大型空冷汽輪發(fā)電機冷卻技術(shù)探究

侯 鍵

(哈爾濱電機廠有限責任公司，哈爾濱 150040)

大型空冷汽輪發(fā)電機在運行過程中定子繞組與轉(zhuǎn)子繞組會產(chǎn)生大量的熱，以往的氫冷卻技術(shù)在冷卻質(zhì)量、冷卻效率、經(jīng)濟性上具有一定的局限性，而空冷發(fā)電機使用的冷卻介質(zhì)是空氣，簡化了水處理和制氫環(huán)節(jié)，結(jié)構(gòu)簡單，冷卻效率高，在發(fā)電領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。但是，該項技術(shù)在實際應(yīng)用中也存在一定的缺點，與氫冷汽輪發(fā)電機相比，運行效率略低，其空氣導熱能力不如氫氣，增加了運行過程中的風損耗，尤其是大型的空冷汽輪發(fā)電機，通風損耗達到了整體通風的30%左右，整體運行效率降低了0.1%左右，需要通過技術(shù)改進與創(chuàng)新解決通風損耗問題，提高空冷汽輪發(fā)電機的冷卻成效。

1 大型空冷汽輪發(fā)電機空冷系統(tǒng)的分類

大型空冷汽輪發(fā)電機采用排汽空冷系統(tǒng)，替代了循環(huán)冷卻水系統(tǒng)，核心部件為空冷器，主要由擋風墻、風機、抽氣系統(tǒng)、凝結(jié)水箱、翅片管等組成，如圖1所示。其冷卻過程可節(jié)約大量的水資源，90%以上的水主要消耗在冷卻塔環(huán)節(jié)，其直接冷卻排汽，無須用水作為中間介質(zhì)，實現(xiàn)了汽輪機發(fā)電節(jié)水的目的。冷卻原理是排汽經(jīng)過管道流入翅片管，空氣流經(jīng)翅片管帶走熱量，排汽冷凝成水后最終流入到冷凝水箱中。

圖1 空冷器結(jié)構(gòu)Fig.1 Air cooling structure

1.1 直接空冷系統(tǒng)

直接空冷系統(tǒng)采用的技術(shù)較為簡單，直接應(yīng)用粗大排汽管道作為汽輪機的排汽通道，將排汽運輸至室外的空冷器中，風機吹動空氣在散熱器表面流動，促使排汽冷卻成水。該空冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，使用的設(shè)備較少，建設(shè)成本較低。實際應(yīng)用中的不足之處是需要使用粗大排汽管道，密封難度大，運行過程中需維持管道內(nèi)部的真空環(huán)境。該系統(tǒng)在冬季應(yīng)用時室外溫度過低，致使管道易結(jié)冰。

1.1.1 真空抽氣系統(tǒng)

該系統(tǒng)為空冷核心系統(tǒng)。大型空冷汽輪發(fā)電機運行中，真空抽氣系統(tǒng)抽取空冷器、排汽管道、凝結(jié)水箱中的空氣，維持排汽系統(tǒng)的真空狀態(tài)，保證直接空冷系統(tǒng)正常運行。此外，整個空冷系統(tǒng)為密封狀態(tài)，采用雙層焊接，避免空冷系統(tǒng)密封性不夠，影響空冷效果。

1.1.2 風機與排汽管道系統(tǒng)

風機系統(tǒng)主體結(jié)構(gòu)為風機與風筒，直接空冷系統(tǒng)要求風機可在40%～100%的轉(zhuǎn)速區(qū)間正常工作，減壓效率應(yīng)在70%以上且變頻性能優(yōu)異。直接空冷系統(tǒng)的排汽管道安裝難度大，其連接著汽輪機房與空冷島，在安裝現(xiàn)場組裝后需要借助吊機安裝。粗大管道對接與焊接環(huán)節(jié)非常關(guān)鍵，要實行嚴格的質(zhì)量檢查與管理措施，以保證直接空冷系統(tǒng)的建設(shè)效果。

