350MW級直接空內冷發電機運行分析

文_史開智 山西國金電力有限公司

1 發電機空內冷技術現狀

發電機的空內冷技術近些年在國內得到了廣泛應用，而空內冷發電機能夠向大容量發展的必要條件是冷卻技術的進一步發展。空內冷發電機采用最簡單的空氣作為冷卻介質，結構簡單，安裝方便，輔助設施少，省去了制氫系統和防爆系統、密封油系統，僅運行簡單的水系統，在火電頻繁參與啟停調峰的時代背景下，更加適用。

山西國金電力有限公司采用山東濟南發電設備廠生產的350MW三相交流兩極同步空內冷式汽輪發電機。型號：QFa-350-2；額定轉速：3000r/min；額定頻率：50Hz；額定電壓：22kV；額定電流：10806A；勵磁方式：機端自并勵靜止勵磁。目前國內60余臺300MW級的空內冷發電機經過6年的運行，運行效果和經濟性良好。

2 空內冷發電機冷卻原理及特點

空內冷發電機冷卻系統采用密閉循環水-空氣冷卻。每臺發電機設六組空冷器，安裝于發電機座下基礎內，風路設計成中心對稱的兩個風路。冷空氣由轉子兩端軸流式風扇驅動，一部分進入定子，一部分進入轉子，冷卻定轉子后的熱空氣經空氣冷卻器冷卻后循環重復利用。封閉自通風冷卻回路無法做到完全封閉，在高壓區域，空氣會泄漏至電機外部，在低壓區域，空氣會被從電機外部吸入。為防止灰塵隨空氣進入發電機和電刷裝置冷卻系統，在發電機低壓區域軸流風扇之前裝有補充空氣過濾器，安裝于電刷支架進風口處，發電機停運后須檢查和清洗過濾器積塵，確保透氣。在發電機出口母線小室裝有漏水報警裝置。

空內冷發電機冷卻結構特點：

轉子繞組為空內冷，其余為空外冷，由雙孔空心轉子銅排和副槽輔助通風構成軸向冷卻，定子線圈和定子鐵芯均采用間接冷卻，由鐵芯徑向通風間隙和焊接機殼構成徑向通風、軸向分段冷卻風路。

發電機內部主要有三條風路：

第一條，冷空氣進入定子端部繞組部分。圍繞定子端部繞組四周分布著多孔板引導冷空氣，使其沿切線方向均勻流動。端部繞組是由向內的徑向氣流進入氣隙通道來冷卻的。冷空氣再流入第一個冷卻室的冷卻風道。在鐵芯外部這道冷氣流匯入經循環后回流的熱空氣，然后由發電機軸向風扇排入冷卻器。

第二條風路是從第一條風路未進入定子端部繞組之前分離而出的，目的是使未經熱交換的冷空氣流入轉子。冷空氣經由空氣導向葉片而供給磁場繞組。轉子中的空氣與氣隙中流出的空氣混合，經過定子冷卻風道徑向排出。

第三條風路為發電機中部剩余的定子部分輸送冷卻空氣。冷卻風道內的冷空氣首先直接沿徑向向內部流入。一部分冷空氣將最終排入氣隙。冷卻定子的另一部分冷空氣則用來確保充分冷卻各定子風室間的過渡區域。在鐵芯外部，該氣流匯入第二條風路。

轉子繞組采用空心導線進行軸向通風直接冷卻。冷空氣離開風扇后，從護環底部進入轉子端部。一部分冷空氣吹過端部繞組表面，進入端部空心導線，經轉子本體月牙槽離開轉子進入氣隙。另一部分冷卻轉子本體繞組，設兩路通風，一路冷空氣吹過端部繞組表面后，直接進入槽內空心導線中，流經規定長度后，從槽楔上的徑向孔流入氣隙；另一路冷空氣通過繞組下面的副槽進入槽內空心導線，流經規定長度后，從本體中部槽楔上的徑向孔流入氣隙離開轉子。

為增強轉子的通風冷卻效果，在護環底部轉子入口處增加導風渦輪。一是增加壓頭，提高冷卻轉子的空氣流量；二是切向均流，使得各通風副槽的空氣流量均勻。

3 空內冷汽輪發電機經濟性

3.1 投資對比（表1）

表1

3.2 安裝對比

水氫氫冷發電機較空內冷發電機增加定子水系統的各項安裝及檢查試驗項目，水內冷主引線的絕緣引水管的相關試驗，密封油系統的安裝與調試。整體看來，空內冷發電機安裝簡單、快捷。

3.3 運行與維護（表2）

表2

通過以上對比可以看出，空內冷發電機組造價雖高，但水氫氫冷發電機附屬設備較多，從長期運行來看，經濟效益并不差。空內冷發電機獨有的系統簡單，維護量少，安全可靠性高，能夠節約能源。

除考慮氫氣有易爆遺漏的特性外，而水由于具有易于吸氧，對線圈等有腐蝕作用等特性，使得冷卻用氫，水介質成為發電機安全運行的重大威脅因素，氫、水介質在發電機內外一旦發生泄漏，后果都很嚴重，所以空氣作為冷卻介質更為方便，維護更為簡單。

4 空內冷發電機的缺點

根據使用情況看，雖然大型空內冷發電機冷卻技術不斷更新，效率較以前提高，但同氫冷和水冷發電機的工作效率相比，效率還是比較低。這是因為氫和水的導熱和傳熱性比空氣更好，所影響的通風損耗更小。空內冷發電機的全部損耗中，通風損耗占據了三分之一，導致空內冷發電機的工作效率要比同等容量的氫冷發電機低0.1%～0.2%。

空內冷發電機的體積和重量相對氫冷和水冷發電機的要大，空內冷發電機定子和轉子的重量約為水氫氫冷發電機的1.7倍。加上轉子兩端的冷卻風扇旋轉，發出的噪聲要比氫冷和水冷發電機大，因此在使用過程中需要采取有效的措施來降低噪聲。

5 結語

隨著火電機組運行調峰作用越來越明顯，甚至部分機組出現啟停調峰，這對發電機運行安全提出了更高的要求，更加體現出空內冷發電機的優勢。