大型水轮发电机冷却方式

1、报告人：刘公直报告人：刘公直 20122012年年4 4月月可分为空冷和内冷两大类可分为空冷和内冷两大类 采用的介质不同，内冷又可分为水内冷和采用的介质不同，内冷又可分为水内冷和蒸发冷却两种方式蒸发冷却两种方式1.1 1.1 冷却方式分类冷却方式分类散热效率高，使用寿命长，自身损耗低，安装调试和维散热效率高，使用寿命长，自身损耗低，安装调试和维护简便，有适当的散热余量护简便，有适当的散热余量选用不污染环境，不损害人体健康，不腐蚀电机的环保选用不污染环境，不损害人体健康，不腐蚀电机的环保型冷却介质型冷却介质定子轴向温度分布均匀、温差小，定子线棒相对位移小，定子轴向温度分布均匀、温差小，定子线棒相

2、对位移小，定子铁心无变形翘曲、各部位温度不超过规定值定子铁心无变形翘曲、各部位温度不超过规定值主要电气参数（主要电气参数（ X X d d 、X Xd d、X X d d、），转动惯量、），转动惯量（GDGD2 2）等满足电力系统稳定运行要求）等满足电力系统稳定运行要求发电机的材料有效利用率高、重量轻、造价低发电机的材料有效利用率高、重量轻、造价低冷却设备结构紧凑，占地空间小冷却设备结构紧凑，占地空间小1.2 1.2 冷却方式选择原则冷却方式选择原则电气参数较好，额定点效率高，过载能力强，适应电电气参数较好，额定点效率高，过载能力强，适应电站频繁开停机的运行方式，运行成本及故障率低站频繁开停机

3、的运行方式，运行成本及故障率低结构简单，现场安装、调试简便，安装周期短，易于结构简单，现场安装、调试简便，安装周期短，易于维护检修等维护检修等1.3 1.3 冷却方式对比冷却方式对比1.3.1 1.3.1 全空冷的优势全空冷的优势突破每极容量的限制（通常突破每极容量的限制（通常85009000KVA85009000KVA以以上应采用水内冷），实现设计理念的重大转变上应采用水内冷），实现设计理念的重大转变（详见表（详见表1 1）注重对电机的电压、定子绕组支路数与槽电流的注重对电机的电压、定子绕组支路数与槽电流的合理匹配选择及热流密度分析计算和热负荷的控合理匹配选择及热流密度分析计算和热负荷的控制

4、（电负荷控制：制（电负荷控制：750920A/cm750920A/cm；热负荷宜小；热负荷宜小于于2800A2800A2 2/cm.mm/cm.mm2 2）1.3.2 1.3.2 全空冷的极限容量全空冷的极限容量序号序号电站名称电站名称国家国家额定容量额定容量（MVA）额定转速额定转速（r/min）每极容量每极容量（KVA/每极）每极）冷却方式冷却方式1向家坝向家坝中国中国888.97511111空冷空冷2溪洛渡溪洛渡中国中国855.612517825空冷空冷3三峡左岸三峡左岸中国中国777.8/840759723/10500水冷水冷4三峡右岸（三峡右岸（23#26# 机）机）中国中国777.

5、8/840759723/10500空冷空冷5三峡右岸地电（三峡右岸地电（27#-28# 机）机）中国中国777.8/840759723/10500蒸发冷却蒸发冷却6依泰普（依泰普（50Hz）巴西巴西82490.912480水冷水冷7古里古里厂厂委内瑞拉委内瑞拉700/805112.510938/12580空冷空冷8龙滩龙滩中国中国777.8107.113889空冷空冷9小湾小湾中国中国777.815019445空冷空冷10拉西瓦拉西瓦中国中国757142.918024空冷空冷11长河坝（在建）长河坝（在建）中国中国722.2142.916929空冷空冷12大古力大古力厂厂美国美国71885.7

