大型水轮发电机冷却技术综述

1、大型水轮发电机冷却技术特点综述（哈尔滨理工大学电气与电子工程学院）摘要：本着节能减排、可持续发展的原则，清洁无污染的水力发电会越来越被人们所重视，本文介绍了大型水轮发电机三种冷却方式：空冷，水冷，蒸发冷却。首先分别介绍了三种冷却方式的工作原理、特点、造价、适用范围，和当前各种冷却方式的发展现状，对于冷却原理和运行过程中的注意问题给出了详细的说明。之后通过查阅数据，从经济性、实用性、运行维护和电机结构等角度对三种不同的冷却方式进行了比较，给出了合理的意见。关键词：大型水轮发电机；冷却方式；发展现状；运行性能TheCoolingTechnologySummaryforLargeHydro-gene

2、rators(CollegeofElectricalandElectronicEngineering,HarbinUniversityofScienceandTechnology)Abstract:Basedontheprincipleofenergysavingandemissionreductionandsustainabledevelopment,moreandmorepeoplewillpayattentiontocleanandnonpollutedhydroelectricpower.Thispaperintroducesthreekindsofcoolingmethodsforl

3、argehydro-generators,includingaircooling,watercooling,andevaporationcooling.Firstofall,thepaperintroducestheworkingprinciple,characteristics,costandscopeofapplication,andthecurrentdevelopingstatusofthreekindsofcoolingmethods.Adetaileddescriptionofthecoolingprincipleandtheprobleminprocessofoperationi

4、sgiven.Bylookingupdata,thethreedifferentcoolingmethodsarecomparedandthereasonablesuggestionsaregivenfromthepointofeconomy,practicality,operationmaintenanceandmotorstructure.Keywords:largehydro-generators;coolingmode;developmentstatus;operatingperformance1引言我国幅员辽阔，蕴藏的可开发水资源量巨大，在当今可持续发展的理念要求下，利用清洁的可再生

5、的水资源发电，可以减少火力发电燃烧煤炭所产生的有害气体对环境的污染，对于改善全球气候变暖具有重要作用，大力开发水电，对全人类都具有重要意义。我国目前的水轮发电机装机容量仅占全国电力的24%”,而我国可开发利用的水资源总量为5.42亿千瓦1,有待开发的水资源量巨大。因此我国未来水轮发电机发展的前景广阔，大力发展水电势在必行。水轮发电机是将水能转换为电能的重要设备之一.，随着我国水坝建造技术的日趋成熟和完善，水轮发电机组的装机容量会越来越大，目前水轮发电机的单机容量已超过700MW,呈进一步增长的良好趋势，水轮发电机未来的发展前景巨大。水轮发电机的原理就是把水流从高出流下的能量，经过水轮机转化为动

6、力机械能，通过水轮机带动发电机将机械能转化为电能。我国水轮发电机的起步较晚，1952年哈尔滨电机厂生产了我国第一台800千瓦的混流式水轮发电机机组，改革开放后我国的水轮发电机研发发展迅速，80年代，东方电机厂生产了当时世界上最大的转桨式水轮发电机机组安装在葛洲坝电站。在过去50年的发展当中，在某些方面，我国水轮发电机机组单机容量已经达到世界先进水平。在水轮机技术的发展过程中也碰到许多重要的问题，比较突出的问题时发电机的冷却问题，电机在长时间运转中发热是不可避免的，散热工作做得不好会造成严重后果，必须采用合适的散热方式将多余的热量带走，将电机各部分的温度控制在合适范围内。发电机的冷却技术是保持发

7、电机长期稳定运行的关键，对于不同种类的发电机冷却的方法也不一样，水轮发电机的冷却方式有很多种，但是对于大型水轮发电机而言，采用的冷却方式主要有全空冷，半水冷和蒸发冷却等。在300千瓦以下的水轮发电机，利用空气进行冷却是主要的冷却方式，在容量再大一些的水轮机，对冷却方式的要求比较高，一般采用水冷或者水冷和空冷相结合的方式进行冷却。本文简单介绍大型水轮发电机的几种冷却方式的，各自的优缺点、适用范围和选择方法。2空气冷却目前空气冷却技术一般用在容量在500MVAA下的空气冷却汽轮发电机中，对于水轮发电机来说，空冷是采用最早也是目前应用最为广泛的的冷却方式，它的历史比较久，发展也比较成熟。现在无论是小

