尼傲加尕水電站3號機(jī)通風(fēng)降溫改造技術(shù)

李 暉，龔舉達(dá)，王恩成

(1．國網(wǎng)甘肅省電力公司，甘肅 蘭州 730050;2．迭部尼傲加尕水電開發(fā)有限責(zé)任公司，甘肅 迭部 747404；3．杭州柯瓦新能源有限公司,浙江 杭州 310015)

1 電站概況

尼傲加尕水電站位于甘肅省迭部縣境內(nèi)的白龍江干流上，為低水頭壩后式電站，總庫容263萬m3，調(diào)節(jié)庫容45萬m3，為日調(diào)節(jié)水庫。壩址處多年平均流量46.1 m3/s，發(fā)電引用流量為63.3 m3/s，設(shè)計水頭23 m，裝機(jī)容量3×4.3 MW，年發(fā)電量6 675萬kW·h。原水輪機(jī)型號為ZZ550—LJ—180，發(fā)電機(jī)型號為SF4300—18/3250。

尼傲加尕水電站的3號水輪發(fā)電機(jī)采用管道自然通風(fēng)冷卻方式，自運(yùn)行以來，定子長期在超過90 ℃的溫度下運(yùn)行，夏天甚至超過110 ℃，熱風(fēng)漏向水輪機(jī)室；溫度高至人員無法長時間停留在水輪機(jī)室。發(fā)電機(jī)長期高溫運(yùn)行，縮短了電氣絕緣的使用壽命，帶來了安全隱患；高溫運(yùn)行還導(dǎo)致定、轉(zhuǎn)子線圈的電阻率也提高，損耗大，降低了發(fā)電機(jī)效率。

2021年3月26日，完成對3號水輪發(fā)電機(jī)的通風(fēng)降溫技術(shù)改造，通過對夏季的高溫對比，相對改造前，溫度降低30 ℃左右，達(dá)到預(yù)期改造目標(biāo)。

2 發(fā)電機(jī)額定數(shù)據(jù)

發(fā)電機(jī)型號為SF4300—18/3250，額定容量Ps=5.059/4.3 MVA/MW，額定電壓UN=10.5 kV，額定電流IN=278.1 A，額定功率因數(shù)cosφN=0.85(滯后)，額定頻率FN=50 Hz，額定轉(zhuǎn)速nN=333.3 r/min，飛逸轉(zhuǎn)速nf=810 r/min，相數(shù)為3相，額定勵磁電壓Ufn=75 V， 額定勵磁電流Ifn=440 A，定子、轉(zhuǎn)子絕緣耐熱等級為F級，旋轉(zhuǎn)方向為俯視順時針，原冷卻方式為管道通風(fēng)自然冷卻方式。

3 改造前后的通風(fēng)路徑對比

(1)改造前通風(fēng)冷卻方式。管道通風(fēng)自然冷卻方式(見圖1左側(cè))。

(2)改造后通風(fēng)冷卻方式。密閉循環(huán)空氣冷卻器冷卻方式(見圖1右側(cè))。

圖1 改造前后通風(fēng)路徑示意

4 原因分析

通過現(xiàn)場了解、圖紙分析、電磁計算與通風(fēng)計算分析，其主要原因是發(fā)電機(jī)采用管道通風(fēng)自然冷卻方式?jīng)]有足夠的風(fēng)量進(jìn)入定子鐵心(定子線圈)進(jìn)行冷卻，內(nèi)部風(fēng)路混亂，漏風(fēng)，冷熱風(fēng)混在一起等。具體表現(xiàn)在以下幾個方面。

(1)風(fēng)阻大。定子鐵心通風(fēng)道數(shù)量少，而且每個定子齒部布置了2根通風(fēng)槽鋼，減少了通風(fēng)面積；其結(jié)果是風(fēng)阻大，風(fēng)量過不去。

(2)風(fēng)路混亂。熱風(fēng)通過風(fēng)管排至機(jī)組上游側(cè)(廠房與大壩之間)，沒有經(jīng)過有效的空氣交換，又通過廠大門進(jìn)入又重新進(jìn)入到廠房內(nèi)，再進(jìn)入機(jī)坑進(jìn)風(fēng)口，重新進(jìn)入機(jī)組內(nèi)，造成了熱風(fēng)惡性循環(huán)。同時，另一股熱風(fēng)通過水輪機(jī)進(jìn)人門進(jìn)入水輪機(jī)層，然后通過機(jī)坑進(jìn)風(fēng)口又重新進(jìn)入機(jī)組內(nèi)，也造成熱風(fēng)惡性循環(huán)。

(3)風(fēng)壓低。轉(zhuǎn)子上沒有有效的風(fēng)扇來產(chǎn)生風(fēng)壓，僅靠磁軛沖片的片間間隙，過風(fēng)面積小，風(fēng)壓低。

(4)漏風(fēng)。磁軛下端的制動塊與磁軛壓板之間留有間隙，導(dǎo)致部分熱風(fēng)沒有進(jìn)入定子通風(fēng)道，而是進(jìn)入了水輪機(jī)室。

綜上所述，這些原因造成風(fēng)量小，通過定子側(cè)的風(fēng)量更小，不能形成有效風(fēng)路循環(huán)，不能將發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的熱量完全帶出去，發(fā)電機(jī)的溫度自然就高了。

