汽轮发电机冷却系统的研究

黄帅

【摘要】电力工业的发展已经作为评价一个国家经济发展情况的重要指标，因此扩大作为我国主要发电设备的汽轮发电机的容量就显得十分必要。而汽轮发电机在目前的实际生产中仍存在着较多问题，尤其是汽轮发电机的冷却系统。本研究分析了我国汽轮发电机冷却系统的研究近况，并重点介绍了汽轮发电机冷却系统的主要类型。

【关键词】汽轮发电机；冷却系统

1.汽轮发电机冷却系统研究现状

由于电力的方便和快捷，其使用情况一直被作为评判城市现代化的指标之一。我国在建国初期发电设备的总装机容量只有1850MW，而随着经济发展，我国发电设备的总装机容量也迅速发展到世界第二位的440700MW。虽然我国发电设备总装机容量已经位于世界前几名，但是由于我国人口众多，导致我国人均发电装机容量极低。因此汽轮发电机作为我国目前最主要的发电设备急需向大容量发展，而汽轮发电机的一个重要质量指标就是冷却系统，因为冷却系统对于汽轮发电机的使用时间和生产效率是十分重要的。目前，国内外采用的冷却介质包括气体、液体和气液混合三种。国外已经研究开发出大型氢气冷却型汽轮发电机及空气冷却型汽轮发电机，并且逐渐向大容量汽轮发电机发展，美国等西方国家和日本已经达到可以生产适用1000MW级汽轮发电机的冷却系统。而我国对于冷却系统的研究则较晚，目前汽轮发电机最大容量仅为650MW，因此急需加大对大容量汽轮发电机冷却系统的研究。

2.汽轮发电机冷却系统的重要性

2.1汽轮发电机扩大容量的方法

电力是我国最重要的工业能源，也是保障我国经济建设能够正常进行的重要能源之一，而汽轮发电机是我国目前最主要的发电设备，因此建设大型汽轮发电机就显得更加迫在眉睫，对大容量汽轮发电机的研究也变得十分重要。目前，加大汽轮机的线性尺寸和增加汽轮机的电磁负荷是两种最主要扩大汽轮发电机容量的方法。而第一种方法在实际生产中运用起来难度较大，因此第二种方法成为扩大汽轮发电机容量的主要方法，然而这会导致汽轮机的线棒铜损率升高，使得汽轮机的线圈温度急剧升高，从而导致汽轮发电机的温度高于标准要求、产生安全事故。因此冷却系统的研究是保障汽轮发电机容量扩大的根本。

2.2冷却系统对扩大单机容量的重要性

扩大汽轮发电机容量的基础在于提升其单机容量，从而提升机组容量以达到增加汽轮发电机发电量的要求。因为对于总容量固定的汽轮发电机组来说，其单机容量与每产生一千瓦单位电量所消耗的材料是成反比的，也就是说单机容量越大，汽轮发电机的生产效率就越高、造价越低。因此，汽轮发电机的单机容量也是决定汽轮发电机经济性能的重要指标之一。前文中已经提到了在实际生产中，增加汽轮机的电磁参数是扩大汽轮机容量的主要方法。但是由于汽轮机中的部件主要为金属和一些绝缘材料，他们的导热性能较好，因此增加电磁符合会导致一些部件受损，同时也会提高线圈的温度。而汽轮发电机温度的升高也会影响其各种金属部件和绝缘材料的使用寿命，尤其是当温度升高到某一点时，汽轮发电机中的绝缘材料就会失去其应有的效果。对于汽轮发电机中的金属部件，高温则会降低其硬度和强度，从而导致变形等问题产生。因此冷却系统对提高汽轮发电机组的单机容量是十分重要的。