6、8548水冷水冷13萨彦舒申斯克萨彦舒申斯克前苏联前苏联711142.916930定子水冷、转子强迫空冷定子水冷、转子强迫空冷14锦屏一级（在建）锦屏一级（在建）中国中国700142.915452空冷空冷15官地（在建）官地（在建）中国中国66710011111空冷空冷16二滩二滩中国中国612/642142.914571/15286空冷空冷17大古力大古力厂厂美国美国615726150空冷空冷18克拉斯诺雅尔斯克克拉斯诺雅尔斯克前苏联前苏联59093.89219定子水冷、转子强迫空冷定子水冷、转子强迫空冷19水布垭水布垭中国中国445/511.115011125/12780空冷空冷20丘吉尔

7、瀑布丘吉尔瀑布加拿大加拿大50020013889空冷空冷表表1 1 单机容量为单机容量为500MVA500MVA及以上典型水轮发电机主要技术数据及以上典型水轮发电机主要技术数据先进计算技术的应用先进计算技术的应用定、转子三维温度场分析计算定、转子三维温度场分析计算1.3.3 1.3.3 全空冷成功的技术保证全空冷成功的技术保证定子三维温度场温度分布云图定子三维温度场温度分布云图 转子三维温度场温度分布云图转子三维温度场温度分布云图 发电机散热匝极间流体模型发电机散热匝极间流体模型 发电机极间三维流场分布发电机极间三维流场分布 扎实的基础研究试验电机流体与换热参数试验台电机流体与换热参数试验台

8、电机流体与换热参数试验控制台电机流体与换热参数试验控制台 极间散热系数模型极间散热系数模型带散热匝的模型板及测试元件带散热匝的模型板及测试元件 大量通风模型装置成功设计和实验为真机通风系统优化提供可靠依据（见表2）电站名称电站名称拉西瓦拉西瓦三峡右岸三峡右岸小湾小湾龙滩龙滩惠州惠州主要技术参数主要技术参数真机真机模型模型真机真机模型模型真机真机模型模型真机真机模型模型真机真机模型模型定子铁心外径（定子铁心外径（mm）13770275419760329312740254816060321259702388定子铁心内径定子铁心内径(mm)126002520187663128116002320150

9、00300046701868铁心长度铁心长度(mm)325065032005343650730330066029301172定子通风沟数定子通风沟数70146811761570147329定子通风沟高度定子通风沟高度(mm)6666666655转子外径转子外径(mm)12528250618704311711530230614932298645841833磁轭外径磁轭外径(mm)1185823721809030151085221701429228582238895极数极数42428080404056561212转速（转速（r/min）142.915030075100320150150350107

10、.1100300500300350比例比例1:51:61:51:51:2.5验收时间验收时间2005.22004.122007.22004.12005.9表表 2 2 真机和模型主要技术数据比较真机和模型主要技术数据比较三峡右岸发电机通风模型三峡右岸发电机通风模型 惠州发电电动机通风模型惠州发电电动机通风模型 紧密跟踪、现场实测，分析对比，不断创新提高典型长铁心电机实测（见表3）电站名称电站名称白山白山二滩二滩天生桥天生桥级级额定容量额定容量 (MVA)343612245额定功率因数额定功率因数0.8750.90.9额定电压额定电压 (KV)181818额定转速额定转速 (r/min)1251

11、42.9200定子铁心内径定子铁心内径 (mm)11340118108070定子铁心长度定子铁心长度 (mm)275028832700电机总风量电机总风量 (m3/s)144(160.2)200(193.4)112(125)下风道风量下风道风量 (m3/s)6214.853.5试验时间试验时间2002.6.10132002.3.272002.3.10表表 3 3 典型长铁心电机实测与计算对比典型长铁心电机实测与计算对比项目项目总风量（总风量（m3/s）上上/下风道风量（下风道风量（m3/s）通风损耗（通风损耗（KW）初步设计值初步设计值316.82240通风模型折算值通风模型折算值351246

