水轮发电机碳粉收集系统研究与应用

张金洪，赵益俊

（1．福建福清核电有限公司，福建省福清市 350318；2．重庆华能水电设备制造有限公司，重庆市巴南区 401320）

0 引言

水轮发电机组碳粉堆积问题是影响机组安全、稳定运行的主要影响因素之一。碳粉是因为碳刷和旋转的集电环摩擦产生，从源头上来看，这是不可避免的[7]；目前国内外存在一些碳粉收集的解决方法，包括自泵式碳粉收集方式、敞开式碳粉收集方式、局部式碳粉收集方式等，但是这些方法的实际效果不佳，不能解决碳粉收集的问题。

因此，非常有必要对水轮发电机组碳粉收集的问题进行研究，探讨碳粉收集最有效、可行的方法，保证水轮发电机组碳粉收集系统的效果，为机组安全、稳定运行提供有力保障。

1 国内外碳粉收集系统方法简介

1.1 国外解决方案

目前，国外公司采用的碳粉收集方法是，在每个刷握上单独设置一根或者多根小塑料管，将小塑料管汇集到高压泵上，原理图如图1所示，实物场景图如图2所示。

图1 国外碳粉收集方案原理图Figure 1 Schematic diagram of foreign carbon dust collection scheme

图2 国外碳粉收集方案应用场景图Figure 2 Application scenarios of foreign carbon dust collection schemes

国外的碳粉收集方案存在诸多缺点和不足：

（1）安装比较复杂。

（2）维护不便，刷架和碳刷周围有许多小管子，检修集电环、刷架、刷握等都不太方便。

（3）碳粉吸收效率不高。

（4）吸尘点位于刷握周围，将碳刷和集电环接触的位置包裹起来，不允许直接目视检查电刷，如果碳刷出现打火，巡检人员发现不了，容易造成事故。

国内的机组单机容量普遍比国外大，励磁电流较大，碳刷布置数量也比较多，不太适合采用这种结构类型。

1.2 国内解决方案

1.2.1 自泵式碳粉收集方案

自泵式碳粉收集采用的方法是：在集电环下方的发电机主轴上，安装并固定一套类似于带有离心风扇叶的离心转轮[6]，将从集电环、刷架处掉落下来的碳粉吹到四周的过滤层上，对碳粉进行收集，原理图如图3所示，实物图如图4所示。

图3 自泵式碳粉收集原理图Figure 3 Schematic diagram of self-pumped carbon dust collection

图4 自泵式碳粉收集应用场景图Figure 4 Physical picture of self-pumped carbon dust collection

自泵式碳粉收集方案存在如下缺点和不足：

（1）碳粉颗粒很细，被集电环旋转产生的风吹得四处飘散，不容易直接掉下来，碳粉收集效率不高。

（2）离心转轮将风吹到过滤层上，风容易被反弹回来，将碳粉也反吹出来，不能被较好地收集。

（3）离心转轮直径一般比集电环大，转速较快，巡检集电环和碳刷时有较大的安全风险。

（4）自泵式碳粉收集装置需要加装在主轴上，需要在新机组设计时考虑相关安装接口和结构。而已有的旧机组结构紧凑，没有多余的位置加装，故自泵式碳粉收集也具有较强的使用局限性。

（5）风扇叶轮的扇叶片设计具有方向性，不适合抽水蓄能机组具有顺时针、逆时针两个旋转方向的机组使用。

1.2.2 敞开式碳粉收集方案

敞开式碳粉收集采用的方法是：在集电环和刷架的下方布置一个粉尘收集盘，在粉尘收集盘上圆周开若干个孔，用一台或者多台除尘器的吸尘口从粉尘收集盘上的空洞处，将粉尘吸出并收集，原理图如图5所示，实物图如图6所示。

