三峽地下電站700 MW水輪發電機蒸發冷卻系統環流、溫升與穩定性提高

張濤，呂衛國

（三峽水力發電廠,湖北宜昌443000）

三峽地下電站700 MW水輪發電機蒸發冷卻系統環流、溫升與穩定性提高

張濤，呂衛國

（三峽水力發電廠,湖北宜昌443000）

文章對三峽地下電站水輪發電機蒸發冷卻系統的原理進行簡要論述,并對運行過程中冷卻介質HFC-4310壓力與液位變化規律、系統環流、溫升以及如何提高系統穩定性等技術問題進行了探討。

水輪發電機；蒸發冷卻；液位變化規律；穩定性提高

1 引言

蒸發冷卻技術最早是由荷蘭的T.De.koning于1949提出的。許多國家對此技術進行過理論研究,并建立了一些實驗機組,取得過不少成果和專利,但始終未能形成工業樣機投入使用,且主要研究方向是針對汽輪發電機的。水輪發電機為立式結構，這給冷卻介質的自然循環創造了必要條件。蒸發后的介質蒸汽可用環境溫度的水直接冷卻。它無需外加動力，依靠介質受熱后所產生的密度變化形成循環驅動力，從而可以產生自然循環。

在國內,中國科學院電工所于20世紀50年代末開始蒸發冷卻的應用基礎研究,1976年后與東方電機廠聯合研制開發2臺10 MW云南大寨電站蒸發冷卻水輪發電機,于1983年投產。1992年又在安康火石巖聯營電站52.5 MW水輪發電機上應用此項技術。為檢驗蒸發冷卻效果及摸索運行經驗,故將原設計為全空冷的李家峽水電站400 MW 4號水輪發電機改為蒸發冷卻發電機。并于1999年12月改裝完畢,投產發電。

隨著三峽水電站的興建,我國水輪發電機容量達到了一個前所未有的水平。但三峽發電機定子鐵心高度高達4 m。理論計算表明它已達到空冷效果的極限（圖1）,這為蒸發冷卻技術的應用提供了一個很好的機會。

三峽地下電站中2臺機組定子線棒采用HFC-4310為介質自循環蒸發冷卻技術，在全世界尚屬首例在700 MW巨型水輪發電機上運用。本文通過蒸發冷卻系統的原理和運行特點等研究和分析產生環流和溫升的原因，并結合缺陷處理，探索提高系統穩定性的措施和方法。

圖1 空冷發電機極限容量與轉速的關系

2 系統結構

蒸發冷卻自循環系統由6部分組成：定子繞組蒸發冷卻系統、冷凝器、冷凝器供排水管路系統、均壓排氣管路系統、蒸發冷卻供排液系統及控制系統。另外配置1套移動式抽真空裝置（2臺機共用）。

按照冷卻介質的流動方向，包括：回液管、下集液環管、下絕緣引流管、定子線棒（圖2、圖3中僅用1根示意）、上絕緣引流管、上集氣環管、上導流管、冷凝器，以及管路內部充入適量的冷卻介質等，同時各冷卻單元通過冷凝器上部的均壓管連接成整體，形成蒸發冷卻循環回路。

圖2 蒸發冷卻系統示意圖

圖3 蒸發冷卻系統模型圖

3 基本原理

當機組運行時，定子線棒發熱，線棒空心導體中的冷卻介質（介質HFC-4310，二氫十氟戊烷，沸點55℃，無色透明，易揮發，本文簡稱氟里昂）吸收定子線棒的熱量，當冷卻介質溫度達到一定時冷卻介質部分沸騰汽化，由于空心導體內的介質為氣液混合態，其密度小于回液管中純液態介質的密度。回液管和空心導體間的密度差在重力加速度作用下，生成流動壓頭。該壓頭克服回路中的阻力壓降維持一定流量的循環，使含熱兩相介質進入系統中壓力最低的冷凝器，經與二次冷卻介質——水進行熱交換后還原為純液態再流到回液管進行新一輪循環，如此往復把熱量傳到外部，從而冷卻發電機定子線棒。

簡單來說，介質HFC-4310冷卻定子線棒，技術供水用于冷卻介質HFC-4310。蒸發冷卻系統能自行調整蒸發點位置、介質流量和蒸氣干度,這一過程不依靠外力,是自循環調整方式。當二次冷卻水足量時，冷凝器內介質所在空間幾為零壓狀態，而系統中各種部件所承受的壓力僅是其內含液態介質重力的反映，各部壓力遠遠低于純水系統壓力，運行可靠性大幅度上升。

