1 000 MW水輪發(fā)電機(jī)通風(fēng)冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析

喬 鵬，江 洋，董鐘明，周玉國，冉 旭，王兆淼

(中國長江電力股份有限公司，湖北 宜昌 443000)

0 引 言

從三峽水電站700 MW水輪發(fā)電機(jī)組的國產(chǎn)化起，依靠著國家重大工程對技術(shù)創(chuàng)新的帶動(dòng)作用，沿著“引進(jìn)-消化吸收-再創(chuàng)新”的思路，中國依靠自己的努力拼搏，先后完成了溪洛渡770 MW機(jī)組、向家壩800 MW機(jī)組的設(shè)計(jì)、制造及安裝，如今，白鶴灘電站1 000 MW機(jī)組實(shí)現(xiàn)全國產(chǎn)化，并已進(jìn)入機(jī)電安裝階段。白鶴灘電站機(jī)組是世界上首批1 000 MW水輪發(fā)電機(jī)組，堪稱水電行業(yè)的“無人區(qū)”，引領(lǐng)了巨型水輪發(fā)電機(jī)技術(shù)的發(fā)展方向。

伴隨著機(jī)組容量的不斷提升，電機(jī)的負(fù)荷及電機(jī)內(nèi)部磁場逐步增大[1-2]，引起電機(jī)內(nèi)部的損耗隨之增大，這些損耗大部分以熱能的形式表現(xiàn)出來，導(dǎo)致電機(jī)各部分的溫度升高。溫度升高將影響電機(jī)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，主要表現(xiàn)在以下兩個(gè)方面[3-5]：一方面是電機(jī)相關(guān)部件的絕緣性能,溫升會(huì)對絕緣材料的絕緣性能和使用壽命產(chǎn)生不利的影響，絕緣材料的使用壽命隨著溫升呈指數(shù)下降；另一方面，金屬材料的物理性能在高溫下也將出現(xiàn)性能下降，長此以往，將嚴(yán)重影響到電機(jī)的安全穩(wěn)定性?？梢哉f，發(fā)電機(jī)的冷卻問題是制約其容量增加的一個(gè)關(guān)鍵因素，因此，為避免電機(jī)各部件的溫度過高，合理的冷卻系統(tǒng)對水輪發(fā)電機(jī)組安全運(yùn)行具有重要意義。

1 水輪發(fā)電機(jī)冷卻方式

水輪發(fā)電機(jī)常見的冷卻方式主要有空冷、水冷和蒸發(fā)冷3種形式[6]，目前大型水輪發(fā)電機(jī)的冷卻方式主要采用全空冷的形式[7-9]，如：小灣水電站700 MW水輪發(fā)電機(jī)組、溪洛渡水電站770 MW水輪發(fā)電機(jī)組以及向家壩水電站800 MW水輪發(fā)電機(jī)組，其運(yùn)行過程中，全空冷的冷卻形式均取得了理想的運(yùn)行效果。鑒于此，白鶴灘電站機(jī)組沿用全空冷的冷卻形式，采用無風(fēng)扇端部回風(fēng)雙路徑密閉自循環(huán)全空冷的冷卻方式，如圖1所示。

圖1 全空冷通風(fēng)結(jié)構(gòu)示意

在這種全空氣冷卻系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)子支架轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生風(fēng)扇作用，帶動(dòng)冷卻空氣產(chǎn)生一定的風(fēng)壓，冷卻空氣由轉(zhuǎn)子支架上下兩端的進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入轉(zhuǎn)子支架，依次流經(jīng)轉(zhuǎn)子磁軛通風(fēng)溝、磁極、定轉(zhuǎn)子間空氣間隙、定子徑向通風(fēng)溝，冷卻空氣帶走發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的損耗熱量變成熱空氣后，在定子背部匯到冷卻器，與冷卻水進(jìn)行熱交換，散去熱量變成冷空氣，再分成兩路，經(jīng)定子線圈上下端部重新進(jìn)入轉(zhuǎn)子支架，形成密閉自循環(huán)的通風(fēng)冷卻系統(tǒng)。

