高海拔地区水轮发电机组通风系统设计

王　铭，陈志祥，黄亿良，严锦丽

(浙富控股集团股份有限公司，杭州　310013)



高海拔地区水轮发电机组通风系统设计

王铭，陈志祥，黄亿良，严锦丽

(浙富控股集团股份有限公司，杭州310013)

摘要：高海拔地区由于海拔高度的增大，较低海拔地区的空气特性发生了显著的变化。文章比较系统地分析了高海拔地区空气特性的变化对水轮发电机通风系统产生的影响，并提出了相应的对策，以满足水轮发电机在高海拔地区运行的冷却需要。

关键词：水轮发电机；通风系统；高海拔；温升限值

0前言

随着中国国民经济的发展和西部大开发战略的实施，在高海拔地区修建的水电站将会越来越多[1-2]。因为全空冷水轮发电机具有结构简单、运行可靠和维护方便的明显优势，目前，利用空气作为冷却介质对定、转子绕组以及定子铁心表面进行冷却，仍是水轮发电机的主要冷却方式[3-4]。但在高海拔地区，由于海拔高、空气稀薄，空气流过定转子等发热体表面时带走热量的能力会降低，并且外加风机的性能也会下降，最终削弱了发电机通风冷却的效果。因此，研究海拔增加给水轮发电机组通风系统带来的影响，进而在发电机的设计中充分考虑并采取必要的对策，对确保水轮发电机组的安全稳定运行具有重要的工程价值[5-7]。

1高海拔地区的空气特性

随着海拔高度的升高，空气的物理性质发生了改变[8]。

1.1空气温度

随着海拔高度上升，空气常年平均温度明显下降：

(1)

式中:tz为海拔高度h处的气温，℃；tA为相邻气象站的气温，℃；gt为气温的梯度，取0.5～0.7 ℃/100 m；Δh为海拔h处与相邻气象站海拔之差,km。

1.2大气压力

海拔高度直接影响到环境的大气压力，不同海拔高度处的大气压力可用下列近似公式计算：

(2)

式中:Ph为当海拔高度为hkm时的大气压力；P0为海拔高度为0时的大气压力；h为海拔高度,km。

表1列出了不同海拔高度下的大气压力。

表1　不同海拔高度下的大气压力表

1.3空气密度

随着海拔高度上升，空气密度降低，这是高海拔大气环境对水轮发电机组通风冷却系统最主要的影响因素。设海平面的大气压力为101 325 Pa，空气密度为1.2258 kg/m3，则当海拔高度为Hkm时空气密度的近似计算公式为：

ρ=1.2258(1-0.2257H)4.256kg/m3

(3)

1.4空气体积比热

海拔增高使得空气密度下降，从而造成空气的体积比热也下降，空气的体积比热与空气密度成正比，见表2。

表2　干空气的热物理性质(P=1.01325×105 Pa)表

2空气密度降低对水轮发电通风系统的影响

2.1发电机总风量

水轮发电机通风系统冷却介质的循环由转子自身旋转或外置风机驱动。转子或风机产生的风压以及通风系统中的风压损失由下述公式表示：

(4)

(5)

式中：ρ为空气密度；υ1、υ2分别为转子或风机的特征速度；β、ξ分别为风压系数和风阻系数；υ为管路中的风速。

如式(4)所示，转速和结构尺寸一定的情况下，转子或风机所产生的风压只和冷却介质的密度正相关。

如式(5)所示，在体积流量和结构尺寸一定的情况下，流过通风元件的压力损失也只和冷却介质的密度正相关。

因此，由于海拔增高引起空气密度降低后，发电机的风阻特性曲线和风机特性曲线都会出现在同样的流量下风压呈等比例减小的特点。即，同样的机组放在低海拔处时，风阻特性曲线与风机特性曲线的交点(风机工作点)的风量的体积流量与放在高海拔处时相等，但风机工作点的风压要大于放在高海拔处，见图1。

图1　不同海拔高度风机工作点图

2.2发电机损耗

通过采取针对性的措施，可以使得高海拔处发电机的工作温度与低海拔处接近，因此铁耗和铜耗基本不变。相同风量下，发电机通风损耗与空气密度成正比。海拔高度上升导致空气密度下降从而使发电机通风损耗下降，因此，在计算发电机总损耗时需要对通风损耗进行修正。

