三峡地下电站700 MW水轮发电机蒸发冷却系统环流、温升与稳定性提高

张涛，吕卫国

（三峡水力发电厂,湖北宜昌443000）

三峡地下电站700 MW水轮发电机蒸发冷却系统环流、温升与稳定性提高

张涛，吕卫国

（三峡水力发电厂,湖北宜昌443000）

文章对三峡地下电站水轮发电机蒸发冷却系统的原理进行简要论述,并对运行过程中冷却介质HFC-4310压力与液位变化规律、系统环流、温升以及如何提高系统稳定性等技术问题进行了探讨。

水轮发电机；蒸发冷却；液位变化规律；稳定性提高

1 引言

蒸发冷却技术最早是由荷兰的T.De.koning于1949提出的。许多国家对此技术进行过理论研究,并建立了一些实验机组,取得过不少成果和专利,但始终未能形成工业样机投入使用,且主要研究方向是针对汽轮发电机的。水轮发电机为立式结构，这给冷却介质的自然循环创造了必要条件。蒸发后的介质蒸汽可用环境温度的水直接冷却。它无需外加动力，依靠介质受热后所产生的密度变化形成循环驱动力，从而可以产生自然循环。

在国内,中国科学院电工所于20世纪50年代末开始蒸发冷却的应用基础研究,1976年后与东方电机厂联合研制开发2台10 MW云南大寨电站蒸发冷却水轮发电机,于1983年投产。1992年又在安康火石岩联营电站52.5 MW水轮发电机上应用此项技术。为检验蒸发冷却效果及摸索运行经验,故将原设计为全空冷的李家峡水电站400 MW 4号水轮发电机改为蒸发冷却发电机。并于1999年12月改装完毕,投产发电。

随着三峡水电站的兴建,我国水轮发电机容量达到了一个前所未有的水平。但三峡发电机定子铁心高度高达4 m。理论计算表明它已达到空冷效果的极限（图1）,这为蒸发冷却技术的应用提供了一个很好的机会。

三峡地下电站中2台机组定子线棒采用HFC-4310为介质自循环蒸发冷却技术，在全世界尚属首例在700 MW巨型水轮发电机上运用。本文通过蒸发冷却系统的原理和运行特点等研究和分析产生环流和温升的原因，并结合缺陷处理，探索提高系统稳定性的措施和方法。

图1 空冷发电机极限容量与转速的关系

2 系统结构

蒸发冷却自循环系统由6部分组成：定子绕组蒸发冷却系统、冷凝器、冷凝器供排水管路系统、均压排气管路系统、蒸发冷却供排液系统及控制系统。另外配置1套移动式抽真空装置（2台机共用）。

按照冷却介质的流动方向，包括：回液管、下集液环管、下绝缘引流管、定子线棒（图2、图3中仅用1根示意）、上绝缘引流管、上集气环管、上导流管、冷凝器，以及管路内部充入适量的冷却介质等，同时各冷却单元通过冷凝器上部的均压管连接成整体，形成蒸发冷却循环回路。

图2 蒸发冷却系统示意图

图3 蒸发冷却系统模型图

3 基本原理

当机组运行时，定子线棒发热，线棒空心导体中的冷却介质（介质HFC-4310，二氢十氟戊烷，沸点55℃，无色透明，易挥发，本文简称氟里昂）吸收定子线棒的热量，当冷却介质温度达到一定时冷却介质部分沸腾汽化，由于空心导体内的介质为气液混合态，其密度小于回液管中纯液态介质的密度。回液管和空心导体间的密度差在重力加速度作用下，生成流动压头。该压头克服回路中的阻力压降维持一定流量的循环，使含热两相介质进入系统中压力最低的冷凝器，经与二次冷却介质——水进行热交换后还原为纯液态再流到回液管进行新一轮循环，如此往复把热量传到外部，从而冷却发电机定子线棒。

简单来说，介质HFC-4310冷却定子线棒，技术供水用于冷却介质HFC-4310。蒸发冷却系统能自行调整蒸发点位置、介质流量和蒸气干度,这一过程不依靠外力,是自循环调整方式。当二次冷却水足量时，冷凝器内介质所在空间几为零压状态，而系统中各种部件所承受的压力仅是其内含液态介质重力的反映，各部压力远远低于纯水系统压力，运行可靠性大幅度上升。

4 运行过程中HFC-4310压力与液位变化规律

在大寨水电站10 MW发电机上，氟里昂液位及压力变化表现出较为单一的规律:即在负荷增加的过程中，压力逐渐升高，回液管液位逐渐降低。简单理论解释可以认为，随负荷加大，定子线棒发热加大,氟里昂汽化加剧，液态氟里昂减少。从而使压力上升，液位下降。而三峡蒸发冷却机组为大型水轮发电机组,其规律与小型发电机有明显不同。主要表现为:某一负荷以下，规律与前述基本相同，而超过这一负荷，就会出现压力上升同时液位也上升的情况。

初步分析原因认为:在某一负荷以上，线棒温度升高到一定值，介质汽化位置在线棒中下移，同时汽压上升，液体被压迫至回液管中，导致线棒内液体量减少，回液管液位指示上升。具体的这一负荷分界点，随液体添加量不同而不同。液位变化为诊断蒸发冷却系统稳定性提供了有效的依据，具体规律如下：

（1）没有泄露情况下机组停机后一段时间，随着定子线槽温度的下降，介质液位有所下降。

（2）机组停机时介质液位高于并网运行时液位；机组并网运行稳定后，当线槽温度大于61℃时，线槽温度上升，介质液位随之升高；线槽温度下降，介质液位随之下降。

1）从整体来看，机组停机时，介质液位相对较高；机组并网运行后，介质液位较低。这说明并网运行后，部分介质挥发成气体（沸点55℃），且挥发作用的影响大于液体的热膨胀，故介质液位降低。

