淺談某水電廠冷卻系統(tǒng)的擴容改造

孟自強，任小寶，譚 燕

（湘水集團能源事業(yè)部大源渡航電樞紐分公司，湖南 衡東 421412）

0 前言

某水力發(fā)電廠位于湘江干流湖南省衡山縣境內(nèi)，安裝了4臺由維奧公司制造的SV753/92-195 30 MW/33.4 MVA燈泡貫流式水輪發(fā)電機組，總裝機容量120 MW。發(fā)電機冷卻方式為具有空氣冷卻器的雙密閉循環(huán)強迫通風冷卻方式，燈泡頭內(nèi)為常壓。冷卻系統(tǒng)由2臺水泵、4組軸流風機、8個空氣冷卻器和燈泡頭錐體部位的表面冷卻器、冷卻水管、閥門組成?；亓鳠峥諝庥擅荛]循環(huán)凈化水冷卻，回流熱凈化水經(jīng)發(fā)電機表面冷卻器由河水冷卻。冷卻水用于冷卻在油水冷卻器中的軸承潤滑油和調(diào)速器油箱油冷卻器中的調(diào)速器油。另外，冷卻水中加入了添加劑以防止冷卻水在管路內(nèi)結(jié)垢和管路內(nèi)部生銹。

1 方案背景

截至2006年4臺貫流式機組已投產(chǎn)運行6年，在夏季僅帶90%的額定負荷時，發(fā)電機及軸承溫度就一直偏高，數(shù)值超標，定子線棒溫度最高達122℃，推力瓦溫72℃，溫度偏高制約機組的出力，這不但對機組安全運行構(gòu)成威脅，也大大影響設(shè)備壽命，造成重大的經(jīng)濟損失。

4臺機組冷卻方式屬“復(fù)式冷卻”，不管是發(fā)電機空氣冷卻器、軸承油冷卻器還是調(diào)速器油冷卻器，它們的冷卻水源都是作為中間冷卻介質(zhì)集中在一條管道上被河水表面冷卻器所冷卻。湘江洪水期江水泥沙含量較大，表面冷卻器處河水流速較小，會使表面冷卻器處有大量淤泥淤積，以及粘聚貝殼之類的河水寄生物，造成表面冷卻器熱交換效果降低。同時由于表面冷卻器布置有局限性，表面冷卻器與河水的接觸面較小，相應(yīng)位置外面的河水流速相對較慢，導(dǎo)致河水與表面冷卻器的熱交換量不夠充分，河水帶走的熱量不足，造成機組運行時溫度偏高。因此，選擇表面冷卻器擴容迫在眉睫。

1.1 表面冷卻器理論計算：

1.1.1 冷卻性能要求

（1）發(fā)電機冷卻器容量：

1）定子損耗I2R: P1=206.0 kW

2）轉(zhuǎn)子損耗I2R:P2=181.0 kW

3）鐵心損耗:P3=104.0 kW

4）風阻損耗:P4=15.0 kW

5）軸流風機損耗:P5=11.0 kW

6）離散負荷損耗:P6=60.0 kW

7）勵磁電流損耗:P7=16.0 kW

8）發(fā)電機總損耗：

P8=P1+P2+P3+P4+P5+P6+P7=593.0 kW

按定子貼壁式冷卻可直接排出總損耗熱量的25%∽30%，取最低值25%計算，定子貼壁冷卻帶走的熱量148.25 kW，實際需冷卻器帶走的損耗：444.75 kW。取60%的裕量計算，發(fā)電機冷卻器容量功率P9=741.25 kW。注：銅損參考繞組溫度75℃進行計算。

（2）軸承冷卻器容量：

1）正推軸承冷卻容量要求：P10=22.22 kW

2）反推軸承冷卻容量要求（額定出力時）：P11=11.43 kW

3）徑向軸承冷卻容量要求（發(fā)電機導(dǎo)軸承和水輪機導(dǎo)軸承）：P12=3.9 kW

4）軸承冷卻器容量要求：P13=P10+P11+P12=37.55 kW

（3）機組冷卻系統(tǒng)容量：P14=P9+P13=778.8 kW，即機組冷卻系統(tǒng)容量至少778.8 kW。（調(diào)速器冷卻器因長時間處于退出狀態(tài)，且功率較小，暫不參與計算）。

1.1.2 表面冷卻器設(shè)計：

表面冷卻器容量：800 kW

河水參考溫度：28℃

熱水溫度：43.07℃

冷水溫度：37℃

密閉循環(huán)冷卻水流量：131.1 m3/h

物體吸熱公式：Q=cm?t （1）

其中：Q—吸收的熱量，J；

C—比熱容，c水=4.2 kJ/(kg·℃)；

m—質(zhì)量，kg；

?t：溫度差，℃；

按該設(shè)定條件由公式（1）得：

密閉冷卻水冷卻能力：

P15=928.4 kW

1.2 計算結(jié)果

經(jīng)理論計算，密閉冷卻水冷卻能力P15>P14滿足流量要求，表面冷卻器容量大于Q14滿足冷卻能力要求。

由于理論計算結(jié)果，未充分考慮地域溫差因素，根據(jù)多年運行維護經(jīng)驗發(fā)現(xiàn)，在夏季時河水表面冷卻器功率（設(shè)計功率800 kW）明顯不足無法帶走冷卻循環(huán)水更多的熱量，導(dǎo)致發(fā)電機空冷器效率降低，無法滿足生產(chǎn)要求。