2 通風(fēng)冷卻系統(tǒng)基本要求

為確保水輪發(fā)電機(jī)組的通風(fēng)冷卻系統(tǒng)具有良好的適用性，一般來說，通風(fēng)冷卻系統(tǒng)應(yīng)滿足如下幾個(gè)基本要求[10-12]：

(1)實(shí)際產(chǎn)生的風(fēng)量能滿足水輪發(fā)電機(jī)冷卻的需要，并有適當(dāng)裕量。一種傳統(tǒng)觀念認(rèn)為通風(fēng)風(fēng)量越大越好，這種觀念較片面，風(fēng)量大可以提高散熱效果，但同時(shí)通風(fēng)損耗也將隨之增大，導(dǎo)致機(jī)組效率降低。

(2)根據(jù)其損耗的大小合理分配空氣流量，合理分配氣流流量可以限制最高溫度，在降低風(fēng)量的同時(shí)，限制最高溫度，可以獲得較理想的通風(fēng)冷卻效果。

(3)風(fēng)路簡單，減少氣流的渦流、摩擦等降低通風(fēng)損耗。

(4)有良好的加工工藝性，維護(hù)及檢修方便、噪聲低。

3 發(fā)電機(jī)通風(fēng)冷卻設(shè)計(jì)

發(fā)電機(jī)由冷卻系統(tǒng)帶走的損耗主要包括定子銅損、鐵損、勵(lì)磁繞組銅損、通風(fēng)損耗以及其他損耗。白鶴灘機(jī)組發(fā)電機(jī)容量為1 111.1 MV·A，當(dāng)電機(jī)以額定負(fù)載運(yùn)行時(shí)，需要冷卻系統(tǒng)帶走的損耗為10 000 kW左右，其中包括，定子銅損約1 914 kW、鐵損約1 709 kW、勵(lì)磁繞組銅損約1 853 kW、通風(fēng)損耗約2 700 kW、其他損耗約1 022 kW。

按照冷熱風(fēng)溫差25～28℃常規(guī)設(shè)計(jì)，通風(fēng)損耗占總損耗的比例將超過35%，對提高發(fā)電機(jī)的效率有著較大的負(fù)面影響。

如果通風(fēng)系統(tǒng)的冷熱風(fēng)溫差按照32 ℃設(shè)計(jì)，根據(jù)機(jī)組發(fā)電機(jī)總損耗可以確定，發(fā)電機(jī)空冷系統(tǒng)所需總風(fēng)量為261.3 m3/s。

為獲得較為理想的空冷效果，有效控制通風(fēng)損耗，發(fā)電機(jī)采用了新型轉(zhuǎn)子支架、磁極內(nèi)外分區(qū)冷卻、優(yōu)化定子通風(fēng)溝等多個(gè)創(chuàng)新點(diǎn)。下文對其一一作以說明。

3.1 新型轉(zhuǎn)子支架

轉(zhuǎn)子支架除了承受打鍵力、電磁扭矩、磁極和磁軛的重力矩等作用力外，還具有風(fēng)扇的作用，發(fā)電機(jī)通風(fēng)冷卻系統(tǒng)的大部分風(fēng)壓頭都是由轉(zhuǎn)子支架旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的，是風(fēng)量、風(fēng)壓、風(fēng)速及通風(fēng)損耗調(diào)節(jié)的關(guān)鍵部件。

斜支臂形式的轉(zhuǎn)子支架廣泛應(yīng)用在三峽、溪洛渡等大型電站的機(jī)組上，但其通風(fēng)損耗較高，這是因?yàn)閭鹘y(tǒng)斜支臂形式的轉(zhuǎn)子支架其進(jìn)風(fēng)口位置緊鄰中心體的外圓筒，進(jìn)風(fēng)口至出風(fēng)口路徑較長，沿程的風(fēng)量損耗較大，導(dǎo)致風(fēng)壓降變大，影響通風(fēng)效率。傳統(tǒng)形式的斜支臂轉(zhuǎn)子支架通風(fēng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

轉(zhuǎn)子支架的通風(fēng)損耗計(jì)算公式為

(1)

