三峡地下电站水轮发电机冷却方式对比分析

张敬革，钟三平，张晓宇

（三峡水力发电厂运行部，湖北 宜昌 443133）

三峡地下电站水轮发电机冷却方式对比分析

张敬革，钟三平，张晓宇

（三峡水力发电厂运行部，湖北 宜昌 443133）

阐述三峡地下电站水轮发电机3种不同冷却方式的原理及特点，并结合三峡地下电站水轮发电机组近几年运行数据对比分析三峡地下电站3种冷却方式：全空气冷却方式（全空冷）、定子绕组水内冷方式（半水冷）和蒸发冷却方式的优缺点、冷却效果和运行经济性。对大型水轮发电机冷却方式的应用给出了参考意见。

冷却方式；运行综合性能；水轮发电机

1 三峡地下电站概况

三峡地下电站水轮发电机均采用混流式，装机6台，额定装机容量均为700 MW。地下电站发电机定子铁心、转子绕组均采用空气冷却方式。发电机定子绕组冷却方式分为蒸发冷却、纯水冷却、空气冷却3种。机型1采用蒸发冷却方式，即定子绕组蒸发冷却；机型2采用半水内冷方式冷却，即定子绕组、汇流铜排水冷，定子铁心和转子绕组空冷；机型3采用全空冷方式冷却，即定子绕组、定子铁心、汇流铜排和转子绕组均为空冷。地下电站机组冷却方式详见表1。

表1 三峡地下电站水轮发电机相关参数

1.1 蒸发冷却系统

地下电站机型1机组蒸发冷却自循环系统由定子线棒发热体、回液管、总集液环管、总集汽环管、均压排气管以及冷凝器等组成，原理详见图1。每根线棒均构成一个冷却回路，线棒间为单支路并联形式，线棒两端通过密封接头和绝缘引水管分别并联到总集液环管和总集汽环管，机组运行时通过回液管和线棒内介质密度差形成自循环回路。蒸发冷却技术是应用了绝缘性能好、沸点合适的介质HFC4310（二氢十氟戊烷），沸点55℃，替代水作为冷却介质，充入电机定子线棒的空心导线内部，利用高绝缘、低沸点液体沸腾吸收汽化潜热进行冷却的一种自循环冷却系统，其定子绕组采用空心铜线和实心铜线组合，空心铜线用于冷却介质(蒸发用介质)通过。当发电机运行时线棒内液态冷却介质受热而汽化，通过线棒上端集汽管，汽化的冷却介质进入冷凝器液化后又返回线棒下端集液管，液态的介质再次进入线棒内的空心铜线，并再进行新的循环，将电机内部的热量带走进行冷却。此外，在风洞内沿圆周方向布置了介质探测报警器，用于检测介质泄露情况。在风洞外布置了磁翻柱液位计，可以显示定子线棒静态液位。

图l蒸发冷却系统示意图

1.2 纯水冷却系统

地下电站机型2机组纯水系统工作流程：发电机定子线棒出水，经加压泵加压后，通过电动三通控制阀调节（该电磁阀受过滤器后的温度传感器的控制），一部分热水进入水－水热交换器冷却，经冷却的水与热水混合，使纯水的温度满足整定值。然后经过滤过器过滤后，进入发电机进水总环管，流入定子线棒。这里所说的水冷却是指在空心的定子线棒内充满液体冷却介质水，而转子是气体冷却。因水具有较大的质量热容和导热系数且流动性优于气体，冷却效果显著。定子线棒水冷技术的使用，改善了全空冷机组存在的问题。

1.3 发电机空冷系统

地下电站机型3机组在发电机定子机座周围，对称地布置足够数量的水冷式空气冷却器，形成一密闭自循环的空气冷却系统。空气冷却器的冷却管采用铜镍合金材料制成。散热方式采用散热片式。空气的循环通过发电机转子的径向气流作用来实现，气流经转子通风沟、通风隙、气隙、定子铁心和机座导入空气冷却器，通过空气冷却器冷却的气流再返回到转子上下端。

2 地下电站3种机型冷却方式优缺点比较

2.1 蒸发冷却系统的优缺点

蒸发冷却利用液体汽化时的潜热，由于汽化吸热比比热吸热强烈，在同样的热交换条件下它可以比水冷具有更小的热交换面积。利用液相和气液双相的比重差实现无泵自循环。蒸发冷却的集气管压力运行时为0.04 MPa左右，当大于0.06 MPa时自动排气，停机时成负压，减小泄漏的可能性，运行时冷却液的蒸发量会随着热量增大而相应加大，有自调节能力，故电机绕组各部分之间温差较小，故障率较小。蒸发介质不具有导电能力，可以抑制其他电气故障，从根本上消除了水内冷因泄漏而引发大事故的可能性。线棒温度分布均匀，绕组在满负荷时温度约为65℃，在发电机负荷变化时，温升基本不变，大大减少了由于温差大而产生的定子和线棒的摩擦和变形。

