汽輪發(fā)電機(jī)冷卻系統(tǒng)的研究

黃帥

【摘要】電力工業(yè)的發(fā)展已經(jīng)作為評價一個國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展情況的重要指標(biāo)，因此擴(kuò)大作為我國主要發(fā)電設(shè)備的汽輪發(fā)電機(jī)的容量就顯得十分必要。而汽輪發(fā)電機(jī)在目前的實際生產(chǎn)中仍存在著較多問題，尤其是汽輪發(fā)電機(jī)的冷卻系統(tǒng)。本研究分析了我國汽輪發(fā)電機(jī)冷卻系統(tǒng)的研究近況，并重點(diǎn)介紹了汽輪發(fā)電機(jī)冷卻系統(tǒng)的主要類型。

【關(guān)鍵詞】汽輪發(fā)電機(jī)；冷卻系統(tǒng)

1.汽輪發(fā)電機(jī)冷卻系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

由于電力的方便和快捷，其使用情況一直被作為評判城市現(xiàn)代化的指標(biāo)之一。我國在建國初期發(fā)電設(shè)備的總裝機(jī)容量只有1850MW，而隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，我國發(fā)電設(shè)備的總裝機(jī)容量也迅速發(fā)展到世界第二位的440700MW。雖然我國發(fā)電設(shè)備總裝機(jī)容量已經(jīng)位于世界前幾名，但是由于我國人口眾多，導(dǎo)致我國人均發(fā)電裝機(jī)容量極低。因此汽輪發(fā)電機(jī)作為我國目前最主要的發(fā)電設(shè)備急需向大容量發(fā)展，而汽輪發(fā)電機(jī)的一個重要質(zhì)量指標(biāo)就是冷卻系統(tǒng)，因為冷卻系統(tǒng)對于汽輪發(fā)電機(jī)的使用時間和生產(chǎn)效率是十分重要的。目前，國內(nèi)外采用的冷卻介質(zhì)包括氣體、液體和氣液混合三種。國外已經(jīng)研究開發(fā)出大型氫氣冷卻型汽輪發(fā)電機(jī)及空氣冷卻型汽輪發(fā)電機(jī)，并且逐漸向大容量汽輪發(fā)電機(jī)發(fā)展，美國等西方國家和日本已經(jīng)達(dá)到可以生產(chǎn)適用1000MW級汽輪發(fā)電機(jī)的冷卻系統(tǒng)。而我國對于冷卻系統(tǒng)的研究則較晚，目前汽輪發(fā)電機(jī)最大容量僅為650MW，因此急需加大對大容量汽輪發(fā)電機(jī)冷卻系統(tǒng)的研究。

2.汽輪發(fā)電機(jī)冷卻系統(tǒng)的重要性

2.1汽輪發(fā)電機(jī)擴(kuò)大容量的方法

電力是我國最重要的工業(yè)能源，也是保障我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)能夠正常進(jìn)行的重要能源之一，而汽輪發(fā)電機(jī)是我國目前最主要的發(fā)電設(shè)備，因此建設(shè)大型汽輪發(fā)電機(jī)就顯得更加迫在眉睫，對大容量汽輪發(fā)電機(jī)的研究也變得十分重要。目前，加大汽輪機(jī)的線性尺寸和增加汽輪機(jī)的電磁負(fù)荷是兩種最主要擴(kuò)大汽輪發(fā)電機(jī)容量的方法。而第一種方法在實際生產(chǎn)中運(yùn)用起來難度較大，因此第二種方法成為擴(kuò)大汽輪發(fā)電機(jī)容量的主要方法，然而這會導(dǎo)致汽輪機(jī)的線棒銅損率升高，使得汽輪機(jī)的線圈溫度急劇升高，從而導(dǎo)致汽輪發(fā)電機(jī)的溫度高于標(biāo)準(zhǔn)要求、產(chǎn)生安全事故。因此冷卻系統(tǒng)的研究是保障汽輪發(fā)電機(jī)容量擴(kuò)大的根本。