2.3发热部件温升

以定子线圈为例，分析海拔高度对发电机发热部件温升的影响。当发电机热平衡时，其定子线圈的温升主要由空气温升、流-固两相表面温差和绝缘温降组成。其中，绝缘温降的形成源于发电机内固体间的热传导，其仅与绝缘厚度、绝缘件的导热系数和线圈热负荷有关，与海拔高度无关；流-固两相间的温差源于流体与固体间的对流换热，其仅与流体与固体的接触面积、传递热量的大小以及接触面的表面散热系数有关，前两者不变的情况下，流-固两相间的温差主要取决于接触面的表面散热系数。表面散热系数的大小除与接触面的几何形状、粗糙度、表面气体流动情况有关外，还与流体的物理性质有关[9-10]，当空气密度下降后，流-固两相间的对流换热强度随之减弱，表面散热系数下降，造成流-固两相间温差上升；同时，随着海拔的升高空气的体积比热也会下降，若保持空气的流量和热负荷不变，则空气的温升会增加。综上所述，当海拔高度增加，发电机线圈温升会有所提高。

2.4风机性能

2.5小结

高海拔地区空气特性的变化以及这些变化对通风系统的影响如图2所示。

图2　空气特性变化对通风系统的影响图

3对策

随着海拔高度的增加，空气密度的降低会引起空气冷却效果的下降，造成发电机散热能力降低，绕组温升增加。按照国家标准GB755-2008的规定[15]，高于海拔1 000.00 m的机组，每高出100 m降低约1%温升限值，同时也规定可由最高环境温度低于40 ℃来得到补偿。最高环境温度的具体要求见表3。以F级绝缘在海拔高度3 000.00 m处为例，温升限值下降23 K；由公式(1)可知环境温度下降10～14 K。最终影响发电机绝缘寿命的是工作温度，它由环境温度和空气温升相加得到，因此环境温度随海拔的升高而降低，对发电机温升增加有很大的补偿作用，但不能做到完全补偿。GB755-2008表9项号3中规定：对于海拔高度为1 000.00～4 000.00 m，且最高环境温度不做规定的机组不用对温升限值作修正。这一条款应该是考虑到环境温度降低已基本补偿了温升限值的降低，发电机工作温度虽然比低海拔地区要高一些，但还是能保证在温升限值以内。

表3　假定的最高环境温度表

对于超出环境温度补偿能力的发电机温升增加可以通过以下对策来解决。

3.1电磁方案设计

相对低海拔水轮发电机设计的结构数据和性能参数数据，应将温升的修正值和发电机通风损耗的修正值考虑进去，确定足够的设计要求风量，以保证发电机在高海拔的环境条件下能长期稳定安全运行。

3.2结构设计

选择风阻低、传热效率高的通风结构，以充分提高发电机效率和可靠性。从机组通风冷却角度考虑，发电机的结构设计应能使通风顺畅合理，使发电机运行在允许的温度范围内，要达到这一目的，结构设计必须满足如下条件：① 总风量满足电磁方案的设计要求；② 流经发电机各部分的风量分配力求合理；③ 单位体积流量的通风损耗小；④ 结构简单，运行安全可靠，维护方便。

3.3风机和空冷器性能

对于设有外加风机的机组，可通过优化风机的叶片设计、改变叶片安装角或者更换更大尺寸和功率的风机来增加通风系统的循环风量。另外加大空冷器的散热能力，增加其冷却容量，并尽可能降低其空气压降也有利于系统的通风散热。

3.4热平衡图对比

针对相同机组在低海拔地区和高海拔地区分别设计通风系统，其热平衡图如图3所示。为了使发电机在高海拔和低海拔处的工作温度相同，在优化机组结构、增加总风量的同时，还提高了空冷器的换热能力，使得冷、热风的温差增大，从而起到降低发电机温升的目的。

图3　热平衡图

4结语

随着海拔高度的增加，空气特性发生了变化，其中空气密度的下降使得空气变得稀薄，虽然发电机产生的风量维持不变，但是空气冷却发电机发热部件的能力降低了，因此发电机散热条件变得恶劣。因此在综合考虑发电机通风损耗下降和最高环境温度下降的前提下，需要根据海拔高度对发电机温升限值进行修正。同时，要采取有针对性的措施满足发电机在高海拔运行的冷却需要。

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Design of Ventilating System of Turbine Generator Unit Applied in High-altitude Regions

WANG Ming, CHEN Zhixiang, HUANG Yiliang, YAN Jinli

(ZHEFU Holding Group Co.,Ltd., Hangzhou310013, China)

Abstract:Compared with air in lower altitude, that in higher altitude outstandingly changes in term of characteristics because of the altitude increase. In the paper, influences on the ventilating system of the turbine-generator unit by changes of the air characteristics in the higher altitude are systematically analyzed as well as the corresponding countermeasures are proposed so as to satisfy the cooling requirement of the turbine-generator unit to be utilized in the high altitude regions.

Key words:turbine-generator unit; ventilating system; high altitude; temperature rise limit

中图分类号：TV734.21

文献标识码：A

DOI:10.3969/j.issn.1006-2610.2016.02.016

作者简介：王铭(1981- )，男，浙江省杭州市人，高级工程师，主要从事水轮发电机设计和分析工作.

收稿日期：2016-03-11

文章编号：1006—2610(2016)02—0059—04