水輪發電機碳粉收集系統研究與應用

張金洪，趙益俊

（1．福建福清核電有限公司，福建省福清市 350318；2．重慶華能水電設備制造有限公司，重慶市巴南區 401320）

0 引言

水輪發電機組碳粉堆積問題是影響機組安全、穩定運行的主要影響因素之一。碳粉是因為碳刷和旋轉的集電環摩擦產生，從源頭上來看，這是不可避免的[7]；目前國內外存在一些碳粉收集的解決方法，包括自泵式碳粉收集方式、敞開式碳粉收集方式、局部式碳粉收集方式等，但是這些方法的實際效果不佳，不能解決碳粉收集的問題。

因此，非常有必要對水輪發電機組碳粉收集的問題進行研究，探討碳粉收集最有效、可行的方法，保證水輪發電機組碳粉收集系統的效果，為機組安全、穩定運行提供有力保障。

1 國內外碳粉收集系統方法簡介

1.1 國外解決方案

目前，國外公司采用的碳粉收集方法是，在每個刷握上單獨設置一根或者多根小塑料管，將小塑料管匯集到高壓泵上，原理圖如圖1所示，實物場景圖如圖2所示。

圖1 國外碳粉收集方案原理圖Figure 1 Schematic diagram of foreign carbon dust collection scheme

圖2 國外碳粉收集方案應用場景圖Figure 2 Application scenarios of foreign carbon dust collection schemes

國外的碳粉收集方案存在諸多缺點和不足：

（1）安裝比較復雜。

（2）維護不便，刷架和碳刷周圍有許多小管子，檢修集電環、刷架、刷握等都不太方便。

（3）碳粉吸收效率不高。

（4）吸塵點位于刷握周圍，將碳刷和集電環接觸的位置包裹起來，不允許直接目視檢查電刷，如果碳刷出現打火，巡檢人員發現不了，容易造成事故。

國內的機組單機容量普遍比國外大，勵磁電流較大，碳刷布置數量也比較多，不太適合采用這種結構類型。

1.2 國內解決方案

1.2.1 自泵式碳粉收集方案

自泵式碳粉收集采用的方法是：在集電環下方的發電機主軸上，安裝并固定一套類似于帶有離心風扇葉的離心轉輪[6]，將從集電環、刷架處掉落下來的碳粉吹到四周的過濾層上，對碳粉進行收集，原理圖如圖3所示，實物圖如圖4所示。

圖3 自泵式碳粉收集原理圖Figure 3 Schematic diagram of self-pumped carbon dust collection

圖4 自泵式碳粉收集應用場景圖Figure 4 Physical picture of self-pumped carbon dust collection

自泵式碳粉收集方案存在如下缺點和不足：

（1）碳粉顆粒很細，被集電環旋轉產生的風吹得四處飄散，不容易直接掉下來，碳粉收集效率不高。

（2）離心轉輪將風吹到過濾層上，風容易被反彈回來，將碳粉也反吹出來，不能被較好地收集。

（3）離心轉輪直徑一般比集電環大，轉速較快，巡檢集電環和碳刷時有較大的安全風險。

（4）自泵式碳粉收集裝置需要加裝在主軸上，需要在新機組設計時考慮相關安裝接口和結構。而已有的舊機組結構緊湊，沒有多余的位置加裝，故自泵式碳粉收集也具有較強的使用局限性。

（5）風扇葉輪的扇葉片設計具有方向性，不適合抽水蓄能機組具有順時針、逆時針兩個旋轉方向的機組使用。

1.2.2 敞開式碳粉收集方案

敞開式碳粉收集采用的方法是：在集電環和刷架的下方布置一個粉塵收集盤，在粉塵收集盤上圓周開若干個孔，用一臺或者多臺除塵器的吸塵口從粉塵收集盤上的空洞處，將粉塵吸出并收集，原理圖如圖5所示，實物圖如圖6所示。

