350MW級(jí)直接空內(nèi)冷發(fā)電機(jī)運(yùn)行分析

文_史開智 山西國金電力有限公司

1 發(fā)電機(jī)空內(nèi)冷技術(shù)現(xiàn)狀

發(fā)電機(jī)的空內(nèi)冷技術(shù)近些年在國內(nèi)得到了廣泛應(yīng)用，而空內(nèi)冷發(fā)電機(jī)能夠向大容量發(fā)展的必要條件是冷卻技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展?？諆?nèi)冷發(fā)電機(jī)采用最簡單的空氣作為冷卻介質(zhì)，結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便，輔助設(shè)施少，省去了制氫系統(tǒng)和防爆系統(tǒng)、密封油系統(tǒng)，僅運(yùn)行簡單的水系統(tǒng)，在火電頻繁參與啟停調(diào)峰的時(shí)代背景下，更加適用。

山西國金電力有限公司采用山東濟(jì)南發(fā)電設(shè)備廠生產(chǎn)的350MW三相交流兩極同步空內(nèi)冷式汽輪發(fā)電機(jī)。型號(hào)：QFa-350-2；額定轉(zhuǎn)速：3000r/min；額定頻率：50Hz；額定電壓：22kV；額定電流：10806A；勵(lì)磁方式：機(jī)端自并勵(lì)靜止勵(lì)磁。目前國內(nèi)60余臺(tái)300MW級(jí)的空內(nèi)冷發(fā)電機(jī)經(jīng)過6年的運(yùn)行，運(yùn)行效果和經(jīng)濟(jì)性良好。

2 空內(nèi)冷發(fā)電機(jī)冷卻原理及特點(diǎn)

空內(nèi)冷發(fā)電機(jī)冷卻系統(tǒng)采用密閉循環(huán)水-空氣冷卻。每臺(tái)發(fā)電機(jī)設(shè)六組空冷器，安裝于發(fā)電機(jī)座下基礎(chǔ)內(nèi)，風(fēng)路設(shè)計(jì)成中心對(duì)稱的兩個(gè)風(fēng)路。冷空氣由轉(zhuǎn)子兩端軸流式風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)，一部分進(jìn)入定子，一部分進(jìn)入轉(zhuǎn)子，冷卻定轉(zhuǎn)子后的熱空氣經(jīng)空氣冷卻器冷卻后循環(huán)重復(fù)利用。封閉自通風(fēng)冷卻回路無法做到完全封閉，在高壓區(qū)域，空氣會(huì)泄漏至電機(jī)外部，在低壓區(qū)域，空氣會(huì)被從電機(jī)外部吸入。為防止灰塵隨空氣進(jìn)入發(fā)電機(jī)和電刷裝置冷卻系統(tǒng)，在發(fā)電機(jī)低壓區(qū)域軸流風(fēng)扇之前裝有補(bǔ)充空氣過濾器，安裝于電刷支架進(jìn)風(fēng)口處，發(fā)電機(jī)停運(yùn)后須檢查和清洗過濾器積塵，確保透氣。在發(fā)電機(jī)出口母線小室裝有漏水報(bào)警裝置。

空內(nèi)冷發(fā)電機(jī)冷卻結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：

轉(zhuǎn)子繞組為空內(nèi)冷，其余為空外冷，由雙孔空心轉(zhuǎn)子銅排和副槽輔助通風(fēng)構(gòu)成軸向冷卻，定子線圈和定子鐵芯均采用間接冷卻，由鐵芯徑向通風(fēng)間隙和焊接機(jī)殼構(gòu)成徑向通風(fēng)、軸向分段冷卻風(fēng)路。

發(fā)電機(jī)內(nèi)部主要有三條風(fēng)路：

第一條，冷空氣進(jìn)入定子端部繞組部分。圍繞定子端部繞組四周分布著多孔板引導(dǎo)冷空氣，使其沿切線方向均勻流動(dòng)。端部繞組是由向內(nèi)的徑向氣流進(jìn)入氣隙通道來冷卻的。冷空氣再流入第一個(gè)冷卻室的冷卻風(fēng)道。在鐵芯外部這道冷氣流匯入經(jīng)循環(huán)后回流的熱空氣，然后由發(fā)電機(jī)軸向風(fēng)扇排入冷卻器。

第二條風(fēng)路是從第一條風(fēng)路未進(jìn)入定子端部繞組之前分離而出的，目的是使未經(jīng)熱交換的冷空氣流入轉(zhuǎn)子。冷空氣經(jīng)由空氣導(dǎo)向葉片而供給磁場繞組。轉(zhuǎn)子中的空氣與氣隙中流出的空氣混合，經(jīng)過定子冷卻風(fēng)道徑向排出。

