抽水蓄能機組溫升及通風系統分析

趙洪峰 谷崢 侯桂欣

摘 要：我國在水電領域中大力推廣抽水蓄能發電，但抽水蓄能發電機組在實際運行中，往往出現定子線圈異常升溫問題。本文將根據實例，闡述通過通風試驗、風溫測量，尋找機組異常升溫的原因，及對機組通風系統進行改造、達到降溫的方法。

關鍵詞：水電站；抽水蓄能；發電機組；升溫；通風系統

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.07.179

抽水蓄能發電是水力發電的一種特殊形式，在電網運行的電谷負荷期，抽水蓄能電站吸取電網中的電能將水抽取至上庫儲存，在電網運行進入高峰負荷期，再用上庫的水進行發電，充分利用水能與電能，綜合效率在2/3～75%之間[1]。

一些投入運行的抽水蓄能機組通風系統可能無法帶走運行中產生的熱量，影響機組安全穩定運行。這就需要認真分析這類問題出現的原因，為機組降溫、冷卻，避免機組因過熱發生故障。

1 實例分析

2016年，黑龍江某水電廠抽水蓄能機組（哈爾濱電機廠有限公司產品）在運行中出現了定子線圈過熱、線圈被局部擊穿。技術人員在現場對這臺機組進行了一系列試驗 。

1.1 通風試驗

該機組有4臺冷卻器，每個冷卻器面積為2平方米，經通風試驗，風速在每秒3.4米～3.6米之間，風量在26立方米/秒～29立方米/秒之間。該機組設計風量為28.6立方米/秒，通風試驗表明實際風量值與設計值誤差并不大。上端鼓風機與下端鼓風機的總風量也基本平衡（分別為14立方米/秒與12立方米/秒），兩臺鼓風機壓力的實測值與設計值也較為接近。

1.2 測量定子風溝風速、風溫

技術人員對鼓風機正下方與側面定子風溝風速、風溫進行了測量，發現鼓風機正下方風溝第1鐵心段號，風速為每秒15米，第5鐵心段號，風速為每秒20米，第20鐵心段號，風速為每秒15米；鼓風機側面風溝第1鐵心段號，風速為每秒18米，第5鐵心段號，風速為每秒25米，第20鐵心段號，風速下降為每秒11米。在第1鐵心段號，風溫為44℃；第7鐵心段號，風溫為47℃；第21鐵心段號，風溫為45攝氏度。

通過分析，發現鼓風機上端風速低于下端風速，上端風溫低于下端風溫，這表明抽水蓄能電機下端冷卻效果不及上端。

1.3 通風損耗試驗

技術人員又進行了通風損耗試驗，發現當環境溫度為29℃時，冷風電阻網電阻為81歐姆，熱風電阻網電阻為70歐姆。冷風電阻網溫度在31℃～32℃之間，熱風電阻網溫度在42度左右。這樣便計算出通風損耗，大約為303千瓦。與原設計值相比，實測值有所增大。而通風試驗又表明電機風量與設計值較為吻合，如果通風損耗值也符合設計值，那么，電機不會出現過熱現象。電機的實際運行卻出現了過熱，這表明電機的實際損耗超過了設計值。最后計算出抽水蓄能機組電動機溫升33℃，總損耗為1010千瓦；發電機溫升 32℃，總損耗為976千瓦。

2 通風系統結構改造

抽水蓄能機組通風系統設計對機組冷卻方式有很大的影響。中低速機組容量較大，電機直徑大，轉子旋轉產生的風力能夠滿足設計風量，因而采用無風扇徑向通風系統，不僅可以降低通風損耗，而且該系統結構也較為簡單[2]。高速機組轉速快，結構嚴密，通風空間較小，需安裝鼓風機進行強制通風[3]。本案例中所提到的機組便屬于高速機組。

2.1 風量計算、分析機組定子各部分溫度

技術人員分析了該機組結構，確定了其中鼓風機、冷卻器、風阻元件、壓力元件等各個部件。計算出該機組總風量應為25立方米/秒。然后對該機組定子各部分溫度進行了計算，得出的結果為：定子繞組溫度平均值為127℃，定子軛部溫度平均值為68℃，定子齒部溫度平均值為92℃，與設計值相比明顯偏高。

2.2 改造方案

2.2.1 改造鼓風機

技術人員決定盡量節約資金，充分利用原有元件，將該機組原上端的6臺鼓風機安裝到下端，在上端更換4臺大功率鼓風機。下端鼓風機安裝直徑為480毫米，開孔直徑與安裝直徑相吻合，功率為6.5千瓦，工作點壓力為1200帕斯卡，風量為2.3立方米/秒；上端鼓風機安裝直徑為600毫米，功率為11千瓦，工作點壓力為1550帕斯卡，風量為4立方米/秒。

2.2.2 密封電機結構

鑒于原電機上端存在間隙，導致冷風損失，熱風回風，因此對電機上的這些間隙進行了密封，以提高冷卻效率。

2.2.3 改造冷卻器

該電機原有的冷卻器以不銹鋼散熱片進行分組穿管，各組冷卻管之間的間隙較寬，熱風還沒有來得及徹底冷卻就從間隙中流出，導致鼓風機冷風入口溫度過高；同時，不銹鋼導熱能力也較差[4]。因此，技術人員決定將不銹鋼穿片式空氣冷卻器更換為銅片冷卻器，以便在有限的安裝空間更快地降低溫度。據計算，銅片冷卻器出風溫度可降低至34℃（原出風溫度為38℃）。

2.2.4 改造后的機組風量與定子各部分溫度

技術人員對改造后的抽水蓄能機組通風系統進行了計算，得出的結果為：總風量達到29立方米/秒，較之原風量增加了4立方米/秒；定子繞組溫度平均值為120℃，較原值下降了7℃；定子軛部溫度平均值為61℃，較原值下降了7℃。定子各部分溫度明顯下降。然后，技術人員進行了開機試驗，機組工作一切正確，電機運行的溫度降到了限值溫度以下。

3 結束語

通過這次對抽水蓄能機組的改造，技術人員發現：造成機組溫度過熱的主要原因是上下兩端鼓風機風速不平衡與冷卻器制冷效果不佳。因而在不改動機組結構的前提下更換、新增了鼓風機、密閉了機組上的空隙，并更新了冷卻器，從而達到了為機組降溫、冷卻的效果。

參考文獻：

[1]張孟軍，戴雪梅，李紅旗.響水澗抽水蓄能電站機組定子鐵損及溫升試驗研究[J].水利水電技術，2015，46（05）：91-92+96.

[2]劉麗娜，麻志成，吳健.基于運行工況的抽水蓄能機組狀態分析研究[J].水電廠自動化，2014，35（04）：29-30+33.

[3]邢廣.大型抽水蓄能電機通風系統模擬試驗研究[D].哈爾濱理工大學，http：//kns.cnki.net/kcms，2013.

[4]劉平安.抽水蓄能電機的過渡過程分析與定子溫度場的計算[D].哈爾濱理工大學，https：//doi.org/10.14149/j.cnki.ct，2007.