12、0优化计算值优化计算值326.42300实测值实测值320.8196.2/124.7(6:4)2467.8三峡右岸电站26#机实测（见表4）表表4 264 26 #机实测与计算对比机实测与计算对比三峡右岸电站三峡右岸电站2525 # #机实测（带电测温）机实测（带电测温） 6 6根试验线棒：上层根试验线棒：上层3 3根，下层根，下层3 3根根 其中其中4 4根线棒各埋设根线棒各埋设2020个测温元件，其余个测温元件，其余2 2根各埋设根各埋设 1414个测温元件个测温元件上上层层线线棒棒测测点点布布置置 上部气隙侧下层50060060060060050037363835333429272830

13、322624252221233940 303132下层线棒测点布置下层线棒测点布置 5 5号上层线棒测点布置号上层线棒测点布置 A AA500600600600600500A气隙侧上部下层212223242526272829303132333427286号下层线棒测点布置号下层线棒测点布置采用安全可靠通风系统采用安全可靠通风系统双路径向密闭自循环端部回风无风扇旋转挡风板通风系统双路径向密闭自循环端部回风无风扇旋转挡风板通风系统磁轭通风隙（或通风隙磁轭通风隙（或通风隙+ +通风沟）为主要压头元件通风沟）为主要压头元件总风量适宜（总风量适宜（5%8%5%8%裕量），风量分配合理裕量），风量分配合理

14、（5.5/ 6:4.5/45.5/ 6:4.5/4），风速均匀，冷却效果良好），风速均匀，冷却效果良好实测表明：定子线棒全部测点（实测表明：定子线棒全部测点（RTDRTD）的最高温度与最）的最高温度与最低温度差约为低温度差约为 66；同一高程的测点温差不大于；同一高程的测点温差不大于44；同；同一根线棒轴向温差不大于一根线棒轴向温差不大于33。铁心最高温度与最低温度。铁心最高温度与最低温度差不大于差不大于22，温度分布非常均匀，温度分布非常均匀三峡右岸发电机通风系统示意三峡右岸发电机通风系统示意全空冷电机温升考核标准全空冷电机温升考核标准对对S SN N600MVA600MVA大容量水轮发电机

15、，定、转子绕组采大容量水轮发电机，定、转子绕组采用用F F级绝缘，其温升值按级绝缘，其温升值按B B级考核级考核对对S SN N600MVA600MVA巨型水轮发电机，定子绕组巨型水轮发电机，定子绕组/ /定子铁心定子铁心温升宜取温升宜取(7075)k(7075)k，转子绕组温升宜取，转子绕组温升宜取(7580)k(7580)k表表5 5温升统计显示：三峡右岸、溪洛渡、向家坝等项目温升统计显示：三峡右岸、溪洛渡、向家坝等项目要求过严要求过严2 2台空冷器退出运行，且冷风温度不超过台空冷器退出运行，且冷风温度不超过 4040，水温不超，水温不超过过2828，温升仍保持额定值，导致发电机设计不经济

16、，重，温升仍保持额定值，导致发电机设计不经济，重量偏重，先进性未能体现量偏重，先进性未能体现发电机应取科学、合理、经济的温升值发电机应取科学、合理、经济的温升值电站名称电站名称定子绕组定子绕组定子铁心定子铁心转子绕组转子绕组备注备注三峡右岸地面三峡右岸地面/地下（空冷）地下（空冷）62/6062/5070/65过严过严向家坝（空冷）向家坝（空冷）706075铁心温升过严铁心温升过严溪洛渡（空冷）溪洛渡（空冷）706075铁心温升过严铁心温升过严龙滩龙滩726578铁心铁心/绕组温升略偏严绕组温升略偏严拉西瓦拉西瓦707575合适合适小湾小湾757585转子绕组略偏松转子绕组略偏松长河坝长河坝7

17、37178合适合适锦屏一级锦屏一级727076合适合适官地官地808085偏松偏松表表5 5 全空冷大容量水轮发电机温升值统计全空冷大容量水轮发电机温升值统计单位：单位：K K适应热变形结构应用适应热变形结构应用定子机座后倾式斜立筋及转子支架前倾式斜立筋应用，定子机座后倾式斜立筋及转子支架前倾式斜立筋应用，保证正常和非正常运行工况定、转子的圆度和同心度保证正常和非正常运行工况定、转子的圆度和同心度实测表明：实测表明：2626# #机定子机座斜立筋不同测点的径向变形机定子机座斜立筋不同测点的径向变形值与计算值吻合，实现均匀同心膨胀和均匀扭转值与计算值吻合，实现均匀同心膨胀和均匀扭转定子铁心采用具

