三峽地下電站水輪發(fā)電機(jī)冷卻方式對(duì)比分析

張敬革，鐘三平，張曉宇

（三峽水力發(fā)電廠運(yùn)行部，湖北 宜昌 443133）

三峽地下電站水輪發(fā)電機(jī)冷卻方式對(duì)比分析

張敬革，鐘三平，張曉宇

（三峽水力發(fā)電廠運(yùn)行部，湖北 宜昌 443133）

闡述三峽地下電站水輪發(fā)電機(jī)3種不同冷卻方式的原理及特點(diǎn)，并結(jié)合三峽地下電站水輪發(fā)電機(jī)組近幾年運(yùn)行數(shù)據(jù)對(duì)比分析三峽地下電站3種冷卻方式：全空氣冷卻方式（全空冷）、定子繞組水內(nèi)冷方式（半水冷）和蒸發(fā)冷卻方式的優(yōu)缺點(diǎn)、冷卻效果和運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。對(duì)大型水輪發(fā)電機(jī)冷卻方式的應(yīng)用給出了參考意見。

冷卻方式；運(yùn)行綜合性能；水輪發(fā)電機(jī)

1 三峽地下電站概況

三峽地下電站水輪發(fā)電機(jī)均采用混流式，裝機(jī)6臺(tái)，額定裝機(jī)容量均為700 MW。地下電站發(fā)電機(jī)定子鐵心、轉(zhuǎn)子繞組均采用空氣冷卻方式。發(fā)電機(jī)定子繞組冷卻方式分為蒸發(fā)冷卻、純水冷卻、空氣冷卻3種。機(jī)型1采用蒸發(fā)冷卻方式，即定子繞組蒸發(fā)冷卻；機(jī)型2采用半水內(nèi)冷方式冷卻，即定子繞組、匯流銅排水冷，定子鐵心和轉(zhuǎn)子繞組空冷；機(jī)型3采用全空冷方式冷卻，即定子繞組、定子鐵心、匯流銅排和轉(zhuǎn)子繞組均為空冷。地下電站機(jī)組冷卻方式詳見表1。

表1 三峽地下電站水輪發(fā)電機(jī)相關(guān)參數(shù)

1.1 蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)

地下電站機(jī)型1機(jī)組蒸發(fā)冷卻自循環(huán)系統(tǒng)由定子線棒發(fā)熱體、回液管、總集液環(huán)管、總集汽環(huán)管、均壓排氣管以及冷凝器等組成，原理詳見圖1。每根線棒均構(gòu)成一個(gè)冷卻回路，線棒間為單支路并聯(lián)形式，線棒兩端通過密封接頭和絕緣引水管分別并聯(lián)到總集液環(huán)管和總集汽環(huán)管，機(jī)組運(yùn)行時(shí)通過回液管和線棒內(nèi)介質(zhì)密度差形成自循環(huán)回路。蒸發(fā)冷卻技術(shù)是應(yīng)用了絕緣性能好、沸點(diǎn)合適的介質(zhì)HFC4310（二氫十氟戊烷），沸點(diǎn)55℃，替代水作為冷卻介質(zhì)，充入電機(jī)定子線棒的空心導(dǎo)線內(nèi)部，利用高絕緣、低沸點(diǎn)液體沸騰吸收汽化潛熱進(jìn)行冷卻的一種自循環(huán)冷卻系統(tǒng)，其定子繞組采用空心銅線和實(shí)心銅線組合，空心銅線用于冷卻介質(zhì)(蒸發(fā)用介質(zhì))通過。當(dāng)發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)線棒內(nèi)液態(tài)冷卻介質(zhì)受熱而汽化，通過線棒上端集汽管，汽化的冷卻介質(zhì)進(jìn)入冷凝器液化后又返回線棒下端集液管，液態(tài)的介質(zhì)再次進(jìn)入線棒內(nèi)的空心銅線，并再進(jìn)行新的循環(huán)，將電機(jī)內(nèi)部的熱量帶走進(jìn)行冷卻。此外，在風(fēng)洞內(nèi)沿圓周方向布置了介質(zhì)探測報(bào)警器，用于檢測介質(zhì)泄露情況。在風(fēng)洞外布置了磁翻柱液位計(jì)，可以顯示定子線棒靜態(tài)液位。

