大型水轮发电机冷却方式的经济性比较

俞立婷

摘 要：文章阐述了大型水轮发电机三种不同冷却方式的原理及特点。从制造成本、运行维护成本等方面对全空冷、水冷、蒸发冷却等不同冷却方式的经济性进行了对比。对大型水轮发电机冷却方式的应用给出了参考意见。

关键词：大型水轮发电机；冷却方式；经济性

前言

20世纪90年代以来，我国开始新建三峡水电站、龙滩水電站等大型水电站，其水轮发电机单机容量均为700MW。大型水轮发电机冷却技术包括全空冷与介质内冷两大类；介质内冷又包括水内冷与蒸发冷却两种方式。大型水轮发电机冷却方式既影响到发电机结构设计、重量及造价等方面，也对机组投运以后的安全稳定运行及运行维护量产生重要影响。因此，比较各种冷却方式的经济性对大型水轮发电机组选择何种冷却方式有着重要的意义。

1 大型水轮发电机冷却方式介绍

现在我国投入运行的大型水轮发电机主要有三种冷却方式，全空冷发电机、水内冷发电机以及蒸发冷却发电机。

水内冷冷却是指定子绕组为水内冷，定子铁芯和转子为空冷。绕组采用水内冷具有承载容量大、温升低、绝缘寿命长、机组热应力小等优点，绕组水内冷系统包括一套纯水处理设备和冷却水路，相同容量的机组可以大大减小机组的设计制造尺寸。发电机定子绕组水冷技术，在世界上已有较为成功的运行经验，在三峡水电站700MW机组上也已安全稳定运行超过10年。但定子绕组水冷方式受定子结构热变形和机组振动的影响，对定子线棒内部的冷却水管、水接头和水处理设备的可靠性要求较高，如果定子绕组冷却水出现泄漏就会危及发电机绝缘，给发电机的安全运行带来风险。

全空冷是指定子铁心、定子绕组、汇流铜环、转子绕组、转子铁心均为空气冷却。大型水轮发电全空冷冷却方式多为无风扇双路径径向密闭、端部回风自循环空气冷却系统。空气通过转子的风扇作用，产生动力循环，并通过布置在定子机座外侧周围的空气冷却器进行冷却，再由电站技术供水系统冷却空冷器并把热量带走。这种通风冷却方式损耗小、风量分配均匀，上下路径对称；并且便于检修。

蒸发冷却是指定子绕组蒸发冷却方式，定子铁芯和转子为空冷方式。蒸发冷却技术是应用了绝缘性能好、沸点合适的液体替代水作为冷却介质，充入电机定子线棒的空心导线内部，利用液体沸腾吸收潜热来冷却发电机，冷却液沸点一般在60℃左右，蒸汽不必压缩即可由冷凝器在常温条件下经二次冷却水散出。吸热而沸腾后的流体改变了它的密度，利用吸热量及流体密度的变化，形成了自循环动力。不需要外加动力，就可使流体介质在全密封的冷却系统内循环，实现发电机的自行冷却目标。

2 不同冷却方式的经济性比较

因三种冷却方式各有其特点，发电机采购成本及后期运行维护成本等方面也各有不同。现通过对比三种不同水轮发电机冷却方式的造价成本及运行维护成本来对其经济性做一个评价。

2.1 不同冷却方式造价比较

通过对比三种不同冷却方式的国产700MW水轮发电机价格，三种冷却方式发电机总体价格差异不大。

单独对比发电机冷却系统的造价发现，蒸发冷却系统因为其使用冷却介质的特殊性及密封性的高要求，其造价最高，而全空冷冷却系统主要依靠自循环空气冷却，其造价也相对最低；水冷冷却系统价格居中。

因水轮发电机冷却方式不同决定了发电机定、转子尺寸、线棒结构等各个方面也不相同，因此单独比较冷却系统造价并不能完全说明其经济性优劣。建议应以发电机及其辅助系统的整体价格来评估不同冷却方式的经济性。

2.2 不同冷却方式运行维护成本比较

现从700MW水轮发电机冷却系统运行期间损耗量、冷却系统损坏率、维护费用等方面来对比三种冷却方式的经济性。

空冷器是通过转子的风扇作用，产生动力循环，冷却水源取自技术供水，基本不存在运行损耗成本。另外，经统计空冷器的损坏率及维修率相对很低，基本不存在维修成本。

发电机蒸发冷却系统运行期间冷却液处于自然循环状态，无需外加动力，因此不存在耗电量。蒸发冷却系统冷却液在不发生泄漏的情况下，每年要求泄漏量不大于5%。蒸发冷却系统运行稳定之后，实际每台发电机冷却液年损耗量应在1%左右，稳定运行后的蒸发冷却系统基本也处于免维护状态。

700MW水内冷发电机冷却系统运行期间主要耗电量为纯水泵运行耗电量，按一台纯水泵功率约75KW，平均每套纯水系统年运行8000小时计算，每台每年约耗电量60万度。另经统计，700MW水内冷发电机纯水系统每台机组每年耗水量约为145L。纯水系统的运行维护量及维护费用远高于全空冷系统和蒸发冷却系统。每年纯水系统因损坏而更换的主要部件包括膨胀节、电导率变送器、压力开关、软启动器、电机、纯水泵机封、油封、水封等等。根据统计某大型水电站2013至2014年一年的维护情况，单台700MW发电机纯水系统年维护成本在不计人工成本情况下约30000元。

针对以上情况，对三种发电机冷却形式的年运行损耗费用、年检修维护费用进行模糊统计，统计结果如表1所示。因发电机前期运行的不稳定性所造成的技改和维护量不会在以后的长期的维护中体现，表1数据只统计了冷却系统趋于稳定运行后的损耗量及维护量。

表1 三种发电机冷却系统年运行及维护成本

表1数据统计未将人工成本计入在内，但从平时缺陷数量及检修情况来看，人工成本同样是纯水冷却系统最高，全空冷系统最低。根据某大型水电站发变输电设备日常缺陷的统计，纯水系统的缺陷数量最多，占缺陷总数的57%，这极大增加了纯水系统的人工的维护成本，人工成本在水冷机组冷却系统经济性比较中不容忽视。

3 结束语

根据以上对大型水轮发电机的造价成本、运行维护成本的统计分析，水内冷发电机因其维护量大，维护成本高，从后期运行维护角度来看其经济性是最低的。蒸发冷却发电机器造价成本略高，但在运行稳定的情况下，与全空冷发电机相同，基本不存在维护成本。全空冷发电机无论从造价成本，还是运行维护成本上来看其经济性都是最高的。

随着2007年我国自主研发、设计、制造的全空冷发电机在三峡电站的投产，数年的运行维护经验表明全空冷冷却技术在大型水轮发电机上的应用是成功，且其经济性明显高于其它冷却方式，具有广阔的应用前景。