18、有可靠绝缘的高强度低碳合金钢穿心螺定子铁心采用具有可靠绝缘的高强度低碳合金钢穿心螺杆与碟形弹簧匹配的压紧系统，并实行分段冷压和整体杆与碟形弹簧匹配的压紧系统，并实行分段冷压和整体热压的工艺，保持铁心恒定的压缩量和必须的压紧力热压的工艺，保持铁心恒定的压缩量和必须的压紧力三峡发电机定子斜立筋支撑机座三峡发电机定子斜立筋支撑机座定子铁心叠片定子铁心叠片 定子下线定子下线 定子上层线棒定子上层线棒 转子中心体吊落在安装基础上转子中心体吊落在安装基础上 转子支臂与中心体组装转子支臂与中心体组装 磁轭叠装磁轭叠装具有先进可靠的绝缘技术具有先进可靠的绝缘技术6060年的技术进步、发展、创新，形成极具特点的

19、哈电绝缘技术年的技术进步、发展、创新，形成极具特点的哈电绝缘技术哈电多胶模压线棒经日本三菱、加拿大哈电多胶模压线棒经日本三菱、加拿大GEGE公司，瑞士原公司，瑞士原 ABBABB公司全面严格实验评定（如外观质量，尺寸，表面电阻，介质公司全面严格实验评定（如外观质量，尺寸，表面电阻，介质损耗，冷热循环及电热老化试验等）损耗，冷热循环及电热老化试验等）目前哈电少胶真空压力浸渍（目前哈电少胶真空压力浸渍（ SVPISVPI）绝缘设备已正式投入使）绝缘设备已正式投入使用，并完成空冷汽轮发电机（用，并完成空冷汽轮发电机（200MW200MW、18KV18KV）及水电秘鲁）及水电秘鲁（102MW102MW

20、、13.8KV13.8KV）, ,白鹤滩（白鹤滩（1000MW1000MW、24KV24KV）及仙居）及仙居（375MW375MW、18KV18KV）定子线棒制造）定子线棒制造改善定子导线角部场强技术应用；防晕层非线性参数的合理搭改善定子导线角部场强技术应用；防晕层非线性参数的合理搭配；防晕层采用一次成型工艺；端部绑扎固定结构防晕处理以配；防晕层采用一次成型工艺；端部绑扎固定结构防晕处理以及槽内固定采用及槽内固定采用“三合一三合一”绕包槽衬结构等综合技术，哈电绝绕包槽衬结构等综合技术，哈电绝缘技术得到全面提升：缘技术得到全面提升：工作场强：工作场强：30KV/mm30KV/mm击穿水平：击穿水

21、平：6.0U6.0UN N常态介损常态介损(0.2U(0.2UN N):tan):tan1%;1%; 常态介损增量（常态介损增量（0.6 U0.6 UN N-0.2 U-0.2 UN N）: :tantan0.5%0.5% 热态介损（热态介损（155155、0.6 U0.6 UN N）6%6%防晕结构的表面电位梯度防晕结构的表面电位梯度:230V/mm:230V/mm槽电位槽电位: : 10V10V单根定子线棒起晕电压单根定子线棒起晕电压:2.5 U:2.5 UN N (U(UN N20KV)20KV) 2.0U 2.0UN N (U(UN N20KV)20KV)整机起晕电压整机起晕电压:1.

