1100MW核电发电机通风冷却系统试验研究

胡磊，郑东平，李巧珍，张嘉康，徐国俊，张小虎，李立军，袁益超

（1.上海理工大学，能源与动力工程学院，上海 200093；2.上海电气电站集团，技术研究与发展中心，通风冷却技术研究所，上海 201612）

前言

配CAP1000核岛的阳江项目6台1100MW发电机，是上海电气电站设备有限公司上海发电机厂（以下简称上发厂）的首批百万千瓦级核电产品，该产品的设计、制造、型式试验、发运等等一系列工作的顺利完成，对上发厂来说均具有里程碑式的意义。

本文重点分析1100MW核电发电机型式试验中，涉及到通风冷却系统部分的关键参数，并与设计值进行对比分析。结果表明，试验值基本符合设计预期，与设计值的偏差控制在合理范围内，并保留一定的温升裕度，通风冷却系统可以满足发电机的长期、可靠运行。

1 概述

1.1 总体情况

本发电机主要参数如表1所示。

表1 发电机主要参数

1.2 冷却风路

本发电机的冷却方式为水氢氢：定子线圈水内冷，定子铁心和转子线圈氢冷，转子通风方式为轴向－径向通风。

具体风路为：位于汽端的八级轴流式风扇将所有参加循环的热氢抽出，经扩散器排入氢气冷却器进行冷却，冷却后的氢气分为两个大的支路：支路一，直接从汽端转子风扇座底部进入转子，从而冷却汽端转子槽部和端部区域，冷却槽部后的氢气从转子中部出风孔排至气隙，冷却端部区域后的氢气从护环下方大齿上开的通风槽排入气隙；支路二，通过铁心外圆和机座之间形成的通道进入励端。

其中，支路二又可分解为若干旁路：旁路一，主要冷却汽端端部铁心及磁屏蔽，冷氢从外圆进入，然后通过端部铁心以及磁屏蔽的径向通道，带走这两个区域的热量，并排至气隙；旁路二，主要冷却励端端部铁心，冷氢从外圆进入，通过端部铁心的径向通道，带走此区域的热量，从内圆流出随即进入励端气隙；旁路三，主要用来冷却铁心，冷氢从励端进入铁心叠片形成的内冷轴向通道，对铁心进行有效的冷却，最终流至汽端端部；旁路四，主要冷却励端磁屏蔽，此路冷氢从内圆进入，外圆流出后汇集到发电机底部并与补充冷却出线盒的一路氢气汇合，然后通过机座内部的两根管道引至汽端；旁路五，从励端转子护环底部进入，冷却励端转子槽部和端部区域，然后通过出风孔或通风槽排至气隙；旁路六，通过励端气隙挡风环和护环之间的间隙进入气隙，和所有进入气隙的热氢汇合，经由汽端气隙排入到汽端端部空间，然后由风扇抽出，形成完整的氢气循环。具体的风路图如图1所示：

图1 1100MW核电发电机风路示意图

1.3 冷却水路

本发电机定子线圈、并联环、主引线及出线套管均为水内冷，位于发电机励端的总进水汇水管，为所有一次冷却水的起点。共有定子线圈水路、并联环水路及主引线出线套管水路三大并联水路，每一大并联水路又可分为若干并联的水支路，每一条水支路均通过绝缘引水管从励端总汇水管取水，具体水路为：

（1）对于定子线圈水路，每槽线棒的上、下层线圈均为独立的水支路，此发电机定子为48槽，因此有96个定子线圈并联水支路，最后均流入汽端总出水汇水管；

（2）对于并联环水路，共分为 11个水支路，然后通过外接管道进行汇集，通过机外管引至汽端；

（3）对于主引线出线套管水路，共分6个水支路，冷却主引线和出线套管后，在出线盒内的汇水管进行汇集，最后通过机外管引至汽端。

该三路并联水路的流量均可单独控制，以提高水路的可靠性，从而有效地避免因串联水路过长可能引起的气堵问题。

2 通风试验

2.1 试验工况

通风试验在空气状态、空转工况下进行。为了确保测试数据的可靠性，试验分别在3种不同转速下进行，即375r/min（试验实际转速为379r/min），500r/min，600r/min三种转速下进行，每种转速均稳定运行半小时后，测量并记录试验数据。

2.2 总风量测点布置

本台发电机冷却器位于汽端，共有四组，由于总装现场操作空间很小，难以在冷却器进、出风部位安装总压毕托管，且冷却器进、出风面积较大，风速分布不均匀，难以获得相对精确的流量测试数据，因此，专门设计了多点毕托管装置，将其安装在风扇入口处进行测试。该装置既可以测量风扇入口的静压，也可以测量系统总风量。