式中，ρ為空氣密度；V2為轉(zhuǎn)子支架出風(fēng)口線速度；V1為轉(zhuǎn)子支架進(jìn)風(fēng)口線速度；V為空氣流量；η為轉(zhuǎn)子支架的通風(fēng)效率。

因?yàn)闄C(jī)組的轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)子支架的直徑是設(shè)計(jì)前期根據(jù)機(jī)組的出力等多種因素綜合考慮的，不適宜變更，可認(rèn)為是一定值，轉(zhuǎn)子的額定轉(zhuǎn)速也為一定值，那么轉(zhuǎn)子支架出風(fēng)口的線速度V2即為一定值(線速度是角速度與轉(zhuǎn)動(dòng)半徑的乘積)?？紤]到氣流速度產(chǎn)生的動(dòng)壓力所引起的空氣密度變化很小，可以認(rèn)為空氣密度ρ為一定值。

所以，想要降低轉(zhuǎn)子支架的通風(fēng)損耗Q，有如下幾個(gè)途徑：

(1)提高轉(zhuǎn)子支架的通風(fēng)效率η?？筛淖冝D(zhuǎn)子支架的結(jié)構(gòu)，通過改變斜腹板的傾斜角度，以求提高轉(zhuǎn)子支架的通風(fēng)效率，但是根據(jù)相關(guān)計(jì)算結(jié)果顯示[13]，改變轉(zhuǎn)子支架斜腹板的傾斜角度對轉(zhuǎn)子支架的通風(fēng)效率影響不大，又因?yàn)樾备拱宓膬A斜角度影響著轉(zhuǎn)子支架的整體受力情況，不宜做過大的調(diào)整，因此提高轉(zhuǎn)子支架的通風(fēng)效率η效果不會(huì)理想。

(2)降低空氣流量V。實(shí)際產(chǎn)生的風(fēng)量應(yīng)能滿足水輪發(fā)電機(jī)冷卻的需要，并有適當(dāng)裕量，上文中已介紹，白鶴灘機(jī)組發(fā)電機(jī)空冷系統(tǒng)所需的總風(fēng)量約261.3 m3/s，這也是滿足機(jī)組安全運(yùn)行的最低風(fēng)量，不宜再進(jìn)行降低。因此，通過降低空氣流量V，來降低轉(zhuǎn)子支架的通風(fēng)損耗并不可行。

(3)提高轉(zhuǎn)子支架進(jìn)風(fēng)口的線速度V1。將轉(zhuǎn)子支架進(jìn)風(fēng)口外移，在轉(zhuǎn)速一定的情況下，可直接增大進(jìn)風(fēng)口的線速度V1。在轉(zhuǎn)子支架結(jié)構(gòu)不做大幅度改動(dòng)、確保受力穩(wěn)定的情況下，將轉(zhuǎn)子支架進(jìn)風(fēng)口外移，增大進(jìn)風(fēng)口線速度V1的方式是比較可行的。

綜上幾點(diǎn)所述，將轉(zhuǎn)子支架進(jìn)風(fēng)口外移，通過提高轉(zhuǎn)子支架進(jìn)風(fēng)口的線速度V1，來降低轉(zhuǎn)子支架的通風(fēng)損耗是較為直接有效的方式，白鶴灘電站機(jī)組的轉(zhuǎn)子支架正是采用這種改進(jìn)的結(jié)構(gòu)形式，同時(shí)配合其他相應(yīng)設(shè)計(jì)，在滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等使用要求的條件下，又降低了轉(zhuǎn)子支架的通風(fēng)損耗。

圖3為白鶴灘電站機(jī)組采用新型轉(zhuǎn)子支架通風(fēng)結(jié)構(gòu)示意。

圖3 新型轉(zhuǎn)子支架通風(fēng)結(jié)構(gòu)

