灯泡贯流式机组一、二次冷却水混合利用探索

张 鑫

(四川嘉陵江桐子壕航电开发有限公司，四川 武胜 638400)

灯泡贯流式水轮发电机组具有效率高、体积小、造价低、建设开挖量少等众多优点，是开发低水头水力资源的一种良好机型，被广泛用于低水头电站。

随着制造技术的不断提高与完善，灯泡贯流式水轮发电机组单机容量不断增大，目前世界上单机容量最大的灯泡贯流式机组已经达到75 MW。发电机的绝缘受温度影响很大，随着机组容量的不断增大，发电机的冷却成为一个难以忽视的技术难题。由于灯泡贯流式水轮发电机为卧式布置，且完全淹没在流道中，出于水力设计方面的考虑，其发电机尺寸不能设计得过大，且结构紧凑，这给发电机的冷却带来了不小的困难。

1 大型灯泡贯流式机组常见冷却方式[1-2]

灯泡贯流式水轮发电机组传统的冷却水方式主要有以下两种：

一种是二次冷却水模式，即密闭循环水冷却模式(见图1)。冷却发电机后产生的热空气经空气冷却器传递给循环冷却水，循环冷却水再通过“水-水”冷却器(灯泡贯流式机组锥体冷却套或外置式水冷却器)把热量传递至与之外表面接触的河水带走。该冷却方式因循环水水质良好，在管道内部不会产生堵塞现象。但由于“水-水”冷却器外表面经常被水生物及其他杂物覆盖，且容易结垢，散热效果不佳，特别是环境温度较高时对于大容量机组冷却效果不够理想。

图1 二次冷却水原理图

另一种是一次冷却水模式，即非循环冷却模式(见图2)。在一次冷却水模式下，冷却发电机后产生的热空气由空气冷却器中的冷却水吸收，而该冷却水直接引用河水，将热量带走后直接排入河道，一次性使用。该冷却方式因河水温度较低，冷却效果好，但若水质差则易对设备产生损害。同时，直接引用河水会导致管道内引入大量蚌类水生物，此类水生物极易吸附在管壁上大量繁殖，使较小管径的空气冷却器管路产生堵塞，最终严重影响冷却效果。

图2 一次冷却水原理图

2 桐子壕灯泡贯流式机组冷却水系统改造情况

2.1 工程概况

四川嘉陵江桐子壕航电枢纽位于四川省武胜县境内的嘉陵江干流上，距武胜县城12 km，多年平均气温17.5℃，系径流式低水头电站，电站装有3台单机容量36 MW的灯泡贯流式机组(东方电机有限公司生产)。电站基本参数如下：上游正常蓄水位224.00 m，死水位223.00 m，正常尾水位211.10 m，额定水头10 m，最大水头14.8 m，最小水头4.2 m，加权平均水头11.3 m，多年平均含沙量2.41 kg/m3，过机平均含沙量1.06 kg/m3。

2.2 冷却系统概况

桐子壕电站发电机采用密闭强迫自循环混合式通风系统，冷却水系统原设计为二次冷却水模式(密闭水循环方式)，经空气冷却器热交换后的热水进入锥形冷却套，利用河水将冷却套内的水冷却，再通过水泵加压后注入空气冷却器以构成水冷却循环系统。冷却水系统主要参数如下：设计水温30℃；二次循环水容量4 m3；二次循环水流量230 m3/h。

桐子壕电站3台发电机组自2003年投产以来，定子线圈温度一直处于110～130℃运行。投产初期，为解决定子线圈温度过高的问题，曾尝试将原设计的6台11 kW轴流风机全部更换为22 kW的轴流风机，但未能解决问题。机组定子线圈温度过高大大加快了机组的绝缘老化，减少机组的使用寿命，威胁到机组的运行安全。

2.3 冷却系统改造过程

通过对两种传统冷却方式的利弊分析，最终确定在桐子壕电站2010～2011年年度检修期间，对机组冷却方式进行改造，将传统的各有弊端的两种冷却方式进行优化组合，取长补短，合理切换，既可以有效控制发电机组定子线圈温度在合理范围内，同时最大限度保证了机组冷却系统的安全性、稳定性和可靠性(见图3)。