由于蒸发冷却介质遇到超过500℃的高温时会分解产生剧毒气体。发电机若采用蒸发冷却技术，定子绕组冷却接头、冷凝器、观测孔、冷却液和冷却液渗漏监测措施等细部设计还需进一步优化。蒸发冷却液循环压力不高，二次冷却水的压力高于冷却液循环压力，若冷却管存在缺陷或二次冷却水中的泥沙磨穿了冷却管，二次冷却水有可能渗入冷却液，需进一步进行蒸发冷却系统各处的密闭性研究。运行维护比空冷稍微复杂，运行维护人员的工作量增加。冷却介质存在冷却液泄漏的可能，由于其密度比空气大，可能造成一些较低洼的地方氧气不足，对运行人员人身安全存在一定的风险，此外，现阶段介质的泄露监测还需进一步研究[1]。

2.2 纯水冷却系统的优缺点

首先，该技术的采用降低了绕组温升，特别是能有效减小绕组线棒温差，使整个发电机定子绕组温度分布均匀，可延长绝缘寿命。由于使用水内冷方式，发电机定子绕组损耗的发散不再需要定子铁心负担，相反，定子铁心自身损耗产生热量流向线棒，从而使铁心温度较之空冷方式有很大幅度的降低，缓解了铁心热膨胀引起的定子机座的径向力，因此发电机铁心与机座温差相对较小，铁心热应力较易控制。其次，该技术的应用大大减小了导体与绝缘之间的热应力，避免了绝缘脱壳和内部电晕。另外，定子绕组内冷后，发电机的电磁负荷可提高，结构尺寸可以减小，制造时耗材较蒸发冷却、空冷发电机少，特别是转子重量的减小，可降低轴承负荷和转子机械应力。

水冷虽然具有许多优点，但由于水垢的产生及空心铜线被水中的氧离子氧化产生的氧化铜和氧化亚铜等沉积，易造成水路堵塞。同时，水接头及各个密封点处由于承受水压漏水的问题将造成短路和漏电危险。因此，发电机的堵和漏成为困扰水冷电机发展的致命弱点。另外在水冷电机的冷却水系统中，水的电导率是一项非常重要且必须控制的参数。为了确保安全，需要泄漏电流尽可能小。特别是在断水的情况下，水的温度将迅速上升，电导率也随之增大，所以各国对水的电导率均有明确的规定[3]。

2.3 空冷冷却系统的优缺点

空气冷却的优点是构造简单、布局简化、无相关辅助设备、备品备件少、维护与管理较少。但是其缺点也明显：定子绕组绝缘内导体的发热量必须经过绝缘外表向空气散热，或者在经过铁心传导后向空气散热的冷却方式，它必然导致导体温升高。此外，空冷电机因为热量及温度分布不均匀，定子线棒温度高，铁心与机座的热应力大，对于负荷变化大，频繁起停的调峰机组，定子线棒在运行的过程中会发生热变形，由于线棒与铁心在长度方向上的热膨胀差别，会造成绝缘与铁心接触面磨损。同时，由于铜导体和外包绝缘的温度热膨胀系数不同易造成的疲劳，引起绝缘脱壳，会造成绝缘老化，按照绝缘温度法则，温度每升高8～10℃，绝缘的寿命就减半，产生内部电晕，破坏绝缘。发生机端部，沿圆周通风及损耗分布不均，造成温升差别大，因此端部也易发生故障[3]。

3 地下电站3种冷却方式冷却效果比较

地下电站机组最近几年都经过了满负荷长时间运行，各种机组定子冷却方式也经过了考验，现将其冷却效果分析（由于定子线棒测点较多，图中随机选取18个测点，每个点数为机组汛期长时间满负荷运行的平均温度）如下[4]：

（1）蒸发冷却系统定子线棒冷却效果详见图2。

图2 机型1定子线棒平均温度

（2）纯水冷却系统定子线棒冷却效果详见图3。

图3 机型2定子线棒平均温度

（3）空气冷却系统定子线棒冷却效果详见图4。

图4 机型3定子线棒平均温度

从图2～4中看出，机型1机组采用的蒸发冷却方式定子线棒温度在65℃左右，机型2机组采用的纯水冷却方式定子线棒温度在59℃左右，采用空冷方式的机型3机组定子线棒温度在78℃左右，从中可以看出纯水冷却效果最佳，蒸发冷却次之，而空冷方式最差且比其他两种冷却方式温度要高出10℃以上，按照绝缘法则，其绝缘寿命将比其余两种机组缩短一半。此外蒸发冷却和纯水冷却方式都是在定子线棒间有液体循环，故温度分布均匀，没有“热点问题”，在机组进行调峰和进相运行时，减小热循环应力和定子绕组的端部温升。