2 管式冷卻器擴容改造

2.1 冷卻核算

2.1.1 原裝空氣冷卻器工況對比

表1

2.1.2 發(fā)電機空冷器的實際冷卻容量與容量裕度：

其中：

P16—發(fā)電機冷卻器實際冷卻容量；

P9—發(fā)電機冷卻器設(shè)計容量；

a—容量裕度；

2.1.3 表面冷卻器的實際冷卻容量與容量裕度：

其中：P17—表面冷卻器實際冷卻容量；

b—容量裕度；

注：表面冷卻器計算時軸承冷卻容量因容量比例不足10%，按理論值進行計算。

2.1.4 計算分析：

計算可見，在機組90%額定出力時，空冷器的冷卻能力與設(shè)計保持一致，但表面冷卻器實際冷卻容量僅為理論設(shè)計的58.98%，導(dǎo)致冷卻水冷水溫度比設(shè)計值高5℃，因此表面冷卻器缺容41.02%，對整個冷卻系統(tǒng)而言，影響非常明顯。

2.2 擴容方案

通過理論核算和實際運行分析，提出了降低中間介質(zhì)溫度的機組冷卻系統(tǒng)改造擴容方案。

2.2.1 具體方案

燈泡貫流式機組設(shè)備布置相對比較集中，為合理利用空間布置增容設(shè)備，在機組抗壓蓋板上加裝1組雙級型低溫冷卻裝置，與表面冷卻器串聯(lián)運行，對密閉冷卻循壞水進行再次冷卻。

供水方式：從抗壓蓋板下的流道處取水，取水管路采用Φ150 mm的無縫鋼管，為滿足總冷卻水流量要求，中間增設(shè)1臺18 kW的水泵，并在泵前增加1臺精度為2 mm的全自動過濾器。

排水方式：結(jié)合供水方式，考慮簡便性和可靠性，冷卻增容系統(tǒng)的冷卻水通過抗壓蓋板直接排至流道內(nèi)。同樣，過濾器排污管也通過抗壓蓋板直接排入流道。

2.2.2 增容系統(tǒng)理論計算

表2

冷卻增容部分制冷能力

其中：P18—冷卻增容系統(tǒng)冷卻容量；

B—冷卻系數(shù)；

?t—溫度差；

2.2.3 管式冷卻器效果分析

通過管式冷卻器改造前后的運行情況和理論計算，冷卻系統(tǒng)擴容后，在冷卻系統(tǒng)熱交換達到動態(tài)平衡后，機組運行情況有所改善，在額定出力工況下設(shè)備溫度整體下降5℃左右，可滿足安全運行條件。高溫時期按60 d計算，每臺機組增發(fā)1 MW,可增發(fā)經(jīng)濟效益1 440 MW·h。

3 板式冷卻器擴容改造

3.1 改造背景

該水電廠發(fā)電機組定子線棒在槽內(nèi)的固定及防暈的工藝設(shè)計是采用填充和注入半導(dǎo)體硅橡膠，利用半導(dǎo)體硅橡膠將線棒粘合固定在槽內(nèi)。這種設(shè)計雖然理論是可行的，但實踐證明，由于半導(dǎo)體硅橡膠的粘度較大，流動性較差，加之在注入過程中槽內(nèi)的空氣很難溢出，即使按照廠家工藝采用高壓泵分階段注入方式，在工藝上很難保證將線棒與槽壁及線棒與槽隔板和槽楔之間的間隙完全填，故在線棒表面與槽壁、槽隔板和槽楔之間必然存在大量的間隙，這些空氣間隙的存在，為電暈腐蝕的發(fā)生并持續(xù)惡化提供了條件 。自2008年對冷卻系統(tǒng)進行擴容增加了管式冷卻器，雖然發(fā)電機線圈溫度有所改善，但在盛夏豐水期設(shè)備溫度仍然處于偏高水平，加劇了電腐蝕的惡化。

為進一步改善發(fā)電機運行環(huán)境溫度，減緩電腐蝕惡化速度，經(jīng)市場調(diào)研以及類似機組的實地考察和技術(shù)交流，目前市場上流行的板式冷卻器是由不同的波紋板相互倒置組合成的流道，與錯流流動的管殼式換熱器比較，流體通過流道時的傳熱系數(shù)會更高，是管殼式的3~5倍，可使得末端溫差低至1℃左右。類似電廠冷卻系統(tǒng)采用板式冷卻器改造后在同等工況下，發(fā)電機線圈溫度較改造前降低了9℃，該成功改造的案例對我廠冷卻系統(tǒng)在次擴容具有非常重要的指導(dǎo)意義。

