大型水輪發電機滑環碳粉吸收裝置優化設計與應用

馮 宇

（中國長江電力股份有限公司三峽水力發電廠，湖北 宜昌 443133）

0 引言

三峽水電站共安裝6 臺VGS 機型水輪發電機組，其額定容量為777.8 MVA，額定電壓為20 kV。VGS 機組滑環系統未安裝碳粉吸收裝置，機組在運行過程中產生的碳粉易被分散，與發電機滑環室內油污混合在一起，既影響發電機滑環室環境，又造成滑環室內導電環、勵磁銅排、滑環正負極間絕緣立柱等重要設備均落滿碳粉，影響轉子絕緣性能及機組安全運行。改善滑環室運行環境，需設計一套適用于左岸VGS 機組滑環室碳粉吸收的裝置，使滑環與碳刷冷卻的更加均勻，運行產生的碳粉得到收集，從而保證設備的安全穩定運行。

1 設備現狀與方案設計

1.1 設備現狀

VGS 機組勵磁系統額定勵磁電流為3 602 A，滑環裝置共安裝3 6 個二孔刷握，碳刷尺寸為32 m m×32 m m×64 mm，計算電流密度為9.77 A/cm2。導電環為分瓣式布置方式，勵磁電纜由端部引出。

滑環系統安裝有2 套冷卻風機，風機出風量為8 640 m3/h。冷卻風機分別布置于滑環兩側，靠近滑環位置為出風口，風機安裝于滑環室壁罩位置，通過冷卻風機管道將滑環室外空氣吹向滑環位置，對滑環進行冷卻。

1.2 方案設計

以現有滑環系統結構為基礎進行設計，碳粉吸收裝置由導電環及刷桿座、吸塵管路、碳粉除塵器、控制系統等部件組成。在滑環外圍設置集塵罩，集塵罩采用一體式結構，選用玻璃鋼材料。集塵罩通過高強度軟管與4 臺碳粉除塵器連接，利用碳粉除塵器將產生的碳粉從密閉腔體中抽出，將碳粉處理、收集。4 臺碳粉除塵器總風量4 800 m3/h,采用濾筒式過濾結構，便于更換濾芯及日常維護。每2 臺碳粉收集裝置的出風合并為一路，由一根排氣管與原冷卻風機安裝法蘭連接，將風排到外罩外，取消原冷卻風機。

導電環本體采用碳鋼材料，表面鍍鋅防腐處理，與銅排搭接部位鍍銀，以減少接觸電阻，防止發熱。可帶電拆卸刷握采用成熟穩定可帶電拆卸刷握，具有重量輕、安裝拆卸方便、可帶電更換碳刷等功能。刷架設計與原安裝孔位置、勵磁銅排安裝孔位置匹配。碳刷數量由36 只/極增加到49 只/極，可使電流密度由改造前0.098 A/mm2下降到0.056 9 A/mm2。使用單孔刷握，采用可帶電拆卸刷握，刷座采用全銅材料的整體式結構，減少自身電阻。碳粉集塵罩與刷架采用整體式結構，將碳粉固定于一個空間中，防止碳粉四處飛揚。

碳粉除塵器專用的控制柜，可實現自動和手動運行切換、遠程控制、故障上傳、延時停機等功能。

圖1 碳粉吸收裝置布置圖

圖2 碳粉吸收裝置通風原理圖

2 仿真計算

2.1 技術路線

采用數值模擬與實驗研究相結合的方法。按以下層次展開：

（1）構建碳粉吸收裝置三維模型，并建立合適數學模型。

（2）基于COMSOL Multiphysics 軟件中的CFD模塊模擬計算碳粉收集裝置內流體流動的速度場與壓力場。與運行機組現場測試值對比，確定數學計算模型的正確性。