3.汽轮发电机的冷却系统

3.1空气冷却系统

空气由于其在生活中无处不在并且完全免费的特性，使其成为了一种廉价且简单易得的冷却介质，在汽轮发电机发展的初期得到了广泛的研究与应用，世界上第一台汽轮发电机就是以自然通风作为冷却方式。但是初期的空气冷却系统效率较低，在后期逐渐被氢气冷却系统代替。而随着科技的发展，通风冷却技术的研究开发和适合应用到汽轮发电机中新型材料的出现，使得空气冷却型汽轮发电机重新发展起来。由于空气冷却型汽轮发电机中的机械损耗主要是通风损耗，因此目前的研究主要是针对如何降低通风磨损和冷却风扇的动力损耗来改进空气冷却系统。我们可以通过优化通风结构来增加空气流通的面积以达到降低通风损耗的目的，而空气冷却系统中最重要的通风部件就是风扇，风扇的转动需要消耗掉部分机械能，这部分机械能除了转换成冷却空气的势能和动能外，由于风扇这一部件和其他部件或空气的摩擦也会产生部分热能，因此如何减少这部分机械能的损失也是我们研究的重点。随着空气冷却系统的发展，空气冷却型汽轮发电机的优点也逐渐体现出来，空气只能作为燃烧的介质，其本身不会燃烧、也不会爆炸，因此空气的安全性较高。并且空冷却型汽轮发电机通常构造比其他类型发电机更为简单，因此比较便于修理和维护，其生产过程中的消耗也较少、经济性也相对较高。

3.2氢气冷却系统

氢气冷却系统最初是作为空气冷却系统代替品出现的，因为空气冷却系统在单组电机容量增加到一定高度时，在冷却效率和温度升高这些方面都出现了问题。氢气冷却型汽轮发电机中通常使用95%-96%的氢气，氢气的导热系数要远高于空气，而密度却只有空气的7%。因此在相同的冷却效果条件下，氢气相比较与空气冷却速度更快、效率更高，并且氢气冷却型汽轮发电机体积更小。而且由于氢气具有抑制电晕的特性，他可以延长绝缘性材料的寿命。但是氢气的易爆性使其在使用的过程中也存在着部分安全隐患。

3.3液体冷却系统

液体冷却的使用时间较早，1917年已经开始使用变压器油作为一种冷却介质。由于水具有较大的比热容和导热系数、变压器油的介电常数较高，因此这两种液体作为液体冷却中两种最主要的冷却介质也得到了较为广泛的应用。水由于其廉价、简单易得并且可以循环使用的特点，使水冷却在应用方面要多于变压器油冷却。但由于使用时间较长易造成冷却设备中污垢的积累以及水中离子氧化铜铁等会产生的沉淀等问题，不仅会导致水冷卻效果的降低，还会导致管道的堵塞。而且产生的工业废水对环境造成污染等问题也需要进行进一步的研究。

3.4蒸发冷却系统

众所周知，液体蒸发成气体这一过程可以吸收热量，蒸发冷却型汽轮发电机就是利用的这个原理。蒸发冷却型发电机的冷却是利用电流通过绕组过程中，绕组中的冷却液体吸收其自身的热量后，以气液混合的状态进入压力平衡器中经冷凝成液体之后再经过一系列处理重新进入绕组内部，以到达循环利用的目的。由于蒸发冷却系统传热性能和介电性能较高，因此他具有较好的冷却效果和较高的使用效率。但在如何选择安全、环保的冷却液体以及绕组材质的选择中仍存在着部分问题需要研究。

4.结语

作为我国目前最主要发电设备的汽轮发电机对我国电力工业的发展有着不可或缺的重要性，而如何提高汽轮发电机容量则是扩大我国发电量的基础。汽轮发电机冷却系统作为提高汽轮发电机容量的关键技术，更加值得我们研究学习。只有解决了这一关键技术，才能扩大发电量、加快我国电网的建设。

参考文献

[1]路义萍，李伟力，马贤好等.大型空冷汽轮发电机转子温度场数值模拟[J].中国电机工程学报，2012，27（12）：7-13.

[2]韩家德，马贤好，路义萍等.汽轮发电机转子径向空气流量分布数值计算[J].中国电机工程学报，2010，27（32）：72-76.