8、型还是大型水轮发电机，很多都采用空气冷却方式。它是指对定子的绕组铁芯，转子的绕组铁芯均采用空气冷却，对于一般的大型水轮发电机，多采用无风扇双路径径向密闭端部回风的自循环冷却系统2。全空冷却的机组结构比较简单，机组的冷却空气首先由冷却器流出，之后被分成两路从上进风道和下进风道进入电机，一部分流向磁极，与径向进入的气流合并，之后进入热风室，最后流入冷凝器。在冷凝器中将热风冷却后再重复以上循环过程，这样就可以将电机定子与转子产生的热量利用冷却空气带走，使电机各部分的温度控制在合理范围内，达到冷却目的。冷却空气在转子风扇的作用下，产生动力去进行循环，之后通过布置在定子机座外侧的空气冷却器对空气进行冷却

9、，再由电站技术供水系统冷却空冷器并把热量带走。空气冷却的系统结构简单，不需要添加一些复杂的辅助设备，只需要在电机的内部开通风槽和通风沟即可，通风冷却损耗小分配均匀结构简单，便于检修。目前，全空冷的水轮发电机机组在全世界的分布如下：表1世界范围内大容量空气冷却发电机网电压/KV转速/r-min单机容量/MAV古里n18112.5805太古力1572615二滩18142.9612Reverlstoke1612056015200500Xingo18109556Harspranget17.510750020125611近年来随着燃气轮机单机容量的上升，导致汽轮机的产量迅速上升，使得空冷技术有了很大的发

10、展，空气冷却的优点有很多：由于采用空冷设备简单，没有辅助设备，管道也比较少，工程量小，使得初期投资成本低。除此之外，它的运行成本也比较低，没有辅助设备，复杂的设备也比较少，维护和管理起来容易运行性能也比较好收益高。目前，国内外在空气冷却系统设计方面有了很大的进步，700兆瓦的全空冷水轮发电机已经应用于三峡水电站4。虽然空气冷却具有许多优点，操作简单、方便维修并且运行可靠，它暴露的一些缺陷也不容忽视。由于空气冷却的空气比热小，在冷却过程中能够带走的热量是有限的，一般来讲冷却效果并不是很好，导致发单机的温升较高，直接影响到发电机的容量。另外，由于热量的影响在制造过程中必须采取特殊的工艺进行加工制造

11、。加大风道和热交换面积，加大风量，这将会引起损耗增加，导致消耗的材料多，电机的体积较大。利用空气冷却的电机，由于热量和温度分布不均匀使得电机中的硅钢片容易扭曲变形，发生“扫膛”现象，发生严重事故。当负荷变化大时，调峰机组频繁启停，使得定子线棒发生形变，当铁芯与绝缘部分接触时发生磨损。定子线棒轴向温度分布不均匀，温度过高引起机械应力使得定子叠片翘曲。由于损耗不均温升过大也容易造成端部故障。3水内冷水冷经济实惠，由于水的可利用的来源多，河流湖泊以及地下水，通过一些简单的处理装置，就可以进行使用而且可以循环利用。利用水循环带走电机中的多余热量，由于水本身的比热容大的这一优点，在同等条件下，水可以吸收

12、更多的热量并且吸收速度也很快。这样利用水进行冷却可以达到很快的冷却速度冷却效果比较好。由于水轮发电机定子线棒由实心股线和空心股线组成，可以通过空心股线带走实心股线产生的损耗热量，由于可以把内冷水直接通过定子线棒内部，得到的冷却效果很好，但是这对冷却水的电导率及离子含量要求会很严格。水内冷有很多的优点，比如：电机的绝热效果好，产生的温度差小以及机组的热应力小等特点，利用上述的优点我们可以设计出一套合理完整的冷却系统设备。但是在水冷技术的一般应用的过程中也要注意一些问题，由于电机的结构形变和产生的机械震动对定子绕组的影响比较大，所以对冷却设备的规格要求也较高，在应用时我们要注意这些问题。在水循环系

