蒸发冷却技术在三峡水轮发电机上的应用

李　楠

（葛洲坝集团机电建设有限公司，湖北 宜昌 443002）

蒸发冷却技术在三峡水轮发电机上的应用

李楠

（葛洲坝集团机电建设有限公司，湖北 宜昌 443002）

摘要：大型水轮发电机的冷却技术，关系到水轮发电机参数选择、结构设计和造价，是保证发电机的绝缘寿命、提高发电机效率，保持发电机长期安全稳定运行的关键技术之一。蒸发冷却技术在三峡特大型机组上的应用成功，进一步提高了我国首创的蒸发冷却机组的技术水平，为设计制造特大型蒸发冷却机组积累了经验，促进了大型水轮发电机组采用蒸发冷却技术产业化的进程．同时也使业内人士对大型水轮发电机冷却方式有新的认识：即“最好采用全空冷，如要想上水冷，不如上蒸发冷却”,这是对大型水轮发电机蒸发冷却技术的肯定。

关键词：三峡机组；蒸发冷却；定子绕组；应用

1引言

随着现代科学技术的发展，水轮发电机的单机容量越来越大，因此大型水轮发电机的冷却技术也越来越受到高度的重视。大型水轮发电机的冷却技术，关系到水轮发电机参数选择、结构设计和造价，是保证发电机的绝缘寿命、提高发电机效率，保持发电机长期安全稳定运行的关键技术之一。当前大型水轮发电机冷却技术主要有3种不同的冷却方式即：一是全空冷，二是半水内冷（定子绕组水冷），三是蒸发冷却（定子绕组蒸发冷却）。而蒸发冷却技术应用于大型水轮发电机是继目前已广泛采用的全空冷、定子水内冷方式后，在20世纪80年代我国自行开发的具有自主知识产权的新型冷却方式。

2我国的蒸发冷却技术的研究情况

1958年中国科学院电工所开始从事蒸发冷却技术的研究。并于同年在全国第一次三峡科研工作会议上，就如何采用这种蒸发冷却技术来设计制造三峡巨型水轮发电机冷却问题进行了讨论。经过调研和试验后，提出了利用氟里昂作为介质的自循环蒸发冷却方式。这种冷却方式是利用立式水轮发电机的定子绕组，以及液体汽化后密度发生变化而引起压差变化，从而形成自然循环。其原理如下：绕组空心导体内的冷却液体吸收了定子绕组的热量，在常温下汽化，定子绕组通道内形成气液两相的混合物，其混合密度小于回液管中未受热的液体密度。在重力加速度作用下，两管中的静压头不同就产生了压差，这就是自循环的动力，称为流动压头。它是利用介质吸收的热量做功，推动流体循环，无需外加动力。经过40多年的研究试验，为我国大型电机冷却方式寻找新的出路作出了重要贡献。中国科学院电工所与东方电机厂合作，将蒸发冷却技术应用于水轮发电机上，1983年在云南大寨水电站单机容量10 MW、额定转速1000r/min的蒸发冷却水轮发电机首次投入运行；此后于1992年在陕西安康水电站单机容量50MW，额定转速214.3r/min的蒸发冷却水轮发电机投入运行；1999年在青海李家峡水电站单机容量400MW，额定转速为125r/min的大型蒸发冷却水轮发电机投入运行。通过大寨、安康和李家峡等电站的蒸发冷却机组的设计、制造和运行，进一步提高了我国首创的蒸发冷却机组的水平，为设计制造特大型蒸发冷却机组积累了一定的经验，为我国制造特大型蒸发冷却的水轮发电机组开创了广阔的前景。目前，不论是在基础试验研究或是机组运行经验上，在蒸发冷却电机方面，我国都处于世界领先地位。