4 地下电站3种机型冷却方式的运行及维护成本比较

因3种冷却方式各有其特点，发电机运行成本等方面也各有不同。现通过对比3种不同水轮发电机冷却方式运行成本及维护成本来对其经济性做一个评价。

4.1 3种机型冷却方式的运行成本比较

现从700 MW水轮发电机冷却系统运行期间损耗量、冷却系统损坏率等方面来对比3种冷却方式的经济性：

（1）发电机蒸发冷却系统运行期间冷却液处于自然循环状态，无需外加动力，因此不存在耗电量。一台蒸发冷却系统冷却液总用量为3.2 t，在不发生泄漏的情况下，每年要求泄漏量不大于5%。蒸发冷却系统运行稳定之后，实际每台发电机冷却液年损耗量应在1%左右，冷却介质泄漏量或补给量：31 kg/年。

（2）700 MW水内冷发电机冷却系统运行期间主要耗电量为纯水泵运行耗电量，按一台纯水泵功率约75 kW，平均每套纯水系统年运行8 000 h计算，每台每年约耗电量60 kW·h[5]。

（3）空冷器是通过转子的风扇作用，产生动力循环，冷却水源取自技术供水，基本不存在运行损耗成本。

（4）地下电站近年来平均运行损耗成本详见表2。

表2 地下电站3种机型冷却方式运行损耗成本

4.2 3种机型冷却方式的维护成本比较

地下电站所有机组自2012年投产以来，通过统计运行时产生的缺陷对比分析3种冷却方式的维护成本：

（1）根据统计地下电站2012～2015年3年的维护情况详见表3。

表3 地下电站3种机型冷却方式近3年来缺陷汇总表

（2）根据最近几年蒸发冷却系统缺陷情况可以看出，其缺陷相比于纯水系统要少，这是因为整个冷却系统基本处于低压甚至无压状态。同时，相关连接管件的结构和工艺大大简化，稳定运行后的蒸发冷却系统基本也处于免维护状态。经过近几年的运行和系统管路连接方式的改进，平时的主要缺陷为介质压力开关误报警、介质监测装置异常等方面，故而其维护成本基本都是人力成本，且在改造完成后近一年相关缺陷可以忽略不计。

（3）纯水系统由于需要加压泵对纯水提供循环动力，其压力一直维持在0.8 MPa左右，故每年纯水系统因损坏而更换的主要部件包括膨胀节、电导率变送器、压力开关、软启动器、电机、纯水泵机封、油封、水封等等，从而造成其维护成本较高。

（4）对于空冷系统，由于其没有辅助设备，因此经统计空冷器的损坏率及维修率相对很低，基本不存在维修成本。

5 结束语

本文结合三峡地下电站近几年运行的情况对定子线棒温度、各种冷却方式的优缺点、运行维护成本的统计分析得知：水内冷发电机组冷却效果最好，但其维护量大，维护成本高，且存在漏水造成短路风险；蒸发冷却发电机组冷却效果比水冷略低，但在运行稳定的情况下，与全空冷发电机相同，基本不存在维护成本，但其存在蒸发冷却介质的密闭性问题及其高温分解特性的危害；全空冷发电机结构简单，运行维护成本低，不存在漏水或漏液等造成的安全风险，但在冷却效果上比蒸发冷却和纯水冷却相对较低，运行时温升较高，阻碍其绝缘使用寿命。

随着水电建设步伐的加快，单机容量随之向巨型迈进，水轮发电机的质量、工作寿命令人关注。经过数年的运行维护经验表明，蒸发冷却技术在大型水轮发电机上的应用是成功的，且其运行综合性能也不比其他常见的冷却方式差，因此具有广阔的应用前景。

[1]Q/CTG31-2015水轮发电机蒸发冷却系统运行规程.

[2]顾国彪，阮 琳，刘斐辉，等.蒸发冷却技术的发展、应用和展望[J].电工技术学报，2015，30（11）:1-6.

[3]倪天军.大型发电机主要冷却方式及特点[J].东方电机，2006(3).

[4]袁达夫,梁波.三峡地下电站水轮发电冷却方式[C]//2013年电气学术交流会议论文集，2013：15-22.

[5]俞立婷.大型水轮发电机冷却方式的经济性比较[J].科技创新与应用,2014(33).

TM312

：B

：1672-5387（2017）03-0047-04

10.13599/j.cnki.11-5130.2017.03.015

2016-08-11

张敬革（1986-），男，工程师，从事水电运行管理工作。