2.2冷卻系統(tǒng)對擴(kuò)大單機(jī)容量的重要性

擴(kuò)大汽輪發(fā)電機(jī)容量的基礎(chǔ)在于提升其單機(jī)容量，從而提升機(jī)組容量以達(dá)到增加汽輪發(fā)電機(jī)發(fā)電量的要求。因為對于總?cè)萘抗潭ǖ钠啺l(fā)電機(jī)組來說，其單機(jī)容量與每產(chǎn)生一千瓦單位電量所消耗的材料是成反比的，也就是說單機(jī)容量越大，汽輪發(fā)電機(jī)的生產(chǎn)效率就越高、造價越低。因此，汽輪發(fā)電機(jī)的單機(jī)容量也是決定汽輪發(fā)電機(jī)經(jīng)濟(jì)性能的重要指標(biāo)之一。前文中已經(jīng)提到了在實際生產(chǎn)中，增加汽輪機(jī)的電磁參數(shù)是擴(kuò)大汽輪機(jī)容量的主要方法。但是由于汽輪機(jī)中的部件主要為金屬和一些絕緣材料，他們的導(dǎo)熱性能較好，因此增加電磁符合會導(dǎo)致一些部件受損，同時也會提高線圈的溫度。而汽輪發(fā)電機(jī)溫度的升高也會影響其各種金屬部件和絕緣材料的使用壽命，尤其是當(dāng)溫度升高到某一點(diǎn)時，汽輪發(fā)電機(jī)中的絕緣材料就會失去其應(yīng)有的效果。對于汽輪發(fā)電機(jī)中的金屬部件，高溫則會降低其硬度和強(qiáng)度，從而導(dǎo)致變形等問題產(chǎn)生。因此冷卻系統(tǒng)對提高汽輪發(fā)電機(jī)組的單機(jī)容量是十分重要的。

3.汽輪發(fā)電機(jī)的冷卻系統(tǒng)

3.1空氣冷卻系統(tǒng)

空氣由于其在生活中無處不在并且完全免費(fèi)的特性，使其成為了一種廉價且簡單易得的冷卻介質(zhì)，在汽輪發(fā)電機(jī)發(fā)展的初期得到了廣泛的研究與應(yīng)用，世界上第一臺汽輪發(fā)電機(jī)就是以自然通風(fēng)作為冷卻方式。但是初期的空氣冷卻系統(tǒng)效率較低，在后期逐漸被氫氣冷卻系統(tǒng)代替。而隨著科技的發(fā)展，通風(fēng)冷卻技術(shù)的研究開發(fā)和適合應(yīng)用到汽輪發(fā)電機(jī)中新型材料的出現(xiàn)，使得空氣冷卻型汽輪發(fā)電機(jī)重新發(fā)展起來。由于空氣冷卻型汽輪發(fā)電機(jī)中的機(jī)械損耗主要是通風(fēng)損耗，因此目前的研究主要是針對如何降低通風(fēng)磨損和冷卻風(fēng)扇的動力損耗來改進(jìn)空氣冷卻系統(tǒng)。我們可以通過優(yōu)化通風(fēng)結(jié)構(gòu)來增加空氣流通的面積以達(dá)到降低通風(fēng)損耗的目的，而空氣冷卻系統(tǒng)中最重要的通風(fēng)部件就是風(fēng)扇，風(fēng)扇的轉(zhuǎn)動需要消耗掉部分機(jī)械能，這部分機(jī)械能除了轉(zhuǎn)換成冷卻空氣的勢能和動能外，由于風(fēng)扇這一部件和其他部件或空氣的摩擦也會產(chǎn)生部分熱能，因此如何減少這部分機(jī)械能的損失也是我們研究的重點(diǎn)。隨著空氣冷卻系統(tǒng)的發(fā)展，空氣冷卻型汽輪發(fā)電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)也逐漸體現(xiàn)出來，空氣只能作為燃燒的介質(zhì)，其本身不會燃燒、也不會爆炸，因此空氣的安全性較高。并且空冷卻型汽輪發(fā)電機(jī)通常構(gòu)造比其他類型發(fā)電機(jī)更為簡單，因此比較便于修理和維護(hù)，其生產(chǎn)過程中的消耗也較少、經(jīng)濟(jì)性也相對較高。