3蒸发冷却在三峡特大型机组上的应用

蒸发冷却技术在三峡特大型机组上的应用，是在中国长江三峡工程开发总公司的积极支持下，中科院电工研究所和东电等有关设计、科研、制造单位通力合作，进行了局部计算机模拟试验和数值仿真计算，解决了蒸发冷却技术在大型水轮发电机上工业化应用的一系列技术难题。现在三峡地下电站由东方电机厂生产的二台单机容量为700MW，额定转速为75r/min的大型水轮发电机组就是采用蒸发冷却技术。三峡水电站蒸发冷却方式的水轮发电机组，第一台于2011年已投运。最后一台也已于2012 年7月4日投入商业运行。从当前三峡水电站二台蒸发冷却的水轮发电机组的运行工况来看，经过3年多的运行考验，其运行工况基本正常，达到了安全稳定发电的设计要求。但是蒸发冷却技术与其他冷却方式相比的优劣和经济性等，尚需经过长期工业运行实践的检验。最近据通过600台半水内冷机组16年调研的统计资料显示，定子绕组发生故障是在电气试验中,其主要原因是：冷却水泄漏、磨损，缝隙腐蚀，铜管泄漏和水的导电率等问题，其中75%是由于绝缘受潮。而蒸发冷却介质具有高绝缘、防火和灭弧性能，因此不存在因冷却水泄漏绝缘受潮问题，故当前业内人士对大型水轮发电机冷却方式有新的认识：即“最好采用全空冷，如要想上水冷，不如上蒸发冷却”，这是对大型水轮发电机蒸发冷却技术的肯定。

3.1三峡蒸发冷却发电机的有关技术参数

额定容量（MVA）/额定功率（MW）777.8/700

最大容量（MVA）/功率（MW）840/756

额定电压（kV）20

额定电流（A）22453

额定功率因数0.9

GD2（t-m2）450000

额定转速（r/min）75

飞逸转速（r/min）150

发电机冷却方式定子绕组蒸发冷却、定子铁芯及转子绕组空冷

3.2三峡蒸发冷却发电机定子有关技术参数

表1蒸发冷却发电机定子有关技术参数

3.3定子线棒蒸发冷却系统设备

定子线棒蒸发冷却系统设备为主机配套的附属设备系统，系统主要包括：冷凝器、回液管、下集液环管、绝缘引流管、上集汽环管、均压管、冷却水供排水管等部件，以及配套的蒸发冷却介质和监测、保护装置等。

除上述管道、阀门及相应部位设置的流量计、压力计、检温计、检漏计外，蒸发冷却系统设备及各种管道外，每台机蒸发冷却系统设备还包括：

供排液装置及介质回收装置各1台套

冷凝器16台套

磁翻柱液位计1个

移动式介质储液罐1台套（2台机共用）

移动式抽真空装置1台套（2台机共用）

蒸发冷却系统动力/控制柜等1个

3.4蒸发冷却的原理及冷却系统

水轮发电机以往所使用的冷却方式：全空冷、水内冷，从热学原理上来讲都是利用介质的比热吸热从而带走热量。而蒸发冷却从热学原理上是利用流体沸腾时的汽化潜热带走热量。这种利用流体沸腾时的汽化潜热的冷却方式就叫做“蒸发冷却”。由于流体的汽化潜热要比流体的比热大很多，所以蒸发冷却的冷却效果更为显著。蒸发冷却的基本原理就是利用高绝缘性能、低沸点的冷却介质沸腾时的汽化潜热带走电机线棒所产生的热量，整个循环冷却系统，没有用压缩机，而是冷却介质的自循环。这是因为冷却介质受热汽化成气体后的比重明显变小，与液态冷却介质存在着压差，这种压差促使冷却介质在系统内自然循环。当机组带的负荷越大，定子绕组的铜耗越大，产生的热量也越多，冷却介质大量蒸发，促使循环加快冷却效果也越好。当发电机运行时，定子绕组温度上升，线棒空心导体内的冷却介质吸收热量而不断汽化，形成气、液两相混合体的流动，其密度小于回液管中未加热的液体密度，产生压差，形成自循环的动力压头，该压头克服沿程流阻后，进入冷凝器内，介质所含热量与冷凝器的冷却水进行热交换，由水将热量带走，并冷凝成液态，然后通过回液管、下连通管再重新进入线棒，构成密闭自循环系统。三峡定子蒸发冷却系统示意图见图1。

3.5定子绕组蒸发冷却系统

蒸发冷却系统结构图见图2。

3.6电机的冷却介质的选择

冷却介质的选择首先要考虑的因素是冷却介质必须是清洁的、符合环保要求的产品，以及对运行无安全影响的。其物理性能和化学性能稳定性好，与电机的材料相容，安全无毒、不燃，气、液态时对金属和绝缘材料无腐蚀等。