圖5 敞開式碳粉收集方案原理圖Figure 5 Open carbon dust collection scheme

圖6 敞開式碳粉收集方案應用場景圖Figure 6 Physical picture of open type Carbon collection scheme

敞開式碳粉收集方案存在如下缺點和不足：

（1）碳粉顆粒很細，被集電環旋轉產生的風吹得四處飄散，不容易直接掉下來。

（2）由于碳粉吸塵的空間比較開闊，未形成較為密閉的環境，只能收集粉塵收集盤上孔洞處的粉塵，其他沒有孔洞的位置則不能收集，碳粉收集效率不高。

1.2.3 封閉式碳粉收集方案

（1）封閉式碳粉收集采用的方法是：在集電環外圍設置一個集塵罩，集塵罩與集電環可形成一個相對密閉的腔體，使碳粉限制在密閉空間內；在集塵罩上設置多個吸塵口；利用碳粉收集裝置將碳粉從集塵罩內吸出后，在碳粉收集裝置內處理后進行收集，防止碳粉在絕緣部件上堆積后造成絕緣降低情況的發生，避免碳粉對發電機集電環及機組其他部件的污染，可以保證機組安全、可靠運行。碳粉收集裝置運行的同時，可以將集電環與集塵罩之間密閉腔體內的熱空氣吸出，外部冷空氣從集電環與集塵罩的間隙不斷進入補充，如此循環可達到降低集電環溫度的目的，可以避免集電環、碳刷高溫[8]。

（2）封閉式碳粉收集主要由帶集塵罩的刷架系統、碳刷及刷握裝置、碳粉收集裝置、吸塵管路系統、控制系統五大部分組成。

封閉式碳粉收集系統結構布置如圖7所示。

圖7 封閉式碳粉收集系統結構布置圖Figure 7 Structural layout of closed carbon powder collection system

（3）計算封閉式碳粉收集系統內碳粉顆粒軌跡。

式中：Fg——重力，N；

Fext——其他外力，N；

mp——粒子質量，kg；

FD——曳力，N。

式中：τp——粒子松弛時間，s；

v——粒子速度，m/s；

u′——流體速度和湍流擾動速度的矢量和，m/s；

M——壁面修正系數。

式中：I——單位矩陣；

P(n)——壁法向方向的投影；

α——粒子半徑與粒子中心到最近壁面的距離的比值。

式中：rp——粒子半徑，m；

Lw——從粒子中心到最近壁的距離，m；

u——流體速度，m/s；

uf——擾動速度，m/s。

式中：μ——流體黏度，Pa·s；

CD——曳力系數；

ρP——粒子密度，n/m3；

dP——粒子直徑，m；

Rer——相對雷諾數。

選取的邊界條件為：粒子從t=0s時刻開始釋放，釋放間隔0.2s，持續釋放1s 。瞬態計算時間步長為0.02s，總計算時間為2s，計算以相對容差10-5作為收斂條件。除黏附邊界外，其他壁面均為反彈邊界、且黏附邊界和反彈邊界均是無條件黏附和反彈[1]。湍流擴散模型選擇連續隨機游走模型，利用仿真有限元模型計算的結果如圖8所示。

圖8 封閉式碳粉收集裝置風速分布圖Figure 8 Air speed distribution of closed carbon dust collection device

（4）效果評估。由重慶華能水電設備制造有限公司設計、制造的具有自主知識產權和專利技術的封閉式碳粉收集結構在抽水蓄能機組和常規立式機組上應用，達到比較好的碳粉收集效果，如圖9、圖10所示分別為仙居抽水蓄能電站、烏東德水電站碳粉收集裝置。

圖9 仙居抽水蓄能電站碳粉收集裝置Figure 9 Carbon dust collection device of Xianju pumped storage

圖10 烏東德水電站碳粉收集裝置Figure 10 Carbon dust collection device of Wudongde power plant

封閉式碳粉收集可以達到以下效果：

（1）封閉式碳粉收集結構能有效收集碳粉，避免碳粉對發電機集電環及機組的污染，保證機組安全、可靠運行。

（2）能有效降低集電環及碳刷的運行溫度。

（3）方便觀察、檢查集電環運行狀況。

（4）可在機組運行時帶電檢查及更換碳刷[9]。

2 結束語

本文結合目前市場上存在的一些碳粉收集處理方案，根據各個方案的實際運行效果進行分析，對碳粉收集較差的方案的失敗原因進行分析、總結，對碳粉收集效果比較好的方案進行重點討論，有助于各大電站在新裝機或改造時，對一些不恰當的或者不合理的方案進行排除，同時選取適合電站自身需求的碳粉收集解決方案。