風冷系統結構設計及其在汽輪發電機上的應用研究

陳斌

摘要：本文主要針對汽輪發電機的風冷系統進行研究和分析，本文主要針對汽輪發電機的風冷系統進行研究，在分析風冷主要方式的基礎上，提出風冷系統結構設計方式，并指出其在汽輪發電機上的具體應用。

關鍵詞：汽輪發電機;風冷系統;結構設計

汽輪發電機的溫升關系直接決定著汽輪發電機的運行質量，影響運行的安全性和穩定性。升溫關系不合理不僅可能影響汽輪發電機的正常運行和工作，還可能會影響內部絕緣材料的使用壽命。因此在汽輪發電機的運行過程中，必須關注溫升關系以及發熱和冷卻問題，為解決這些問題應該著力從兩個角度入手：第一個從絕緣材料角度入手，盡可能選擇耐溫較高的絕緣材料;第二個是合理選擇優化冷卻方式，以此提升汽輪發電機的冷卻效率和質量。

1.風冷汽輪發電機組的工作原理

汽輪發電機內部的轉子繞組、鐵心以及定子均可能存在溫升的問題，一般依靠內部空氣冷卻來解決溫升問題。然而這些空氣會和外界隔絕，在密閉空間內進行循環。汽輪發電機端蓋上部一般預設帶有濾網的呼吸器，空氣進行進出，以此平衡汽輪發電機內部和外部的空氣壓力。因此，汽輪發電機及其周圍環境、空氣必須具備良好流動性，以保障較好的換熱能力。汽輪發電機內部主要依靠旋槳式風扇進行冷空氣輸送和傳遞，保障空氣流動性。冷空氣進入汽輪發電機后能夠分為兩路，一路進入氣隙，在鐵心徑向流動以冷卻鐵心，另一路進行線圈端部進行冷卻。最終完成了冷卻任務之后的冷空氣會在機座下方的出風口處進行匯集，變熱的空氣熱量既能夠冷卻水循環處理之后進行降溫，帶走熱量，以此循環，實現冷卻功能。

2 汽輪機冷卻裝置的分類

2.1 蒸汽冷卻方法

蒸汽冷卻方法主要是依靠低溫低壓蒸汽，其來源于汽輪機鍋爐啟動來汽等，如果汽輪發電機中蒸汽過熱度超過50℃就能夠進行蒸汽冷卻，在研究和實際實踐中還發現蒸汽冷卻還可以依靠鍋爐余熱實現。但蒸汽輪卻方式在實際汽輪發電機鍋爐冷卻中存在很大問題，尤其是壓力控制難度較大，蒸汽溫度存在波動，極易引發氣缸上下溫差超標問題，可能影響汽輪機安全運行。雖然蒸汽輪卻方式對提升設備檢修率有極大優勢，但用電率增強切操作難度較大也限制了應用。

2.2 抽真空冷卻方法

抽真空冷卻主要應用于比較特殊的環境，在汽輪發電機運行過程中，抽氣器、過熱器以及鍋爐防腐閥門能夠吸入低溫空氣，經高壓缸以及中壓缸之后低溫空氣能夠進入凝汽器，以順流冷卻的方式實現汽輪發電機的快速冷卻。實際應用中發現該方法存在一定應用局限性，其可能會嚴重損耗汽輪參數較低的汽輪發電機使用壽命。

2.3 壓縮空氣冷卻方法

壓縮空氣冷卻方法的應用實際主要依靠空氣流量實現汽輪發電機的快速冷卻，因此影響其冷卻速度的主要因素是熱應力水平。壓縮空氣冷卻方法主要包括逆流和順流兩種介質流向;順流冷卻的冷卻速度可控性較好，但是熱沖擊危險比較大;雖然逆流冷卻方式的冷卻均勻性稍微遜色于順流冷卻。但是其熱沖擊風險要更小，冷卻效果較好。

對比三種快速冷卻方式能夠發現，壓縮空氣冷卻方式相較具備很好的效果和更好的應用價值，尤其是在安全系數方式具有優越性。

3.新型汽輪發電機風冷系統裝置設計分析

3.1 總體結構

本文提出的汽輪發電機風冷系統裝置，包括空氣過濾設備、通風管道、控制系統、出口噴管裝置等組成。所達到的目的是，改變了發電機冷卻效果差，能有效提高發電機換熱性能，改善發電廠重要設備的運行條件。構造簡潔，操作使用方便，適用范圍廣。

3.2 新型汽輪發電機風冷系統裝置具體設計

為有效提升汽輪發電機風冷系統裝置的冷卻效果，具體設計如下：

（1）將發電機定子轉子出來的部分熱空氣通過風道引出至機房外。風道根據現場實際情況進行配置支吊架，出口配不銹鋼網。

（2）進出風道規格900*900mm，材質為Q235，厚度為5mm。

（3）按總風量的33%，風機選型：SWF系列混流式（斜流式）風機，流量23044m3/h，風機全壓832pa，電機功率7.5KW，電機是防爆型電機。選型如下表：

（4）加裝一路冷風管，通過空氣過濾裝置過濾后，由管道風機鼓入發電機出風區域底部（在空冷器上方）。如下表：

（5）布置進風系統，原則是盡量布風均勻，一共6組空冷器上均分布有出風口。

（6）改造布置圖如下：

改造后的初級空氣過濾器入口主要呈水平方向，并且采用防爆型鼓風機，其最終的流量23044 m/h，布置在機房內，風機后設置膨脹節及防護網，風機及風管（900*900mm）底下做鋼結構，設置有操作平臺。采用熱排風管（900*900mm）將熱風引至機房外墻外。