图1三峡定子蒸发冷却系统示意图

图2蒸发冷却机组发电机结构效果图

原大塞等水电站的水轮发电机的冷却介质是采用氟利昂CFC/113，这种冷却介质的沸点为47.3℃，其绝缘、灭火性能均较良好，但因其不符合环保要求已被淘汰出局。因此三峡水电站水轮发电机的冷却介质的选择，是经过对CFC-113（C2Cl3F3）、HFC-4310 （C5H2H10）、HFCAE-3000（C4H3F7O）、FLa（（C2F5）2N）等4种冷却介质进行比选，最终确定HFC-4310 （C5H2H10）作为冷却介质。它既能满足环保要求、其沸点、绝缘、灭火性能也能满足电机要求。

3.7蒸发冷却系统设备安装工艺

蒸发冷却系统设备安装工艺流程见图3。

3.8蒸发冷却系统的捡漏

蒸发冷却系统检漏是蒸发冷却绕组安装的关键项目。单根线棒密封试验采用0.3MPa氮气和发泡剂进行，历时3min，应无气泡产生。系统整体密封性试验分为两个阶段。第一阶段泄漏性试验：将洁净空气加入微量卤素气体充入待检系统内进行试验：试验压力0.25MPa，保压4h，应无泄漏；第二阶段进行密封性试验：试验压力0.25MPa，保压48h，压力下降不大于0.005MPa。在密封性试验阶段，检测是否有微渗点，如果存在应处理合格。检测方法可以在密封试验的氮气中注入少量SF6气体或介质，利用专业检测工具进行循环检测，不宜采用涂抹肥皂水的方法。由于气密试验压力较低，气密试验应记录环境温度，在温度相对恒定的情况下压力下降值不得大于0.005MPa，所以要求配置高精度的压力表或压力传感器。

图3蒸发冷却系统设备安装的工艺流程

4蒸发冷却的优缺点比较

4.1蒸发冷却与水内冷方式比较

（1）蒸发冷却方式与水内冷方式比较有如下优势：

1）无采用不锈钢空心线特殊材料要求，无氧化堵塞问题；

2）取消了价格昂贵的纯水处理系统（进口ABB 和SIEMENS设备价格分别为108万美元和220万美元，使发电机总成本增加2.5%～5%），且布置尺寸减小；

3）蒸发冷却介质无毒、安全、化学稳定性好，且具有高绝缘、防火和灭弧性的环保型冷却介质，从根本上杜绝了泄漏引起的绝缘故障的问题，因而克服了水内冷方式的致命缺点；

4）相应循环系统的管路密封较易解决，在容器和管路中不结垢；不像水内冷为运行压力高（0.6MPa）的高压纯水强迫循环系统，而且是无压的无泵自循环系统；

5）运行简单、维护方便、可靠性较高；

6）施工安全和工期较短；

7）检修和维护的工作量比半水内冷少。

（2）蒸发冷却与半水内冷比较有如下的缺点：

温度比半水内冷略高。由于冷却介质在绕组内的不同部位存在蒸发的相变过程，使绕组的温度差也比半水冷绕组稍大，因此定子的机械变形、铁芯膨胀翘曲和线棒与铁芯的相对位移也比半水内冷略大。

4.2蒸发冷却与全空冷相比

（1）蒸发冷却与全空冷相比有如下的优点：

1）蒸发冷却发电机尺寸比全空冷较小，且材料利用系数较高；

2）蒸发冷却可延长绕组绝缘使用寿命，改善定子综合机械应力；

3）蒸发冷却由于使用的清洁冷却介质的压力低，泄漏的可能性小，即使泄漏，绝缘介质也不会对运行造成过大的危害，使运行的安全性提高。

（2）蒸发冷却与全空冷相比有下列缺点：

1）主要问题是定子线棒轴向温度分布均匀度略差些，由热引起的机械应力、定子铁芯膨胀及“瓢曲”等问题较液体内冷发电机稍重些。同时增加了二次冷却水的渗漏问题；

2）蒸发冷却与全空冷相比增加了绕组的冷却介质接头、介质的液、气循环系统和冷凝器等辅助设备，结构复杂、设备增多，造价增加，增加了制造、安装的工作量。

（3）全空冷却比蒸发冷却的主要优点是；

1）发电机采用全空冷方式，其电气参数较好，而定点的效率略高；结构、布置简单；安装、运行、维护简便；运行成本低，可靠性高，对电站经济效益的回报较为有利；

2）蒸发冷却除定子绕组以外，定子铁心和励磁绕组等损耗仍然要靠空气冷却解决，冷却空气的流动是发电机转动自然形成的，空气冷却需要有流畅的风路和足够而均匀的风量，在发电机机坑内布置大量蒸发冷却系统的设备后，对于风路的合理性应作仔细论证。

