350MW超臨界機組發電機冷卻方式的探討

【摘 要】通過對水氫冷和雙水內冷發電機組的技術和經濟對比分析，350MW等超臨界機組發電機采用水氫冷和雙水內冷都是可行的。水氫冷發電機技術成熟，應用廣泛。雙水內冷發電機一次性投資較低，系統簡單，不存在氫氣爆炸的危險，但發電機效率稍低，定子線圈存在高電壓電暈腐蝕問題，目前只有上海電氣集團單機容量最大做到350MW，選擇范圍較小。

【關鍵詞】超臨界 發電機 水氫冷 雙水內冷

1引言

每一臺發電機都有一個額定的容量，這個額定容量表示這臺發電機的輸出有一定的限額，這個限額是考慮了發電機的發熱情況、效率和機械強度等情況決定的，而這些因素中最突出的是發熱和效率兩項，就是說一臺發電機若讓他發出超過它的額定功率時，他就會溫升太高或效率太低。

如果能改進電機的冷卻方式，提高電機的電磁負載，用同樣的有效材料，做出更大容量的電機，將是對經濟發展的重要貢獻。事實上，汽輪發電機組的最大單機容量是從30年代的100MW發展到今天的1200MW以上，單機功率的不斷增大主要是在逐步改進冷卻方式中取得的，發電機的發展史，某種意義上說就是冷卻技術的發展史。

2發電機冷卻方式的發展史

空氣冷卻技術。這種冷卻方式冷卻能力小，為保證冷卻效果，發電機尺寸做的很大。例如，一臺100MW的發電機組若采用空氣冷去，其鐵心要長達6米，當然加快冷卻空氣的流動速度可以提高冷卻效果，但是加快空氣流速所消耗的功率等于發電機改善冷卻后所提高的效率，這顯然是不合算的。

氫氣冷卻技術。由于氫氣的導熱性比空氣高6倍多，流動性好，導熱效率大幅提高，另外質量比空氣輕很多，通風消耗的功率大大減小，所以發電機組的單機容量可以逐步提高。經過幾十年的發展，最終形成了利用水和氫進行冷卻的水氫氫冷卻發電機組，單機功率最高達到1500MW。

氟利昂自循環蒸發冷卻技術。包括中國在內，美國、日本、前蘇聯、德國等在采用氟利昂自循環蒸發冷卻方式方面，均進行了大量的研究試驗。目前國內采用此種冷去方式的有東方電機廠生產的10MW水輪發電機組。此種方式冷卻效率比較高，但由于氟利昂破壞臭氧層，發電機大型化后存在一些技術問題，現已不采用此技術。

全水冷技術。隨著新材料的不斷使用，以及冷卻技術的提高，采用全水冷技術也逐步發展成熟。從70年代我國第一臺300MW雙水內冷汽輪發電機投運，截止目前全國已有110余臺雙水內冷汽輪發電機投入運行。

3水氫冷方式與雙水內冷方式技術比較

目前，350MW超臨界機組發電機組冷卻方式主要有水氫-氫冷卻方式與雙水內冷方式。

（1）水氫-氫冷卻方式：即定子繞組水內冷、轉子繞組氫內冷、定子鐵芯氫冷。為此，機組需要配備發電機氫、油、水系統。國內300MW級發電機一般多采用水氫-氫冷卻方式，氫氣通風損耗小，散熱快、清潔、不助燃、噪音小、不易氧化和產生電暈，用氫氣冷卻的效果好，容易輸送并可循環使用。

水氫氫冷卻發電機組優點，一是發電效率高、相對其他方式的發電機組效率要高0.1～0.15百分比，二是設備外形小、母線采用下出線布置方式，占用主廠房的體積小，三是短路比相對較高，發電機靜過載能力和穩定性高，四是屬于主流選型方案，運行維護經驗比較豐富。

水氫氫冷卻發電機組缺點，和雙水內冷發電機比外形大，一次性投資高。輔助系統復雜、運行維護工作量大。全廠配套氫站增加了危險源和安全隱患，對全廠的消防設計、安全監督等方面提出了較高要求。

（2）雙水內冷發電機：即定子和轉子均是用水冷卻的發電機，鐵芯是空氣冷卻的。這種冷卻方式的發電機一次性投資低，冷卻效果好。

雙水內冷發電機優點，一是設備具體有重量輕、外形小和投資低等特點，二是發電機輔助系統簡單，降低了安裝、運行和維護的工作量，三是沒有氫防爆系統，氫密封油結構。結構簡單運行安全穩定，四是定子繞組、轉子繞組均為內冷水冷卻方式，運行溫度較低，絕緣壽命更長，運行可靠性更高。

雙水內冷發電機缺點，由于采用雙水和空氣冷卻方式，發電機效率略有降低?？绽淦鞑贾迷诎l電機下方，發電機只能采用尾部側出線，繞過基座支柱從A 列出線，主廠房體積需要增大。定子線圈在空氣中運行，高電壓電暈腐蝕將逐年增加。如果出現內冷水泄漏故障，發電機必須停機處理。（具體見表1）

4水氫冷方式與雙水內冷方式經濟性分析

4.1電廠一次性投資比較分析

由于雙水內冷發電機不需要配置氫系統和密封油系統，直接降低了發電機設備的成本，相應的售價也比水氫氫發電機低約400萬/臺。另外，電廠也不需要配置氫站等設施，直接降低電廠的投資約200萬。

4.2運營經濟性分析（表2）

由上表可以看出，本工程兩臺350MW汽輪發電機組配置的發電機，采用雙水內冷發電機較水氫氫發電機每年運行維護費用減少10萬元左右。

4.3檢修經濟效益分析

因為每次停運和啟動時無需進行氫氣置換，相比水氫氫冷卻方式，雙水內冷發電機檢修工期平均將減少3天/次，按每臺機組每年檢修一次，年利用小時5500小時計算，每臺機組每年可以因檢修工期減少而多發電量 ：350MW×72小時×（5500小時/8760小時）=1582萬度，由此帶來經濟效益是非常可觀的。

5結語

350MW超臨界機組發電機采用水氫冷和雙水內冷都是可行的。采用雙水內冷發電機一次性投資較低，沒有氫氣、密封油系統，系統較水氫冷簡單，不存在氫氣爆炸的危險，但發電機效率較低，定子線圈存在高電壓電暈腐蝕問題。雙水內冷經濟效益較好。國內雙水內冷發電機目前只有上海電氣集團單機容量最大做到350MW，選擇范圍較小。

作者簡介：武平德（1959—），男，內蒙古人，碩士，高級工程師，從事電力建設管理工作。