相比于傳統(tǒng)的斜支臂轉(zhuǎn)子支架，該型式的轉(zhuǎn)子支架除進(jìn)風(fēng)口外移外，還在進(jìn)風(fēng)口處設(shè)計(jì)了風(fēng)量調(diào)節(jié)板，使用過程中，可以根據(jù)需求對風(fēng)量調(diào)節(jié)板進(jìn)行加工，以進(jìn)行風(fēng)量調(diào)節(jié)，同時(shí)該結(jié)構(gòu)不會(huì)對轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度造成不利影響，具有較好適用性。

3.2 優(yōu)化磁極冷卻方式

白鶴灘電站機(jī)組單機(jī)額定功率1 000 MW，設(shè)計(jì)安裝有54個(gè)磁極，每極容量高達(dá)18.52 MW。隨著每機(jī)容量的增大，磁極的溫升控制將更加困難。如表1所示，為白鶴灘電站機(jī)組與目前已運(yùn)行的典型機(jī)組的磁極每極容量對比。

表1 典型機(jī)組每極容量對比

可以看出，白鶴灘電站機(jī)組每極容量要大于已運(yùn)行的常規(guī)巨型空冷水輪發(fā)電機(jī)組，因此，如何控制磁極溫升、提高磁極的散熱能力是一個(gè)重要問題?？刂拼艠O溫升、提高磁極散熱能力的措施主要有2種[14]：①降低磁極線圈電密以降低磁極損耗；②增加磁極線圈表面散熱面積以提高磁極線圈散熱能力。

為滿足在低風(fēng)量(261.3 m3/s)情況下磁極的散熱要求，白鶴灘電站機(jī)組磁極采用內(nèi)、外分區(qū)冷的形式：磁極線圈外表面依靠銅排散熱翅散熱，為傳統(tǒng)的磁極外表面冷卻方式，即外部冷卻區(qū)；設(shè)置磁極線圈內(nèi)部散熱表面和風(fēng)量流道，與發(fā)電電動(dòng)機(jī)磁極冷卻的結(jié)構(gòu)類似，同時(shí)在磁極銅排本體上加工一定數(shù)量的通風(fēng)孔，形成磁極線圈的內(nèi)部空冷，即內(nèi)部冷卻區(qū)，實(shí)現(xiàn)磁極內(nèi)外分區(qū)高效冷卻。為了達(dá)到更好的冷卻效果，在磁極間的根部設(shè)置導(dǎo)風(fēng)塊，將內(nèi)、外冷卻區(qū)的風(fēng)路進(jìn)行分割，實(shí)現(xiàn)分區(qū)流動(dòng)，導(dǎo)風(fēng)塊在磁軛疊片過程中按照設(shè)計(jì)要求同步安裝，在磁軛片間隙的指定位置設(shè)置U型導(dǎo)風(fēng)塊，通過導(dǎo)風(fēng)塊與磁極內(nèi)托板直接接觸，將冷空氣引入磁極內(nèi)部冷卻區(qū)。圖4為磁極內(nèi)外分區(qū)冷卻風(fēng)路結(jié)構(gòu)示意。圖5為導(dǎo)風(fēng)塊安裝示意。

圖4 內(nèi)外分區(qū)冷卻風(fēng)路結(jié)構(gòu)

圖5 導(dǎo)風(fēng)塊安裝示意

由于內(nèi)冷卻風(fēng)道可能存在堵塞的情況，為了探究內(nèi)冷卻風(fēng)道在不同狀態(tài)下，磁極的溫升情況，利用有限元軟件模擬了內(nèi)冷卻風(fēng)道無堵塞、部分堵塞以及完全堵塞情況下磁極的溫升，模擬結(jié)果如圖6～8所示。

圖6 設(shè)計(jì)條件下磁極溫度場(單位：℃)

圖7 內(nèi)冷孔部分失效時(shí)磁極溫度場(單位：℃)

圖8 僅靠外部表冷時(shí)磁極溫度場(單位：℃)

