特大型发电机组冷却方式介绍及运行可靠性分析

郭敏　焦江明　刘先科

摘 要：阐述了特大型水轮发电机冷却方式的分类和原理，对不同冷却方式进行了比较分析，并比较了其运行可靠性、经济性。

关键词：水轮发电机；冷却方式；蒸发冷却；齿压板

中图分类号：TM312 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.03.070

21世纪，我国已经建造了许多以大容量机组为主的水电站，包括长江三峡、向家坝、溪洛渡等水电站，其机组单机容量为700 MW甚至更大。大型水轮发电机组的面世极大地促进了国内对水轮发电机冷却技术的研究，并产生了大量的新型技术和专利。然而，冷却方式的区别导致其冷却机理、冷却效果、机组运行的安全性和经济性不尽相同。

1 特大型发电机冷却方式简介

1.1 全风冷冷却的原理

在特大型水轮发电机中，转子和定子铁心、定子线棒全部采用空气冷却的方式称为全风冷冷却。冷风经过转子磁轭和磁极的风道进入冷却器进行热交换，通过冷却水冷却热风将热量带走，冷却后的冷风再一次进入发电机定转子风道形成封闭式循环系统。在机组运行中，需要对定子线棒、定子铁心、齿压板、转子绕组等部位的温度进行监测，以保证水轮发电机组的安全运行。

1.2 半水冷冷却的原理

转子和定子铁心采用风冷，其结构与全空冷方式的结构基本相同，风道的设计略有不同。定子线棒采用纯水冷却称为半水冷，定子线棒由导电的实心导线和通水的多股空心股线组成，空心股线存在的目的是为了带走实心股线产生的热量。空心股线中通入经过离子交换器处理过的纯水（对纯水的导电率有严格要求，通过加压泵打入），吸收热量后的纯水进入冷却器与二次水进行热交换；经过冷却的纯水经过处理后再次进入空心股线进行冷却形成封闭的水冷循环。

1.3 蒸发冷却的机理

转子、定子铁心和汇流环采用的风冷，其结构与全空冷方式的结构基本相同，定子线棒采用蒸发冷却介质冷却称为蒸发冷却，蒸发冷却介质从液态变化为气态，吸收线棒热量，并通过冷却水带走热量。在发电机定子绕组的空心导线内充入低沸点的液体介质，当定子绕组温度高于介质沸点时，介质由液态汽化变为气态。在汽化过程中，介质吸收绕组导体产生的热量，通过动力，将蒸气导入冷凝器，冷凝器的二次冷却水将热量带走；同时，蒸气变为液体，重新流入绕组导体内，如此循环往复，实现了电机的蒸发冷却。

2 3种冷却方式的运行可靠性分析

运行可靠性分析包括水轮发电机的等效利用时间、运行过载能力、使用寿命、事故隐患及故障率等。大量数据表明，大型半水冷机组和全空冷机组可靠性都比较高。

过载能力泛指机组在不正常工况下的运行能力，本文主要讨论发电机在冷却系统不正常工作时的运行能力。某电厂规程中规定，全空冷机组退出2台空气冷却器的情况下仍能正常运行，只要定子绕组温度低于105 ℃即可。某电厂常年运行数据显示，机组全部空冷器运行时定子绕组温度在75 ℃，当两组空冷器退出运行时，温度在90 ℃左右运行。半水冷发电机退出2台空气冷却器的情况下仍能正常运行，在纯水系统停运的状态下，发电机额定负荷运行约60 s，30%额定出力可长期运行；蒸发冷却发电机退出2台空气冷却器和1台冷凝器的情况下能正常运行，当冷凝器的冷却水中断时必须停机。

相关数据显示，特大型发电机在最大容量运行时，全空冷定子线棒的温度比内冷高，但绝缘材料采用的都是F级绝缘材料，因此，可保证合同使用寿命期。以某电厂多年运行数据为例，全空冷水轮发电机定子线棒运行温度最高，所以，内冷水轮发电机绝缘寿命的余度要大于全空冷水轮发电机，但全空冷机组的运行寿命可以完全满足水电站的运行要求。现代电网要求机组必须满足电网调峰的需要，但这样机组会频繁开停机，可能会造成线棒相对位移和定子铁心翘曲，这是全空冷水轮发电机组运行人员最关注的问题之一。现阶段，大型水轮发电机组将线棒的轴向温差控制在9.8 ℃以内，定子基座采用更加合理的浮动或斜支臂结构，同时，增加了双鸽尾定位筋等措施，这样可以将温度应力引起的变形控制在安全范围内，可满足电网开停机的要求。综上所述，相比其他冷却方式，全空冷机组的使用寿命较短，但可完全满足当前水电站的运行需求。

从冷却系统自身的结构看，内冷发电机除空冷部分外，增加了纯水系统或蒸发冷却系统，因此，空冷发电机的可用率将高于内冷发电机。相关数据表示，全风冷机组报警和停机信号包括空冷器流量、空冷器冷风温度；而纯水冷却机组额外还有纯水一次水流量、纯水二次水流量、纯水大泄漏等信号；蒸发冷却机组的信号包括冷凝器流量、凝器退出、冷凝器泄露、介质液位等。因此，纯水和蒸发冷却机组停机因素最多，必然会增加运行监控的工作量，且提高了机组事故率。

统计某水电站特大型机组一年内统计的3种不同冷却方式的故障次数发现，空冷机组Ⅲ级缺陷74条，纯水冷却机组的Ⅲ级缺陷238条、Ⅱ级缺陷79条，蒸发冷却机组的Ⅲ级缺陷34条、Ⅰ级缺陷4条。通过上述数据分析可知，在可用率、过载能力、使用寿命等方面相差无几的情况下，全空冷机组在事故率方面明显低于其他机型。

3 结束语

经过多年理论及实践研究，特大型水轮发电机的冷却方式选取全空冷、半水冷、蒸发冷却三种。这3种冷却方式相比，全空冷机组的运行原理简单，随着技术的不断进步，特别是发电机单机容量所需的冷却风量、总风量与空气冷却器出口的有效总风量在不断减小，风道设计不断完善，单位容量耗风量不断减小，各部位最高耐受温度限值在不断提高，这些都为全空冷机组大面积应用提供了便利。同时，材料的发展解决了温度应力可能导致铁心翘曲和线棒相对位移的問题。在此情况下，全空冷机组固有的结构简单、安装工期短、运行维护工作量少等优点就变得尤为突出。在可用率、过载能力、使用寿命等方面相同的情况下，空冷机组在特大型水轮发电机电站中的实际运故障率较低，设备维护率和经济性较高。综上所述，全空冷技术在700 MW级的水轮发电机中的使用前景较好。

〔编辑：张思楠〕