1.1.3 凝結(jié)水系統(tǒng)

凝結(jié)水箱位于蒸汽進下方，汽輪機低壓缸下方設(shè)置排汽裝置，將汽輪機形成的蒸汽經(jīng)由排汽裝置流入至蒸汽進處，再進入空冷器中，最后凝結(jié)成水流入至凝結(jié)水箱。凝結(jié)水箱負責收集排汽凝結(jié)水，并將水通過水泵輸送至汽輪機的回熱系統(tǒng)，實現(xiàn)水的循環(huán)利用。

1.2 間接空冷系統(tǒng)

空冷塔的運行狀況受到天氣、溫度的影響，在高溫季節(jié)，氣溫與水溫之間溫差小，大風天氣狀況下風力影響空冷塔的進風量，會降低空冷塔的冷卻效果。一旦空冷塔水溫較高，將影響汽輪機的空冷成效，降低排汽冷卻效能，進而影響整個汽輪機組的運行狀況，因此需要使用間接空冷系統(tǒng)，增加汽輪機空冷效果。如果聯(lián)合使用蒸發(fā)式冷卻器與冷卻塔，采用蒸發(fā)水吸收冷卻塔中循環(huán)水的熱量，可分流循環(huán)水，減少冷卻塔中的水流量，達到減少出水口溫度的目的，降低汽輪機的熱壓力，保證冷卻效果。如果冷卻塔出現(xiàn)運行不良現(xiàn)象，使用蒸發(fā)式冷卻器替代其運行，也可起到一定的冷卻效果，避免機組發(fā)生生產(chǎn)事故。蒸發(fā)式冷卻器分流的循環(huán)水完成冷卻后，與冷卻塔中冷卻后的循環(huán)水最終都將流入凝結(jié)水箱中。

2 大型空冷汽輪發(fā)電機的優(yōu)勢

2.1 性能良好

空冷汽輪發(fā)電機的結(jié)構(gòu)不復雜，性能穩(wěn)定，維護簡便，尤其是空冷系統(tǒng)，簡化了一定的程序，無須安裝制氫裝置也無水處理設(shè)備，中間環(huán)節(jié)的縮減減少了輔助設(shè)備失靈和發(fā)電機運行故障等問題，提高了空冷發(fā)電機運行的可靠性。空冷發(fā)電機是空氣冷卻，日常維護過程不用添加冷卻介質(zhì)，進一步提高了工作的安全性。

2.2 經(jīng)濟效益良好

空冷發(fā)電機簡化了諸多程序，使用的構(gòu)件和裝置較少，降低了整體制造成本，特別是冷卻介質(zhì)使用的是空氣，無須安裝輔助性制冷裝置和設(shè)備，降低了維護難度和成本。與氫冷汽輪發(fā)電機相比，運行費用和前期投入成本較低，高新冷卻技術(shù)的運用進一步提升了空冷發(fā)電機性能，使生產(chǎn)效率更高，整體經(jīng)濟效益顯著。

2.3 市場條件成熟

國際發(fā)電市場非常注重生產(chǎn)的清潔性和環(huán)保性，燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)電站的興建刺激了大型空冷發(fā)電機市場的快速發(fā)展。空冷發(fā)電機使用空氣制冷，節(jié)水效益良好，啟停速度快，性能穩(wěn)定，生產(chǎn)效率高，可以滿足循環(huán)發(fā)電站對發(fā)電機的各項要求，市場條件成熟，為空冷發(fā)電機的研發(fā)提供了良好的市場環(huán)境。

3 大型空冷汽輪發(fā)電機冷卻技術(shù)及改進措施

3.1 大型空冷汽輪發(fā)電機冷卻技術(shù)

