尼傲加尕水電站3號機通風降溫改造技術

李 暉，龔舉達，王恩成

(1．國網甘肅省電力公司，甘肅 蘭州 730050;2．迭部尼傲加尕水電開發有限責任公司，甘肅 迭部 747404；3．杭州柯瓦新能源有限公司,浙江 杭州 310015)

1 電站概況

尼傲加尕水電站位于甘肅省迭部縣境內的白龍江干流上，為低水頭壩后式電站，總庫容263萬m3，調節庫容45萬m3，為日調節水庫。壩址處多年平均流量46.1 m3/s，發電引用流量為63.3 m3/s，設計水頭23 m，裝機容量3×4.3 MW，年發電量6 675萬kW·h。原水輪機型號為ZZ550—LJ—180，發電機型號為SF4300—18/3250。

尼傲加尕水電站的3號水輪發電機采用管道自然通風冷卻方式，自運行以來，定子長期在超過90 ℃的溫度下運行，夏天甚至超過110 ℃，熱風漏向水輪機室；溫度高至人員無法長時間停留在水輪機室。發電機長期高溫運行，縮短了電氣絕緣的使用壽命，帶來了安全隱患；高溫運行還導致定、轉子線圈的電阻率也提高，損耗大，降低了發電機效率。

2021年3月26日，完成對3號水輪發電機的通風降溫技術改造，通過對夏季的高溫對比，相對改造前，溫度降低30 ℃左右，達到預期改造目標。

2 發電機額定數據

發電機型號為SF4300—18/3250，額定容量Ps=5.059/4.3 MVA/MW，額定電壓UN=10.5 kV，額定電流IN=278.1 A，額定功率因數cosφN=0.85(滯后)，額定頻率FN=50 Hz，額定轉速nN=333.3 r/min，飛逸轉速nf=810 r/min，相數為3相，額定勵磁電壓Ufn=75 V， 額定勵磁電流Ifn=440 A，定子、轉子絕緣耐熱等級為F級，旋轉方向為俯視順時針，原冷卻方式為管道通風自然冷卻方式。

3 改造前后的通風路徑對比

(1)改造前通風冷卻方式。管道通風自然冷卻方式(見圖1左側)。

(2)改造后通風冷卻方式。密閉循環空氣冷卻器冷卻方式(見圖1右側)。

圖1 改造前后通風路徑示意

4 原因分析

通過現場了解、圖紙分析、電磁計算與通風計算分析，其主要原因是發電機采用管道通風自然冷卻方式沒有足夠的風量進入定子鐵心(定子線圈)進行冷卻，內部風路混亂，漏風，冷熱風混在一起等。具體表現在以下幾個方面。

(1)風阻大。定子鐵心通風道數量少，而且每個定子齒部布置了2根通風槽鋼，減少了通風面積；其結果是風阻大，風量過不去。

(2)風路混亂。熱風通過風管排至機組上游側(廠房與大壩之間)，沒有經過有效的空氣交換，又通過廠大門進入又重新進入到廠房內，再進入機坑進風口，重新進入機組內，造成了熱風惡性循環。同時，另一股熱風通過水輪機進人門進入水輪機層，然后通過機坑進風口又重新進入機組內，也造成熱風惡性循環。

(3)風壓低。轉子上沒有有效的風扇來產生風壓，僅靠磁軛沖片的片間間隙，過風面積小，風壓低。

(4)漏風。磁軛下端的制動塊與磁軛壓板之間留有間隙，導致部分熱風沒有進入定子通風道，而是進入了水輪機室。

綜上所述，這些原因造成風量小，通過定子側的風量更小，不能形成有效風路循環，不能將發電機產生的熱量完全帶出去，發電機的溫度自然就高了。

5 改造措施

(1)改變發電機的通風冷卻方式，將原來的管道通風自然冷卻方式改為密閉循環空氣冷卻器冷卻方式，消除管道風阻大及風路混亂的情況。在定子機座的周圍，布置6只空氣冷卻器，讓定子出來的熱風全部通過空氣冷卻器。清理定子機座與基礎之間的空隙和機坑內壁，讓空冷器出來的冷風有足夠的回風空間。同時，在定子鐵心上端的機座壁(對應定子線圈端部側開了8只120 mm×1 085 mm的長方形孔，并封堵機座壁上原來的圓孔；這樣空冷器出來的冷風就可以冷卻定子線圈端部。

