350MW超臨界機(jī)組發(fā)電機(jī)冷卻方式的探討

【摘 要】通過(guò)對(duì)水氫冷和雙水內(nèi)冷發(fā)電機(jī)組的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)對(duì)比分析，350MW等超臨界機(jī)組發(fā)電機(jī)采用水氫冷和雙水內(nèi)冷都是可行的。水氫冷發(fā)電機(jī)技術(shù)成熟，應(yīng)用廣泛。雙水內(nèi)冷發(fā)電機(jī)一次性投資較低，系統(tǒng)簡(jiǎn)單，不存在氫氣爆炸的危險(xiǎn)，但發(fā)電機(jī)效率稍低，定子線圈存在高電壓電暈腐蝕問(wèn)題，目前只有上海電氣集團(tuán)單機(jī)容量最大做到350MW，選擇范圍較小。

【關(guān)鍵詞】超臨界 發(fā)電機(jī) 水氫冷 雙水內(nèi)冷

1引言

每一臺(tái)發(fā)電機(jī)都有一個(gè)額定的容量，這個(gè)額定容量表示這臺(tái)發(fā)電機(jī)的輸出有一定的限額，這個(gè)限額是考慮了發(fā)電機(jī)的發(fā)熱情況、效率和機(jī)械強(qiáng)度等情況決定的，而這些因素中最突出的是發(fā)熱和效率兩項(xiàng)，就是說(shuō)一臺(tái)發(fā)電機(jī)若讓他發(fā)出超過(guò)它的額定功率時(shí)，他就會(huì)溫升太高或效率太低。

如果能改進(jìn)電機(jī)的冷卻方式，提高電機(jī)的電磁負(fù)載，用同樣的有效材料，做出更大容量的電機(jī)，將是對(duì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要貢獻(xiàn)。事實(shí)上，汽輪發(fā)電機(jī)組的最大單機(jī)容量是從30年代的100MW發(fā)展到今天的1200MW以上，單機(jī)功率的不斷增大主要是在逐步改進(jìn)冷卻方式中取得的，發(fā)電機(jī)的發(fā)展史，某種意義上說(shuō)就是冷卻技術(shù)的發(fā)展史。

2發(fā)電機(jī)冷卻方式的發(fā)展史

空氣冷卻技術(shù)。這種冷卻方式冷卻能力小，為保證冷卻效果，發(fā)電機(jī)尺寸做的很大。例如，一臺(tái)100MW的發(fā)電機(jī)組若采用空氣冷去，其鐵心要長(zhǎng)達(dá)6米，當(dāng)然加快冷卻空氣的流動(dòng)速度可以提高冷卻效果，但是加快空氣流速所消耗的功率等于發(fā)電機(jī)改善冷卻后所提高的效率，這顯然是不合算的。

氫氣冷卻技術(shù)。由于氫氣的導(dǎo)熱性比空氣高6倍多，流動(dòng)性好，導(dǎo)熱效率大幅提高，另外質(zhì)量比空氣輕很多，通風(fēng)消耗的功率大大減小，所以發(fā)電機(jī)組的單機(jī)容量可以逐步提高。經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，最終形成了利用水和氫進(jìn)行冷卻的水氫氫冷卻發(fā)電機(jī)組，單機(jī)功率最高達(dá)到1500MW。

氟利昂自循環(huán)蒸發(fā)冷卻技術(shù)。包括中國(guó)在內(nèi)，美國(guó)、日本、前蘇聯(lián)、德國(guó)等在采用氟利昂自循環(huán)蒸發(fā)冷卻方式方面，均進(jìn)行了大量的研究試驗(yàn)。目前國(guó)內(nèi)采用此種冷去方式的有東方電機(jī)廠生產(chǎn)的10MW水輪發(fā)電機(jī)組。此種方式冷卻效率比較高，但由于氟利昂破壞臭氧層，發(fā)電機(jī)大型化后存在一些技術(shù)問(wèn)題，現(xiàn)已不采用此技術(shù)。

全水冷技術(shù)。隨著新材料的不斷使用，以及冷卻技術(shù)的提高，采用全水冷技術(shù)也逐步發(fā)展成熟。從70年代我國(guó)第一臺(tái)300MW雙水內(nèi)冷汽輪發(fā)電機(jī)投運(yùn)，截止目前全國(guó)已有110余臺(tái)雙水內(nèi)冷汽輪發(fā)電機(jī)投入運(yùn)行。

3水氫冷方式與雙水內(nèi)冷方式技術(shù)比較

目前，350MW超臨界機(jī)組發(fā)電機(jī)組冷卻方式主要有水氫-氫冷卻方式與雙水內(nèi)冷方式。

（1）水氫-氫冷卻方式：即定子繞組水內(nèi)冷、轉(zhuǎn)子繞組氫內(nèi)冷、定子鐵芯氫冷。為此，機(jī)組需要配備發(fā)電機(jī)氫、油、水系統(tǒng)。國(guó)內(nèi)300MW級(jí)發(fā)電機(jī)一般多采用水氫-氫冷卻方式，氫氣通風(fēng)損耗小，散熱快、清潔、不助燃、噪音小、不易氧化和產(chǎn)生電暈，用氫氣冷卻的效果好，容易輸送并可循環(huán)使用。

