水輪發(fā)電機碳粉收集系統(tǒng)研究與應用

張金洪，趙益俊

（1．福建福清核電有限公司，福建省福清市 350318；2．重慶華能水電設備制造有限公司，重慶市巴南區(qū) 401320）

0 引言

水輪發(fā)電機組碳粉堆積問題是影響機組安全、穩(wěn)定運行的主要影響因素之一。碳粉是因為碳刷和旋轉的集電環(huán)摩擦產(chǎn)生，從源頭上來看，這是不可避免的[7]；目前國內外存在一些碳粉收集的解決方法，包括自泵式碳粉收集方式、敞開式碳粉收集方式、局部式碳粉收集方式等，但是這些方法的實際效果不佳，不能解決碳粉收集的問題。

因此，非常有必要對水輪發(fā)電機組碳粉收集的問題進行研究，探討碳粉收集最有效、可行的方法，保證水輪發(fā)電機組碳粉收集系統(tǒng)的效果，為機組安全、穩(wěn)定運行提供有力保障。

1 國內外碳粉收集系統(tǒng)方法簡介

1.1 國外解決方案

目前，國外公司采用的碳粉收集方法是，在每個刷握上單獨設置一根或者多根小塑料管，將小塑料管匯集到高壓泵上，原理圖如圖1所示，實物場景圖如圖2所示。

圖1 國外碳粉收集方案原理圖Figure 1 Schematic diagram of foreign carbon dust collection scheme

圖2 國外碳粉收集方案應用場景圖Figure 2 Application scenarios of foreign carbon dust collection schemes

國外的碳粉收集方案存在諸多缺點和不足：

（1）安裝比較復雜。

（2）維護不便，刷架和碳刷周圍有許多小管子，檢修集電環(huán)、刷架、刷握等都不太方便。

（3）碳粉吸收效率不高。

（4）吸塵點位于刷握周圍，將碳刷和集電環(huán)接觸的位置包裹起來，不允許直接目視檢查電刷，如果碳刷出現(xiàn)打火，巡檢人員發(fā)現(xiàn)不了，容易造成事故。

國內的機組單機容量普遍比國外大，勵磁電流較大，碳刷布置數(shù)量也比較多，不太適合采用這種結構類型。

1.2 國內解決方案

1.2.1 自泵式碳粉收集方案

自泵式碳粉收集采用的方法是：在集電環(huán)下方的發(fā)電機主軸上，安裝并固定一套類似于帶有離心風扇葉的離心轉輪[6]，將從集電環(huán)、刷架處掉落下來的碳粉吹到四周的過濾層上，對碳粉進行收集，原理圖如圖3所示，實物圖如圖4所示。

圖3 自泵式碳粉收集原理圖Figure 3 Schematic diagram of self-pumped carbon dust collection

圖4 自泵式碳粉收集應用場景圖Figure 4 Physical picture of self-pumped carbon dust collection

自泵式碳粉收集方案存在如下缺點和不足：

（1）碳粉顆粒很細，被集電環(huán)旋轉產(chǎn)生的風吹得四處飄散，不容易直接掉下來，碳粉收集效率不高。

（2）離心轉輪將風吹到過濾層上，風容易被反彈回來，將碳粉也反吹出來，不能被較好地收集。

（3）離心轉輪直徑一般比集電環(huán)大，轉速較快，巡檢集電環(huán)和碳刷時有較大的安全風險。

（4）自泵式碳粉收集裝置需要加裝在主軸上，需要在新機組設計時考慮相關安裝接口和結構。而已有的舊機組結構緊湊，沒有多余的位置加裝，故自泵式碳粉收集也具有較強的使用局限性。

（5）風扇葉輪的扇葉片設計具有方向性，不適合抽水蓄能機組具有順時針、逆時針兩個旋轉方向的機組使用。

1.2.2 敞開式碳粉收集方案

敞開式碳粉收集采用的方法是：在集電環(huán)和刷架的下方布置一個粉塵收集盤，在粉塵收集盤上圓周開若干個孔，用一臺或者多臺除塵器的吸塵口從粉塵收集盤上的空洞處，將粉塵吸出并收集，原理圖如圖5所示，實物圖如圖6所示。