第三條風(fēng)路為發(fā)電機(jī)中部剩余的定子部分輸送冷卻空氣。冷卻風(fēng)道內(nèi)的冷空氣首先直接沿徑向向內(nèi)部流入。一部分冷空氣將最終排入氣隙。冷卻定子的另一部分冷空氣則用來確保充分冷卻各定子風(fēng)室間的過渡區(qū)域。在鐵芯外部，該氣流匯入第二條風(fēng)路。

轉(zhuǎn)子繞組采用空心導(dǎo)線進(jìn)行軸向通風(fēng)直接冷卻。冷空氣離開風(fēng)扇后，從護(hù)環(huán)底部進(jìn)入轉(zhuǎn)子端部。一部分冷空氣吹過端部繞組表面，進(jìn)入端部空心導(dǎo)線，經(jīng)轉(zhuǎn)子本體月牙槽離開轉(zhuǎn)子進(jìn)入氣隙。另一部分冷卻轉(zhuǎn)子本體繞組，設(shè)兩路通風(fēng)，一路冷空氣吹過端部繞組表面后，直接進(jìn)入槽內(nèi)空心導(dǎo)線中，流經(jīng)規(guī)定長度后，從槽楔上的徑向孔流入氣隙；另一路冷空氣通過繞組下面的副槽進(jìn)入槽內(nèi)空心導(dǎo)線，流經(jīng)規(guī)定長度后，從本體中部槽楔上的徑向孔流入氣隙離開轉(zhuǎn)子。

為增強(qiáng)轉(zhuǎn)子的通風(fēng)冷卻效果，在護(hù)環(huán)底部轉(zhuǎn)子入口處增加導(dǎo)風(fēng)渦輪。一是增加壓頭，提高冷卻轉(zhuǎn)子的空氣流量；二是切向均流，使得各通風(fēng)副槽的空氣流量均勻。

3 空內(nèi)冷汽輪發(fā)電機(jī)經(jīng)濟(jì)性

3.1 投資對(duì)比（表1）

表1

3.2 安裝對(duì)比

水氫氫冷發(fā)電機(jī)較空內(nèi)冷發(fā)電機(jī)增加定子水系統(tǒng)的各項(xiàng)安裝及檢查試驗(yàn)項(xiàng)目，水內(nèi)冷主引線的絕緣引水管的相關(guān)試驗(yàn)，密封油系統(tǒng)的安裝與調(diào)試。整體看來，空內(nèi)冷發(fā)電機(jī)安裝簡單、快捷。

3.3 運(yùn)行與維護(hù)（表2）

表2

通過以上對(duì)比可以看出，空內(nèi)冷發(fā)電機(jī)組造價(jià)雖高，但水氫氫冷發(fā)電機(jī)附屬設(shè)備較多，從長期運(yùn)行來看，經(jīng)濟(jì)效益并不差?？諆?nèi)冷發(fā)電機(jī)獨(dú)有的系統(tǒng)簡單，維護(hù)量少，安全可靠性高，能夠節(jié)約能源。

除考慮氫氣有易爆遺漏的特性外，而水由于具有易于吸氧，對(duì)線圈等有腐蝕作用等特性，使得冷卻用氫，水介質(zhì)成為發(fā)電機(jī)安全運(yùn)行的重大威脅因素，氫、水介質(zhì)在發(fā)電機(jī)內(nèi)外一旦發(fā)生泄漏，后果都很嚴(yán)重，所以空氣作為冷卻介質(zhì)更為方便，維護(hù)更為簡單。

4 空內(nèi)冷發(fā)電機(jī)的缺點(diǎn)

根據(jù)使用情況看，雖然大型空內(nèi)冷發(fā)電機(jī)冷卻技術(shù)不斷更新，效率較以前提高，但同氫冷和水冷發(fā)電機(jī)的工作效率相比，效率還是比較低。這是因?yàn)闅浜退膶?dǎo)熱和傳熱性比空氣更好，所影響的通風(fēng)損耗更小?？諆?nèi)冷發(fā)電機(jī)的全部損耗中，通風(fēng)損耗占據(jù)了三分之一，導(dǎo)致空內(nèi)冷發(fā)電機(jī)的工作效率要比同等容量的氫冷發(fā)電機(jī)低0.1%～0.2%。

空內(nèi)冷發(fā)電機(jī)的體積和重量相對(duì)氫冷和水冷發(fā)電機(jī)的要大，空內(nèi)冷發(fā)電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子的重量約為水氫氫冷發(fā)電機(jī)的1.7倍。加上轉(zhuǎn)子兩端的冷卻風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)，發(fā)出的噪聲要比氫冷和水冷發(fā)電機(jī)大，因此在使用過程中需要采取有效的措施來降低噪聲。

5 結(jié)語

隨著火電機(jī)組運(yùn)行調(diào)峰作用越來越明顯，甚至部分機(jī)組出現(xiàn)啟停調(diào)峰，這對(duì)發(fā)電機(jī)運(yùn)行安全提出了更高的要求，更加體現(xiàn)出空內(nèi)冷發(fā)電機(jī)的優(yōu)勢(shì)。