AP1000核電廠發(fā)電機冷卻方式設(shè)計特點分析

趙宏宇

(中核遼寧核電有限公司，遼寧 葫蘆島125000）

0 前言

眾所周知，電機容量的提升主要靠增加電機的線性尺寸和電磁負(fù)荷兩種途徑來實現(xiàn)。然而增大線性尺寸的同時也會增大損耗（因為電機的損耗與線性尺寸的三次方成正比），這會造成電機效率下降；而增加磁負(fù)荷，則會受到磁路飽和的限制。所以提高電機容量的主要措施在于增加線路負(fù)荷。但是增加線路負(fù)荷的同時會增加繞組的銅損耗，線圈的溫度會升高，加速絕緣老化，降低電機壽命[1]。這時就需要采取有效的冷卻方式帶走發(fā)電機的產(chǎn)生的熱能，以保證發(fā)電機安全可靠的運行。綜上所述，提高發(fā)電機的容量，主要是依靠提升發(fā)電機的冷卻技術(shù)實現(xiàn)的。

1 大型汽輪發(fā)電機的主要冷卻方式

目前汽輪發(fā)電機采用的冷卻方式按冷卻介質(zhì)分類主要包括空冷、氫冷、水冷、油冷以及蒸發(fā)冷卻（兩相流冷卻）等；按冷卻位置分類包括表面冷卻和內(nèi)部冷卻，表面冷卻就是通過冷卻介質(zhì)（氫氣、空氣）和發(fā)電機本體進行表面對流換熱帶走熱量，這種方式換熱能力相對較差；內(nèi)部冷卻就是將冷卻介質(zhì)（水、油、氫氣）通過導(dǎo)線內(nèi)部，帶走熱量再與外置的熱交換器進行換熱，這種方式的換熱能力更強。目前大容量發(fā)電機的冷卻方式一般不只通過單一的手段，多是內(nèi)外冷卻相結(jié)合，多種介質(zhì)相結(jié)合。對于不同的部位（定子鐵芯、定子繞組、發(fā)電機殼體、轉(zhuǎn)子繞組等）采用相適應(yīng)的的方式，以達到最好的冷卻效果。

2 AP1000核電廠發(fā)電機冷卻方式

2.1 AP1000核電廠發(fā)電機的冷卻方式概述

我國首座AP1000核電站的發(fā)電機是從日本三菱電機公司引進的技術(shù)，采用“水氫氫”的冷卻方式。發(fā)電機采用整體全封閉、內(nèi)部氫氣循環(huán)、定子繞組水內(nèi)冷、定子鐵心及端部結(jié)構(gòu)件氫氣表面冷卻、轉(zhuǎn)子繞組氣隙氫氣內(nèi)冷的冷卻方式[2]。 總體布置如圖1。

圖1 發(fā)電機總體布置圖

圖2 發(fā)電機定子繞組內(nèi)水路循環(huán)示意圖

2.2 定子線圈通過空心銅線直接水冷

定子繞組進出水匯流母管分別安裝在發(fā)電機基座的勵磁端和汽機端。冷卻水先由外部管路進入勵磁端匯流母管，然后經(jīng)絕緣引水管進入線圈內(nèi)部，再經(jīng)絕緣引水管匯集到汽機端集水母管中，并經(jīng)外部管路引出。發(fā)電機的出線套管，出線端子和中性點母線也是水內(nèi)冷方式。但是通過單獨的水路循環(huán)，最后經(jīng)過總的出線匯流總管流出發(fā)電機。發(fā)電機冷卻水回路如圖2。

AP1000發(fā)電機定子采用并聯(lián)單流水路即每個線圈內(nèi)流過二條水路，每半匝線棒為一條水路，故又稱為半匝水路。由于這種水路的進水和出水母管分別布置在電機內(nèi)的勵磁側(cè)和汽輪機側(cè)，故又稱這種水路為雙邊進出方式。這種方案上層和下層線棒內(nèi)的水流方向相同，具有水路短、水壓降小、進水壓力低的優(yōu)點。

繞組上層、下層線棒端部通過導(dǎo)電并頭套把兩線棒的空心與實心導(dǎo)線一起套住，套內(nèi)線棒間用導(dǎo)電的斜楔固定，保持電的良好通路。每根線棒的端頭伸出并頭套外，伸進各自的水接頭盒進行封焊。兩個線棒的水接頭各自經(jīng)絕緣引水管接至進/出水母管。這種水電連接方式的好處是：水路和電路分開，水接頭不導(dǎo)電，接頭部位的股線不會發(fā)生不填實問題，運行中出線斷股的可能性很低。定子繞組端部結(jié)構(gòu)如下圖3所示。