5 改造措施

(1)改變發(fā)電機(jī)的通風(fēng)冷卻方式，將原來的管道通風(fēng)自然冷卻方式改為密閉循環(huán)空氣冷卻器冷卻方式，消除管道風(fēng)阻大及風(fēng)路混亂的情況。在定子機(jī)座的周圍，布置6只空氣冷卻器，讓定子出來的熱風(fēng)全部通過空氣冷卻器。清理定子機(jī)座與基礎(chǔ)之間的空隙和機(jī)坑內(nèi)壁，讓空冷器出來的冷風(fēng)有足夠的回風(fēng)空間。同時，在定子鐵心上端的機(jī)座壁(對應(yīng)定子線圈端部側(cè)開了8只120 mm×1 085 mm的長方形孔，并封堵機(jī)座壁上原來的圓孔；這樣空冷器出來的冷風(fēng)就可以冷卻定子線圈端部。

(2)在轉(zhuǎn)子的上端增加18只離心式風(fēng)扇，對轉(zhuǎn)子磁軛下端進(jìn)行通風(fēng)改造，去掉原來的分塊式的制動塊，變更為整圓的制動圓環(huán)。同時，在制動圓環(huán)與磁軛壓板之間留有85 mm高的空間，布置18塊離心式風(fēng)扇，增加風(fēng)壓和進(jìn)風(fēng)面積；整個通風(fēng)系統(tǒng)由一路循環(huán)冷卻改造為雙路循環(huán)冷卻。

(3)在轉(zhuǎn)子的上、下端安裝有靜止的玻璃鋼擋風(fēng)板，配合轉(zhuǎn)子上安裝的離心式風(fēng)扇，增加風(fēng)壓，減少漏風(fēng)。

(4)選用冷卻容量大、需要風(fēng)量小的空氣冷卻器，這樣在冷卻風(fēng)量不夠的情況上，達(dá)到換熱目的，冷風(fēng)溫度較常規(guī)空冷器低13 ℃；其冷卻水量也偏小。

(5)封堵原機(jī)坑上的進(jìn)出風(fēng)口。

6 改造后的風(fēng)量計算

校核發(fā)電機(jī)的電磁計算。額定工況下，發(fā)電機(jī)功率4 300 kW，功率因數(shù)為0.85時，發(fā)電機(jī)經(jīng)空冷器需排出的損耗P=182 kW，空氣溫升Δθ=25 K,發(fā)電機(jī)冷卻所需的風(fēng)量為6.6 m3/s。

發(fā)電機(jī)改造后，通風(fēng)計算結(jié)果顯示，僅能產(chǎn)生5.3 m3/s，仍然不能滿足發(fā)電機(jī)冷卻的需要(見圖2、表1)。

圖2 通風(fēng)計算網(wǎng)絡(luò)示意

表1 發(fā)電機(jī)通風(fēng)計算結(jié)果

經(jīng)過上述發(fā)電機(jī)改造仍然不能產(chǎn)生足夠的風(fēng)量來進(jìn)行發(fā)電機(jī)冷卻，為此必須選用風(fēng)量小、換熱能力強(qiáng)的空氣冷卻器。

7 空冷器選擇

由于改造前發(fā)電機(jī)的通風(fēng)冷卻方式為管道通風(fēng)，機(jī)坑內(nèi)徑與定子機(jī)座外徑的設(shè)計空間僅有500 mm，而實際尺寸偏差太大，有的地點不足400 mm，因此需要選有厚度較薄的空冷器；同時對機(jī)坑內(nèi)徑進(jìn)行擴(kuò)大。因為在此狹窄的空間內(nèi)需要布置空氣冷卻器、冷卻水管及閥門(見圖3)。

圖3 空冷器安裝

空氣冷卻器型號為kW—S141—34D183，換熱容量32.5 kW，冷卻余量20%，耗水量12 t/h，水流程數(shù)為2，風(fēng)速1.92 m/s，風(fēng)量0.85 m3/s，進(jìn)水溫度20 ℃，出水溫度22.4 ℃，出風(fēng)溫度27 ℃，水壓降0.01 MPa，工作水壓0.3 MPa，試驗水壓0.6 MPa，管內(nèi)流速1.6 m/s，壓力損失80 Pa，芯組尺寸為1 200 mm×374 mm×88.5 mm，整機(jī)尺寸為1 460 mm×460 mm×170 mm。

8 改造后的溫度計算值與實測數(shù)值比較

發(fā)電機(jī)運(yùn)行在額定功率4 300 kW，不同功率因數(shù)與冷卻水溫的定子溫度值如下所示(見表2)。

表2 不同功率因數(shù)與冷卻水溫的定子溫度值比較

改造后的實測溫度與計算值基本吻合，達(dá)到了預(yù)期通風(fēng)降溫的改造目標(biāo)。

9 結(jié) 論

尼傲加尕水電站通風(fēng)降溫改造方案采用典型的電機(jī)端部回風(fēng)冷卻結(jié)構(gòu)，改管道自然通風(fēng)冷卻為密閉循環(huán)空冷器冷卻，利用自主研發(fā)的通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)計算程序，配合相應(yīng)的電磁計算及配套的通風(fēng)冷卻元件達(dá)到精準(zhǔn)計算的要求。實踐表明，改造達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)，為以后類似電站的通風(fēng)冷卻改造提供了寶貴的經(jīng)驗和理論基礎(chǔ)。

通風(fēng)降溫改造降低了發(fā)電機(jī)運(yùn)行溫度，提高了發(fā)電機(jī)效率，延長了絕緣的老化壽命，增加了機(jī)組安全運(yùn)行的可靠性。對電站而言，不僅提高了經(jīng)濟(jì)效益，還提高了安全性及社會效益。