4 運行過程中HFC-4310壓力與液位變化規律

在大寨水電站10 MW發電機上，氟里昂液位及壓力變化表現出較為單一的規律:即在負荷增加的過程中，壓力逐漸升高，回液管液位逐漸降低。簡單理論解釋可以認為，隨負荷加大，定子線棒發熱加大,氟里昂汽化加劇，液態氟里昂減少。從而使壓力上升，液位下降。而三峽蒸發冷卻機組為大型水輪發電機組,其規律與小型發電機有明顯不同。主要表現為:某一負荷以下，規律與前述基本相同，而超過這一負荷，就會出現壓力上升同時液位也上升的情況。

初步分析原因認為:在某一負荷以上，線棒溫度升高到一定值，介質汽化位置在線棒中下移，同時汽壓上升，液體被壓迫至回液管中，導致線棒內液體量減少，回液管液位指示上升。具體的這一負荷分界點，隨液體添加量不同而不同。液位變化為診斷蒸發冷卻系統穩定性提供了有效的依據，具體規律如下：

（1）沒有泄露情況下機組停機后一段時間，隨著定子線槽溫度的下降，介質液位有所下降。

（2）機組停機時介質液位高于并網運行時液位；機組并網運行穩定后，當線槽溫度大于61℃時，線槽溫度上升，介質液位隨之升高；線槽溫度下降，介質液位隨之下降。

1）從整體來看，機組停機時，介質液位相對較高；機組并網運行后，介質液位較低。這說明并網運行后，部分介質揮發成氣體（沸點55℃），且揮發作用的影響大于液體的熱膨脹，故介質液位降低。

2）當機組運行一段時間后，隨著定子線槽溫度的變化，介質液位正向變化，此時介質液體的熱膨脹占主導地位。

3）開始時隨著機組負荷的增加，定子線槽溫度隨之上升（略微滯后），介質液位下降。以大概判斷，機組開機過程中線槽溫度小于59.5℃時，隨著線槽溫度的上升，介質液位呈下降趨勢；線槽溫度在59.5～61℃時，介質液位比較穩定；線槽溫度大于61℃時，隨著線槽溫度的上升，介質液位上升。

（3）蒸發冷卻系統介質泄漏。

某年8月上旬28 F滿負荷運行時，對應的蒸發冷卻介質還比較平穩，從8月23日開始有所下降。

結合前面分析得結論：沒有泄露情況下機組停機后，隨著定子線槽溫度的下降，介質液位有所下降。剔除這部分影響外，介質液位仍有所下降。

（4）當蒸發冷卻介質泄露時，機組停機時泄露速率小于機組并網運行時泄露速率。

為盡量避免線槽溫度對蒸發冷卻介質的影響，選取開機前某個相對較平穩的點以及停機后某個相對較平穩的點來估算開機的這段時間內蒸發冷卻介質的平均泄漏量。當然，選取的兩個點臨近開機以及停機時刻的點。

選取9月8日06:00對應的介質液位作為開機前液位（此點之后有一段突變增高，是強制介質液位以滿足開機條件），此時液位為2 854.875 mm。

選取9月11日04:00對應的介質液位作為停機后液位（停機后，由于熱脹冷縮，蒸發冷卻介質有減小，故時間選取滯后點），此段開機時間內，平均每小時泄漏量為每小時介質液位下降3.79 mm。

選取停機后9月10日21:10機組停機后的介質液位作為計算。同樣，停機后，由于熱脹冷縮，蒸發冷卻介質有減小，故時間選取滯后點，選9月11日00:00對應的2 628.75 mm作為起點，選9月11日07:00對應的2 623.125 mm作為終點，歷時7 h而下降5.625 mm，平均每小時下降0.803 mm。

比較開機和停機時蒸發冷卻介質平均每小時泄漏量，可得知停機時泄漏慢。

5 提高穩定性措施與實施

5.1 回液管活接頭松動導致大量冷卻介質泄漏

檢修過程中發現由于管箍式活接頭自身設計的原因，其緊固螺栓只有兩根，在震動環境下容易逐漸松動，而其內部密封使用橡膠材質，又有使用壽命的局限，在蒸發冷卻系統中使用這種接頭有一定的不可靠性,從現場管道布置情況來看，回液管緊貼風洞地面，因此用自主設計的矩形法蘭來替代傳統圓形法蘭。

