南津渡水電站發(fā)電機冷卻系統(tǒng)技術(shù)改造初探

陳敬明

（湖南省南津渡水電站 永州市 425100）

南津渡水電站位于湖南省永州市境內(nèi)，是一座集防洪、供水、發(fā)電、航運等綜合利用的水電樞紐工程，也是湘江支流瀟水流域水電梯級開發(fā)的最后一個梯級電站，距湘江河口7 km，壩址控制流域面積11 791 km2，總庫容為6 100萬m3，電站總裝機容量為60 MW，為奧地利ELIN 公司低水頭徑流式燈泡貫流式機組，單機容量20 MW。 1991年發(fā)電機冷卻系統(tǒng)投運后效果一直不理想，線棒滿負(fù)荷運行最高溫度達(dá)120℃，導(dǎo)致機組線棒在運行10年后事故不斷，冷卻系統(tǒng)改造刻不容緩。

1 機組冷卻系統(tǒng)基本情況

1.1 冷卻方式

發(fā)電機現(xiàn)有通風(fēng)冷卻系統(tǒng)采用的是密閉循環(huán)強迫通風(fēng)的冷卻方式，冷卻系統(tǒng)是完全獨立的，它由4臺軸流風(fēng)機、8 臺空氣水熱交換器、2 臺冷卻水泵、1個錐形冷卻套等組成，具有兩個密閉循環(huán)冷卻系統(tǒng)，經(jīng)過兩次熱交換進(jìn)行冷卻，如圖1 冷卻水系統(tǒng)示意圖所示。 通過空氣水熱交換器后的冷空氣由軸流風(fēng)機吹至轉(zhuǎn)子的下游側(cè)，流經(jīng)磁極端部、定子支架、磁極間氣隙、磁極與定子線圈間氣隙等，在上游側(cè)端部匯合后通過空氣水熱交換器再次進(jìn)入軸流風(fēng)機，達(dá)到對發(fā)電機定子、轉(zhuǎn)子的冷卻，這便是密閉氣循環(huán)。空氣水熱交換器中所產(chǎn)生的熱水通過冷卻套時，由流道中的河水對其進(jìn)行冷卻，冷卻后的冷水經(jīng)水泵送入空氣水熱交換器中再次對發(fā)電機的熱風(fēng)進(jìn)行冷卻，這便是密閉水循環(huán)。

圖1 冷卻水示意圖

電站冷卻水系統(tǒng)在為發(fā)電機提供冷卻水的同時還為軸承油系統(tǒng)、調(diào)速器油系統(tǒng)提供冷卻水，軸承油冷卻水的流量是受恒溫控制器控制的，原冷卻水系統(tǒng)原理圖如圖2 所示。

1.2 現(xiàn)階段冷卻效果及原因分析

圖2 冷卻水系統(tǒng)原理圖（改造前）

運行發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有冷卻系統(tǒng)的冷卻效果很不理想，發(fā)電機線棒仲夏運行的最高溫度達(dá)120℃，發(fā)電機燈泡頭環(huán)境溫度最高達(dá)45℃，對發(fā)電機組絕緣造成極大的危害。 造成的原因有三個方面：

（1）設(shè)計時冷卻器的熱交換功率不夠，達(dá)不到冷卻效果的要求。

首先對原有空氣水熱交換器的熱交換功率進(jìn)行核算：

根據(jù)在熱量交換過程中的熱量守恒定律進(jìn)行計算，在同一時間段內(nèi)空氣水熱交換器中水溫度升高所吸收的熱量等于空氣溫度降低所釋放的熱量。

1 小時內(nèi)水溫升高所吸收的熱量為：

1 小時內(nèi)空氣溫度降低所釋放的熱量為：

空氣與水在1 小時內(nèi)所交換的熱量大致平衡，電站現(xiàn)有8 臺空氣水熱交換器的熱交換功率為360 kW。

缺容計算：（449-360）/360=24.7%

上述計算說明在最初設(shè)計時空氣水熱交換器的熱交換功率沒有達(dá)到設(shè)計的要求。

鑒于電站使用的ELIN公司設(shè)計的空氣水熱交換器在冷卻水的進(jìn)出口均未設(shè)計溫度表計，電站當(dāng)時也未加裝，所以無法統(tǒng)計歷年來水溫的變化情況。 從2005年以及2007年對發(fā)電機熱風(fēng)、冷風(fēng)的溫度統(tǒng)計數(shù)據(jù)來看，冷卻氣體溫度平均降溫為20℃左右，并沒有達(dá)到設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)25.6℃，這也進(jìn)一步說明了空氣水熱交換器存在缺容現(xiàn)象。

（2）冷卻套與河水的熱交換不夠充分。

冷卻套的外壁較厚且與河水直接接觸的面積有限，影響了熱對流的效果，導(dǎo)致空氣水熱交換器中的熱水沒到降到所要求的溫度，從而降低了機組的冷卻效果，特別是在夏天環(huán)境溫度較高的時候更是如此，定子線棒極限運行溫度達(dá)120℃，對定子線棒和機組的長期安全穩(wěn)定運行不利，同時縮短設(shè)備壽命。

（3）冷卻計算時ELIN 進(jìn)水溫度取得較低，而實際溫度比計算取值高。

ELIN 公司在設(shè)計空氣水熱交換器的進(jìn)口水溫時所考慮的河水溫度比我國低，而實際上空氣水熱交換器的進(jìn)水口水溫比設(shè)計值要高，導(dǎo)致冷水與熱空氣之間的溫差變小，溫差越小，熱對流時所帶走的熱量越少，從而降低了空氣水熱交換器的冷卻效果。