圖3 定子繞組端部結(jié)構(gòu)示意圖

2.3 定子鐵芯通過鐵心軸向風(fēng)道直接氫冷

定子鐵芯的疊裝結(jié)構(gòu)與其通風(fēng)散熱方式有關(guān)。大容量電機鐵芯的通風(fēng)冷卻一般有三種方式：鐵芯軸向分段徑向通風(fēng)、鐵芯內(nèi)軸向通風(fēng)、半軸向通風(fēng)。AP1000發(fā)電機定子采用的是全軸向通風(fēng)式鐵芯，沿軸向是不分段的，鐵芯軛部沖有幾排孔徑較大的通風(fēng)孔，鐵芯齒部也沖有幾排孔徑較小的通風(fēng)孔，通風(fēng)孔全軸向貫通。

2.4 轉(zhuǎn)子線圈軸向-徑向氫冷

轉(zhuǎn)子繞組內(nèi)的通風(fēng)是采用的是軸向-徑向結(jié)合的方式。氫氣一方面會通過轉(zhuǎn)子和定子間隙通過表面冷卻方式帶走熱量。此外，轉(zhuǎn)子線圈內(nèi)部也設(shè)有通風(fēng)口，氫氣在風(fēng)扇的驅(qū)動下會從轉(zhuǎn)子兩端沿軸向進入通風(fēng)口內(nèi)，并在轉(zhuǎn)子的中間位置沿徑向排出。如圖4所示。

圖4 轉(zhuǎn)子繞組內(nèi)通風(fēng)口示意圖

2.5 氫氣冷卻器和高壓風(fēng)扇

發(fā)電機機座頂部布置了氫氣冷卻器（背包式），分為4個序列，在所有4個序列都在運行的情況下，設(shè)計功率為100%容量。氫氣冷卻器的冷卻水來自電廠的閉式冷卻水系統(tǒng)。當(dāng)氫氣冷卻器中任意一個序列退出運行，氫冷器仍然具有90%的容量運行。

發(fā)電機僅在集電環(huán)端設(shè)置了一個由5級動風(fēng)葉、6級靜風(fēng)葉組成的高壓軸流風(fēng)扇，風(fēng)扇座環(huán)分三段分別熱套在轉(zhuǎn)子軸上，以驅(qū)動機內(nèi)氫氣的循環(huán)冷卻。

整個發(fā)電機內(nèi)部是充滿氫氣的密封環(huán)境，包括定子鐵芯、轉(zhuǎn)子繞組和定子與內(nèi)殼之間的空隙都有氫氣循環(huán)不斷帶走熱量。氫氣由高壓風(fēng)扇驅(qū)動通過通風(fēng)孔和通風(fēng)槽打入通風(fēng)道內(nèi)，再通過轉(zhuǎn)子繞組內(nèi)徑向和軸向的通風(fēng)道、定子鐵芯內(nèi)軸向的通風(fēng)道、定子與轉(zhuǎn)子之間的間隙、定子與機殼之間的間隙，最后返回到氫氣冷卻器與電廠閉式冷卻水進行熱交換。發(fā)電機內(nèi)通風(fēng)流程如圖5。

圖5 發(fā)電機內(nèi)部通風(fēng)示意圖

3 AP1000核電廠發(fā)電機氫氣參數(shù)控制

雖然氫氣作為冷卻介質(zhì)有太多的好處，但是由于氫氣本身是非常易燃易爆的氣體，有非常大爆炸極限范圍（4%~75%），這意味著任何一點輕微的泄漏都可能造成嚴(yán)重的后果。AP1000核電廠設(shè)置了專門的輔助系統(tǒng)用于保證氫氣的純度和干度是滿足要求的[3]。

3.1 氫氣供應(yīng)單元

在電廠正常運行期間向發(fā)電機提供H2，并自動維持氫氣壓力在規(guī)定值（0.53~0.585MPa.g之間，低負(fù)荷工況下允許氫壓稍低）。H2供應(yīng)單元接受高達15MPa.g的高壓H2，隨后將H2壓力降低到0~0.7MPa.g后供應(yīng)到發(fā)電機內(nèi)。為避免H2和空氣接觸，在對H2進行沖排操作的時候使用CO2作為中間介質(zhì)。

3.2 氫氣壓力/純度監(jiān)測單元

發(fā)電機設(shè)有專門的H2壓力/純度測量單元，時刻監(jiān)視H2純度和壓力。氣體純度測量的原理是利用共振器周圍氣體密度的變化引起共振器振蕩頻率的變化而得到。在發(fā)電機風(fēng)扇的低壓區(qū)連接有壓力傳感器和壓力表。