22、1 U:1.1 UN N单根线棒端部防晕层在空气中最高闪络电压单根线棒端部防晕层在空气中最高闪络电压: : 130KV(U 130KV(UN N20KV)20KV)完善优化的推力轴承技术完善优化的推力轴承技术三峡右岸电站全空冷发电机推力轴承与三峡左岸发电机三峡右岸电站全空冷发电机推力轴承与三峡左岸发电机的基本相同，业已经哈电的基本相同，业已经哈电3000t3000t推力轴承试验台试验验推力轴承试验台试验验证，性能可靠证，性能可靠哈电经消化吸收，对其支撑结构和润滑冷却系统进行完哈电经消化吸收，对其支撑结构和润滑冷却系统进行完善优化，效果良好。额定负荷运行推力瓦温为善优化，效果良好。额定负荷运行推

23、力瓦温为（78.776.578.776.5），瓦温分布均匀，瓦温分布均匀三三峡峡发发电电机机小小支支柱柱簇簇支支撑撑结结构构哈电全空冷巨型水轮发电机统计（见表哈电全空冷巨型水轮发电机统计（见表6 6）1.3.4 1.3.4 哈电全空冷水轮发电机业绩哈电全空冷水轮发电机业绩序号序号电站名称电站名称额定容量额定容量（MVA）装机台数装机台数首台机首台机投运年份投运年份备备 注注1龙滩龙滩7787+(2)2007未计拟增装的未计拟增装的2台机容量台机容量2三峡右岸三峡右岸778/8404+22007地下厂房地下厂房2台机于台机于2011年并网发电年并网发电3拉西瓦拉西瓦7575+12009未计拟增装

24、的未计拟增装的6#机容量机容量4小湾小湾778620095向家坝向家坝889420126官地官地667420127锦屏一级锦屏一级700620128溪洛渡溪洛渡856620129长河坝长河坝72242014表表 6 6 巨型全空冷水轮发电机统计巨型全空冷水轮发电机统计单机容量为单机容量为600MVA600MVA及以上的全空冷巨型水轮发电机共及以上的全空冷巨型水轮发电机共计计4848台套，装机容量达台套，装机容量达37387MVA37387MVA，容量及台数均居世，容量及台数均居世界第一界第一具有自主知识产权、单机容量最大、尺寸最大的三峡右具有自主知识产权、单机容量最大、尺寸最大的三峡右岸全空冷

25、巨型水轮发电机成功投运，标志着空冷技术的岸全空冷巨型水轮发电机成功投运，标志着空冷技术的重大突破，是水电建设史上一个重要里程碑，开创了世重大突破，是水电建设史上一个重要里程碑，开创了世界上单机容量最大的全空冷水轮发电机运行的新时代界上单机容量最大的全空冷水轮发电机运行的新时代定子线棒温度较低，温度分布较均匀，有利于改善热定子线棒温度较低，温度分布较均匀，有利于改善热应力、减小铁心翘曲和延长绝缘寿命应力、减小铁心翘曲和延长绝缘寿命满足规定的满足规定的GDGD2 2值，可适当降低铁心高度，缩小体积，值，可适当降低铁心高度，缩小体积，减轻重量减轻重量可适应短时过载和频繁起停运行方式可适应短时过载和频

26、繁起停运行方式定子线棒水接头结构和水处理设备可靠性较低定子线棒水接头结构和水处理设备可靠性较低安装、实验、运行管理和检修的难度及工作量大，维安装、实验、运行管理和检修的难度及工作量大，维护成本较高护成本较高1.3.5 1.3.5 水内冷的优势水内冷的优势电气参数（电气参数（ X Xd d、 X X d d、 SCRSCR），额定效率、），额定效率、铜耗损等是限制容量的关键因素铜耗损等是限制容量的关键因素基于体积容量和导热系数不同，水内冷发电机的极限基于体积容量和导热系数不同，水内冷发电机的极限容量约为空冷的容量约为空冷的1.521.52倍倍受电气参数及铁磁材料饱和等因素影响，以及现代计受电气参

