發(fā)電機定子冷卻水系統(tǒng)節(jié)能潛力

謝尉揚

（浙能技術中心，杭州市，310052）

0 引言

發(fā)電機定子冷卻水系統(tǒng)的作用是通過冷卻水帶走發(fā)電機定子線圈產(chǎn)生的熱量，防止定子線圈超溫。國內(nèi)引進西屋、日立、東芝技術生產(chǎn)的水-氫-氫冷發(fā)電機，定子內(nèi)冷線圈采用銅質(zhì)材料。為維持定子冷卻水的水質(zhì)，該系統(tǒng)除定子以外的設備和管道全部采用不銹鋼材料，并通過過濾、水質(zhì)再生和水箱充氮等措施，防止線圈銅質(zhì)材料的氧化和腐蝕。定子冷卻水系統(tǒng)通常配置有水箱、水泵、冷卻器、過濾器、調(diào)節(jié)閥、去離子裝置等設備以及各種測量儀器[1-12]。集裝式定子冷卻水裝置一般布置在標高低于發(fā)電機本體的汽輪機房0 m層或夾層，為防止定子冷卻水回水可能產(chǎn)生的虹吸現(xiàn)象，從發(fā)電機定子線圈匯水管出來的冷卻水被破壞真空后流回到定子冷卻水箱。如果能合理地控制定子冷卻水的流量，并且利用冷卻水的回水勢能，該系統(tǒng)還有較大的節(jié)能潛力。

1 定子冷卻水流量

機組投運后發(fā)電機定子冷卻水的流量通常被設定為一定值，但實際上發(fā)電機的負荷必須隨時服從電網(wǎng)調(diào)度的指令，發(fā)電機定子線圈產(chǎn)生的熱量隨負荷而變，基本上呈線性關系。當發(fā)電機負荷下降時，如果定子冷卻水的流量維持不變，則定子冷卻水的溫升必定降低；如果只維持定子線圈的出水溫度不超標，則可以減少定子冷卻水的流量，從而降低該系統(tǒng)的能耗。通過試驗，可以找出在定子線圈出水溫度不超標條件下機組負荷與冷卻水流量的關系，按照所需的流量進行控制，就能達到節(jié)能的目的。改變冷卻水流量可以通過調(diào)節(jié)閥來實現(xiàn)，也可以利用電機變頻技術，通過改變水泵轉速來實現(xiàn)。目前控制流量常規(guī)的手段是利用調(diào)節(jié)閥，但水流通過調(diào)節(jié)閥后會產(chǎn)生一定的壓降，造成相應的能量損失。由于離心泵比較平坦的壓力-流量特性，在流量減少時壓力升高的幅度較小，故利用調(diào)節(jié)閥節(jié)流也能起到較好的節(jié)能效果。考慮到管道系統(tǒng)的阻力特性與流速（流量）的2次方成比例關系，當流量降低時系統(tǒng)的阻力也相應降低，因此可以利用電機變頻技術，通過降低水泵的轉速來降低系統(tǒng)的流量和阻力，由于水泵的功率與轉速的3次方成比例關系，因而其節(jié)能效果將更加明顯。由于水泵特性必須與管路系統(tǒng)的阻力特性相匹配，具體的轉速降低范圍還需要通過現(xiàn)場試驗來確定。

2 回水勢能

由于集裝式定子冷卻水裝置低位布置于發(fā)電機下面，定子冷卻水的回水通常被破壞真空后流回到冷卻水箱，沒能利用虹吸效應，從而浪費了回水的勢能。如果定子冷卻水設備（水箱）布置在0 m層，從回水管高點到冷卻水箱的高差則是從運行層到0 m層的高差，300 MW機組有12 m，600 MW機組有13.7 m，1 000 MW機組有17 m，即使是布置在夾層，也約有上述一半的高差，與冷卻水泵的揚程相比，這部分高差也占相當比例。如果要利用這部分回水的勢能，必須對系統(tǒng)進行合理的布置，讓整個冷卻水的回水管也充滿水。譬如可以將水箱從集裝式定子冷卻水裝置中分離出來，提高其布置標高，使之能略高于（幾m即可）定子冷卻水回水的最高點，其他定子冷卻水設備仍低位布置在0 m層或夾層，這樣既可保證整個定子冷卻水系統(tǒng)的管路充滿水，又不會過于增加整個系統(tǒng)的壓力。這時候的水箱在高位，主要起到系統(tǒng)膨脹水箱的作用，因而可以大大減小水箱的容量。定子冷卻水系統(tǒng)這樣布置后，由于利用了回水的勢能，可以相應地降低冷卻水泵的揚程，理論上可以降低回水高差。目前采用西門子技術的1 000 MW汽輪發(fā)電機，定子冷卻水系統(tǒng)的水箱已經(jīng)高位布置，充分利用了回水的勢能，水箱的容積為0.58 m3，而某公司生產(chǎn)的水箱采用低位布置，其容積為5 m3。