5.2 消除集汽環管產生的環流和溫升

另外由于蒸發冷卻系統集汽環管布置在定子線棒正上方，在機組運行時轉子磁場磁力線會切割集汽環管，從而在環管上產生感應電流。環管由16根集汽支管組成，支管與支管采用卡箍接頭連接。由于卡箍接頭的結構限制，支管與支管極易接觸不良，環管上的感應電流會在卡箍接頭上產生極高的溫度（感應電流大小未測量，但卡箍上溫度已超過測溫片最高量程127℃），該溫度足以使卡箍的密封橡膠熔毀。另外如此高的溫度也會對環管內介質產生不良影響。綜合上面的因素，故我們對集汽環管采用了一點斷開并一點接地的導流方式改造。

在發電機中性點附近的一處集汽管法蘭孔內套“T”型絕緣套，加平墊片后穿螺栓把緊，確保螺栓與法蘭不直接接觸，測兩側法蘭之間絕緣電阻≥2MΩ，使集汽環管形成電氣斷開點。將集汽環管與冷凝器連接的上導流管連接法蘭螺栓全部加絕緣套，在斷開點對側180°附近上導流管連接法蘭兩端加短接銅扁線，形成一點接地。

5.3 定子直流耐壓及泄漏電流試驗不合格處理

由于蒸發冷卻系統機組開機實驗定子直流耐壓及泄漏電流試驗不合格，經檢測發現蒸發冷卻系統對地絕緣不合格，故將系統中所有法蘭密封墊全部更換為聚四氟乙烯加玻璃纖維材質的密封墊，并將集液環管支撐支架上加諾麥克紙以提高系統絕緣。

6 總結

措施實施完畢后，針對蒸發冷卻系統穩定性進行了一系列的試驗：灌液前進行了整體氣密性試驗；注入介質后還對定子繞組進行了電氣試驗，主要包括：絕緣電阻、吸收比和極化指數測試；測量集汽管和集液管絕緣電阻值；對定子繞組進行交流耐壓試驗，試驗結果均滿足要求，經過改造后機組已穩定運行累計超過3000h，系統穩定性得到顯著的提高（圖4）。

圖4

大型發電機的關鍵技術難題就包括定子繞組的冷卻問題，所以蒸發冷卻效果的好壞直接影響機組運行的出力和溫升控制情況，采用蒸發冷卻技術的機組難點是絕緣引流管的安裝、蒸發冷卻系統整體氣密性與兩相流動的系統穩定性、消除內部環流和溫升傳熱問題于實踐中的保證等。

蒸發冷卻技術首次應用于700 MW大型水輪發電機組上，難免還存在一些值得改進的地方，以上是對三峽地下電站700 MW水輪發電機蒸發冷卻原理的闡述和一些技術問題的探討。作為一項新興技術蒸發冷卻具有冷卻效果好、可靠性更高、維護工作量小等特點；具有廣闊前景。如何更好地發揮蒸發冷卻的效果提高系統穩定性并掌握其運行規律,有待于

[7]梁永亮,李可軍,趙建國,等.變壓器油色譜在線監測周期動態調整策略研究[J].中國電機工程學報,2014,34(9): 1446-1452.

[8]趙國亞.變壓器油色譜在線監測系統在亭子口水電站的應用[J].四川水利,2015(6):45-47.

[9]湯杰.變壓器油色譜在線檢測裝置概述及在方家山核電站的應用[J].儀器儀表用戶，2015,23(8):73-75.

[10]吳奕,張濟韜,郭雅娟,等.基于油色譜在線監測的變壓器狀態預警[J].變壓器,2015,53(6):56-60.

[11]國家電網公司.Q/GDW 540.2-2010變電設備在線監測裝置檢驗規范第2部分:變壓器油中溶解氣體在線監測裝置[S],2011.我們進一步作探索和總結。

[1]馬代斌.三峽地下電站700 MW水輪發電機蒸發冷卻系統安裝與調試[J].東方電機，2014(01).

[2]許承千,羅榮杰.大型水輪發電機定子線棒中的環流、溫升與換位方式[J].大電機技術,1985(02).

[3]屈文峰.李家峽水電站400 MW水輪發電機蒸發冷卻系統原理及若干技術問題[J].青海電力,2002(06).

[4]曹惠玲,顧國彪，田新東.大型水輪發電機蒸發冷卻實驗研究及理論分析[J].大電機技術，2004（03）.

TM312

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1672-5387（2017）04-0066-04

10.13599/j.cnki.11-5130.2017.04.020

2016-08-01

張濤（1983-），男，高級工程師，從事水電站機械設備技術管理工作。