2）当机组运行一段时间后，随着定子线槽温度的变化，介质液位正向变化，此时介质液体的热膨胀占主导地位。

3）开始时随着机组负荷的增加，定子线槽温度随之上升（略微滞后），介质液位下降。以大概判断，机组开机过程中线槽温度小于59.5℃时，随着线槽温度的上升，介质液位呈下降趋势；线槽温度在59.5～61℃时，介质液位比较稳定；线槽温度大于61℃时，随着线槽温度的上升，介质液位上升。

（3）蒸发冷却系统介质泄漏。

某年8月上旬28 F满负荷运行时，对应的蒸发冷却介质还比较平稳，从8月23日开始有所下降。

结合前面分析得结论：没有泄露情况下机组停机后，随着定子线槽温度的下降，介质液位有所下降。剔除这部分影响外，介质液位仍有所下降。

（4）当蒸发冷却介质泄露时，机组停机时泄露速率小于机组并网运行时泄露速率。

为尽量避免线槽温度对蒸发冷却介质的影响，选取开机前某个相对较平稳的点以及停机后某个相对较平稳的点来估算开机的这段时间内蒸发冷却介质的平均泄漏量。当然，选取的两个点临近开机以及停机时刻的点。

选取9月8日06:00对应的介质液位作为开机前液位（此点之后有一段突变增高，是强制介质液位以满足开机条件），此时液位为2 854.875 mm。

选取9月11日04:00对应的介质液位作为停机后液位（停机后，由于热胀冷缩，蒸发冷却介质有减小，故时间选取滞后点），此段开机时间内，平均每小时泄漏量为每小时介质液位下降3.79 mm。

选取停机后9月10日21:10机组停机后的介质液位作为计算。同样，停机后，由于热胀冷缩，蒸发冷却介质有减小，故时间选取滞后点，选9月11日00:00对应的2 628.75 mm作为起点，选9月11日07:00对应的2 623.125 mm作为终点，历时7 h而下降5.625 mm，平均每小时下降0.803 mm。

比较开机和停机时蒸发冷却介质平均每小时泄漏量，可得知停机时泄漏慢。

5 提高稳定性措施与实施

5.1 回液管活接头松动导致大量冷却介质泄漏

检修过程中发现由于管箍式活接头自身设计的原因，其紧固螺栓只有两根，在震动环境下容易逐渐松动，而其内部密封使用橡胶材质，又有使用寿命的局限，在蒸发冷却系统中使用这种接头有一定的不可靠性,从现场管道布置情况来看，回液管紧贴风洞地面，因此用自主设计的矩形法兰来替代传统圆形法兰。

5.2 消除集汽环管产生的环流和温升

另外由于蒸发冷却系统集汽环管布置在定子线棒正上方，在机组运行时转子磁场磁力线会切割集汽环管，从而在环管上产生感应电流。环管由16根集汽支管组成，支管与支管采用卡箍接头连接。由于卡箍接头的结构限制，支管与支管极易接触不良，环管上的感应电流会在卡箍接头上产生极高的温度（感应电流大小未测量，但卡箍上温度已超过测温片最高量程127℃），该温度足以使卡箍的密封橡胶熔毁。另外如此高的温度也会对环管内介质产生不良影响。综合上面的因素，故我们对集汽环管采用了一点断开并一点接地的导流方式改造。

在发电机中性点附近的一处集汽管法兰孔内套“T”型绝缘套，加平垫片后穿螺栓把紧，确保螺栓与法兰不直接接触，测两侧法兰之间绝缘电阻≥2MΩ，使集汽环管形成电气断开点。将集汽环管与冷凝器连接的上导流管连接法兰螺栓全部加绝缘套，在断开点对侧180°附近上导流管连接法兰两端加短接铜扁线，形成一点接地。

5.3 定子直流耐压及泄漏电流试验不合格处理

由于蒸发冷却系统机组开机实验定子直流耐压及泄漏电流试验不合格，经检测发现蒸发冷却系统对地绝缘不合格，故将系统中所有法兰密封垫全部更换为聚四氟乙烯加玻璃纤维材质的密封垫，并将集液环管支撑支架上加诺麦克纸以提高系统绝缘。

6 总结

措施实施完毕后，针对蒸发冷却系统稳定性进行了一系列的试验：灌液前进行了整体气密性试验；注入介质后还对定子绕组进行了电气试验，主要包括：绝缘电阻、吸收比和极化指数测试；测量集汽管和集液管绝缘电阻值；对定子绕组进行交流耐压试验，试验结果均满足要求，经过改造后机组已稳定运行累计超过3000h，系统稳定性得到显著的提高（图4）。

图4

大型发电机的关键技术难题就包括定子绕组的冷却问题，所以蒸发冷却效果的好坏直接影响机组运行的出力和温升控制情况，采用蒸发冷却技术的机组难点是绝缘引流管的安装、蒸发冷却系统整体气密性与两相流动的系统稳定性、消除内部环流和温升传热问题于实践中的保证等。

蒸发冷却技术首次应用于700 MW大型水轮发电机组上，难免还存在一些值得改进的地方，以上是对三峡地下电站700 MW水轮发电机蒸发冷却原理的阐述和一些技术问题的探讨。作为一项新兴技术蒸发冷却具有冷却效果好、可靠性更高、维护工作量小等特点；具有广阔前景。如何更好地发挥蒸发冷却的效果提高系统稳定性并掌握其运行规律,有待于

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TM312

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1672-5387（2017）04-0066-04

10.13599/j.cnki.11-5130.2017.04.020

2016-08-01

张涛（1983-），男，高级工程师，从事水电站机械设备技术管理工作。