圖l蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)示意圖

1.2 純水冷卻系統(tǒng)

地下電站機(jī)型2機(jī)組純水系統(tǒng)工作流程：發(fā)電機(jī)定子線棒出水，經(jīng)加壓泵加壓后，通過電動(dòng)三通控制閥調(diào)節(jié)（該電磁閥受過濾器后的溫度傳感器的控制），一部分熱水進(jìn)入水－水熱交換器冷卻，經(jīng)冷卻的水與熱水混合，使純水的溫度滿足整定值。然后經(jīng)過濾過器過濾后，進(jìn)入發(fā)電機(jī)進(jìn)水總環(huán)管，流入定子線棒。這里所說的水冷卻是指在空心的定子線棒內(nèi)充滿液體冷卻介質(zhì)水，而轉(zhuǎn)子是氣體冷卻。因水具有較大的質(zhì)量熱容和導(dǎo)熱系數(shù)且流動(dòng)性優(yōu)于氣體，冷卻效果顯著。定子線棒水冷技術(shù)的使用，改善了全空冷機(jī)組存在的問題。

1.3 發(fā)電機(jī)空冷系統(tǒng)

地下電站機(jī)型3機(jī)組在發(fā)電機(jī)定子機(jī)座周圍，對(duì)稱地布置足夠數(shù)量的水冷式空氣冷卻器，形成一密閉自循環(huán)的空氣冷卻系統(tǒng)。空氣冷卻器的冷卻管采用銅鎳合金材料制成。散熱方式采用散熱片式。空氣的循環(huán)通過發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的徑向氣流作用來實(shí)現(xiàn)，氣流經(jīng)轉(zhuǎn)子通風(fēng)溝、通風(fēng)隙、氣隙、定子鐵心和機(jī)座導(dǎo)入空氣冷卻器，通過空氣冷卻器冷卻的氣流再返回到轉(zhuǎn)子上下端。

2 地下電站3種機(jī)型冷卻方式優(yōu)缺點(diǎn)比較

2.1 蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)

蒸發(fā)冷卻利用液體汽化時(shí)的潛熱，由于汽化吸熱比比熱吸熱強(qiáng)烈，在同樣的熱交換條件下它可以比水冷具有更小的熱交換面積。利用液相和氣液雙相的比重差實(shí)現(xiàn)無泵自循環(huán)。蒸發(fā)冷卻的集氣管壓力運(yùn)行時(shí)為0.04 MPa左右，當(dāng)大于0.06 MPa時(shí)自動(dòng)排氣，停機(jī)時(shí)成負(fù)壓，減小泄漏的可能性，運(yùn)行時(shí)冷卻液的蒸發(fā)量會(huì)隨著熱量增大而相應(yīng)加大，有自調(diào)節(jié)能力，故電機(jī)繞組各部分之間溫差較小，故障率較小。蒸發(fā)介質(zhì)不具有導(dǎo)電能力，可以抑制其他電氣故障，從根本上消除了水內(nèi)冷因泄漏而引發(fā)大事故的可能性。線棒溫度分布均勻，繞組在滿負(fù)荷時(shí)溫度約為65℃，在發(fā)電機(jī)負(fù)荷變化時(shí)，溫升基本不變，大大減少了由于溫差大而產(chǎn)生的定子和線棒的摩擦和變形。

由于蒸發(fā)冷卻介質(zhì)遇到超過500℃的高溫時(shí)會(huì)分解產(chǎn)生劇毒氣體。發(fā)電機(jī)若采用蒸發(fā)冷卻技術(shù)，定子繞組冷卻接頭、冷凝器、觀測孔、冷卻液和冷卻液滲漏監(jiān)測措施等細(xì)部設(shè)計(jì)還需進(jìn)一步優(yōu)化。蒸發(fā)冷卻液循環(huán)壓力不高，二次冷卻水的壓力高于冷卻液循環(huán)壓力，若冷卻管存在缺陷或二次冷卻水中的泥沙磨穿了冷卻管，二次冷卻水有可能滲入冷卻液，需進(jìn)一步進(jìn)行蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)各處的密閉性研究。運(yùn)行維護(hù)比空冷稍微復(fù)雜，運(yùn)行維護(hù)人員的工作量增加。冷卻介質(zhì)存在冷卻液泄漏的可能，由于其密度比空氣大，可能造成一些較低洼的地方氧氣不足，對(duì)運(yùn)行人員人身安全存在一定的風(fēng)險(xiǎn)，此外，現(xiàn)階段介質(zhì)的泄露監(jiān)測還需進(jìn)一步研究[1]。