3.2 板式冷卻器選型設(shè)計

3.2.1 理論設(shè)計計算

表3

板式冷卻器較管式冷卻器冷卻能力理論增加

P19=BQ?t=4.2×131.1×2÷3.6=305.9 kW

其中：P19—冷卻增容系統(tǒng)冷卻容量；

B—冷卻系數(shù)；

?t—溫度差；

3.2.2 具體方案

保留發(fā)電機組原表面冷卻器，將現(xiàn)有布置在流道蓋板的管式低溫冷卻器改為熱交換面積93.62 m2、熱負荷1 211.1 kW的板式冷卻器，并將現(xiàn)有冷卻增容系統(tǒng)排水管出口從表面冷卻器內(nèi)腔改至抗壓蓋板下方。為避免流道聚集的空氣影響增容系統(tǒng)的取水，可將現(xiàn)有的流道排氣管路在保留手動排氣的情況下加裝自動排氣閥，確保流道空氣及時排除。為防止板式冷卻器冷卻介質(zhì)發(fā)生堵塞，影響冷卻效果，應(yīng)采用精度1.5 mm的自動定時反沖過濾器；水泵型號DFG150-250/4/18.5。由于目前濾水器布置在水泵前級，反沖效果不佳，將水泵布置在濾水器前級，取水口處增加精度12 mm濾網(wǎng)。

圖1 板式冷卻器側(cè)面圖、正面圖

圖2 冷卻增容系統(tǒng)原理圖

4 改造成果分析

2020年1月份板式冷卻器改造已完成并投入使用，并對運行工況進行跟蹤記錄，如表4：

表4

4.1 數(shù)據(jù)分析

通過表4跟蹤過程中發(fā)現(xiàn)，板式冷卻器因為平均溫差系數(shù)大，密閉循環(huán)冷卻水經(jīng)板式冷卻器冷卻后溫度可與冷卻后河水溫度相差1.5℃。在環(huán)境溫度在25℃以下時，用于冷卻的流道河水溫度在20℃左右，由于密閉循環(huán)冷卻水與河水溫差較大，板式冷卻器較管式冷卻器的冷卻效果更加明顯，繞組溫度可降低10℃左右。但環(huán)境溫度較高，如環(huán)境溫度在36℃時，冷卻用的流道河水溫度高達32℃，即使密閉循環(huán)水經(jīng)過板式冷卻器二次冷卻，溫度仍然有33℃~34℃，此時，冷卻效果較管式冷卻器雖可降低2℃左右，但效果并不明顯，發(fā)電機繞組溫度在100%額定負荷時仍最高可達114℃。因此，此次板式冷卻器改造在環(huán)境溫度在25℃以下時，冷卻效果明顯，對減緩電腐蝕有一定作用，在環(huán)境溫度35℃及以上時效果并不明顯。

同時，從第二次擴容改造的實際效果也可看出，對密閉冷卻循環(huán)水的冷卻設(shè)計就目前而言已達到冷卻極限，密閉冷卻水之所以對發(fā)電機冷卻降溫效果沒有達到期望主要原因應(yīng)為發(fā)電機空冷器設(shè)計時冷卻容量偏小，在二次冷卻系統(tǒng)容量增加時空冷器中的密閉冷卻循環(huán)水的熱量交換實現(xiàn)動態(tài)平衡時已達到極限，二次冷卻系統(tǒng)雖有容量帶走更多的熱量，空冷器卻容量受限無法帶走更多的熱量，致使發(fā)電機繞組溫度在出力增加時，溫度明顯升高。

4.2 空冷器缺容理論計算

計算條件：

表5

假設(shè)環(huán)境溫度在20℃~26℃時，河水溫度均為20℃，冷卻增容系統(tǒng)投入1 h后發(fā)電機繞組溫度趨于穩(wěn)定。

其中：

P20—熱平衡狀態(tài)時未投冷卻增容系統(tǒng)的冷卻容量

P21—熱平衡狀態(tài)時投入冷卻增容系統(tǒng)的冷卻容量；

P23—熱平衡狀態(tài)時冷卻增容系統(tǒng)冗余容量；

Q—密閉冷卻循環(huán)水流量；

B—冷卻系數(shù)；

?t—溫度差；

根據(jù)計算結(jié)果，就目前冷卻系統(tǒng)容量而言，假設(shè)發(fā)電機溫度變化呈線性型關(guān)系，整個冷卻增容系統(tǒng)冗余損耗，若將空冷器容量增加P23大小時，發(fā)電機理論溫度將下降14.7℃。

5 結(jié)論

該電廠在冷卻系統(tǒng)改造過程中，將理論與實踐相結(jié)合，對冷卻設(shè)備進行大膽嘗試，發(fā)現(xiàn)總結(jié)了原冷卻系統(tǒng)設(shè)計存在的不足以及現(xiàn)冷卻系統(tǒng)存在的問題，為以后在冷卻系統(tǒng)方面進一步開展擴容增效工作積累了寶貴經(jīng)驗，對同行業(yè)燈泡貫流式水輪機組冷卻系統(tǒng)改造工作提供參考，具有非常重要的指導(dǎo)意義。