圖5 敞開式碳粉收集方案原理圖Figure 5 Open carbon dust collection scheme

圖6 敞開式碳粉收集方案應用場景圖Figure 6 Physical picture of open type Carbon collection scheme

敞開式碳粉收集方案存在如下缺點和不足：

（1）碳粉顆粒很細，被集電環(huán)旋轉產(chǎn)生的風吹得四處飄散，不容易直接掉下來。

（2）由于碳粉吸塵的空間比較開闊，未形成較為密閉的環(huán)境，只能收集粉塵收集盤上孔洞處的粉塵，其他沒有孔洞的位置則不能收集，碳粉收集效率不高。

1.2.3 封閉式碳粉收集方案

（1）封閉式碳粉收集采用的方法是：在集電環(huán)外圍設置一個集塵罩，集塵罩與集電環(huán)可形成一個相對密閉的腔體，使碳粉限制在密閉空間內；在集塵罩上設置多個吸塵口；利用碳粉收集裝置將碳粉從集塵罩內吸出后，在碳粉收集裝置內處理后進行收集，防止碳粉在絕緣部件上堆積后造成絕緣降低情況的發(fā)生，避免碳粉對發(fā)電機集電環(huán)及機組其他部件的污染，可以保證機組安全、可靠運行。碳粉收集裝置運行的同時，可以將集電環(huán)與集塵罩之間密閉腔體內的熱空氣吸出，外部冷空氣從集電環(huán)與集塵罩的間隙不斷進入補充，如此循環(huán)可達到降低集電環(huán)溫度的目的，可以避免集電環(huán)、碳刷高溫[8]。

（2）封閉式碳粉收集主要由帶集塵罩的刷架系統(tǒng)、碳刷及刷握裝置、碳粉收集裝置、吸塵管路系統(tǒng)、控制系統(tǒng)五大部分組成。

封閉式碳粉收集系統(tǒng)結構布置如圖7所示。

圖7 封閉式碳粉收集系統(tǒng)結構布置圖Figure 7 Structural layout of closed carbon powder collection system

（3）計算封閉式碳粉收集系統(tǒng)內碳粉顆粒軌跡。

式中：Fg——重力，N；

Fext——其他外力，N；

mp——粒子質量，kg；

FD——曳力，N。

式中：τp——粒子松弛時間，s；

v——粒子速度，m/s；

u′——流體速度和湍流擾動速度的矢量和，m/s；

M——壁面修正系數(shù)。

式中：I——單位矩陣；

P(n)——壁法向方向的投影；

α——粒子半徑與粒子中心到最近壁面的距離的比值。

式中：rp——粒子半徑，m；

Lw——從粒子中心到最近壁的距離，m；

u——流體速度，m/s；

uf——擾動速度，m/s。

式中：μ——流體黏度，Pa·s；

CD——曳力系數(shù)；

ρP——粒子密度，n/m3；

dP——粒子直徑，m；

Rer——相對雷諾數(shù)。

選取的邊界條件為：粒子從t=0s時刻開始釋放，釋放間隔0.2s，持續(xù)釋放1s 。瞬態(tài)計算時間步長為0.02s，總計算時間為2s，計算以相對容差10-5作為收斂條件。除黏附邊界外，其他壁面均為反彈邊界、且黏附邊界和反彈邊界均是無條件黏附和反彈[1]。湍流擴散模型選擇連續(xù)隨機游走模型，利用仿真有限元模型計算的結果如圖8所示。

圖8 封閉式碳粉收集裝置風速分布圖Figure 8 Air speed distribution of closed carbon dust collection device

（4）效果評估。由重慶華能水電設備制造有限公司設計、制造的具有自主知識產(chǎn)權和專利技術的封閉式碳粉收集結構在抽水蓄能機組和常規(guī)立式機組上應用，達到比較好的碳粉收集效果，如圖9、圖10所示分別為仙居抽水蓄能電站、烏東德水電站碳粉收集裝置。

圖9 仙居抽水蓄能電站碳粉收集裝置Figure 9 Carbon dust collection device of Xianju pumped storage

圖10 烏東德水電站碳粉收集裝置Figure 10 Carbon dust collection device of Wudongde power plant

封閉式碳粉收集可以達到以下效果：

（1）封閉式碳粉收集結構能有效收集碳粉，避免碳粉對發(fā)電機集電環(huán)及機組的污染，保證機組安全、可靠運行。

（2）能有效降低集電環(huán)及碳刷的運行溫度。

（3）方便觀察、檢查集電環(huán)運行狀況。

（4）可在機組運行時帶電檢查及更換碳刷[9]。

2 結束語

本文結合目前市場上存在的一些碳粉收集處理方案，根據(jù)各個方案的實際運行效果進行分析，對碳粉收集較差的方案的失敗原因進行分析、總結，對碳粉收集效果比較好的方案進行重點討論，有助于各大電站在新裝機或改造時，對一些不恰當?shù)幕蛘卟缓侠淼姆桨高M行排除，同時選取適合電站自身需求的碳粉收集解決方案。