3.2氫氣冷卻系統(tǒng)

氫氣冷卻系統(tǒng)最初是作為空氣冷卻系統(tǒng)代替品出現(xiàn)的，因為空氣冷卻系統(tǒng)在單組電機(jī)容量增加到一定高度時，在冷卻效率和溫度升高這些方面都出現(xiàn)了問題。氫氣冷卻型汽輪發(fā)電機(jī)中通常使用95%-96%的氫氣，氫氣的導(dǎo)熱系數(shù)要遠(yuǎn)高于空氣，而密度卻只有空氣的7%。因此在相同的冷卻效果條件下，氫氣相比較與空氣冷卻速度更快、效率更高，并且氫氣冷卻型汽輪發(fā)電機(jī)體積更小。而且由于氫氣具有抑制電暈的特性，他可以延長絕緣性材料的壽命。但是氫氣的易爆性使其在使用的過程中也存在著部分安全隱患。

3.3液體冷卻系統(tǒng)

液體冷卻的使用時間較早，1917年已經(jīng)開始使用變壓器油作為一種冷卻介質(zhì)。由于水具有較大的比熱容和導(dǎo)熱系數(shù)、變壓器油的介電常數(shù)較高，因此這兩種液體作為液體冷卻中兩種最主要的冷卻介質(zhì)也得到了較為廣泛的應(yīng)用。水由于其廉價、簡單易得并且可以循環(huán)使用的特點(diǎn)，使水冷卻在應(yīng)用方面要多于變壓器油冷卻。但由于使用時間較長易造成冷卻設(shè)備中污垢的積累以及水中離子氧化銅鐵等會產(chǎn)生的沉淀等問題，不僅會導(dǎo)致水冷卻效果的降低，還會導(dǎo)致管道的堵塞。而且產(chǎn)生的工業(yè)廢水對環(huán)境造成污染等問題也需要進(jìn)行進(jìn)一步的研究。

3.4蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)

眾所周知，液體蒸發(fā)成氣體這一過程可以吸收熱量，蒸發(fā)冷卻型汽輪發(fā)電機(jī)就是利用的這個原理。蒸發(fā)冷卻型發(fā)電機(jī)的冷卻是利用電流通過繞組過程中，繞組中的冷卻液體吸收其自身的熱量后，以氣液混合的狀態(tài)進(jìn)入壓力平衡器中經(jīng)冷凝成液體之后再經(jīng)過一系列處理重新進(jìn)入繞組內(nèi)部，以到達(dá)循環(huán)利用的目的。由于蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)傳熱性能和介電性能較高，因此他具有較好的冷卻效果和較高的使用效率。但在如何選擇安全、環(huán)保的冷卻液體以及繞組材質(zhì)的選擇中仍存在著部分問題需要研究。

4.結(jié)語

作為我國目前最主要發(fā)電設(shè)備的汽輪發(fā)電機(jī)對我國電力工業(yè)的發(fā)展有著不可或缺的重要性，而如何提高汽輪發(fā)電機(jī)容量則是擴(kuò)大我國發(fā)電量的基礎(chǔ)。汽輪發(fā)電機(jī)冷卻系統(tǒng)作為提高汽輪發(fā)電機(jī)容量的關(guān)鍵技術(shù)，更加值得我們研究學(xué)習(xí)。只有解決了這一關(guān)鍵技術(shù)，才能擴(kuò)大發(fā)電量、加快我國電網(wǎng)的建設(shè)。

參考文獻(xiàn)

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