（3）模擬計算出碳粉收集裝置內的速度云圖后，進行流固耦合計算，模擬分析碳粉收集裝置對碳粉的吸收能力即碳粉顆粒在流場內的運動軌跡，在本項目中由于碳粉顆粒體積微小，對氣相流體的流動影響極小，故稀疏氣固兩相流模型適用于本次計算。

（4）模擬多工況下（即正常運行及停運1 臺風機）碳粉吸收裝置內的空氣流動情況及滑環的溫度分布。

（5）根據模擬結果與現場測試結果分析碳粉吸收裝置的集塵與換熱機理。

2.2 集電裝置流動與換熱數值

2.2.1 基本假設

根據碳粉吸收裝置內的實際流動換熱情況，建立數學模型時做出如下假設：碳粉吸收裝置內的空氣流動為三維定常不可壓縮流動；忽略空氣重力的作用；忽略輻射換熱，傳熱在穩態下進行；把玻璃鋼材料的除塵罩看做絕熱壁面。

2.2.2 控制方程

2.2.3 邊界條件與數值模擬方法

使用Comsol Multiphysic 軟件求解碳粉吸收裝置與勵磁裝置滑環的流動與換熱。本文中采用可實現的k-ε模型和壁面函數法來模擬碳粉吸收裝置與滑環的流動與換熱。與標準k-ε模型相比，可實現的k-ε模型提高了復雜湍流中渦旋和流動分離的預測能力，能夠有效的應用于不同類型的流動，包括旋轉剪切均勻流，包含有射流和混合流的自由流動、管道內流動、邊界層流動以及帶有分離的流動。碳粉吸收裝置內的流動工質為空氣。模擬中設定的環境溫度為T=293.15 K（20℃）時，此時空氣的物性參數見表1。

表1 空氣的物性參數

其中，每臺碳粉除塵器的風量為1 200 m3/h，4 臺除塵器同時運行時，流場模擬中入口邊界條件為體積流率V=4 800 m3/h，出口設定為與碳粉吸收裝置離心風機同靜壓曲線的風扇。

2.2.4 集電裝置產生熱量

（1）碳刷自身電阻發熱Q11=N·I2·R，I為流過單個碳刷的電流，其大小由額定勵磁電流IfN及每極碳刷數量N決定，R為每個碳刷電阻。當選用某種材質或者牌號的碳刷后，碳刷電阻R恒定，機組的額定勵磁電流IfN恒定，碳刷自身發熱量與碳刷數量成反比。

（2）摩擦發熱Q13=N·f·S，由碳刷與集電環的摩擦力f及碳刷與集電環每秒相對行程S決定。其中，f=μ·FN，S=π·n·d/60，μ為碳刷與集電環的摩擦系數，n為集電環每分鐘的轉速，與機組額定轉速一致。由此可見在機組額定工況下，碳刷與集電環摩擦總發熱量與碳刷數量的平方成正比。

（3）接觸電阻和散熱電阻發熱Q14=N·I·r，I為流過碳刷的電流，r為接觸電阻和散熱電阻的有效值；其中，I=IfN/N,所以Q14=IfN·r，既接觸電阻和散熱電阻發熱量Q14由碳刷與集電環接觸電阻和散熱電阻的有效值有關，與系統碳刷數量無關。

（4）滑環自身電阻很小，發熱很小，可以忽略不計，滑環發熱主要由碳刷摩擦發熱決定。

（5）導電環發熱為由勵磁電流通過導電環時產生的熱量，正常情況下，導電環自身及其與勵磁電纜接觸面發熱很小，也可以忽略不計。

換熱模擬計算時，滑環與碳刷摩擦產生的摩擦熱Q13以及碳刷與滑環接觸熱阻發熱Q14遠大于其余部件產生的熱量，所以為了計算方便，將滑環與碳刷摩擦產生的摩擦熱Q13以及碳刷與滑環接觸熱阻發熱Q14設計為集電裝置的熱源，即滑環與碳粉吸收裝置內流動空氣接觸面的邊界熱源，其值為q=15 612 W/m2。碳刷本身的電阻極低約為0.001 068 Ω，故其產生的焦耳熱忽略不計。滑環除與碳粉吸收裝置內的流動空氣換熱還有三個面與外界空氣直接換熱，換熱量較大不可忽略。故與外界空氣直接接觸的外表面設定一個換熱系數恒定的熱通量。