2.2 純水冷卻系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)

首先，該技術(shù)的采用降低了繞組溫升，特別是能有效減小繞組線棒溫差，使整個(gè)發(fā)電機(jī)定子繞組溫度分布均勻，可延長絕緣壽命。由于使用水內(nèi)冷方式，發(fā)電機(jī)定子繞組損耗的發(fā)散不再需要定子鐵心負(fù)擔(dān)，相反，定子鐵心自身損耗產(chǎn)生熱量流向線棒，從而使鐵心溫度較之空冷方式有很大幅度的降低，緩解了鐵心熱膨脹引起的定子機(jī)座的徑向力，因此發(fā)電機(jī)鐵心與機(jī)座溫差相對(duì)較小，鐵心熱應(yīng)力較易控制。其次，該技術(shù)的應(yīng)用大大減小了導(dǎo)體與絕緣之間的熱應(yīng)力，避免了絕緣脫殼和內(nèi)部電暈。另外，定子繞組內(nèi)冷后，發(fā)電機(jī)的電磁負(fù)荷可提高，結(jié)構(gòu)尺寸可以減小，制造時(shí)耗材較蒸發(fā)冷卻、空冷發(fā)電機(jī)少，特別是轉(zhuǎn)子重量的減小，可降低軸承負(fù)荷和轉(zhuǎn)子機(jī)械應(yīng)力。

水冷雖然具有許多優(yōu)點(diǎn)，但由于水垢的產(chǎn)生及空心銅線被水中的氧離子氧化產(chǎn)生的氧化銅和氧化亞銅等沉積，易造成水路堵塞。同時(shí)，水接頭及各個(gè)密封點(diǎn)處由于承受水壓漏水的問題將造成短路和漏電危險(xiǎn)。因此，發(fā)電機(jī)的堵和漏成為困擾水冷電機(jī)發(fā)展的致命弱點(diǎn)。另外在水冷電機(jī)的冷卻水系統(tǒng)中，水的電導(dǎo)率是一項(xiàng)非常重要且必須控制的參數(shù)。為了確保安全，需要泄漏電流盡可能小。特別是在斷水的情況下，水的溫度將迅速上升，電導(dǎo)率也隨之增大，所以各國對(duì)水的電導(dǎo)率均有明確的規(guī)定[3]。

2.3 空冷冷卻系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)

空氣冷卻的優(yōu)點(diǎn)是構(gòu)造簡單、布局簡化、無相關(guān)輔助設(shè)備、備品備件少、維護(hù)與管理較少。但是其缺點(diǎn)也明顯：定子繞組絕緣內(nèi)導(dǎo)體的發(fā)熱量必須經(jīng)過絕緣外表向空氣散熱，或者在經(jīng)過鐵心傳導(dǎo)后向空氣散熱的冷卻方式，它必然導(dǎo)致導(dǎo)體溫升高。此外，空冷電機(jī)因?yàn)闊崃考皽囟确植疾痪鶆颍ㄗ泳€棒溫度高，鐵心與機(jī)座的熱應(yīng)力大，對(duì)于負(fù)荷變化大，頻繁起停的調(diào)峰機(jī)組，定子線棒在運(yùn)行的過程中會(huì)發(fā)生熱變形，由于線棒與鐵心在長度方向上的熱膨脹差別，會(huì)造成絕緣與鐵心接觸面磨損。同時(shí)，由于銅導(dǎo)體和外包絕緣的溫度熱膨脹系數(shù)不同易造成的疲勞，引起絕緣脫殼，會(huì)造成絕緣老化，按照絕緣溫度法則，溫度每升高8～10℃，絕緣的壽命就減半，產(chǎn)生內(nèi)部電暈，破壞絕緣。發(fā)生機(jī)端部，沿圓周通風(fēng)及損耗分布不均，造成溫升差別大，因此端部也易發(fā)生故障[3]。

