某贯流式水轮发电机组超发可行性分析

韩荣娜，刘保生，安志华

(哈尔滨电机厂有限责任公司，黑龙江哈尔滨 150040)

0 引言

某灯泡贯流式水轮发电机单机容量为21.7 MVA，是该梯级开发的最后一个水电站。该机组于1999年并网发电以来，一直运行良好。考虑到在枯水期内上游受到台风、暴雨等影响，该电站具有超发的条件，对其超发极限容量进行计算分析。

灯泡贯流式水轮发电机适用于低水头、大流量电站，具有工作效率高的特点，因而受到市场的青睐。机组关键发热部件温升限值是考核机组超发能力的关键参数，由于该机组运行年限较长，空气冷却器的换热能力、损耗和风量分布情况等均与设计值产生偏差。因此，通过计算与试验结果相结合的研究，进行全面评估机组超发极限容量是十分必要的。

1 通风系统结构特点

灯泡贯流式水轮发电机是一种浸没于流道中的卧式机组。与普通立式水轮发电机组相比，灯泡贯流式机组直径小，铁心轴向长度较长，并且灯泡式贯流发电机的转速较低，发电机极数较多，转子极间过风面积较小，风阻较大，发电机通风十分不利，容易造成发电机轴向温度分布不均。因此，灯泡贯流式发电机的冷却难度较大，温度分布及温升限值是考核机组超发极限容量的重点。

本文研究的灯泡贯流式水轮发电机采用外加鼓风机强迫通风的轴向、径向混合通风方式，具体通风结构见图1所示。冷却气体在转子和鼓风机的作用下，一路由转子支架上圆盘、磁轭圈径向通风孔、磁极极间，经气隙进入定子径向通风沟；另一路气体从转子支架上下圆盘流出，经离心风扇加压后冷却定子下游侧端部。两路冷却气体最终汇流至定子铁心背部，通过机座环板通风孔汇流至冷却器进行热交换，散去热量后重新经鼓风机压入电机内，形成密闭循环强迫通风方式。

图1 某灯泡贯流式水轮发电机通风系统示意图

目前，机组冷却系统可以满足额定工况下冷却要求，定转子温升在合理范围内。机组超发极限容量计算主要从冷却器出风温度、定转子温升等方面进行研究。

2 机组超发极限容量计算方法研究

2.1 冷却器进水温度计算

该机组采用二次循环的冷却器循环系统。冷却水套是二次循环系统中的关键部件，冷却水套内是携带电机热量的空气冷却器出水，水套外与河水接触进行热传导散热。试验时，由于2#发电机传感器已坏，只记录了1#发电机各个试验工况下对应的河水温度与冷却器进出水温度，见表1。

表1 试验工况下河水与冷却器进出水温

注：带有*数据为试验人员外加温度传感器测试的结果，其余数据为电厂监测数据。

根据测试数据显示，河水与二次冷却水温降在9.3～10.8 K范围内，水温差随机组有功功率增加变化不大。因此，在计算时取10.3 K作为河水与二次冷却水基准温差值。

2.2 冷却器出风温度计算

冷却器传热性能与自身的结构尺寸和经过冷却器风量、风速有关，在计算时可近似认为空气冷却器在各种工况下传热系数是相同的。冷却器传热系数计算公式如下：

式中，P为冷却器换热容量(kW)；fa为冷却器总散热面积(m2)；hL为冷却水管有效长(m)；N为冷却器台数；Z为冷却器水管总数；Δt为逆流时平均温差，计算公式如下：

式中，Ta为经过冷却器后空气温度降落(K)；Tw为冷却器水温度升高(K)；ta为冷却器最高出风温度(℃)；tw为冷却器最高进水温度(℃)。

根据上述公式，以冷却器设计参数为基准值，可以推导出其它容量下冷却器出风温度，相应参数如表2所示。其中，换热容量根据机组容量可以确定为已知项；最高进水温度根据河水温度可以确定为已知项；空气降落和冷却水温度升高均可以根据换热容量计算均为已知项。因此，以冷却器设计时参数根据换热系数相等，可以推导出任何容量工况下冷却器出风温度。

表2 空气冷却器主要参数

2.3 定子温升计算

发电机定子发热部件散热情况复杂，无法根据试验结果推算得出各种容量下的温升情况。因此，发电机定子温升采用有限元法进行三维温度场计算。该计算方法根据发电机定子结构特点，建立三维有限元模型，根据发热部件损耗情况进行热源加载，根据电机风量分布情况进行散热边界条件赋值，然后进行求解计算，最后根据2#发电机1.075倍额定容量工况下温升试验结果进行计算结果的校正。在此计算模型的基础上分别进行其他容量工况下温升计算。2#发电机1.075倍额定容量工况下温升仿真计算结果如图2所示，计算结果显示定子RTD温升为79.5 K，铁心温升为65.8 K。

2.4 转子温升计算

根据业主需要，1.075倍额定容量可以满足超发需要。因此，把该工况下的励磁电流792 A作为超发的各个方案中最大的励磁电流来考虑。转子温升计算的时候，根据1.075倍容量试验工况下转子温升进行相应河水温度条件下的转子线圈温度推算。具体计算流程如图3所示。

图2 2#发电机1.075倍额定容量工况下温升仿真计算结果

图3 转子线圈温度计算流程图

3 计算结果

该灯泡贯流式水轮发电机温升试验结果数据如表3、表4所示。

根据试验数据分析可知，1#和2#发电机风量及定转子温升相差不大。因此，以2#发电机1.075倍容量工况下温升计算结果为基础，进行超发后定转子温升推算。推算条件是河水温度分别为25 ℃、27 ℃、29 ℃和30.5 ℃，转子最高励磁电流为792 A。经过推算后，在河水温度不同情况下，电机可超发的容量以及定转子热点温升如表5所示。

4 结论

针对某灯泡贯流式水轮发电机组在部分时间段内水头具有超发能力的实际情况，开展了冷却系统换热能力的计算研究，从发热部件温升限值考虑初步确定了机组在不同河水温度条件下的超发容量。计算结果可以预期超发后，定转子温升限值，确保机组安全运行。

表3 通风试验结果

表4 温升试验结果

表5 电机超发后各项数据列表