13、统工作过程中，将经过处理后的冷却水流入定子线棒当中，这个过程是利用压力泵将冷却水打入定子线棒实心股线当中，带走股线产生的热量，在定子线棒中，一般由一根空心股线带走4根实心股线产生的损耗热量。这时冷却水的温度升高，使温度升高后的冷却水进入冷凝器，这个冷凝器与空冷中的冷凝器结构原理基本相同。之后再与冷凝器中的二次冷却水进行热量的交换，最后将本次降温后的冷却水经过处理之后进行下一次的水循环。在这里我们要注意一点问题，经过处理后的冷却水要水质纯净无杂质，水温，pH直还有硬度要达标，这样才能很好地保证线棒的绝缘性。一般这种水冷方式在多用于容量比较大的水轮发电机中，近年来，这种水冷技术不断发展，已经日趋成

14、熟。一般的水轮发电机在连续运转的时候，用于冷却的冷却水要经过静止、消毒杀菌、酸碱处理、吸附等操作处理才能使用，而且需要定期向泵中注入新的冷却水。但是在水轮发电机冷却水循环系统的防垢问题上，虽然我们的循环水经过了严格的处理，各方面已经达标，但是在流通过线棒的过程中，仍然会对线棒产生一定的腐蚀作用，这些腐蚀后的杂质结成垢会使得冷却水流通的不畅通，使得冷却效果不够理想。在日常的运行中，不仅要进行正常的化学清洗，还要进行必要的机械清洗。例如：AB必司就采取了一项措施，将由铜材料制成的空心股线改成不锈钢的，这就大大消除的铜腐蚀结垢的问题，使冷却效果提高"。除此之外，水处理要有水源作为基础，对水

15、进行处理加工需要很大的占地面积用作厂房设备，所以采用生活纯净水作为水循环系统的初始水源，对于二次冷却水仍采用由技术供水系统提供水的方法，当进入线棒中的水的指标不能满足要求时，在进入水质处理装置进行处理直到符合为止，这样可以大大提高效率节省土地占用面积。还有就是线棒端部接头技术问题，线棒之间的水路电路连接不好，在运行过程中容易造成事故，对于检修工作也很难进行。目前，一般采用将水、电接头分开，将空心股线单独抽出接上水接头的方法，使用不锈钢材料制作水接头，密封性能良好，工作压力也满足要求，也方便检查和更换。采用水冷的方式，定子转子绕组产生的热量可以直接被水带走，水的体积热容量为空气的3500倍，导热

16、系数也比空气要高的多，所以水冷却的优势是很明显的。对于采用水冷却技术的发电机来说，电机部分的发热不是限制电机容量的主要因素，主要由一些电气参数限制了容量的极限。4蒸发冷却蒸发冷却就是靠液体的蒸发作用将固体表面的热量带走，使固体表面温度降低的方法。蒸发冷却所选用的介质不一定是水，可以是沸点比较低并且比热容大一些的液体，沸点比较低，比较容易蒸发散热，散热速度快，比热容大，单位冷却液带走的热量多，对发电机的降温效果好。在这同时还要考虑经济因素，介质的成本也是重点需要考虑的一个因素。蒸发冷却液体蒸发成气体之后，利用冷凝循环管道对蒸发后的气体进行冷凝成液体，经过处理之后再作为冷却介质进行循环利用。当空心

17、线棒中的气液两相混合物进入到冷凝器中，冷凝器中的冷却水与混合物进行热量交换，混合物的热量被冷凝器中的冷却水带走，使两相流中被汽化的介质又重新变成液态，进入到回液管和下集液管中，通过压头白作用下，重新进入定子转子线棒中，构成封闭式的自循环系统5。一般在电机线棒的股线中加入冷却液体，在电机运行过程中，产生的热量达到液体沸点之后，液体汽化带走热量。在此，不得不提的是我国自主开发的700MW级的蒸发冷却水轮发电机，在研发过程中解决了许多蒸发冷却的难题。其中，通过对介质在蒸发冷却过程中的化学物理过程进行性能分析研究，对于优选介质给出了许多方法。采用相对比热较高的介质作为蒸发冷却的冷介质，冷却液需要有良好