2 冷卻系統(tǒng)更新改造的可行性分析

飛來峽、大源渡等電站改造前與南津渡電站的冷卻方式是一樣的，冷卻水系統(tǒng)均為密閉循環(huán)強迫通風(fēng)的冷卻方式，后來均改為復(fù)式冷卻，即利用外置冷卻器對錐形冷套出來的冷水再進(jìn)行一次冷卻，進(jìn)一步降低發(fā)電機空冷器的進(jìn)水口水溫，從而提高了熱空氣與冷水之間的溫差，增強了空氣水熱交換器的冷卻效果，使得線棒的溫度得到進(jìn)一步的降低。

根據(jù)同類型機組廣州飛來峽電站采用增加1組板式冷卻器對冷卻系統(tǒng)改造后運行1年的情況來看，在環(huán)境溫度最高時，機組額定工況下運行安全穩(wěn)定，達(dá)到改造設(shè)計要求，能將發(fā)電機線圈溫度降低9℃左右。

附表為飛來峽電站改造前后的冷卻效果對照表。

附表 飛來峽電站改造前后的冷卻效果對照表 ℃

從多個ELIN 進(jìn)口燈泡貫流機組的冷卻系統(tǒng)改造的經(jīng)驗看，改造是可行的。

3 更新改造的步驟安排及預(yù)計效果

運行近20年后，3 臺機組的線棒均有不同程度的損壞，已全部更換為國內(nèi)線棒，為保證更換線棒后的機組能在合適的溫度環(huán)境下運行，延長它的使用壽命，3 臺機組的冷卻系統(tǒng)必須進(jìn)行更新改造。 改造分三個階段安排：

第一階段：安裝分體空調(diào)（每臺機約5 kW），根據(jù)空調(diào)的功率與發(fā)電機燈泡頭的冷卻空間容積相匹配來計算，將發(fā)電機燈泡頭的空氣溫度降低10℃左右，即保證燈泡頭的溫度最高在35℃左右，全面改善泡頭環(huán)境溫度，預(yù)計線棒降溫（1～2）℃。

第二階段：對冷卻介質(zhì)進(jìn)行強迫冷卻，根據(jù)廣州飛來峽電站冷卻系統(tǒng)成功改造成后的經(jīng)驗來看，計算線棒降溫為（8～10）℃。

第三階段：對空冷器進(jìn)行增容更換，增大冷卻風(fēng)量，進(jìn)一步降低線棒溫度，力爭降溫（3～5）℃。

4 機組冷卻系統(tǒng)改造（第二階段）技術(shù)方案設(shè)計

4.1 方案選擇

通過對同類型燈泡貫流式機組的考察和分析，不同電站根據(jù)自身機組的情況以及水質(zhì)情況一般采取兩種改造方案：一是由原來的密閉式內(nèi)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)改造為開放式外循環(huán)冷卻水系統(tǒng)（如廣州的白垢電站），改造后的系統(tǒng)圖如圖3 所示；二是復(fù)式冷卻，在不改變原有冷卻系統(tǒng)設(shè)備的基礎(chǔ)上增加一組板式冷卻器（如廣州飛來峽電站），對原有冷卻水進(jìn)行二次冷卻（如圖4 所示），兩種方案均能達(dá)到所要求的冷卻效果。 方案一的缺點是洪水季節(jié)水質(zhì)對冷卻水設(shè)備及管道會產(chǎn)生腐蝕以及微生物在管道內(nèi)壁的粘附會造成管道內(nèi)流態(tài)的改變，增加檢修的工作量和設(shè)備潛在的風(fēng)險，所以只適用于水質(zhì)情況比較好的電站；方案二雖然需要增加一組平板冷卻器，卻避免了上述風(fēng)險的發(fā)生，并且可以做到和外循環(huán)一樣的冷卻效果，并且從梧州長洲電站內(nèi)安裝的4個廠家（東電、哈電、天阿、東芝）16 臺機組看密閉循環(huán)冷卻系統(tǒng)是主流和發(fā)展方向。所以建議采用方案二，需要考慮南津渡水電站機組的安裝比較緊湊，發(fā)電機層和抗壓蓋板上空閑空間均不多，需要優(yōu)化設(shè)備的布置。

4.2 整體布置及開孔說明

圖3 冷卻水系統(tǒng)原理圖（改造后）

圖4 復(fù)式冷卻系統(tǒng)圖

進(jìn)水、取水口均可布置在抗壓蓋板的下面，需要注意的是考慮到抗壓蓋板和導(dǎo)流板之間的水幾乎為死水，流動緩慢，淤泥沉積，建議將進(jìn)出水口均穿過導(dǎo)流板伸入到流道內(nèi)，并在進(jìn)出水口安裝過濾網(wǎng)，進(jìn)水口安裝在出水口的上游側(cè)，兩臺水泵均安裝在抗壓蓋板上，見圖5。

圖5 抗壓蓋板設(shè)備平面布置圖

考慮到發(fā)電機層和抗壓蓋板上所空閑的空間均不多，以及避免大修時增加拆卸的設(shè)備，建議將過濾器和板式冷卻器均安裝在水泵房的走廊上，雖然增加了一部分管道，但便于安裝，巡視、維修和整體布置，見圖6。

5 結(jié)語

電站冷卻水系統(tǒng)的更新改造計劃3年內(nèi)完成，改造完成后發(fā)電機組定子線棒的最高運行溫度在100℃，將大為改善發(fā)電機運行環(huán)境，延長機組的使用壽命。

圖6 水泵房走廊設(shè)備平面布置圖