1000MW水轮发电机定子空冷和蒸发冷却方式的对比分析

阮琳，陈金秀，顾国彪

(中国科学院电工研究所，北京100190)

1000MW水轮发电机定子空冷和蒸发冷却方式的对比分析

阮琳，陈金秀，顾国彪

(中国科学院电工研究所，北京100190)

白鹤滩水电站是金沙江下游水电开发的第二个梯级电站，计划装设14台单机容量为1000MW的机组。目前全球范围内没有该容量机组的设计、制造经验，其中冷却方式的选型是一个非常关键的问题。本文首先依据该机组的基本参数分别提出了定子空冷和蒸发冷却初步电磁方案的设计，并在此基础上开展了电磁场的相关仿真并获取热源分布;其次，开展了两种方案的三维温度场仿真，从电机尺寸、材料消耗、介质用量以及热性能等多方面全面对比了两种冷却方案，为未来发电机招标冷却技术的选型提供有价值的参考。

1000MW水轮发电机;蒸发冷却;三维温度场;综合性能对比

1 引言

在三峡机组引进、消化、吸收和部分创新的基础上，中国水电用7年的时间实现了30年的跨越发展，国内已经形成较为完善成熟的巨型机组设计、试验研究、材料供应和制造的产业链［1］。此时，依托白鹤滩水电站的开发，开展1000MW水轮发电机组的研制，掌握和发展1000MW水轮发电机组的关键技术，必将推动我国特大型水电设备设计制造技术的创新和发展，全面提升我国电工装备国际竞争力。

然而，1000MW级水轮发电机组研究是一个大型系统工程，涉及工程经济、水力、机械、电气、材料、工艺等课题的研究，需要结合电站的工程实际，从广泛的角度系统地进行创新研究。其中机组的材料选型、冷却技术以及相关测试技术都是亟待解决的问题。传统冷却方式如水内冷技术过于复杂，冷却系统组装困难，存在很大的安全运行隐患，所以在百万千瓦机组的定子冷却方式选型中，水内冷基本被排除，成熟的可选技术方案只有空冷和蒸发冷却技术［2-5］。

对于大容量长铁心的水轮发电机，由于定子线棒长度特别长，线棒截面匝数多，股线间及股线不同位置的散热条件不同，加上由于挤流效应产生的股线涡流差值，空冷方式作为一种外冷方式将导致定子绕组温差特别大，这将大幅降低绝缘寿命。此外，由于导线铜导体与外包绝缘材料的热膨胀系数相差较大，加上两者之间具有较大的温差，运行时其热膨胀差值大，将会在导体与绝缘间产生较大的热应力，从而出现脱壳击穿烧毁绝缘的危险［6］。根据设计院的设计参数，1000MW的水轮发电机组额定电压需提高到24kV［7］，定子线棒主绝缘在现有20kV电机所采用的主绝缘基础上必须增厚，此时对于空冷方式，线棒径向温度梯度又进一步加大，使得上述热应力问题更为严重。

对于大型和超大型水轮发电机，蒸发冷却技术作为一种内冷技术，利用介质相变换热带走定子绕组的热量，降低绕组温升，特别是能有效减小绕组的温差，使整个发电机定子绕组温度分布均匀，消除了主绝缘上的热传导温差，从而大大减少热应力，提高绝缘寿命。由于采用内冷方式，绝缘上不承受温降，绝缘可适当加厚，从而可以提高电压等级，减轻输变电系统开关部件的压力，可靠性也相应提高。所以蒸发冷却方式的应用使得发电机电压等级的选择更具灵活性［8］。

蒸发冷却发电机定子绕组损耗不再需要定子铁心的传导，其铁心温升是由铁心自身损耗产生，温升值较空冷方式有很大幅度的降低。因此，其铁心与机座温差相对较小，铁心热应力较易控制。发电机在采用蒸发冷却后，电磁负荷可适当提高，发电机结构尺寸有大幅度的减少，转子重量可适当减小，相应的推力负荷下降，定子铁心长度也可适当缩短。这样，即降低了发电机的制造难度同时又节约了原材料成本。