（7）為保證空氣的清潔度和干燥度，風機前設置初級過濾（30目不銹鋼濾網，能過濾較粗顆粒或棉絮，且便于清洗，降低使用成本）。風機后設置中級過濾器（能滿足過濾要求和風量的配套性）。根據風道規格的匹配性和風量選型，必須滿足總風量23044m3/h要求，故將過濾器外殼尺寸設計為：1000*1500mm。以便裝下兩個足夠面積的中級濾器（濾網外尺寸為500*1500mm，額定風量為13500m3/h，兩個濾網總風量大于設計要求）。

采用HWN可洗式尼龍過濾網，其具備如下特點：

（1）進口聚酰氨單絲纖維編織游料，耐磨強度高，使用壽命長，綜合使用效果好

（2）聚塵率高，初阻力低，防塵性能強，可反復清洗使用

（3）超薄形鋁合金型材框，可制成帶拉手互連成組型，更換簡便安全

本文設計中常用規格如表2所示：

3.2 新型汽輪發電機風冷系統裝置具體應用

汽輪發電機運行中由于鐵損和銅損的存在，會導致線圈和鐵芯在運行中出現溫度逐漸升高的情況。為有效解決溫升問題、提高汽輪發電機的發電效率，必須進行冷卻處理，降低線圈老化速度、控制線圈溫度，延長壽命。通過科學的快速冷卻方式及時、有效地帶走鐵芯和線圈熱量，維持線圈絕緣溫度在可控合理范圍內。

就目前汽輪發電機中的小機組設備而言，主要采用空冷系統。汽輪發電機運行和轉子運動過程中，兩端的葉片會旋轉并產生動能，在動能能帶動下葉片兩端的冷空氣會帶動進入汽輪發電機內部進行流動，將汽輪發電機轉子和定子產生的熱量帶走，進入密閉的空冷器內部執行熱交換，同時熱空氣中的熱量會通過水循環帶走。

4 汽輪機風冷系統的應用及運維策略

4.1 加強人員培訓，降低誤動發生幾率

為保證汽輪風冷系統在汽輪發電機中的科學有效應用，必須和實際配備的汽輪發電機相匹配，這也要求相關工作人員具有較高專業素養。加強對相關工作人員的培訓，不僅涵蓋基礎理論還應該包括實踐操作，讓工作人員能夠高質量的執行汽輪機風冷系統的操作和運維工作。汽輪機風冷系統一般結構復雜、操作也相對復雜，如果操作失誤可能影響其冷卻甚至引發事故。對相關工作人員科學培訓，保證其能夠按照規程及標準進行裝置操作，有效降低冷卻操作誤動，確保汽輪發電機溫度運行。

4.2 清洗風冷系統進口濾網

汽輪發電機風冷系統的應用和運維中，應該尤為加強進口濾網清洗工作，避免外部雜質進入影響冷卻效果，也避免了外部雜質可能對設備造成的損傷，以此保障汽輪風冷系統應用效果和運行安全性。

4.3 合理分配高、中壓缸進氣量

汽輪機組風冷系統應用過程中發現壓力缸缸體結構和運行參數會對冷卻效果產生影響，尤其是中壓缸和高壓缸直接存在明顯差異。一般高壓缸的冷卻速度要略低于中壓缸的冷卻速度，因此在實際冷卻系統應用中必須根據壓力缸壓力的差異進行進氣量的有效調節，結合實際經驗和運行情況進行優化和調節，確保在最短時間內實現對汽輪發電機的冷卻，滿足電廠對汽輪電機冷卻溫度的要求。

4.4 依據實際情況控制進氣溫度

風冷系統在汽輪發電機中的應用還必須要對進氣溫度進行控制，以保障最佳的冷卻效果。針對不同的汽輪發電機和設備還具有差異，這就需要工作人員進行實際情況的調查和監測，若發現冷卻效果不佳或存在問題，需要結合換熱系數以及溫降情況進行進氣溫度的調整，保障相關系數能夠在標準要求范圍內，有效規避熱應力過大可能對汽輪機使用性能產生的不良影響。

4.5 適當改進中壓缸進氣位置和進口濾網

為最大程度的發揮汽輪機風冷系統的應用效果，需要結合汽輪機溫升關系的實際情況對進口濾網和進氣位置進行調整與改進，保證冷卻效率最大化。比如中壓缸原有的冷卻系統一般比較繁瑣并且具有繁雜的操作步驟，誤動極易引發壓縮空氣泄漏，進而影響冷卻效率。針對這種情況對汽門輸水管道進行調整和優化，能夠有效改善冷卻效果，同時保障風冷系統安全性。原有部分進口濾網冷卻效果因通流面積的影響而較差，甚至可能引發堵塞，根據這種情況將濾網優化為雙筒濾網，增加通氣量以提升冷卻效率。

結論

社會發展和工業進步進一步提高了對電力的需求，汽輪機作為電力行業發展中的關鍵設備，其運行水平直接關系到電力系統運行質量。而汽輪冷卻裝置應用效果也直接決定了汽輪機運行的安全性，也影響著汽輪機熱效率。在實際汽輪機風冷系統中，因為設備自身因素以及環境因素等，冷卻效果可能較差，為此必須不斷加強冷卻系統優化以提升冷卻效率。本文針對汽輪機快速冷卻方式進行了探索，并指出了當前風冷系統中存在的問題，提出了一種新型的汽輪風冷系統設計方案，希望能夠為汽輪機快速冷卻提供新思路。

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