大型空冷發(fā)電機的關(guān)鍵技術(shù)是通風冷卻系統(tǒng)，需具良好的經(jīng)濟性，應(yīng)針對結(jié)構(gòu)進行研究，提高通風冷卻系統(tǒng)性能。冷卻系統(tǒng)的風量需在發(fā)電機內(nèi)部均勻分布，可及時有效地帶走熱量。風路設(shè)計主要是風阻的合理設(shè)計。轉(zhuǎn)子是發(fā)電機的動力構(gòu)件，其產(chǎn)生的熱量較高，應(yīng)注重此位置的冷卻設(shè)計。通風冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計需要以節(jié)約成本為原則，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)最簡化，并達到性能最優(yōu)化。設(shè)計通風冷卻系統(tǒng)時，要從空冷發(fā)電機的結(jié)構(gòu)出發(fā)，發(fā)電機定子繞組需借助定子鐵芯傳導，由徑向風路進行間接冷卻，而轉(zhuǎn)子繞組直接冷卻即可。

3.1.1 單路壓入技術(shù)

發(fā)電機轉(zhuǎn)子兩端設(shè)置風扇，發(fā)電機運行過程中，空冷器會不斷輸送冷風，由風扇將冷風吹進轉(zhuǎn)子內(nèi)部，冷風經(jīng)過鐵芯進入端蓋。采用單路壓入冷卻技術(shù)的定子結(jié)構(gòu)應(yīng)盡量簡單，冷風在定子內(nèi)部流動過程中與熱氣混合后會分散在定子各個零部件上，所以該項技術(shù)適用于小于150 MW的空冷發(fā)電機，如果將其應(yīng)用在大于150 MW的發(fā)電機中，熱氣與冷風混合后會增加徑向風溝中空氣的溫度，導致鐵芯冷卻效果較差。

3.1.2 單路抽風技術(shù)

單路抽風技術(shù)是冷風在發(fā)電機內(nèi)部按照一定的路徑流動，帶走發(fā)電機內(nèi)部的熱量，空冷器將冷風先輸送至鐵芯背部和轉(zhuǎn)子，流入徑向風道。到達氣隙位置后，此處位置設(shè)有兩臺風扇，將氣隙中的熱風抽出。應(yīng)用該技術(shù)可以同時冷卻轉(zhuǎn)子和定子，在氣隙位置將熱氣及時抽出，風扇自身產(chǎn)生的熱量就不會影響發(fā)電機。其不足之處是風扇安裝在定子端部，增加了此處位置的復雜性，聚集了大量的熱氣，對定子端部散熱產(chǎn)生了一定的影響。

3.1.3 分段多流技術(shù)

空冷器輸送的冷風輸送至發(fā)電機內(nèi)部后將被分成三路，第一路經(jīng)由定子端部流進，第二路氣流進入機座，流動至鐵芯背部，第三路冷風被輸送至通風副槽，流入氣隙。這三路氣流最終會在氣隙位置聚集，經(jīng)由出風口流出發(fā)電機內(nèi)部。該技術(shù)的不足是三路氣流多數(shù)聚集在氣隙位置，會相應(yīng)地減少鐵芯背部的氣流，有時會導致倒流問題，不利于背部位置的冷卻，在實際應(yīng)用中，需要安裝一個擋風板，降低氣隙處的進風量。

3.1.4 轉(zhuǎn)子冷卻技術(shù)

空冷發(fā)電機的大型化發(fā)展提高了對冷卻技術(shù)的要求，以往的轉(zhuǎn)子表面冷卻技術(shù)已經(jīng)無法完全保證發(fā)電機的可靠運行，故而需要采用以下技術(shù)。其一，槽底副槽技術(shù)，冷風直接進入副槽，流入轉(zhuǎn)子銅線，最后進入氣隙。該技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢是冷風經(jīng)副槽流入，減少了轉(zhuǎn)子的風摩損耗，不需要安裝風扇且槽楔制作容易，不足之處是進風面積較小，冷卻效果不夠理想。其二，軸向進氣技術(shù)，空冷器輸出冷風后經(jīng)由轉(zhuǎn)子兩端流至槽楔出風孔，最后流進氣隙。該技術(shù)解決了副槽風阻大的問題，缺點是風道過長，增加了風阻力，需要使用高壓風扇，但是在風扇應(yīng)用過程中，通風損耗增加，影響了發(fā)電機整體的冷卻效率。此外該技術(shù)實現(xiàn)較為困難，比較適用于大型空冷發(fā)電機。