当然，随着通风技术的不断进步，空冷技术能够应用的容量极限在不断加大，材料的改进和工艺的进步使得空冷的冷却效果有一定程度的改善，绝缘上的径向温度梯度有降低的趋势。

然而空冷和蒸发冷却技术都是在百万千瓦机组上首次使用，那项技术综合效益最优，需要进行全面的分析比较。本文利用综合物理场仿真分析平台，以白鹤滩1000MW水轮发电机作为分析目标工程，分别提出了空冷和蒸发冷却的初步电磁方案，并对两个方案分别开展了三维温度场仿真分析，最后从电机尺寸、材料消耗、介质用量以及温度特性等方面全面对比了两种冷却方案，为未来发电机招标冷却技术的选型提供了有价值的参考。

2 电磁方案

利用综合物理场仿真分析平台，根据白鹤滩1000MW水轮发电机的基本参数(见表1)，分别提出了空冷和蒸发冷却的初步电磁方案，并对两个方案分别开展了二维磁场分析并获取损耗分布，为后续的温度场仿真奠定基础［9］。

表1 1000MW水轮发电机基本参数Tab.1Basic parameters of 1000MW hydrogenertaors

2.1 1000MW空冷和蒸发冷却的电磁设计方案

空冷及蒸发冷却方案的基本电磁参数分别见表2和表3，其性能参数和效率都能满足设计指标要求。

2.2 电磁损耗

本文以对比分析两种冷却方式为目标，冷却效果的优劣可以通过热特性来体现。为了获得准确的三维温度场仿真结果，作为热源的损耗分布必须首先准确计算。本文通过Maxwell二维有限元仿真分析首先得到磁场分析结果，再利用场计算器得到每个部件的损耗分布，与磁路仿真RMxprt计算结果互相校对，从而为下一步的温度场仿真提供准确的热源输入。磁场分析结果如图1所示。

表2 空冷方案基本电磁参数Tab.2Electromagnetic parameters for air cooling hydrogenerator

表3 蒸发冷却方案基本电磁参数Tab.3Electromagnetic parameters for evaporative cooling hydrogenerator

图1 发电机接入电网3s对称运行的磁密分布Fig.1Diagram of flux density after unit connected with grid and symmetrically operating for 3s

交流电机的定子铜损耗包括基本铜损耗和横向漏磁通使股线截面上电流分布不均匀所带来的附加铜损耗，但是由于Maxwell二维场分析中无法真实体现绕组中股线的交织换位效果，所以铜损耗计算结果与实际有差别，因此，本文通过引入费立德系数手工计算定子总的铜损耗来修正RMxprt输出的铜损耗值，两种冷却方案的损耗分布如表4所示。

表4 损耗分布对比Tab.4Comparison of loss between air cooling and evaporative cooling

3 温度场仿真对比

3.1 分析方法

水轮发电机定子的铁心和绕组是主要发热部件，因此本文采用具有内部热源的三维温度场分析方法［10，11］，求解域的热传导方程为

式中，λ为热传导率，单位:W/m·K;T为温度，单位: K;q为内部发热源的生热密度，单位:W/m3。

在三维直角坐标系下，忽略辐射换热过程，式(1)可写为

3.1.1 换热条件［12，13］

定子通风沟内对流换热系数α1为:

式中，计算用风速

定子轭外表面对流换热系数α2为40W/ (m2·℃)

气隙中对流换热系数α3为

式中，气隙的切向线速度

定子铁心端部表面对流换热系数α4为

3.1.2 边界条件

铁心和线圈中心面为绝热面，T/n=0。

风沟内铁心端面空气温度认为是线性递增的。

定子轭外表面、定子通风沟内、气隙、定子铁心端部表面和定子绕组端部表面都作为第三类边界条件输入。

空心导线内壁面温度作为第一类边界条件输入［14］。首先在电机设计过程中对几种股线尺寸进行选型，然后用备选空心股线建立1∶1实验模型(如图2所示)，在所选出的股线上加载其在电机各种运行工况时所需承担的热负荷，用加载等效直流电流的方式来模拟实际所需热负荷，用实验的方式得出对应工况下的第一类边界条件，即空心导线内壁面温度的输入，如图3所示。

图2 全尺寸空心导线蒸发冷却系统实验模型Fig.2Experimental model of evaporative cooling system for full-size hollow conductor

图3 不同负荷下空心导线的壁面温度分布Fig.3Temperature distribution of outer wall of hollow conductor at different load

3.2 计算结果

(1)空冷方案100%负荷计算结果

空冷方案额定工况时铁芯及线棒的温度分布与导体的铜温计算结果分别如图4和图5所示。

图4 额定工况时铁芯及线棒的温度分布Fig.4Temperature distribution of stator core and stator bar at rated load

