尼傲加尕水电站3号机通风降温改造技术

李 晖，龚举达，王恩成

(1．国网甘肃省电力公司，甘肃 兰州 730050;2．迭部尼傲加尕水电开发有限责任公司，甘肃 迭部 747404；3．杭州柯瓦新能源有限公司,浙江 杭州 310015)

1 电站概况

尼傲加尕水电站位于甘肃省迭部县境内的白龙江干流上，为低水头坝后式电站，总库容263万m3，调节库容45万m3，为日调节水库。坝址处多年平均流量46.1 m3/s，发电引用流量为63.3 m3/s，设计水头23 m，装机容量3×4.3 MW，年发电量6 675万kW·h。原水轮机型号为ZZ550—LJ—180，发电机型号为SF4300—18/3250。

尼傲加尕水电站的3号水轮发电机采用管道自然通风冷却方式，自运行以来，定子长期在超过90 ℃的温度下运行，夏天甚至超过110 ℃，热风漏向水轮机室；温度高至人员无法长时间停留在水轮机室。发电机长期高温运行，缩短了电气绝缘的使用寿命，带来了安全隐患；高温运行还导致定、转子线圈的电阻率也提高，损耗大，降低了发电机效率。

2021年3月26日，完成对3号水轮发电机的通风降温技术改造，通过对夏季的高温对比，相对改造前，温度降低30 ℃左右，达到预期改造目标。

2 发电机额定数据

发电机型号为SF4300—18/3250，额定容量Ps=5.059/4.3 MVA/MW，额定电压UN=10.5 kV，额定电流IN=278.1 A，额定功率因数cosφN=0.85(滞后)，额定频率FN=50 Hz，额定转速nN=333.3 r/min，飞逸转速nf=810 r/min，相数为3相，额定励磁电压Ufn=75 V， 额定励磁电流Ifn=440 A，定子、转子绝缘耐热等级为F级，旋转方向为俯视顺时针，原冷却方式为管道通风自然冷却方式。

3 改造前后的通风路径对比

(1)改造前通风冷却方式。管道通风自然冷却方式(见图1左侧)。

(2)改造后通风冷却方式。密闭循环空气冷却器冷却方式(见图1右侧)。

图1 改造前后通风路径示意

4 原因分析

通过现场了解、图纸分析、电磁计算与通风计算分析，其主要原因是发电机采用管道通风自然冷却方式没有足够的风量进入定子铁心(定子线圈)进行冷却，内部风路混乱，漏风，冷热风混在一起等。具体表现在以下几个方面。

(1)风阻大。定子铁心通风道数量少，而且每个定子齿部布置了2根通风槽钢，减少了通风面积；其结果是风阻大，风量过不去。

(2)风路混乱。热风通过风管排至机组上游侧(厂房与大坝之间)，没有经过有效的空气交换，又通过厂大门进入又重新进入到厂房内，再进入机坑进风口，重新进入机组内，造成了热风恶性循环。同时，另一股热风通过水轮机进人门进入水轮机层，然后通过机坑进风口又重新进入机组内，也造成热风恶性循环。

(3)风压低。转子上没有有效的风扇来产生风压，仅靠磁轭冲片的片间间隙，过风面积小，风压低。

(4)漏风。磁轭下端的制动块与磁轭压板之间留有间隙，导致部分热风没有进入定子通风道，而是进入了水轮机室。

综上所述，这些原因造成风量小，通过定子侧的风量更小，不能形成有效风路循环，不能将发电机产生的热量完全带出去，发电机的温度自然就高了。

5 改造措施

(1)改变发电机的通风冷却方式，将原来的管道通风自然冷却方式改为密闭循环空气冷却器冷却方式，消除管道风阻大及风路混乱的情况。在定子机座的周围，布置6只空气冷却器，让定子出来的热风全部通过空气冷却器。清理定子机座与基础之间的空隙和机坑内壁，让空冷器出来的冷风有足够的回风空间。同时，在定子铁心上端的机座壁(对应定子线圈端部侧开了8只120 mm×1 085 mm的长方形孔，并封堵机座壁上原来的圆孔；这样空冷器出来的冷风就可以冷却定子线圈端部。

(2)在转子的上端增加18只离心式风扇，对转子磁轭下端进行通风改造，去掉原来的分块式的制动块，变更为整圆的制动圆环。同时，在制动圆环与磁轭压板之间留有85 mm高的空间，布置18块离心式风扇，增加风压和进风面积；整个通风系统由一路循环冷却改造为双路循环冷却。

(3)在转子的上、下端安装有静止的玻璃钢挡风板，配合转子上安装的离心式风扇，增加风压，减少漏风。

(4)选用冷却容量大、需要风量小的空气冷却器，这样在冷却风量不够的情况上，达到换热目的，冷风温度较常规空冷器低13 ℃；其冷却水量也偏小。

(5)封堵原机坑上的进出风口。

6 改造后的风量计算

校核发电机的电磁计算。额定工况下，发电机功率4 300 kW，功率因数为0.85时，发电机经空冷器需排出的损耗P=182 kW，空气温升Δθ=25 K,发电机冷却所需的风量为6.6 m3/s。

发电机改造后，通风计算结果显示，仅能产生5.3 m3/s，仍然不能满足发电机冷却的需要(见图2、表1)。

图2 通风计算网络示意

表1 发电机通风计算结果

经过上述发电机改造仍然不能产生足够的风量来进行发电机冷却，为此必须选用风量小、换热能力强的空气冷却器。

7 空冷器选择

由于改造前发电机的通风冷却方式为管道通风，机坑内径与定子机座外径的设计空间仅有500 mm，而实际尺寸偏差太大，有的地点不足400 mm，因此需要选有厚度较薄的空冷器；同时对机坑内径进行扩大。因为在此狭窄的空间内需要布置空气冷却器、冷却水管及阀门(见图3)。

图3 空冷器安装

空气冷却器型号为kW—S141—34D183，换热容量32.5 kW，冷却余量20%，耗水量12 t/h，水流程数为2，风速1.92 m/s，风量0.85 m3/s，进水温度20 ℃，出水温度22.4 ℃，出风温度27 ℃，水压降0.01 MPa，工作水压0.3 MPa，试验水压0.6 MPa，管内流速1.6 m/s，压力损失80 Pa，芯组尺寸为1 200 mm×374 mm×88.5 mm，整机尺寸为1 460 mm×460 mm×170 mm。

8 改造后的温度计算值与实测数值比较

发电机运行在额定功率4 300 kW，不同功率因数与冷却水温的定子温度值如下所示(见表2)。

表2 不同功率因数与冷却水温的定子温度值比较

改造后的实测温度与计算值基本吻合，达到了预期通风降温的改造目标。

9 结 论

尼傲加尕水电站通风降温改造方案采用典型的电机端部回风冷却结构，改管道自然通风冷却为密闭循环空冷器冷却，利用自主研发的通风网络计算程序，配合相应的电磁计算及配套的通风冷却元件达到精准计算的要求。实践表明，改造达到了预期目标，为以后类似电站的通风冷却改造提供了宝贵的经验和理论基础。

通风降温改造降低了发电机运行温度，提高了发电机效率，延长了绝缘的老化寿命，增加了机组安全运行的可靠性。对电站而言，不仅提高了经济效益，还提高了安全性及社会效益。