AP1000核電廠發電機冷卻方式設計特點分析

趙宏宇

(中核遼寧核電有限公司，遼寧 葫蘆島125000）

0 前言

眾所周知，電機容量的提升主要靠增加電機的線性尺寸和電磁負荷兩種途徑來實現。然而增大線性尺寸的同時也會增大損耗（因為電機的損耗與線性尺寸的三次方成正比），這會造成電機效率下降；而增加磁負荷，則會受到磁路飽和的限制。所以提高電機容量的主要措施在于增加線路負荷。但是增加線路負荷的同時會增加繞組的銅損耗，線圈的溫度會升高，加速絕緣老化，降低電機壽命[1]。這時就需要采取有效的冷卻方式帶走發電機的產生的熱能，以保證發電機安全可靠的運行。綜上所述，提高發電機的容量，主要是依靠提升發電機的冷卻技術實現的。

1 大型汽輪發電機的主要冷卻方式

目前汽輪發電機采用的冷卻方式按冷卻介質分類主要包括空冷、氫冷、水冷、油冷以及蒸發冷卻（兩相流冷卻）等；按冷卻位置分類包括表面冷卻和內部冷卻，表面冷卻就是通過冷卻介質（氫氣、空氣）和發電機本體進行表面對流換熱帶走熱量，這種方式換熱能力相對較差；內部冷卻就是將冷卻介質（水、油、氫氣）通過導線內部，帶走熱量再與外置的熱交換器進行換熱，這種方式的換熱能力更強。目前大容量發電機的冷卻方式一般不只通過單一的手段，多是內外冷卻相結合，多種介質相結合。對于不同的部位（定子鐵芯、定子繞組、發電機殼體、轉子繞組等）采用相適應的的方式，以達到最好的冷卻效果。

2 AP1000核電廠發電機冷卻方式

2.1 AP1000核電廠發電機的冷卻方式概述

我國首座AP1000核電站的發電機是從日本三菱電機公司引進的技術，采用“水氫氫”的冷卻方式。發電機采用整體全封閉、內部氫氣循環、定子繞組水內冷、定子鐵心及端部結構件氫氣表面冷卻、轉子繞組氣隙氫氣內冷的冷卻方式[2]。 總體布置如圖1。

圖1 發電機總體布置圖

圖2 發電機定子繞組內水路循環示意圖

2.2 定子線圈通過空心銅線直接水冷

定子繞組進出水匯流母管分別安裝在發電機基座的勵磁端和汽機端。冷卻水先由外部管路進入勵磁端匯流母管，然后經絕緣引水管進入線圈內部，再經絕緣引水管匯集到汽機端集水母管中，并經外部管路引出。發電機的出線套管，出線端子和中性點母線也是水內冷方式。但是通過單獨的水路循環，最后經過總的出線匯流總管流出發電機。發電機冷卻水回路如圖2。

AP1000發電機定子采用并聯單流水路即每個線圈內流過二條水路，每半匝線棒為一條水路，故又稱為半匝水路。由于這種水路的進水和出水母管分別布置在電機內的勵磁側和汽輪機側，故又稱這種水路為雙邊進出方式。這種方案上層和下層線棒內的水流方向相同，具有水路短、水壓降小、進水壓力低的優點。

繞組上層、下層線棒端部通過導電并頭套把兩線棒的空心與實心導線一起套住，套內線棒間用導電的斜楔固定，保持電的良好通路。每根線棒的端頭伸出并頭套外，伸進各自的水接頭盒進行封焊。兩個線棒的水接頭各自經絕緣引水管接至進/出水母管。這種水電連接方式的好處是：水路和電路分開，水接頭不導電，接頭部位的股線不會發生不填實問題，運行中出線斷股的可能性很低。定子繞組端部結構如下圖3所示。

圖3 定子繞組端部結構示意圖

2.3 定子鐵芯通過鐵心軸向風道直接氫冷

定子鐵芯的疊裝結構與其通風散熱方式有關。大容量電機鐵芯的通風冷卻一般有三種方式：鐵芯軸向分段徑向通風、鐵芯內軸向通風、半軸向通風。AP1000發電機定子采用的是全軸向通風式鐵芯，沿軸向是不分段的，鐵芯軛部沖有幾排孔徑較大的通風孔，鐵芯齒部也沖有幾排孔徑較小的通風孔，通風孔全軸向貫通。

2.4 轉子線圈軸向-徑向氫冷

轉子繞組內的通風是采用的是軸向-徑向結合的方式。氫氣一方面會通過轉子和定子間隙通過表面冷卻方式帶走熱量。此外，轉子線圈內部也設有通風口，氫氣在風扇的驅動下會從轉子兩端沿軸向進入通風口內，并在轉子的中間位置沿徑向排出。如圖4所示。

圖4 轉子繞組內通風口示意圖

2.5 氫氣冷卻器和高壓風扇

發電機機座頂部布置了氫氣冷卻器（背包式），分為4個序列，在所有4個序列都在運行的情況下，設計功率為100%容量。氫氣冷卻器的冷卻水來自電廠的閉式冷卻水系統。當氫氣冷卻器中任意一個序列退出運行，氫冷器仍然具有90%的容量運行。

