劉家峽水輪發電機通風冷卻系統改造分析

張 瑋， 秦光宇， 劉平安

(1.國網甘肅省電力公司劉家峽水電廠，甘肅 永靖 731600；2.哈爾濱電機廠有限責任公司，哈爾濱 150040；3.水力發電設備國家重點實驗室 (哈爾濱大電機研究所)，哈爾濱 150040)

0 前言

劉家峽水電站位于甘肅省永靖縣境內黃河干流上，距蘭州市100km，海拔1631m[1]。電站以發電為主，兼顧防洪、防凌、航運、灌溉和工業城鎮供水等，是我國自主建造的第一座百萬千瓦級大型水電站。劉家峽電站第一臺機組于1969年3月投產發電，1974年5臺機組全部投產發電，設計多年平均發電量為57×109kW·h。1994年劉家峽水電廠開始進行機組改造，至2002年，電廠裝機容量由1225MW增至1350MW。由于改造范圍小和技術的局限，改造后的發電機存在定子繞組溫差大、電暈腐蝕嚴重、絕緣受損及端部變形等問題，為了使機組能夠長期安全穩定運行，需要從根本上解決機組存在的問題，其中通風系統改造是一項重要措施[2]。

1 改造前通風系統特點

改造前，發電機為雙路徑軸向轉子端部安裝斗式風扇通風結構[3-4]。發電機下風道從水泥基礎進風，上風道從上機架進風，被冷卻器冷卻的空氣經上、下風道進入機座內。在轉子旋轉產生的壓頭驅送下，冷卻空氣一部分流入轉子支架、磁軛風道和磁極極間，另一部分被斗式風扇壓入磁極極間，同時吹拂定子繞組端部。全部冷卻風量通過定子徑向通風溝匯集至定子鐵芯背部，攜帶發電機熱量進入冷卻器進行冷卻，形成密閉自循環通風方式[5]。改造前通風系統風路如圖1所示，轉子端部風斗結構如圖2所示。

圖1 發電機改造前風路

圖2 轉子端部風斗結構

這種結構的問題在于定子端部、銅環及引線處于封閉空間，僅有風斗對這部分空氣進行擾動從而進行冷卻，端部空間氣體溫度高、散熱系數低，部件冷卻難度大，過高的溫度會造成絕緣受損、繞組溫度分布不均等問題，長期運行危害機組安全[6-7]。為了改善端部冷卻條件，在定子端部對應機座壁開設通風道，使端部有冷卻風量流過，相應的風路如圖3所示。

圖3 發電機加強端部冷卻結構后風路

該結構下，端部冷卻效果有所改善。冷卻端部的空氣從冷卻器上、下機座壁的開孔流出，未經冷卻直接回到發電機內部，其溫度較冷卻器的出風溫度有所提高。

發電機共有12個冷卻器，其中繞簧式和針刺式冷卻器各6臺，呈穿插布置，繞簧式冷卻器冷卻效果優于針刺式冷卻器，出風溫度相差3K左右。與穿片式冷卻器相比，繞簧式和針刺式冷卻器換熱效果都比較差，新機組基本不再選用。

為了掌握改造前發電機通風系統的情況，對其風量、通風損耗及流場進行了測量觀測。

用風速表測量冷卻器出風平面的平均風速，此風速值與冷卻器出風面面積及冷卻器個數相乘，即得總風量。一個冷卻器出風面的面積為3.2m2，冷卻器數量為12，測試數據見表1。

表1 冷卻器風量測試數據

由于風速儀測得的風速與實際風速存在一定偏差，其曲線校正方程為 Vs＝1.027Vz＋0.124，式中，Vs為實際風速，Vz為風速儀測試值。由此計算得實際平均風速為4.19m/s，發電機通風系統總風量為161m3/s。

對定子端部機座開孔流場的觀測情況如圖4所示，可見有風從發電機內部流出。

圖4 定子端部機座開孔流場

通風損耗為發電機空轉時各冷卻器帶走的損耗[8]，即:

式中，Pa為被冷卻介質帶走的損耗，kW；Cp為冷卻介質比熱，kJ/(kg·K)；Q為冷卻介質流量，m3/s；ρ為冷卻介質密度，kg/m3；Δt為冷卻介質溫升，K。

由于劉家峽電站海拔較高，因此空氣密度比平原低。采用電阻網測得熱風平均溫度為27.95℃，冷風平均溫度為19.62℃，冷熱風溫差為8.33K，根據公式(1)計算得通風損耗為1380kW。

據電站反饋，當發電機有功功率為255MW時，定子平均溫度為75℃，最高點溫度為92℃，不均勻度大，且各部分溫度大多較低。電站的反饋數據說明風量余量較大，多余的風量造成了不必要的通風損耗。