27、数及铁磁材料饱和等因素影响，以及现代计算技术、绝缘技术和水平不断提高和对线圈散热性能算技术、绝缘技术和水平不断提高和对线圈散热性能的改善以及通风系统的优化，全空冷发电机的极限容的改善以及通风系统的优化，全空冷发电机的极限容量基本与水内冷的相当量基本与水内冷的相当从技术进步和发展分析，目前投运的水内冷发电机并从技术进步和发展分析，目前投运的水内冷发电机并未完全发挥其优势（如电负荷、磁负荷及热负荷的选未完全发挥其优势（如电负荷、磁负荷及热负荷的选择）择）1.3.6 1.3.6 水内冷的极限容量水内冷的极限容量具有与水内冷技术相当的冷却效果具有与水内冷技术相当的冷却效果取消价格昂贵的纯水处理系统，需

28、增加一套蒸发冷却系统取消价格昂贵的纯水处理系统，需增加一套蒸发冷却系统采用无毒、安全的高绝缘、防火和灭弧性能好的环保型冷采用无毒、安全的高绝缘、防火和灭弧性能好的环保型冷却介质却介质运行和维护相对简便、可靠性较高运行和维护相对简便、可靠性较高施工安装周期相当施工安装周期相当蒸发冷却极限容量与水内冷的相当蒸发冷却极限容量与水内冷的相当20112011年年1212月东电自主设计制造的月东电自主设计制造的 700MW 700MW 级巨型蒸发冷级巨型蒸发冷却水轮发电机组在三峡右岸地下电站成功并网发电，实现却水轮发电机组在三峡右岸地下电站成功并网发电，实现同一个电站装设三种不同冷却方式巨型水轮发电机组的

29、目同一个电站装设三种不同冷却方式巨型水轮发电机组的目标标1.3.7 1.3.7 蒸发冷却的优势蒸发冷却的优势三峡右岸电站（含地下电站）三峡右岸电站（含地下电站）700MW700MW不同冷却方式水轮发不同冷却方式水轮发电机主要性能指标对比（见表电机主要性能指标对比（见表7 7）1.4 1.4 不同冷却方式性能指标对比不同冷却方式性能指标对比表表 7 7 全空冷、水内冷、蒸发冷却发电机主要性能指标对比全空冷、水内冷、蒸发冷却发电机主要性能指标对比序号序号 项目项目 全空冷全空冷 水内冷水内冷 蒸发冷却蒸发冷却备备 注注1X X dudu0.325/0.3030.341 / 0.319/0.35 /

30、 0.320.35/0.32水内冷栏分子、分母指标分别为水内冷栏分子、分母指标分别为ALSTOM和和DFEM2SCR1.121.11.13GD2(t.m2)450157450000/454880454880同序号同序号1备注说明备注说明4Ic(A)60628083/97009700同序号同序号1备注说明备注说明5AS(A/cm)864864/851851同序号同序号1备注说明备注说明6经济性经济性(总重量总重量)(t)35433334/3143/32623640水内冷栏指标依次为水内冷栏指标依次为ALSTOM、VGS、DFEM7 可靠性可靠性符合合同符合合同4项要求项要求符合合同符合合同4项要

31、求项要求符合合同符合合同4项要求项要求8 过载能力过载能力定子绕组：定子绕组：I=1.62INt=2min转子绕组：转子绕组：If=2IfNt=50S纯水系统停运：纯水系统停运：P=pN,t=6min；P=0.3 pN,t=定子绕组：定子绕组：I=1.62INt=1min转子绕组：转子绕组：If=2IfNt=20S2台空冷器和台空冷器和1台冷凝台冷凝器退出，可正常运行。器退出，可正常运行。冷凝器断水必须停机。冷凝器断水必须停机。其他指标同水内冷其他指标同水内冷空冷和水内冷空冷和水内冷2台空冷器退出可正常运行台空冷器退出可正常运行9 频繁开停机频繁开停机适应适应适应适应适应适应10 介质泄漏介质泄漏无无潜在隐患，有可能引潜在隐患，有可能引发短路故障发短路故障潜在隐患，但引发短潜在隐患，但引发短路故障的可能性极小路故障的可能性极小三峡右岸地下电站机组主要数据统计（见表三峡右岸地下电站机组主要数据统计（见表8 8）1.5 1.5 结结 论论表表 8 8 三峡右岸地下电站机组定子温度统计三峡右岸地下电站机组定子温度统计 单位：单位： 项目项目全空冷