图5 额定工况时导体的铜温Fig.5Copper temperature distribution of conductor at rated load

(2)蒸发冷却方案100%负荷计算结果

蒸发冷却方案额定工况时铁芯及线棒的温度分布与导体的铜温计算结果分别如图6和图7所示。

图6 额定工况时铁芯及线棒的温度分布Fig.6Temperature distribution of stator core and stator bar at rated load

图7 额定工况时导体的铜温Fig.7Copper temperature distribution of conductor at rated load

4 综合性能对比

为了客观全面地分析1000MW水轮发电机采用哪种冷却方式时综合性能最优，本文基于前述电磁方案和温度场仿真分析结果，从电机尺寸、材料消耗、损耗分布以及温度分布水平等多个角度对定子空冷和定子绕组蒸发冷却方案进行了对比，最后还开展了成本的相对值对比分析。

(1)电机尺寸、材料消耗

电机尺寸、材料消耗对比结果见表5。

表5 电机尺寸、材料消耗对比Tab.5Comparison of unit size，material consumption between air cooling and evaporative cooling

(2)100%负荷特征温度对比

100%负荷特征温度对比结果见表6。从特征温度对比可以看出，蒸发冷却定子整体温度分布均匀，温差小，尤其是导体铜温比空冷方案低近50℃，大大降低了导体和主绝缘的温度梯度，从而极大改善了绝缘的可靠性和寿命。

表6100 %负荷特征温度对比Tab.6Comparison of feature temperature between air cooling and evaporative cooling at rated load

(3)成本相对值对比分析

成本相对值对比结果见表7。

表7 成本相对值对比Tab.7Comparison of relative cost between air cooling and evaporative cooling

注:(1)表中未考虑蒸发冷却线棒制造难度导致的制造成本略高于空冷线棒;(2)冷却介质选型可有多种方案，单价350～550元/kg，共计112～176万元;(3)由于线棒数量减少了648根，由此节省的绝缘材料用量也不容小觑。

5 结论

从上述综合性能对比分析可以看出，蒸发冷却由于冷却效果好，可以大幅增加发电机的电磁负荷，相当程度节省材料消耗，从而使蒸发冷却方案较空冷方案节约至少100万以上。考虑未尽科目，1000MW蒸发冷却水轮发电机至少可以做到与空冷成本基本相当。虽然铜耗增加，但由于铁心损耗和风摩损耗的降低，两个方案的总损耗基本相当，效率也基本相当。但从热特性来看，蒸发冷却方案的优势十分突出。

本文以白鹤滩电站作为研究对象，分别对定子空冷技术和定子绕组蒸发冷却技术从定性和定量(温度场分析，经济效益计算)两个角度进行了对比分析，充分说明蒸发冷却技术应用于1000MW以上容量等级的水轮发电机是有优势的，这为业界在超大容量水轮发电机的冷却方式选型上又增加了一种成熟方案。

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Comparison and analysis of stator’s air cooling and evaporative cooling method of 1000MW hydrogenerators

RUAN Lin，CHEN Jin-xiu，GU Guo-biao
(Institute of Electrical Engineering，CAS，Beijing 100190，China)

Baihetan hydropower station has 14 hydrogenerators with the unit capacity of 1000MW.On a global scale，there are no experiences on design and manufacture of such huge hydrogenerators.There are a lot of technical problems to be solved，among which the selection of cooling mode is a very key problem.Firstly，this paper put forward the general electromagnetic scheme of the air cooling and evaporative cooling hydrogenerators.Based on it，we carried out the simulation of the electromagnetic field and got the distribution of the heat source.Secondly，we carried out the simulation of the 3-D temperature field for the stator of generator with two kinds of cooling modes respectively.Finally，we made comprehensive characteristic comparison between these two cooling methods from the aspects of unit size，material consumption，the quantity of coolant usage and thermal performance，and the comparison provides valuable reference for the future selection of cooling mode in the Baihetan unit bid.

1000MW hydrogenerator;evaporative cooling;3-D temperature field;comprehensive characteristic comparison

TM312

A

1003-3076(2014)09-0001-06

2014-04-18

阮琳(1976-)，女，甘肃籍，研究员，博士，主要从事大型、高热流密度电气与电子设备新型蒸发冷却技术方面的研究工作;陈金秀(1988-)，女，湖南籍，博士研究生，主要从事蒸发冷却技术在水电设备上的应用研究。