發電機僅在集電環端設置了一個由5級動風葉、6級靜風葉組成的高壓軸流風扇，風扇座環分三段分別熱套在轉子軸上，以驅動機內氫氣的循環冷卻。

整個發電機內部是充滿氫氣的密封環境，包括定子鐵芯、轉子繞組和定子與內殼之間的空隙都有氫氣循環不斷帶走熱量。氫氣由高壓風扇驅動通過通風孔和通風槽打入通風道內，再通過轉子繞組內徑向和軸向的通風道、定子鐵芯內軸向的通風道、定子與轉子之間的間隙、定子與機殼之間的間隙，最后返回到氫氣冷卻器與電廠閉式冷卻水進行熱交換。發電機內通風流程如圖5。

圖5 發電機內部通風示意圖

3 AP1000核電廠發電機氫氣參數控制

雖然氫氣作為冷卻介質有太多的好處，但是由于氫氣本身是非常易燃易爆的氣體，有非常大爆炸極限范圍（4%~75%），這意味著任何一點輕微的泄漏都可能造成嚴重的后果。AP1000核電廠設置了專門的輔助系統用于保證氫氣的純度和干度是滿足要求的[3]。

3.1 氫氣供應單元

在電廠正常運行期間向發電機提供H2，并自動維持氫氣壓力在規定值（0.53~0.585MPa.g之間，低負荷工況下允許氫壓稍低）。H2供應單元接受高達15MPa.g的高壓H2，隨后將H2壓力降低到0~0.7MPa.g后供應到發電機內。為避免H2和空氣接觸，在對H2進行沖排操作的時候使用CO2作為中間介質。

3.2 氫氣壓力/純度監測單元

發電機設有專門的H2壓力/純度測量單元，時刻監視H2純度和壓力。氣體純度測量的原理是利用共振器周圍氣體密度的變化引起共振器振蕩頻率的變化而得到。在發電機風扇的低壓區連接有壓力傳感器和壓力表。

3.3 氫氣干燥器

H2干燥器是全自動能夠循環連續運行的雙塔干燥器，通過發電機的風扇驅動使H2通過一個干燥塔去除H2中的水分和濕汽，從而保持發電機繞組的干燥。另外一個塔處于備用狀態，進行自動再生和除濕功能。干燥塔由微機控制全自動運行，由定時器或運行的干燥塔出口露點溫度ffgt;－5℃后切換到備用干燥塔。

此外，發電機還設置了H2泄漏監測裝置，在檢測到H2泄漏超過設定值時將產生報警。

3.4 發電機密封油系統

AP1000核電廠發電機內部是充滿氫氣的環境，在轉子穿過端蓋的位置是存在H2泄漏風險的。因此，設置密封油系統為安裝于發電機兩側的軸封密封環提供壓力油進行潤滑和密封，防止H2發生泄漏。

密封油系統為雙流型，分為空側密封油回路和氫側密封油回路。軸封密封槽有兩個環形槽，形成兩個單獨的油路，空側密封油在外側流動，氫側密封油在內測流動。在密封環處維持空側密封油壓力比發電機內氫氣壓力高出85kPa，同時氫側密封油壓稍高于空側密封油壓，保證H2不會泄露出去[3]。

4 AP1000核電廠發電機定子冷卻水水質控制

發電機使用水內冷的情況下，要特別注意水質的控制。AP1000核電廠的發電機配備有專門的定子冷卻水系統，時刻控制冷卻水質。系統內設置過濾器，以去除水中的雜質，避免出現堵管現象；此外還設有專門的離子交換器，保證冷卻水的電導率和PH值符合要求（電導率低于5μs/cm，PH值在6~8之間）[3]。

5 結語

AP1000的發電機是MELCO采用引進的西屋公司技術及MELCO發展的技術相結合的設計路線。通過MELCO制造的首臺機組的溫升指標也非常的優秀。定子繞組溫升為20.4K（進水50℃），定子鐵芯溫升為28.2K（進風45℃），轉子繞組溫升45.8K（進風45℃），而F級絕緣的繞組溫升限值為100K，最高允許溫度為155℃。但是還是存在一些問題值得我們思考：

（1）采用單側布置的高壓風扇可能帶來過大風損和軸向溫度溫度分布不均的問題，風路末端的溫升可能會稍高一點。有人提出過采用兩端低壓風扇的布置方式并配合定子鐵芯的多路徑向通風方案。哪個方案更優秀還是需要運行后方能檢驗。

（2）密封油存在有進油風險。雖然在密封環處設置了迷宮型密封齒，但是由于油氫壓差的存在，進油風險還是不可避免。在跟調試人員交流的過程中也得到了肯定的答案，只能靠發電機監測裝置隨時監控，這就要求運行人員要時刻關注進油的風險。

AP1000核電站目前沒有商運經歷，任何的設計和創新都需要實踐的檢驗，AP1000堆型的技術創新和優勢是有目共睹的，它的未來應該是非常有前景的。

［1］倪天軍.大型發電機主要冷卻方式及特點[J].東方電氣評論，2006（1）.

［2］劉大鵬，彭麗媛.AP1000型汽輪發電機性能和結構特點述評及優化方向[J].大電機技術，2013（4）.

［3］顧軍.AP1000核電廠系統與設備[M].原子能出版社，2010.