2.3 計算結果與分析

2.3.1 計算結果

（1）4 臺碳粉除塵器同時運行時空氣流速與溫度

圖3 空氣流速圖（4 臺風機投運）

圖4 溫度云圖（4 臺風機投運）

（2）1 臺風機停止時空氣流速與溫度

圖5 空氣流速圖（1 臺風機停運）

圖6 溫度云圖（1 臺風機停運）

2.3.2 分析總結

仿真計算結果表明，通過設置集塵罩及碳粉收集裝置，在集電環與集塵罩之間形成相對密閉空間較小，使集電環與碳刷接觸面的循環風量相對增加，集電環罩內風路狀況得以優化，加強了空氣流動和碳粉吸收效果，能夠及時將機組運行時產生的碳粉洗出，提升了集塵罩內空氣熱交換效率，使滑環系統運行可靠性更高。

3 應用與優化

3.1 應用情況

項目實施后，定期對碳粉吸收裝置運行情況及效果進行跟蹤，運行情況評估如下：

（1）碳粉吸收效果明顯，現滑環室內導電環、勵磁銅排、刷架等部位無碳粉堆積現象，碳粉均吸附于裝置濾芯內，滑環室整體環境明顯得到改善，滑環室內干凈整潔。

（2）8 F 機組加裝碳粉吸收裝置后，發電分部對滑環室內設備溫度進行了長期跟蹤，滑環室運行溫度比之前使用冷卻風機時偏高，見表2。

表2 碳粉吸收裝置改造后測溫情況對比（最高溫度）

由以上測溫數據可見，8 F 機組加裝碳粉吸收裝置后滑環溫度比之前使用冷卻風機時偏高，主要是因為碳粉吸收裝置是通過碳粉除塵器將滑環室內熱風吸入碳粉吸收管路，然后排出到滑環室外，被動降溫；而冷卻風機是將廠房內冷空氣往滑環室內吹，屬主動降溫，效果更為明顯。

（3）隨著機組運行時間的增加，下滑環表面狀況惡化嚴重，從而導致下滑環溫度迅速升高。

3.2 優化措施

針對8 F 加裝碳粉吸收裝置后滑環室溫度偏高現象，三峽水力發電廠聯系華能水電廠家做了諸多改進，主要有：

（1）對原碳粉吸收管路進行改進，將原“Y”字型吸收管路改進為上、下滑環各單獨安裝一根碳粉吸收軟管，見圖7、圖8。

圖7 改進前“Y”形進風管

圖8 優化后單獨進風管

（2）8 F 機頭兩側出風罩由原三層濾網改進為單層濾網，增加出風量。

（3）調換8 F 滑環正負極極性，減輕滑環負極碳刷打火及磨損。

（4）拆除原正負極間環氧擋風板，增加上下滑環冷卻空氣流量。

3.3 優化效果

經過優化改造，增加了集塵罩內冷卻空氣流量，使集電環與碳刷接觸面的循環風量相對增加，使滑環運行溫度明顯降低。改進后測溫數據見表5。

表5 改進后測溫數據（最高溫度）

由以上測溫數據可見，發電機加裝碳粉吸收裝置后滑環溫度比之前使用冷卻風機時略高，主要是因為碳粉吸收裝置采用被動降溫方式，通過碳粉除塵器將滑環室內熱風吸入碳粉吸收管路，然后排出到滑環室外；而冷卻風機是將廠房內冷空氣往滑環室內吹，屬主動降溫，降溫效果更為明顯。

滑環室加裝碳粉吸收裝置之后，有效解決了碳粉隨處飄落污染滑環室的問題，保障了設備的安全穩定運行。