多点毕托管装置及安装如图2所示（图中黑线引出的元件为 Pt100电阻测温元件，用以测量风扇入口的温度，以便进行温度修正）。

图2 总流量测试多点毕托管装置

2.3 试验数据及分析

本次通风试验测量了风扇进、出口静压，汽端端盖处静压，励端端盖处静压，出线盒内静压，以及铁心中部区域静压，每处静压测点都尽量布置两个测点，以备相互校正。

风扇进口静压以多点毕托管测试的数据为基准，并设为零点，将在三种不同转速下测试得到的原始数据进行处理，然后换算到额定转速、等效空气、80℃状态。具体数据见表2。

表2 测试数据换算至等效空气状态对应值

多点毕托管对总风量进行测试，也在三种不同的转速下分别进行，具体数据如表3所示：

表3 风扇入口静压及总风量

关于系统总风量，也可以基于发电机空转时的损耗数据，根据能量守恒原理进行反推，假设空转过程中产生的风摩损耗全部被氢气带走，由于空转过程中发电机壳体的温度基本与环境温度接近，因此，可以将发电机通过外壳向外围空间进行的辐射换热忽略，具体反推过程如下：

发电机在空转状态下进行温升试验，发电机转速1500r/min，氢压0.52MPa，氢气纯度98%，稳定后部分数据如表4所示:

表4 空转试验温升稳定时发电机各项数据

取40℃为混合气体（98%的氢气和2%的氮气或二氧化碳）的定性温度，则此状态下混合气体的比热容Cmix=14.5 kJ/kgK，密度ρmix=0.605 kg/m3。

设气体总流量为qm3/s，根据能量守恒：

Cmixρmixq(42.0-38.9)=2000-664

根据上式可以求出 40℃状态下气体总流量为49.1m3/s，换算到46℃状态下的总流量为50.0m3/s，比多点毕托管测试结果46m3/s稍高，但基本接近，最终系统工作点分析如图3所示：

图3 系统工作点对比图

试验测试数据表明，发电机风扇压力设计值比试验值偏大，总风量设计值比试验值（多点毕托管结果）偏小。如果假定测试的压力和流量是准确的，则表明发电机实际的工作点比设计工作点偏低，即系统背压比设计背压偏低，导致背压与风扇曲线的交点（系统工作点）在压差-流量曲线上向右下方偏移，证明设计取值偏于保守，留有一定的裕度。

总风量测试情况表明，如果在风扇静叶片座上事先打孔，然后将多点毕托管固定并安装在风扇的出口位置，测试结果应该相对更准确：由于进口部分没有导叶的整流，因此进口位置风速分布不均匀，毕托管难以严格对准主流方向；而安装在出口，由于最后一级是静叶，可以将气体进行较好的整流，使气体的主流方向基本与转子的轴向平行，这样有利于提高测试精度。

通过与设计值的比较，本次试验发电机总体的风压分布与基本设计相吻合，验证了该发电机通风系统设计的可靠性。

3 流量及温升试验

3.1 定子线圈部分流量及温升

根据现场超声波流量计的测试结果，对比定子线圈部分的流量及温升设计值见表5。处理试验数据时，定子绕组水温升以 1.0IN温升中绕组出水温度最高元件231#为基准，对比试验结果及设计值可知，流量计算较为精确。

表5 定子线圈流量及温升对比

3.2 并联环、出线套管流量及温升

并联环部分的流量及出水温度对比如表6所示：

表6 并联环流量及出水温度对比

前面已经讨论到，并联环水路共有11条水支路，每一水支路出水位置都有测温元件，用以检测各支路的出水温度。在试验数据处理时，并联环出水温度以1.0IN温升出水温度数据为准。出线套管部分的流量及出水温度对比见表7。处理试验数据时，套管出水温度以1.0IN温升出水温度数据为准。

前面已经讨论到，主引线和出线套管的冷却水路为串联关系，先冷却主引线，然后冷却套管。主引线部分的水温升设计值为8.6k，关于套管部分的水温升，在设计阶段主要参考了该套管结构在27kA及33kA两种电流下的试验值，再加上主引线的水温升，即可得到套管水路总的水温升设计值。

表6和表7中的出水温度设计值，均重新以1.0IN温升试验时的进水温度为基准进行计算，以便同试验值进行比较。套管水路总出水温度的试验值，间接验证了主引线部分水温升计算的精度。

表7 出线套管部分流量及出水温度对比

4 结论

本文对1100MW核电发电机的通风冷却系统，以及工厂型式试验中的通风温升部分进行了介绍。通过试验值与设计值进行对比分析，发现二者吻合情况较好，试验值基本符合设计预期，通风冷却系统可以保证发电机长期、安全运行的需要。通过此次型式试验，也为上发厂开发更大容量的四极半速发电机打下坚实的基础。