如果不能完全利用定子冷卻水的回水勢能，也可設法利用一部分。譬如將布置在0 m層的集裝式定子冷卻水裝置提高到夾層，這樣回水勢能的損失可以從運行層至0 m層的高差減少到從運行層至夾層的高差，相當于利用了從夾層到0 m層高差的回水勢能，這時候水泵的揚程也可相應減少，這樣布置縮短了管道的總體長度，也降低了管道的阻力。

3 水質(zhì)再生

當定子冷卻水系統(tǒng)是有銅系統(tǒng)時，為防止銅質(zhì)材料的氧化和腐蝕，對冷卻水的水質(zhì)有較高的要求。按照DL/T 801—2002《大型發(fā)電機內(nèi)冷水質(zhì)及系統(tǒng)技術要求》，定子冷卻水應采用除鹽水或凝結水，水質(zhì)要求如下：pH（25℃）值7.0～9.0，電導率（25℃）不大于2.0 μs/cm，硬度小于2.0 μmol/L，溶氧量小于30 μg/L，含銅量不大于40 μg/L，溶氨量小于300 μg/L。為保證水質(zhì)指標，定子冷卻水的整個外部系統(tǒng)采用全不銹鋼材料，同時對定子冷卻水的水箱進行充氮保護，以防止空氣進入該系統(tǒng)；另一方面還專門對冷卻水進行去離子再生處理，通常是配置1套樹脂交換裝置，將冷卻水流量的10%～20%經(jīng)樹脂交換裝置再生，再生后的高純度水流回到系統(tǒng)。如果系統(tǒng)的水質(zhì)維持較好，則可以減少再生水的流量，甚至可以暫時不進行再生處理，相應節(jié)省水泵的能耗。當定子冷卻線圈內(nèi)襯不銹鋼材料時，整個系統(tǒng)為全不銹鋼系統(tǒng)，水中無含銅量，水質(zhì)指標較容易保證，可以減少冷卻水的再生流量。如采用西門子技術的1 000 MW汽輪發(fā)電機，定子冷卻線圈內(nèi)襯不銹鋼，該系統(tǒng)僅對補充水部分進行樹脂交換處理，并且流量也很小（120 L/h），不需要額外消耗水泵的功率。由于系統(tǒng)水質(zhì)較好，并且無泄漏，實際上不需要一直補水，建議對系統(tǒng)進行適當優(yōu)化，從水泵出口增加1路相應流量的旁路水經(jīng)樹脂再生后流回系統(tǒng)，這樣可以減少系統(tǒng)的溢流損失。

4 節(jié)能潛力分析

以1 000 MW汽輪發(fā)電機為例，對A公司和B公司生產(chǎn)的定子冷卻水系統(tǒng)進行比較。A公司設置了冷卻水高位水箱，水箱布置在25 m標高，保證了定子冷卻水的回水管充滿水，充分利用了冷卻水的回水勢能。B公司的冷卻水箱在集裝式定子冷卻水裝置內(nèi)，整體布置于汽輪機房的0 m層，定子冷卻水的回水按破壞虹吸設計，沒有利用冷卻水的回水勢能。2家制造廠要求發(fā)電機定子線圈的冷卻水流量均為120 m3/h，所配定子冷卻水泵的額定參數(shù)見表1。

表1 1 000 MW汽輪發(fā)電機定子冷卻水泵額定參數(shù)Tab.1 Rated parameters of stator cooling water pump of 1 000 MWturbo-generator