水氫氫冷卻發(fā)電機(jī)組優(yōu)點(diǎn)，一是發(fā)電效率高、相對(duì)其他方式的發(fā)電機(jī)組效率要高0.1～0.15百分比，二是設(shè)備外形小、母線采用下出線布置方式，占用主廠房的體積小，三是短路比相對(duì)較高，發(fā)電機(jī)靜過(guò)載能力和穩(wěn)定性高，四是屬于主流選型方案，運(yùn)行維護(hù)經(jīng)驗(yàn)比較豐富。

水氫氫冷卻發(fā)電機(jī)組缺點(diǎn)，和雙水內(nèi)冷發(fā)電機(jī)比外形大，一次性投資高。輔助系統(tǒng)復(fù)雜、運(yùn)行維護(hù)工作量大。全廠配套氫站增加了危險(xiǎn)源和安全隱患，對(duì)全廠的消防設(shè)計(jì)、安全監(jiān)督等方面提出了較高要求。

（2）雙水內(nèi)冷發(fā)電機(jī)：即定子和轉(zhuǎn)子均是用水冷卻的發(fā)電機(jī)，鐵芯是空氣冷卻的。這種冷卻方式的發(fā)電機(jī)一次性投資低，冷卻效果好。

雙水內(nèi)冷發(fā)電機(jī)優(yōu)點(diǎn)，一是設(shè)備具體有重量輕、外形小和投資低等特點(diǎn)，二是發(fā)電機(jī)輔助系統(tǒng)簡(jiǎn)單，降低了安裝、運(yùn)行和維護(hù)的工作量，三是沒(méi)有氫防爆系統(tǒng)，氫密封油結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單運(yùn)行安全穩(wěn)定，四是定子繞組、轉(zhuǎn)子繞組均為內(nèi)冷水冷卻方式，運(yùn)行溫度較低，絕緣壽命更長(zhǎng)，運(yùn)行可靠性更高。

雙水內(nèi)冷發(fā)電機(jī)缺點(diǎn)，由于采用雙水和空氣冷卻方式，發(fā)電機(jī)效率略有降低?？绽淦鞑贾迷诎l(fā)電機(jī)下方，發(fā)電機(jī)只能采用尾部側(cè)出線，繞過(guò)基座支柱從A 列出線，主廠房體積需要增大。定子線圈在空氣中運(yùn)行，高電壓電暈腐蝕將逐年增加。如果出現(xiàn)內(nèi)冷水泄漏故障，發(fā)電機(jī)必須停機(jī)處理。（具體見(jiàn)表1）

4水氫冷方式與雙水內(nèi)冷方式經(jīng)濟(jì)性分析

4.1電廠一次性投資比較分析

由于雙水內(nèi)冷發(fā)電機(jī)不需要配置氫系統(tǒng)和密封油系統(tǒng)，直接降低了發(fā)電機(jī)設(shè)備的成本，相應(yīng)的售價(jià)也比水氫氫發(fā)電機(jī)低約400萬(wàn)/臺(tái)。另外，電廠也不需要配置氫站等設(shè)施，直接降低電廠的投資約200萬(wàn)。

4.2運(yùn)營(yíng)經(jīng)濟(jì)性分析（表2）

由上表可以看出，本工程兩臺(tái)350MW汽輪發(fā)電機(jī)組配置的發(fā)電機(jī)，采用雙水內(nèi)冷發(fā)電機(jī)較水氫氫發(fā)電機(jī)每年運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用減少10萬(wàn)元左右。

4.3檢修經(jīng)濟(jì)效益分析

因?yàn)槊看瓮＿\(yùn)和啟動(dòng)時(shí)無(wú)需進(jìn)行氫氣置換，相比水氫氫冷卻方式，雙水內(nèi)冷發(fā)電機(jī)檢修工期平均將減少3天/次，按每臺(tái)機(jī)組每年檢修一次，年利用小時(shí)5500小時(shí)計(jì)算，每臺(tái)機(jī)組每年可以因檢修工期減少而多發(fā)電量 ：350MW×72小時(shí)×（5500小時(shí)/8760小時(shí)）=1582萬(wàn)度，由此帶來(lái)經(jīng)濟(jì)效益是非常可觀的。

5結(jié)語(yǔ)

350MW超臨界機(jī)組發(fā)電機(jī)采用水氫冷和雙水內(nèi)冷都是可行的。采用雙水內(nèi)冷發(fā)電機(jī)一次性投資較低，沒(méi)有氫氣、密封油系統(tǒng)，系統(tǒng)較水氫冷簡(jiǎn)單，不存在氫氣爆炸的危險(xiǎn)，但發(fā)電機(jī)效率較低，定子線圈存在高電壓電暈腐蝕問(wèn)題。雙水內(nèi)冷經(jīng)濟(jì)效益較好。國(guó)內(nèi)雙水內(nèi)冷發(fā)電機(jī)目前只有上海電氣集團(tuán)單機(jī)容量最大做到350MW，選擇范圍較小。

作者簡(jiǎn)介：武平德（1959—），男，內(nèi)蒙古人，碩士，高級(jí)工程師，從事電力建設(shè)管理工作。