根據(jù)圖6～8的有限元計(jì)算結(jié)果，得到轉(zhuǎn)子磁極線圈平均溫升模擬計(jì)算結(jié)果，如表2所示。

根據(jù)表2得到的計(jì)算結(jié)果可知，采用內(nèi)外分區(qū)冷卻的結(jié)構(gòu)，磁極線圈在300 m3/s的低風(fēng)量條件下，平均溫升不大于58 ℃；在極限風(fēng)速260 m3/s的條件下，磁極線圈平均溫升仍滿足要求，即使內(nèi)部冷卻區(qū)全部失效，僅依靠外表面散熱的極限條件下，磁極線圈的平均溫升也滿足國家標(biāo)準(zhǔn)中不大于80 ℃的要求，不影響機(jī)組正常的安全穩(wěn)定運(yùn)行。另外，從對比溫升計(jì)算結(jié)果看，內(nèi)外分區(qū)冷卻方案比僅靠外表冷卻方案的轉(zhuǎn)子平均溫升降低20 ℃以上，得知磁極采用內(nèi)外分區(qū)冷卻可以獲得較理想的冷卻效果。

表2 轉(zhuǎn)子線圈平均溫升計(jì)算結(jié)果

3.3 優(yōu)化定子通風(fēng)溝

定子鐵芯徑向通風(fēng)溝是發(fā)電機(jī)通風(fēng)系統(tǒng)的主要過流通道，也是定子線圈及定子鐵芯與空氣進(jìn)行熱交換的主要位置。有計(jì)算表明[15-18]，超過80%的定子損耗發(fā)熱量是由冷卻空氣經(jīng)過定子通風(fēng)溝時(shí)帶走的，定子通風(fēng)溝的熱交換情況較為復(fù)雜，對定子繞組溫升影響較大。在定子損耗確定的情況下，減小鐵芯溫升，可以有效降低定子線圈的溫升，對控制定子線圈溫升具有重要意義，而定子鐵芯溫升與每段鐵芯的長度以及通風(fēng)溝內(nèi)空氣流速、鐵芯與空氣的熱交換面積有關(guān)。其中，每段鐵芯的長度影響到傳導(dǎo)熱阻，鐵芯與空氣的熱交換面積影響其表面熱阻。因此，在風(fēng)量不變的前提下，可以適當(dāng)減少通風(fēng)溝高度，一方面可以減小每段鐵芯的長度，另一方面可以增加鐵芯與空氣的熱交換面積，有利于提升定子整體的散熱性能[19]。

根據(jù)統(tǒng)計(jì)[20]，目前定子通風(fēng)溝的高度主要有10、8、6、5 mm和4 mm幾種，目前大型機(jī)組常選用5 mm或4 mm高的通風(fēng)溝，部分火電機(jī)組上選用3 mm高通風(fēng)溝。選用低高度的通風(fēng)溝，在定子鐵芯高度一定的情況下，通風(fēng)溝數(shù)量會(huì)相應(yīng)增加，過流換熱面積也隨之增加，但是通風(fēng)溝高度過低會(huì)影響流道中風(fēng)量的過流面積，風(fēng)量隨之減小，另外，通風(fēng)溝高度過低可能存在易堵塞、難清理的風(fēng)險(xiǎn)。

根據(jù)熱傳導(dǎo)原理，計(jì)算不同高度通風(fēng)溝對定子溫升的影響，列出計(jì)算公式

(2)

式中，Qj、Qz、Qc分別表示定子軛部、齒部以及線棒的損耗，即熱源；Tj、Tz、Tc分別表示定子軛部、齒部以及線棒相對于所在位置的冷卻空氣的溫升。另外，Rj、Rjz、Rz、Rzc以及Rc各阻值符號表示相應(yīng)熱傳導(dǎo)路徑的熱阻。

根據(jù)上述公式，可以計(jì)算在設(shè)計(jì)風(fēng)量300 m3/s的情況下，3、4、5 mm高度的通風(fēng)溝所對應(yīng)的溫升數(shù)據(jù)，計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 定子線棒溫升計(jì)算結(jié)果情況 ℃

根據(jù)表3得到，通風(fēng)溝的高度與定子線棒溫升之間的關(guān)系，在3種方案下，定子溫升均小于國標(biāo)中要求的80 ℃，且具有較大的裕度。相對于5 mm高度的通風(fēng)溝，4 mm高度的通風(fēng)溝層間RTD溫升降低了3.4 ℃，3 mm高度的通風(fēng)溝層間RTD溫升降低6.8 ℃。為更加具體直觀的得到通風(fēng)溝高度對定子溫升的影響，利用有限元計(jì)算軟件，模擬計(jì)算不同高度通風(fēng)溝方案對定子溫升的影響，模擬計(jì)算結(jié)果如圖9所示。