(2)在轉子的上端增加18只離心式風扇，對轉子磁軛下端進行通風改造，去掉原來的分塊式的制動塊，變更為整圓的制動圓環。同時，在制動圓環與磁軛壓板之間留有85 mm高的空間，布置18塊離心式風扇，增加風壓和進風面積；整個通風系統由一路循環冷卻改造為雙路循環冷卻。

(3)在轉子的上、下端安裝有靜止的玻璃鋼擋風板，配合轉子上安裝的離心式風扇，增加風壓，減少漏風。

(4)選用冷卻容量大、需要風量小的空氣冷卻器，這樣在冷卻風量不夠的情況上，達到換熱目的，冷風溫度較常規空冷器低13 ℃；其冷卻水量也偏小。

(5)封堵原機坑上的進出風口。

6 改造后的風量計算

校核發電機的電磁計算。額定工況下，發電機功率4 300 kW，功率因數為0.85時，發電機經空冷器需排出的損耗P=182 kW，空氣溫升Δθ=25 K,發電機冷卻所需的風量為6.6 m3/s。

發電機改造后，通風計算結果顯示，僅能產生5.3 m3/s，仍然不能滿足發電機冷卻的需要(見圖2、表1)。

圖2 通風計算網絡示意

表1 發電機通風計算結果

經過上述發電機改造仍然不能產生足夠的風量來進行發電機冷卻，為此必須選用風量小、換熱能力強的空氣冷卻器。

7 空冷器選擇

由于改造前發電機的通風冷卻方式為管道通風，機坑內徑與定子機座外徑的設計空間僅有500 mm，而實際尺寸偏差太大，有的地點不足400 mm，因此需要選有厚度較薄的空冷器；同時對機坑內徑進行擴大。因為在此狹窄的空間內需要布置空氣冷卻器、冷卻水管及閥門(見圖3)。

圖3 空冷器安裝

空氣冷卻器型號為kW—S141—34D183，換熱容量32.5 kW，冷卻余量20%，耗水量12 t/h，水流程數為2，風速1.92 m/s，風量0.85 m3/s，進水溫度20 ℃，出水溫度22.4 ℃，出風溫度27 ℃，水壓降0.01 MPa，工作水壓0.3 MPa，試驗水壓0.6 MPa，管內流速1.6 m/s，壓力損失80 Pa，芯組尺寸為1 200 mm×374 mm×88.5 mm，整機尺寸為1 460 mm×460 mm×170 mm。

8 改造后的溫度計算值與實測數值比較

發電機運行在額定功率4 300 kW，不同功率因數與冷卻水溫的定子溫度值如下所示(見表2)。

表2 不同功率因數與冷卻水溫的定子溫度值比較

改造后的實測溫度與計算值基本吻合，達到了預期通風降溫的改造目標。

9 結 論

尼傲加尕水電站通風降溫改造方案采用典型的電機端部回風冷卻結構，改管道自然通風冷卻為密閉循環空冷器冷卻，利用自主研發的通風網絡計算程序，配合相應的電磁計算及配套的通風冷卻元件達到精準計算的要求。實踐表明，改造達到了預期目標，為以后類似電站的通風冷卻改造提供了寶貴的經驗和理論基礎。

通風降溫改造降低了發電機運行溫度，提高了發電機效率，延長了絕緣的老化壽命，增加了機組安全運行的可靠性。對電站而言，不僅提高了經濟效益，還提高了安全性及社會效益。