大藤峽水輪發電機組通風冷卻系統介紹

吳義斌

（廣西大藤峽水利樞紐開發有限責任公司，廣西 南寧537226）

大藤峽水利樞紐工程位于珠江流域西江水系黔江干流大藤峽出口弩灘上，地屬廣西壯族自治區桂平市，工程任務為防洪、航運、發電、補水壓咸、灌溉等綜合利用。電站裝機容量1600 MW，安裝8臺單機容量為200 MW的軸流轉槳式水輪機發電機組，其中左岸廠房3臺機組，右岸廠房5臺機組。電站的供電范圍為廣西電網，承擔電網的發電和調峰任務，按無人值班（少人值守）方式設計。

大藤峽水輪發電機組主要參數：發電機型號為SF200-88/1773；視在功率為228.6 MVA；額定電壓為15.75 kV；額定轉速為68.2 r/min；功率因素為0.875（滯后）；發電機總重量為1805 t；轉動慣量GD2≥ 138000 t·m2；推力負荷 4430 t；絕緣等級為F級；定子繞組連接為Y形連接，經中性點接地。

大藤峽水電站自然條件：主廠房最高溫度39.2℃；最低溫度-3.3℃；冷卻水進水最高溫度為30℃；平均相對濕度為80%。

1 大藤峽水輪發電機組冷卻方式的選擇

目前國內外大容量低轉速的水輪發電機組采用的主要冷卻方式有4種：空冷、半水冷、全水冷及蒸發冷卻[1]。發電機冷卻方式采用空冷或水冷，在技術上都是可行的，但從運行可靠性、安裝、檢修和運行維護的管理和費用來考慮，特別是發電機的飛輪力矩要求較大，直軸瞬變電抗要求較小時，宜優先采用空冷方式[2]。

全空冷水輪發電機組具有結構簡單、運行可靠和維護方便的明顯優勢。隨著通風冷卻技術的發展、絕緣技術的進步以及防止鐵心膨脹翹曲的設計優化，國內外大容量空冷機組得到廣泛應用，并且容量、槽電流及電負荷有不斷增大的趨勢。

大藤峽水輪發電機組單機容量為228.6 MVA（主要技術數據見表1），目前已成功投運這一等級的全空冷水輪發電機組有二灘（612 MVA）、白山（343 MVA）、巖灘（345.7 MVA）等電機。電機的發熱與溫升是和槽電流等電磁參數直接相關的，從表1可知以上這些發電機有一個共同的特點，即槽電流都在6500 A以下，大藤峽水輪發電機組的槽電流為4189 A，也具有這個特點。

隨著通風系統的優化和線圈散熱性能的改善，從留有一定熱負荷裕度考慮，大型全空冷水輪發電機組槽電流的取值范圍可擴大為5500～7500 A，最高值達8000 A。但熱負荷值宜不超過3000 A2/mm2·cm，以控制鐵心熱脹變形和定子溫升，確保發電機安全穩定運行。從表1可看出，大藤峽水輪發電機組的槽電流和熱負荷值都在上述范圍內。

因此，大藤峽水輪發電機組的冷卻方式應優先選擇全空冷方式。

表1 國內典型空冷水輪發電機組主要技術數據對比

2 大藤峽水輪發電機組通風冷卻系統結構特點

大藤峽水輪發電機組通風冷卻系統采用雙路徑向無風扇端部回風密閉自循環全空冷冷卻方式，冷卻空氣由轉子支架、磁軛、磁極旋轉產生的風扇作用進入轉子支架入口，流經磁軛風溝、磁極極間、氣隙、定子徑向風溝，冷卻氣體攜帶發電機損耗熱經定子鐵心背部匯集到冷卻器與冷卻水熱交換散去熱量后，重新分上、下兩路流經定子線圈端部進入轉子支架，構成密閉自循環端部回風通風系統[3]。通風系統示意見圖1。

圖1 大藤峽水輪發電機組風路系統示意

由于大藤峽水輪發電機組的轉速較低，轉子外徑較大，在通風冷卻系統的結構設計上應盡量減小流道內的阻力，合理地控制風量，有效地控制通風損耗。為了避免在磁極軸向、氣隙等處漏風較多，增加通風損耗，在水輪發電機組轉子上裝設旋轉擋風板，擋住該部分漏風；同時在定子線圈端部裝設密封橡膠圈，極大地減小漏風量，提高冷卻能力，具體結構見圖2。

圖2 空氣密封結構

對于轉子支架擋風板與轉子支架旋轉時在支架入風口產生的壓力損失，通過通風系統計算分析，確定轉子支架位置和結構尺寸。為了有效減小轉子支架與磁軛之間的間隙漏風，降低通風損耗，該部分采用密封結構。

大藤峽水輪發電機組的磁軛過流通道由磁軛風溝和磁軛縫隙組成，即在兩張沖片間有縫隙，疊片方式為移動半個極距。同時，由導風帶形成通風溝，冷風由這些通道進入轉子磁極極間。通風隙入口寬度和出口寬度均為170 mm；通風溝入口和出口寬度分別為350 mm和170 mm，具體結構見圖3。

圖3 空氣流經極間、磁軛通風隙

定子鐵心疊片時在軸向分段以形成通風溝，通風溝由點焊在通風槽片上的通風槽鋼形成。冷卻流體在定子通風溝中流動產生的壓力損失占通風冷卻系統壓力損失的比例很大，定子通風溝的設計要考慮如何布置通風槽鋼會使流道流暢，同時通過選擇合理的通風溝數量和高度來相對增大散熱面積，保證一定的風速值來提高通風溝內的對流換熱。另外，選擇性價比合適的導磁材料及邊段鐵心采用階梯結構，以降低鐵心及端部的損耗，緩解冷卻壓力，圖4為定子鐵心端部示意。