3 地下電站3種冷卻方式冷卻效果比較

地下電站機(jī)組最近幾年都經(jīng)過了滿負(fù)荷長時(shí)間運(yùn)行，各種機(jī)組定子冷卻方式也經(jīng)過了考驗(yàn)，現(xiàn)將其冷卻效果分析（由于定子線棒測點(diǎn)較多，圖中隨機(jī)選取18個(gè)測點(diǎn)，每個(gè)點(diǎn)數(shù)為機(jī)組汛期長時(shí)間滿負(fù)荷運(yùn)行的平均溫度）如下[4]：

（1）蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)定子線棒冷卻效果詳見圖2。

圖2 機(jī)型1定子線棒平均溫度

（2）純水冷卻系統(tǒng)定子線棒冷卻效果詳見圖3。

圖3 機(jī)型2定子線棒平均溫度

（3）空氣冷卻系統(tǒng)定子線棒冷卻效果詳見圖4。

圖4 機(jī)型3定子線棒平均溫度

從圖2～4中看出，機(jī)型1機(jī)組采用的蒸發(fā)冷卻方式定子線棒溫度在65℃左右，機(jī)型2機(jī)組采用的純水冷卻方式定子線棒溫度在59℃左右，采用空冷方式的機(jī)型3機(jī)組定子線棒溫度在78℃左右，從中可以看出純水冷卻效果最佳，蒸發(fā)冷卻次之，而空冷方式最差且比其他兩種冷卻方式溫度要高出10℃以上，按照絕緣法則，其絕緣壽命將比其余兩種機(jī)組縮短一半。此外蒸發(fā)冷卻和純水冷卻方式都是在定子線棒間有液體循環(huán)，故溫度分布均勻，沒有“熱點(diǎn)問題”，在機(jī)組進(jìn)行調(diào)峰和進(jìn)相運(yùn)行時(shí)，減小熱循環(huán)應(yīng)力和定子繞組的端部溫升。

4 地下電站3種機(jī)型冷卻方式的運(yùn)行及維護(hù)成本比較

因3種冷卻方式各有其特點(diǎn)，發(fā)電機(jī)運(yùn)行成本等方面也各有不同。現(xiàn)通過對(duì)比3種不同水輪發(fā)電機(jī)冷卻方式運(yùn)行成本及維護(hù)成本來對(duì)其經(jīng)濟(jì)性做一個(gè)評(píng)價(jià)。

4.1 3種機(jī)型冷卻方式的運(yùn)行成本比較

現(xiàn)從700 MW水輪發(fā)電機(jī)冷卻系統(tǒng)運(yùn)行期間損耗量、冷卻系統(tǒng)損壞率等方面來對(duì)比3種冷卻方式的經(jīng)濟(jì)性：

（1）發(fā)電機(jī)蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)運(yùn)行期間冷卻液處于自然循環(huán)狀態(tài)，無需外加動(dòng)力，因此不存在耗電量。一臺(tái)蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)冷卻液總用量為3.2 t，在不發(fā)生泄漏的情況下，每年要求泄漏量不大于5%。蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定之后，實(shí)際每臺(tái)發(fā)電機(jī)冷卻液年損耗量應(yīng)在1%左右，冷卻介質(zhì)泄漏量或補(bǔ)給量：31 kg/年。

（2）700 MW水內(nèi)冷發(fā)電機(jī)冷卻系統(tǒng)運(yùn)行期間主要耗電量為純水泵運(yùn)行耗電量，按一臺(tái)純水泵功率約75 kW，平均每套純水系統(tǒng)年運(yùn)行8 000 h計(jì)算，每臺(tái)每年約耗電量60 kW·h[5]。

（3）空冷器是通過轉(zhuǎn)子的風(fēng)扇作用，產(chǎn)生動(dòng)力循環(huán)，冷卻水源取自技術(shù)供水，基本不存在運(yùn)行損耗成本。

（4）地下電站近年來平均運(yùn)行損耗成本詳見表2。

表2 地下電站3種機(jī)型冷卻方式運(yùn)行損耗成本

4.2 3種機(jī)型冷卻方式的維護(hù)成本比較

地下電站所有機(jī)組自2012年投產(chǎn)以來，通過統(tǒng)計(jì)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的缺陷對(duì)比分析3種冷卻方式的維護(hù)成本：