3.3 氫氣干燥器

H2干燥器是全自動能夠循環(huán)連續(xù)運行的雙塔干燥器，通過發(fā)電機的風(fēng)扇驅(qū)動使H2通過一個干燥塔去除H2中的水分和濕汽，從而保持發(fā)電機繞組的干燥。另外一個塔處于備用狀態(tài)，進行自動再生和除濕功能。干燥塔由微機控制全自動運行，由定時器或運行的干燥塔出口露點溫度ffgt;－5℃后切換到備用干燥塔。

此外，發(fā)電機還設(shè)置了H2泄漏監(jiān)測裝置，在檢測到H2泄漏超過設(shè)定值時將產(chǎn)生報警。

3.4 發(fā)電機密封油系統(tǒng)

AP1000核電廠發(fā)電機內(nèi)部是充滿氫氣的環(huán)境，在轉(zhuǎn)子穿過端蓋的位置是存在H2泄漏風(fēng)險的。因此，設(shè)置密封油系統(tǒng)為安裝于發(fā)電機兩側(cè)的軸封密封環(huán)提供壓力油進行潤滑和密封，防止H2發(fā)生泄漏。

密封油系統(tǒng)為雙流型，分為空側(cè)密封油回路和氫側(cè)密封油回路。軸封密封槽有兩個環(huán)形槽，形成兩個單獨的油路，空側(cè)密封油在外側(cè)流動，氫側(cè)密封油在內(nèi)測流動。在密封環(huán)處維持空側(cè)密封油壓力比發(fā)電機內(nèi)氫氣壓力高出85kPa，同時氫側(cè)密封油壓稍高于空側(cè)密封油壓，保證H2不會泄露出去[3]。

4 AP1000核電廠發(fā)電機定子冷卻水水質(zhì)控制

發(fā)電機使用水內(nèi)冷的情況下，要特別注意水質(zhì)的控制。AP1000核電廠的發(fā)電機配備有專門的定子冷卻水系統(tǒng)，時刻控制冷卻水質(zhì)。系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置過濾器，以去除水中的雜質(zhì)，避免出現(xiàn)堵管現(xiàn)象；此外還設(shè)有專門的離子交換器，保證冷卻水的電導(dǎo)率和PH值符合要求（電導(dǎo)率低于5μs/cm，PH值在6~8之間）[3]。

5 結(jié)語

AP1000的發(fā)電機是MELCO采用引進的西屋公司技術(shù)及MELCO發(fā)展的技術(shù)相結(jié)合的設(shè)計路線。通過MELCO制造的首臺機組的溫升指標(biāo)也非常的優(yōu)秀。定子繞組溫升為20.4K（進水50℃），定子鐵芯溫升為28.2K（進風(fēng)45℃），轉(zhuǎn)子繞組溫升45.8K（進風(fēng)45℃），而F級絕緣的繞組溫升限值為100K，最高允許溫度為155℃。但是還是存在一些問題值得我們思考：

（1）采用單側(cè)布置的高壓風(fēng)扇可能帶來過大風(fēng)損和軸向溫度溫度分布不均的問題，風(fēng)路末端的溫升可能會稍高一點。有人提出過采用兩端低壓風(fēng)扇的布置方式并配合定子鐵芯的多路徑向通風(fēng)方案。哪個方案更優(yōu)秀還是需要運行后方能檢驗。

（2）密封油存在有進油風(fēng)險。雖然在密封環(huán)處設(shè)置了迷宮型密封齒，但是由于油氫壓差的存在，進油風(fēng)險還是不可避免。在跟調(diào)試人員交流的過程中也得到了肯定的答案，只能靠發(fā)電機監(jiān)測裝置隨時監(jiān)控，這就要求運行人員要時刻關(guān)注進油的風(fēng)險。

AP1000核電站目前沒有商運經(jīng)歷，任何的設(shè)計和創(chuàng)新都需要實踐的檢驗，AP1000堆型的技術(shù)創(chuàng)新和優(yōu)勢是有目共睹的，它的未來應(yīng)該是非常有前景的。

［1］倪天軍.大型發(fā)電機主要冷卻方式及特點[J].東方電氣評論，2006（1）.

［2］劉大鵬，彭麗媛.AP1000型汽輪發(fā)電機性能和結(jié)構(gòu)特點述評及優(yōu)化方向[J].大電機技術(shù)，2013（4）.

［3］顧軍.AP1000核電廠系統(tǒng)與設(shè)備[M].原子能出版社，2010.