18、的绝缘性能，蒸发冷却的自动循环系统与全空冷类似，设备结构简单，辅助设备少，方便运行维护。用于冷却的冷却液在蒸发汽化之后可以不通过压缩而直接进入冷凝器与二次冷却水交换热量散热。沸腾之后它的密度改变了，可以利用吸收的热量和自身密度的变化，变成一个自动循环动力。所以，通过上述方法就可以得到一个不需要外界施加动力，就能够实现冷却系统的自动循环，达到水轮发电机自行冷却降温的效果。回顾蒸发冷却的历史，主要经历了三个过程。第一个过程是采用沸点低的冷却介质；第二个过程是常温蒸发冷却；第三个过程是常温自循环蒸发冷却。目前，蒸发冷却方式所采用的冷却介质常用的是环保的氟碳化合物。这种介质的绝缘性能与变压器油相似，如

19、果泄漏也不会引发事故。除此之外，这种冷却介质还具有灭火灭弧的能力，可以消除水冷因泄漏而引发大事故的缺点。表2已运行的蒸发冷却水轮发电机对比3大寨小安康型号SFZ10-6/2140SFZ52.5-28/6400SFZ400-48/12800额定功率/MVA/MW11.76/1060/52.5444.4/400额定功率因数0.850.8750.9额定频率/Hz505050额定电压/KV6.313.818额定电流/A1078251014256运行时间198319921999蒸发冷却技术的优点：使大型水轮发电机不会出现线棒变形问题。相对于水冷而言,在同样的热交换条件下拥有更小的热交换面积。当停机的时候

20、，冷却系统的压力为负压，冷却介质发生泄漏的几率也大大减少。维护简单成本低，经济性好。5几种冷却方式的分析比较空冷、水冷和蒸发冷的三种冷却介质对比如表3所示。表3三种冷却方式冷却质的对比5能力（近似值）空气111水4.16100050蒸发冷却1661400280（沸腾）介质由表3可以看出各冷却介质的性能关系，我们可以得出结论：水的相对比热大约为空气比热的4倍，而相对吸热能力要比空气大的多。很明显水的冷却效果要比空气冷却要好，水轮发电机运行时的温度不会过高。对于蒸发冷却，通过液态的冷却介质蒸发之后带走热量的方式，传热速度快。对于水冷，也存在缺点，水循环系统中处理水的设备装置的造价和安装费用高，厂房

21、和设备的占地面积巨大，增加了建设资金的投入。根据之前所述的三种大型水轮发电机冷却方式的介绍，我们对这三种方式做一个总结，见表4。表4三种冷却方式对比表6冷却设备工作附加安全维护费用对于水电的发展具有重要意义。本文从三种冷却方式的原理、优缺点和经济性角度进行重量温度隐患:空冷较大高风机经常高和风温度维护道高水冷不低水处水泄电机较低理设漏易与水备水短路处理泵装置需要经常维护蒸发小在无无基本适中冷却免维由表我们可以得出，这三种冷却方式各有各的特点和使用范围，如果单单只是依靠单一指标不能比较出它们在实用性、安全性、可靠性、经济性等方面的好坏，这样的评价过于片面。所以，要想更好的评价它们的优劣，就要从设备制造安装、运行还有能耗方面综合考虑，建立一个合理的评价模型。比如：可以利用层次分析法建立评价模型6,层次分析法可以将一个复杂的问题分解成许多个影响因素，将这些影响因素分成不同的层次进行分析，找出它们之间的关系，然后综合确定评判指标，使用者可以根据评判指标进行采取措施。利用层次分析法从水轮发电机产生的多方面影响入手，采用层次分析法考虑多方面的影响因素，对发电