3.2 空冷汽輪發(fā)電機冷卻技術(shù)的改進措施

3.2.1 提升風扇動力

冷卻風扇借助轉(zhuǎn)子驅(qū)動，屬于耗功元件，在轉(zhuǎn)動過程中會消耗機械能，將機械能用于冷風的驅(qū)動。空冷使用的冷卻介質(zhì)要多于氫冷發(fā)電機，增加了風扇的摩擦損耗，所以需要對風扇的動力進行改進。日本生產(chǎn)的250 MW空冷汽輪發(fā)電機，在風扇設(shè)計上采用了與NACA葉片相類似的方案，將風扇的效率提高至60%。

3.2.2 控制風摩損耗

改進轉(zhuǎn)子通風結(jié)構(gòu)。轉(zhuǎn)子的風摩損耗分為兩個方面，一是內(nèi)部風路，主要是冷卻介質(zhì)流動過程中的風摩損耗，在氣體分流和回流過程中受到風道的摩阻，因此需要對風道結(jié)構(gòu)進行改進，比如在分流時，應(yīng)盡量做到均勻分配或是對副槽進行變截面設(shè)計等，可有效降低風摩損耗；二是轉(zhuǎn)子表面，其與氣流之間會產(chǎn)生摩擦，并引起一定的阻礙，需要將轉(zhuǎn)子表面打磨光滑，以減少風阻。

改進定子通風結(jié)構(gòu)。定子的風摩損耗分為兩個方面，一是徑向支路，支路的形狀和截面改變是形成損耗的主要原因，需要適當增加通風的面積，降低支路的風摩損耗；二是鐵芯與氣隙之間產(chǎn)生的損耗，主要是冷風流動過程中的沿程摩阻形成的損耗，采用的方法是增大氣隙的面積，對通風結(jié)構(gòu)進行改進。

改進算法。通風量計算方法的改進是冷卻技術(shù)優(yōu)化的關(guān)鍵，目前應(yīng)用較多的計算方法是等效風路法，而通風系統(tǒng)會根據(jù)計算的結(jié)果進行設(shè)計，令其在實際運用中實測獲得的風量值與計算值之間有著較大的差異，引起發(fā)電機部件過熱現(xiàn)象，降低了發(fā)電機的冷卻效果，形成較大的風摩損耗，因此在算法改進時需要采取以下對策：重新設(shè)定阻力系數(shù)，不但與風道結(jié)構(gòu)有關(guān)，還與風量分配有關(guān)。局部阻力系數(shù)的測定較為復雜，存在阻力損失，主要分為阻礙范圍內(nèi)與前后影響長度內(nèi)兩個方面的損失，在通風計算中需要考慮這些損失問題。基于通風道的結(jié)構(gòu)特點，其與局部阻礙間距不夠，不宜使用局部阻力系數(shù)。轉(zhuǎn)子在通風冷卻系統(tǒng)中，其冷卻空氣是向著軸向方向流動且逐漸減少，當副槽截面阻力沒有變化時，冷卻空氣流動速度下降，導致風道兩個方向上的壓力出現(xiàn)差異，形成冷卻不均勻現(xiàn)象。設(shè)計中應(yīng)注重副槽截面阻力的計算，調(diào)整截面結(jié)構(gòu)，以平衡兩個方向的壓力，保證冷卻的均勻性。

4 結(jié)語

從空冷發(fā)電機冷卻技術(shù)分析可以看出，冷卻技術(shù)還需要進一步深入研究，如冷卻風扇的設(shè)計，由于其轉(zhuǎn)動形成較大的損耗，需要進行優(yōu)化設(shè)計和改進，以提高風扇的冷卻性能，降低其功率損耗。要對定子和轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，以降低風摩損耗，從而提高空冷發(fā)電機的冷卻性能。