大藤峽水輪發電機組的磁極線圈材料為無氧退火銅排，采用成熟的四角中頻焊接的特殊工藝。為增大總的冷卻面積，部分匝（散熱匝）比其他匝要寬，使繞組外表面看上去像帶散熱筋的冷卻面。

圖4 定子鐵心端部示意

3 大藤峽水輪發電機組損耗及對通風冷卻系統的要求

電機損耗主要包括繞組損耗、鐵心損耗、附加損耗、機械損耗等，對于全空氣冷卻的電機，除軸承損耗外，絕大部分損耗由電機內流動的冷卻氣體帶走。

表2 發電機各部分損耗

大藤峽水輪發電機組在運行過程中，產生表2中的損耗，為滿足發電機各部件的冷卻要求，通風冷卻系統的設計應保證發電機各部位的風速，風量分布比較合理和均勻，以防止發電機因冷卻不均造成的鐵心翹曲等機械變形。

大藤峽水輪發電機組需要通風冷卻系統帶走的損耗為3019.9 kW，按空氣在冷卻器中溫降28 k計算，需要的空氣流量為98.05 m3/s。

4 大藤峽水輪發電機組通風冷卻系統計算

根據大藤峽水輪發電機組的結構，風路計算方法系采用電機內的各部分流動損失所形成的流體流動網絡簡化為一線性網絡的分析方法，建立通風冷卻系統的模擬網絡[3]。在網絡中，計算元件包含轉子支架、磁軛風溝、磁極極間的壓力元件及阻力元件，以及氣隙、定子風溝、冷卻器等阻力元件。從而建立各節點的多個支路元件的線性方程矩陣，進行求解，計算出電機的總風量及風量分配，并在通風計算網絡上顯示流量、流速、壓力等變量。發電機詳細的通風網絡見圖5，具體風量計算結果見圖6。

圖5 大藤峽水輪發電機組通風網絡

圖6 通風計算結果

從圖6可看出，大藤峽水輪發電機組的有效總風量為106.2 m3/s，上風路的風量約占總風量的50%，下風路的風量約占總風量的50%。大藤峽水輪發電機組需要風量為98.05 m3/s，設計風量有8.3%的余量。

5 大藤峽水輪發電機組空氣冷卻器選擇計算

決定冷卻器傳熱系數大小的主要因素是：用于傳熱的材料接觸熱阻的大小、材料導熱系數的高低、翼片形狀結構選擇是否合理等。從良好的散熱效果和經濟效果角度出發，綜合考慮最佳的傳熱系數與最佳的散熱面積兩者之間的矛盾，大藤峽電廠選擇了GEA公司制造的穿片式冷卻器，圖7為穿片式冷卻器模型散熱元件圖。穿片式冷卻器是由穿片式冷卻元件組成的，而穿片式冷卻元件是一片多管脹接的整體破口片。

空氣冷卻器用法蘭直接固定在定子機座上，冷卻管上帶有散熱片以均衡空氣和水的熱交換系數和流速。散熱片可顯著增加冷卻面積。冷卻管一端的承管板裝在一導向螺桿上，另一端固定在冷卻座上，這樣可保證冷卻水管的熱膨脹。水箱可從水管和承管板上拆下來。空氣冷卻器水管內水速設計值為1.5 m/s，采用防止沉淀物堵塞的冷卻水管，材料選用散熱良好的紫銅，散熱片為鋁片。水箱上部密封裝有一空氣釋放孔，由一自動空氣釋放閥與排水系統相連。此外，所有冷卻器下部均裝有一排水閥及與排水系統相連的水管。考慮電機長期運行，冷卻器的散熱片附著的油污及水管生銹等因素對冷卻器散熱能力的影響，在冷卻器設計時對散熱系數等參數采用污垢系數進行修正。

圖7 穿片式冷卻器結構

根據規程要求：發電機在額定工況連續運行、冷風溫度為40℃，冷卻水進水溫度為30℃，并當有15%總冷卻容量的空氣冷卻器退出運行時，機組運行時電機各部位溫升仍不超過允許的溫升限值。大藤峽水輪發電機組共設置16臺空氣冷卻器，考慮到非正常工況下有2臺冷卻器發生故障退出工作時，總風量為106.2 m3/s，其總換熱容量仍可以滿足發電機正常運行要求，在冷卻器的設計上，留有足夠的余量，保證部分冷卻器故障狀態下，其余的空氣冷卻器仍能承擔并完成大藤峽水輪發電機組冷卻任務并能保證發電機各發熱部件的溫度不超過絕緣限值。空氣冷卻器主要技術數據見表3。

表3 空氣冷卻器計算結果

6 結論

大藤峽水輪發電機組采用雙路徑向密閉自循環的端部回風通風結構，水輪發電機組冷卻需要風量為98.05 m3/s，計算風量為106.2 m3/s，產生的總風量能滿足發電機通風冷卻要求，各部分風速沿軸向均勻分布，風量分配合理、匹配。在額定容量工況運行時，空氣冷卻器的裕度達34.14%。在額定容量運行時，2臺冷卻器退出運行后仍具有一定的散熱裕度，滿足安全可靠運行要求。