图5 敞开式碳粉收集方案原理图Figure 5 Open carbon dust collection scheme

图6 敞开式碳粉收集方案应用场景图Figure 6 Physical picture of open type Carbon collection scheme

敞开式碳粉收集方案存在如下缺点和不足：

（1）碳粉颗粒很细，被集电环旋转产生的风吹得四处飘散，不容易直接掉下来。

（2）由于碳粉吸尘的空间比较开阔，未形成较为密闭的环境，只能收集粉尘收集盘上孔洞处的粉尘，其他没有孔洞的位置则不能收集，碳粉收集效率不高。

1.2.3 封闭式碳粉收集方案

（1）封闭式碳粉收集采用的方法是：在集电环外围设置一个集尘罩，集尘罩与集电环可形成一个相对密闭的腔体，使碳粉限制在密闭空间内；在集尘罩上设置多个吸尘口；利用碳粉收集装置将碳粉从集尘罩内吸出后，在碳粉收集装置内处理后进行收集，防止碳粉在绝缘部件上堆积后造成绝缘降低情况的发生，避免碳粉对发电机集电环及机组其他部件的污染，可以保证机组安全、可靠运行。碳粉收集装置运行的同时，可以将集电环与集尘罩之间密闭腔体内的热空气吸出，外部冷空气从集电环与集尘罩的间隙不断进入补充，如此循环可达到降低集电环温度的目的，可以避免集电环、碳刷高温[8]。

（2）封闭式碳粉收集主要由带集尘罩的刷架系统、碳刷及刷握装置、碳粉收集装置、吸尘管路系统、控制系统五大部分组成。

封闭式碳粉收集系统结构布置如图7所示。

图7 封闭式碳粉收集系统结构布置图Figure 7 Structural layout of closed carbon powder collection system

（3）计算封闭式碳粉收集系统内碳粉颗粒轨迹。

式中：Fg——重力，N；

Fext——其他外力，N；

mp——粒子质量，kg；

FD——曳力，N。

式中：τp——粒子松弛时间，s；

v——粒子速度，m/s；

u′——流体速度和湍流扰动速度的矢量和，m/s；

M——壁面修正系数。

式中：I——单位矩阵；

P(n)——壁法向方向的投影；

α——粒子半径与粒子中心到最近壁面的距离的比值。

式中：rp——粒子半径，m；

Lw——从粒子中心到最近壁的距离，m；

u——流体速度，m/s；

uf——扰动速度，m/s。

式中：μ——流体黏度，Pa·s；

CD——曳力系数；

ρP——粒子密度，n/m3；

dP——粒子直径，m；

Rer——相对雷诺数。

选取的边界条件为：粒子从t=0s时刻开始释放，释放间隔0.2s，持续释放1s 。瞬态计算时间步长为0.02s，总计算时间为2s，计算以相对容差10-5作为收敛条件。除黏附边界外，其他壁面均为反弹边界、且黏附边界和反弹边界均是无条件黏附和反弹[1]。湍流扩散模型选择连续随机游走模型，利用仿真有限元模型计算的结果如图8所示。

图8 封闭式碳粉收集装置风速分布图Figure 8 Air speed distribution of closed carbon dust collection device

（4）效果评估。由重庆华能水电设备制造有限公司设计、制造的具有自主知识产权和专利技术的封闭式碳粉收集结构在抽水蓄能机组和常规立式机组上应用，达到比较好的碳粉收集效果，如图9、图10所示分别为仙居抽水蓄能电站、乌东德水电站碳粉收集装置。

图9 仙居抽水蓄能电站碳粉收集装置Figure 9 Carbon dust collection device of Xianju pumped storage

图10 乌东德水电站碳粉收集装置Figure 10 Carbon dust collection device of Wudongde power plant

封闭式碳粉收集可以达到以下效果：

（1）封闭式碳粉收集结构能有效收集碳粉，避免碳粉对发电机集电环及机组的污染，保证机组安全、可靠运行。

（2）能有效降低集电环及碳刷的运行温度。

（3）方便观察、检查集电环运行状况。

（4）可在机组运行时带电检查及更换碳刷[9]。

2 结束语

本文结合目前市场上存在的一些碳粉收集处理方案，根据各个方案的实际运行效果进行分析，对碳粉收集较差的方案的失败原因进行分析、总结，对碳粉收集效果比较好的方案进行重点讨论，有助于各大电站在新装机或改造时，对一些不恰当的或者不合理的方案进行排除，同时选取适合电站自身需求的碳粉收集解决方案。