(jī)發(fā)熱與冷卻［M］.北京:科學(xué)出版社，1992.