图3 一、二次冷却水混合利用原理图

经过改造，两种方式的冷却系统共存。二次循环冷却水经冷却水泵加压注入空气冷却器，经空气冷却器热交换后的热水进入锥体冷却套，利用河水将锥体冷却套内的水冷却，再进入冷却水泵加压构成水冷却循环系统；一次冷却水从上游流道直接取水，经冷却水泵加压、滤水器过滤后注入空气冷却器，经空气冷却器热交换后的热水直接排至流道。二者独立运行，可通过阀门进行合理切换。整个冷却水系统中设置有滤水器、水处理器、电磁流量计和压差开关等设备，可分别用于滤除冷却水中较大的杂质，防止管路及设备内壁结垢，监测冷却水流量以及管路堵塞情况。

2.4 改造效果说明

桐子壕电站机组冷却水系统改造后，在使用一次冷却水时，空冷器进、出风温度均有较大幅度下降，进、出水温差也明显增大，显示热交换效率更高(见表1)。

表1 不同冷却方式下空冷器相关温度对比表 ℃

经统计，机组改造后定子线圈温度较改造前约降低15～20℃。图4为改造前后机组满负荷运行时定子线圈最高温度对比(环境温度相近)。可见，此次技改显著降低了机组定子线圈温度。

图4 技改前、后定子最高温度对比图

桐子壕电站机组冷却水系统改造后已经安全稳定运行8年时间。期间，即使在环境温度超过40℃的超高温季节，发电机依然可以维持在较低温度运行；经多年运行，也未出现空冷器堵塞、管路明显磨损等现象。实践证明，此次改造是成功的。

3 一、二次冷却水混合利用的优势及前提

由于我国南方地区大部分河流中均生存有一种名叫淡水壳菜的蚌类水生物，此类水生物由于其繁殖速度惊人，并且吸附在物体表面的牢固程度很高，常常使机组安全运行受到威胁，尤其是在管路系统中，该类水生物的大量繁殖会使冷却系统供水困难，有时迫使机组停机，进行管路的清理工作。根据一些科研单位和电站的研究和实践，已初步摸清有关此类水生物的生长规律，此类水生物依靠自身分泌的足丝牢牢地附生在物体上，形成层层堆叠的群体，它最适宜的生活条件是水流速度不大(如阀门背水侧、管路拐弯处等)和水温在16～25℃的地方，当水温超过32℃时，便不易生存[3]。由于二次冷却水为循环利用，水温将明显高于该类水生物的生存环境温度。通过合理切换，可以直接将一次冷却水中引进的蚌类水生物杀死，使其脱落，防止水生物在管道内大量繁殖，从而有效避免了管道堵塞。

此外，由于一、二次冷却水供水设备及供水对象均为共用，在传统的单一冷却水模式基础上仅需增加取、排水管路，设备布置集中，造价低，施工及运行维护方便。

为达到预期冷却效果，同时维持设备安全稳定运行，需制定相应的运行规程。在实际应用中，两种冷却方式切换的合理性是达到预期目标的最大保障。为此，桐子壕电站在运行规程中作出如下规定：一、二次冷却水系统的启用主要取决于环境温度，当环境温度低于30℃时，使用二次密闭循环冷却水系统；当环境温度长时间高于30℃时，经批准后，切换为一次冷却水系统运行。此外，当洪水来临时，由于水中泥沙含量及漂浮物大幅度增加，同时由于流量较大时水头较低，机组无法满负荷运行，自身发热不高，此时切换为二次冷却水系统运行，避免水质差对设备产生磨损。

4 结 语

目前国内大中型贯流式水轮发电机组普遍存在发电机温度过高(二次冷却水)、冷却水系统管网水生物堵塞及设备磨损严重(一次冷却水)等情况。针对以上这些问题，大多数机组利用机组年度检修时进行清理等方法来改善，但是此法耗时耗力。若机组正常运行过程中因这些问题导致机组被迫降低负荷或停机，更将造成巨大的经济损失。为解决现有技术的上述缺点，就急需一种冷却效果好、可靠性高，并能有效克服上述不足的冷却方式。

该技术方案能很好地克服传统冷却方式的不足，且安装维护方便、造价低廉，便于在行业内推广。目前，由桐子壕电站冷却水系统技改为基础延伸的灯泡贯流式水轮发电机组一、二次冷却水混合利用系统已获国家发明专利授权(专利号：ZL 2012 1 0190443.2)，有望为行业中普遍存在的灯泡贯流式水轮发电机组冷却效果不佳的问题提供一个普遍性的解决方案。