全空气冷却的这些优点，是其他的冷却方式无法比拟的，所以当前水轮发电机冷却方式的选择上，只要技术经济比较是可行的，还是大量采用全空气冷却技术。

5有关蒸发冷却技术的建议

我国蒸发冷却技术自1958年提出应用于水轮发电机上以来，已经走过了近60年的历程。从1983年我国开始应用这一技术于水轮发电机上以来，至今已有30余年的经历，因此对蒸发冷却发电机的技术应该有一个定论，如果说这种技术是可行的，那么有关技术文件的研究和编制应该有一个规范性的文件，可做为今后工作的指导性方针，以更有利于促进水轮发电机组采用蒸发冷却技术产业化的进程。目前至少应完善如下技术文件：

（1）蒸发冷却水轮发电机的技术条件及设计规范。蒸发冷却技术从中国科学院电工所于1958年开始研究，并于同年在全国第一次三峡科研工作会议上，就如何采用这种先进技术来设计制造三峡巨型水轮发电机问题，至今已走过了近60年，应该有一个成熟“蒸发冷却水轮发电机的技术条件及设计规范”，以做为设计工作的指导方针供设计参考。

（2）蒸发冷却水轮发电机的安装、运行、维护规范。我国从第一台蒸发冷却水轮发电机1983年在云南大寨水电站投入运行，以及此后于1992年在陕西安康水电站、1999年李家峡水电站、以及2011～2012年三峡水电站的二台机组投入商业运行，也走过了近30余年的历程。应该有一个“蒸发冷却水轮发电机的安装、运行、维护规范”。例如“蒸发冷却水轮发电机的安装工法”，如果目前条件还不成熟，至少也应先编写一部“蒸发冷却水轮发电机的安装、运行、维护施工工艺导则”也是可行的。当前现行“水轮发电机组安装技求规范（GB/T8564-2003）”已经应用了10来年，是应该进行修改了，故希望借此次规范修改的机会，能够将蒸发冷却的有关内容补充进去，使今后蒸发冷却水轮发电机的安装，有规可循，有范可依。

6结语

上述水电站水轮发电机定子绕组蒸发冷却技术应用的工业试验成功，为我国蒸发冷却技术的应用开创了新的前景，对促进我国水轮发电机组采用蒸发冷却技术产业化的进程，创造了有利的条件。目前蒸发冷却技术的应用，尽管已有30年的经历，但其被采用的蒸发冷却发电机还只是寥寥几台，而且从大塞水电站第一台机开始应用至安康水电站蒸发冷却技术机组的投产，中间相隔近10年，从安康水电站至李家峡水电站中间相隔又是7年,从李家峡至三峡的应用中间相隔又是10来年。可喜的是三峡工程蒸发冷却技术应用，已进行了局部计算机模拟试验和数值仿真计算，现在还有很多工作需要继续进行。从提高我国首创的蒸发冷却机组的水平、设计制造特大型蒸发冷却机组技术的发展来看，需要建立计算机仿真平台，进一步完善蒸发冷却发电机内电磁问题、热应力和热变形问题等的仿真分析。进而形成大型蒸发冷却水轮发电机优化设计软件的优化设计方案。

参考文献：

[1]三峡工程技术总结（第九章 电站机电设备）[Z].2010.

[2]原忠杰.发电机冷却水泄漏的测试经验[J].水电站机电技术，2014（1）.

中图分类号：TV734.2

文献标识码：B

文章编号：1672-5387（2015）04-0022-05

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2015.04.007

收稿日期：2014-11-03

作者简介：李楠（1979-），男，工程师，从事水电站的电气试验工作。