2 定子改造方案與效果

根據發電機定子改造的要求，針對發電機改造前存在的問題，有針對性地給出了通風改造方案[9]。改造內容包括:

(1)更換定子機座，打開定子上、下端部對應位置；

(2)改換穿片式冷卻器，冷卻器最高出風溫度按37℃設計，以補償高海拔環境帶來的換熱能力降低，改善換熱效果；

(3)更換定子鐵芯和線圈，減小定子通風溝高度，增加定子通風溝個數，增加散熱面積，減小風量，控制通風損耗。

定子改造前后主要數據對比見表2。

表2 定子改造前后主要數據對比

應用線性技術將發電機內冷卻流體流動網絡簡化為線性網絡，應用各種元件模擬流道流阻、流體類型及壓力等，進行流體動力計算，定子改造發電機通風系統計算網絡如圖5所示，各部分風量分配如圖6所示。

圖5 定子改造發電機通風系統計算網絡

圖6 定子改造發電機通風系統風量分配

計算得到定子改造發電機通風系統風量為150.4m3/s，通風損耗為1226kW，真機試驗測得總風量為144.0m3/s，通風損耗為1230kW。風量和通風損耗計算誤差在4%以內。

通風系統風量減小至改造前的89.4%，通風損耗降低至改造前的89.1%，而經計算可知，通風系統的需要風量為129.7m3/s，風量留有裕量，可以滿足發電機冷卻要求。定子改造實現了減小風量、控制通風損耗的目標。

3 整機改造通風冷卻系統特點與效果

為了從根本上解決劉家峽水輪發電機的問題，整機改造需要改變通風系統風路。在定子改造的基礎上，進行轉子改造，形成雙路徑向無風扇 (風斗)端部回風密閉自循環全空氣冷卻結構。與改造前相比，流過定子端部的風向相反，定子端部由冷卻器流出的冷風直接冷卻，風量大，風溫低，冷卻效果好。通風系統結構簡單，風路穩定，無旋渦，通風損耗小，全部冷卻空氣都經過冷卻器冷卻，無熱風溢出，機坑環境得到改善[10-12]。整機改造后通風系統風路如圖7所示。這種通風系統已廣泛應用于三峽、拉西瓦、官地、錦屏等電站機組，并取得良好的運行效果。

圖7 整機改造后發電機通風系統風路

整機改造發電機通風系統計算網絡如圖8所示，各部分風量分配如圖9所示。

圖8 整機改造發電機通風系統計算網絡

圖9 整機改造發電機通風系統風量分配

定子徑向通風溝齒部風速分布如圖10所示。

圖10 定子徑向通風溝齒部風速分布

劉家峽水輪發電機整機改造后計算總風量為145.2m3/s，通風損耗為1068kW，總風量和通風損耗進一步降低。由圖10可以看出，定子徑向通風溝風速均勻，保證了定子鐵芯和繞組具有相近的冷卻條件，從而使溫度分布趨于均勻。

為了驗證該風量下定、轉子各部分溫度，采用有限元法對額定260MW工況下的定、轉子溫度場進行了計算，其中冷風溫度按37℃計算。定子溫度計算結果如圖11所示，定子鐵芯溫度計算結果如圖12所示，轉子磁極溫度計算結果如圖13所示，勵磁線圈溫度分布曲線如圖14所示。

圖11 定子溫度計算結果 (單位:℃)

圖12 定子鐵芯溫度計算結果 (單位:℃)

圖13 轉子磁極計算區域溫度 (單位:℃)

圖14 勵磁線圈溫度分布曲線

計算得定子鐵芯最高溫度為79.2℃，定子線棒層間絕緣最高溫度為101.1℃，勵磁線圈平均溫度為103.2℃。定子軸向溫度分布均勻，轉子磁極迎風面溫度較背風面溫度略低，額定運行時的計算結果說明定、轉子各部件溫度都在設計經驗和運行實踐合理范圍之內?，F場有監測數據顯示，當發電機有功功率為230MW時，整機改造后的定子平均溫度為57℃，最高點溫度為59.4℃，最大溫差4.9K。整機改造效果良好，可完全確保劉家峽水輪發電機的安全可靠穩定運行。

4 結論

劉家峽水輪發電機改造采用了先改定子再改轉子的整機改造方式，逐漸控制風量，最終采用密封性能優異的雙路徑向端部回風通風冷卻系統代替原機轉子風斗結構，不僅提高了機組的安全可靠性，而且改善了溫度分布的均勻度，提升了定子鐵芯防翹曲性能及使用壽命，同時大幅降低了通風損耗，提高了發電機效率。

劉家峽水輪發電機改造是老舊機組增容改造的成功案例，可為后續機組改造提供經驗。