由制造廠選配的水泵電機功率可知，A公司的功率比B公司的低27%，即使按水泵在額定參數(shù)下的軸功率計算，假定水泵的效率一致，前者的軸功率也比后者低33%。如果將B公司的定子冷卻水系統(tǒng)改造成高位水箱布置，僅以水泵揚程降低17 m計算，水泵的功率也能降低16%。

當集裝式定子冷卻水裝置的布置從0 m層提高到夾層時，1 000 MW機組的這2層高差有8.6 m，理論上計算B公司的冷卻水泵功率可以降低8%，A公司的冷卻水系統(tǒng)由于已經(jīng)利用了回水勢能，集裝式定子冷卻水裝置標高的提高不能再降低能耗，但可以縮短管道的長度，減小管道的阻力，因而也是有利的。

目前火電廠機組負荷率平均為75%，只要能維持定子線圈冷卻水的出口溫度不超標，如果以調(diào)節(jié)閥來控制冷卻水流量，大約可以節(jié)約20%的能耗；如果定子冷卻水泵采用電機變頻技術，在流量減小的同時還可降低水泵的出口壓力，即使考慮到水泵轉速降低對水泵效率的影響，也可以節(jié)省更多的能耗，機組負荷率越低時節(jié)能效果越明顯。

5 結語

發(fā)電機定子冷卻水系統(tǒng)的總功率雖然不大，但如果能充分利用系統(tǒng)的回水勢能，并且按定子線圈的出水溫度不超標來控制冷卻水流量，仍具有可觀的節(jié)能潛力，可以從系統(tǒng)的合理布置、流量的控制手段以及水質(zhì)再生流量最小化等方面對系統(tǒng)進行優(yōu)化和改進。對于B公司1 000 MW汽輪發(fā)電機的定子冷卻水系統(tǒng)，如果能夠充分利用冷卻水的回水勢能，水泵可以降低16%的功率，即使僅將集裝式定子冷卻水裝置的布置從汽輪機房0 m層提高到夾層，冷卻水泵也能降低8%的功率。按目前機組平均75%的負荷率計算，只要維持定子線圈出水溫度不超標，如果以調(diào)節(jié)閥來控制冷卻水流量，大約可以節(jié)約20%的能耗；如果對冷卻水泵采用電機變頻技術，則可以節(jié)省更多的能耗。

[1]DL/T 801—2002大型發(fā)電機內(nèi)冷水質(zhì)及系統(tǒng)技術要求[S].北京：中國電力出版社，2002.

[2]DL/T 1039—2007發(fā)電機內(nèi)冷水處理導則[S].北京：中國電力出版社，2007.

[3]王麗娟.1 000 MW汽輪發(fā)電機氫油水控制系統(tǒng)[J].東方電機，2005（4）：56-59.

[4]劉春紅.大型發(fā)電機冷卻水質(zhì)量標準討論[J].華東電力，2003，31（11）：68-71.

[5]王志平，余興林.QFSN-600-2YHG型發(fā)電機定冷水處理方式的改進探索[J].華北電力技術，2007（10）：22-24，45.

[6]孫本達，馬智敬.超超臨界機組發(fā)電機內(nèi)冷水運行中存在的問題及處理[J].熱力發(fā)電，2009，38（1）：96-98.

[7]陳建華.發(fā)電機內(nèi)冷水系統(tǒng)微堿性循環(huán)處理改造方案[J].寧夏電力，2009（2）：56-57.

[8]蘇 堯，馬 英.大型發(fā)電機內(nèi)冷水處理方法介紹[J].內(nèi)蒙古電力技術，2008，26（2）：29-32.

[9]張建麗，李保國.發(fā)電機定子內(nèi)冷水工況的優(yōu)化調(diào)節(jié)[J].華北電力技術，2003（4）：1-3.

[10]任致程.電動機變頻器實用手冊[M].北京：中國電力出版社，2004.

[11]吳劍恒，葉金勤.變頻技術在泵與風機節(jié)能改造中的應用分析[J].節(jié)能，2008（5）：33-36.

[12]呂 剛，嚴春豪.凝泵變頻改造節(jié)能效果分析[J].江西電力，2007（5）：44-47.