（1）根據(jù)統(tǒng)計(jì)地下電站2012～2015年3年的維護(hù)情況詳見表3。

表3 地下電站3種機(jī)型冷卻方式近3年來缺陷匯總表

（2）根據(jù)最近幾年蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)缺陷情況可以看出，其缺陷相比于純水系統(tǒng)要少，這是因?yàn)檎麄€(gè)冷卻系統(tǒng)基本處于低壓甚至無壓狀態(tài)。同時(shí)，相關(guān)連接管件的結(jié)構(gòu)和工藝大大簡化，穩(wěn)定運(yùn)行后的蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)基本也處于免維護(hù)狀態(tài)。經(jīng)過近幾年的運(yùn)行和系統(tǒng)管路連接方式的改進(jìn)，平時(shí)的主要缺陷為介質(zhì)壓力開關(guān)誤報(bào)警、介質(zhì)監(jiān)測裝置異常等方面，故而其維護(hù)成本基本都是人力成本，且在改造完成后近一年相關(guān)缺陷可以忽略不計(jì)。

（3）純水系統(tǒng)由于需要加壓泵對(duì)純水提供循環(huán)動(dòng)力，其壓力一直維持在0.8 MPa左右，故每年純水系統(tǒng)因損壞而更換的主要部件包括膨脹節(jié)、電導(dǎo)率變送器、壓力開關(guān)、軟啟動(dòng)器、電機(jī)、純水泵機(jī)封、油封、水封等等，從而造成其維護(hù)成本較高。

（4）對(duì)于空冷系統(tǒng)，由于其沒有輔助設(shè)備，因此經(jīng)統(tǒng)計(jì)空冷器的損壞率及維修率相對(duì)很低，基本不存在維修成本。

5 結(jié)束語

本文結(jié)合三峽地下電站近幾年運(yùn)行的情況對(duì)定子線棒溫度、各種冷卻方式的優(yōu)缺點(diǎn)、運(yùn)行維護(hù)成本的統(tǒng)計(jì)分析得知：水內(nèi)冷發(fā)電機(jī)組冷卻效果最好，但其維護(hù)量大，維護(hù)成本高，且存在漏水造成短路風(fēng)險(xiǎn)；蒸發(fā)冷卻發(fā)電機(jī)組冷卻效果比水冷略低，但在運(yùn)行穩(wěn)定的情況下，與全空冷發(fā)電機(jī)相同，基本不存在維護(hù)成本，但其存在蒸發(fā)冷卻介質(zhì)的密閉性問題及其高溫分解特性的危害；全空冷發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)行維護(hù)成本低，不存在漏水或漏液等造成的安全風(fēng)險(xiǎn)，但在冷卻效果上比蒸發(fā)冷卻和純水冷卻相對(duì)較低，運(yùn)行時(shí)溫升較高，阻礙其絕緣使用壽命。

隨著水電建設(shè)步伐的加快，單機(jī)容量隨之向巨型邁進(jìn)，水輪發(fā)電機(jī)的質(zhì)量、工作壽命令人關(guān)注。經(jīng)過數(shù)年的運(yùn)行維護(hù)經(jīng)驗(yàn)表明，蒸發(fā)冷卻技術(shù)在大型水輪發(fā)電機(jī)上的應(yīng)用是成功的，且其運(yùn)行綜合性能也不比其他常見的冷卻方式差，因此具有廣闊的應(yīng)用前景。

[1]Q/CTG31-2015水輪發(fā)電機(jī)蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)運(yùn)行規(guī)程.

[2]顧國彪，阮 琳，劉斐輝，等.蒸發(fā)冷卻技術(shù)的發(fā)展、應(yīng)用和展望[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2015，30（11）:1-6.

[3]倪天軍.大型發(fā)電機(jī)主要冷卻方式及特點(diǎn)[J].東方電機(jī)，2006(3).

[4]袁達(dá)夫,梁波.三峽地下電站水輪發(fā)電冷卻方式[C]//2013年電氣學(xué)術(shù)交流會(huì)議論文集，2013：15-22.

[5]俞立婷.大型水輪發(fā)電機(jī)冷卻方式的經(jīng)濟(jì)性比較[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用,2014(33).

TM312

：B

：1672-5387（2017）03-0047-04

10.13599/j.cnki.11-5130.2017.03.015

2016-08-11

張敬革（1986-），男，工程師，從事水電運(yùn)行管理工作。