圖9 定子平均溫升與風(fēng)量關(guān)系

從圖9可以清晰的看出：降低通風(fēng)溝高度，在其他條件相同的情況下，能夠改善定子散熱條件、降低定子溫升。鑒于3 mm高度的通風(fēng)溝可能存在易堵塞、難清理的問題，且目前尚無巨型水輪機(jī)組的運(yùn)行案例，綜合考慮通風(fēng)冷卻效果以及工程應(yīng)用的可靠性，白鶴灘電站機(jī)組定子通風(fēng)溝選用4 mm高度的。

另外，在二灘電站以及景洪電站的機(jī)組中，其定子通風(fēng)溝均采用4 mm高度，在運(yùn)行過程中未發(fā)生通風(fēng)溝堵塞的情況，整體運(yùn)行狀況良好，這也為白鶴灘電站機(jī)組的定子通風(fēng)溝高度選擇提供了成功的參考案例。

4 通風(fēng)計(jì)算結(jié)果

水輪發(fā)電機(jī)組的通風(fēng)冷卻系統(tǒng)中，除冷空氣與發(fā)熱部件的熱交換過程發(fā)生能量轉(zhuǎn)換外，還包括一部分能量損失，這部分能量損失主要為局部損失和沿程摩擦損失。其中，局部損失主要是由于流道變形、分流及合流等阻力引起的，而沿程摩擦損失與流道的直徑、流道內(nèi)冷卻流體的雷諾數(shù)以及流道的光滑程度等因素有關(guān)[21]。本小節(jié)主要根據(jù)白鶴灘電站機(jī)組通風(fēng)冷卻系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，計(jì)算風(fēng)量的分布情況，進(jìn)一步驗(yàn)證通風(fēng)結(jié)構(gòu)的合理性。

按照氣體溫升32 ℃來考慮，白鶴灘機(jī)組所需風(fēng)量約261.3 m3/s，另外考慮一定的裕量，采用設(shè)計(jì)風(fēng)量約301 m3/s。圖10為機(jī)組風(fēng)量分布示意。

圖10 風(fēng)量分布示意

通過圖10可以得到白鶴灘電站機(jī)組通風(fēng)冷卻系統(tǒng)中的風(fēng)量分布，其中，上風(fēng)道的過風(fēng)量約為169.4 m3/s，占總風(fēng)量56.2%；下風(fēng)道的過風(fēng)量約為131.7 m3/s，占總風(fēng)量43.8%。

因銅環(huán)等發(fā)熱量較大的部件主要集中在上風(fēng)道方向，所以上風(fēng)道較下風(fēng)道過風(fēng)量大一些是有利于控制最高溫升值的，也是比較合理的。

5 結(jié) 論

(1)水輪發(fā)電機(jī)組的單機(jī)容量不斷增大，相應(yīng)的電機(jī)熱負(fù)荷也隨之升高，如何控制發(fā)熱部件的溫升是控制發(fā)電機(jī)整體溫升的關(guān)鍵，而溫升控制情況也直接影響到水輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行的安全穩(wěn)定性。

(2)水輪發(fā)電機(jī)組的冷卻系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式，應(yīng)根據(jù)機(jī)組具體情況全面考慮，選取最優(yōu)的方案，目前來看，全空冷技術(shù)在巨型水輪發(fā)電機(jī)組中得到較為廣泛的應(yīng)用，且運(yùn)行效果較好。

(3)機(jī)組內(nèi)冷卻風(fēng)的亂流也影響通風(fēng)冷卻效率，可通過合理選用擋風(fēng)板結(jié)構(gòu)形式，改善冷卻風(fēng)亂流問題，對于改善機(jī)組的通風(fēng)冷卻效率具有相當(dāng)?shù)姆e極意義。