350MW级直接空内冷发电机运行分析

文_史开智 山西国金电力有限公司

1 发电机空内冷技术现状

发电机的空内冷技术近些年在国内得到了广泛应用，而空内冷发电机能够向大容量发展的必要条件是冷却技术的进一步发展。空内冷发电机采用最简单的空气作为冷却介质，结构简单，安装方便，辅助设施少，省去了制氢系统和防爆系统、密封油系统，仅运行简单的水系统，在火电频繁参与启停调峰的时代背景下，更加适用。

山西国金电力有限公司采用山东济南发电设备厂生产的350MW三相交流两极同步空内冷式汽轮发电机。型号：QFa-350-2；额定转速：3000r/min；额定频率：50Hz；额定电压：22kV；额定电流：10806A；励磁方式：机端自并励静止励磁。目前国内60余台300MW级的空内冷发电机经过6年的运行，运行效果和经济性良好。

2 空内冷发电机冷却原理及特点

空内冷发电机冷却系统采用密闭循环水-空气冷却。每台发电机设六组空冷器，安装于发电机座下基础内，风路设计成中心对称的两个风路。冷空气由转子两端轴流式风扇驱动，一部分进入定子，一部分进入转子，冷却定转子后的热空气经空气冷却器冷却后循环重复利用。封闭自通风冷却回路无法做到完全封闭，在高压区域，空气会泄漏至电机外部，在低压区域，空气会被从电机外部吸入。为防止灰尘随空气进入发电机和电刷装置冷却系统，在发电机低压区域轴流风扇之前装有补充空气过滤器，安装于电刷支架进风口处，发电机停运后须检查和清洗过滤器积尘，确保透气。在发电机出口母线小室装有漏水报警装置。

空内冷发电机冷却结构特点：

转子绕组为空内冷，其余为空外冷，由双孔空心转子铜排和副槽辅助通风构成轴向冷却，定子线圈和定子铁芯均采用间接冷却，由铁芯径向通风间隙和焊接机壳构成径向通风、轴向分段冷却风路。

发电机内部主要有三条风路：

第一条，冷空气进入定子端部绕组部分。围绕定子端部绕组四周分布着多孔板引导冷空气，使其沿切线方向均匀流动。端部绕组是由向内的径向气流进入气隙通道来冷却的。冷空气再流入第一个冷却室的冷却风道。在铁芯外部这道冷气流汇入经循环后回流的热空气，然后由发电机轴向风扇排入冷却器。

第二条风路是从第一条风路未进入定子端部绕组之前分离而出的，目的是使未经热交换的冷空气流入转子。冷空气经由空气导向叶片而供给磁场绕组。转子中的空气与气隙中流出的空气混合，经过定子冷却风道径向排出。

第三条风路为发电机中部剩余的定子部分输送冷却空气。冷却风道内的冷空气首先直接沿径向向内部流入。一部分冷空气将最终排入气隙。冷却定子的另一部分冷空气则用来确保充分冷却各定子风室间的过渡区域。在铁芯外部，该气流汇入第二条风路。

转子绕组采用空心导线进行轴向通风直接冷却。冷空气离开风扇后，从护环底部进入转子端部。一部分冷空气吹过端部绕组表面，进入端部空心导线，经转子本体月牙槽离开转子进入气隙。另一部分冷却转子本体绕组，设两路通风，一路冷空气吹过端部绕组表面后，直接进入槽内空心导线中，流经规定长度后，从槽楔上的径向孔流入气隙；另一路冷空气通过绕组下面的副槽进入槽内空心导线，流经规定长度后，从本体中部槽楔上的径向孔流入气隙离开转子。

为增强转子的通风冷却效果，在护环底部转子入口处增加导风涡轮。一是增加压头，提高冷却转子的空气流量；二是切向均流，使得各通风副槽的空气流量均匀。

3 空内冷汽轮发电机经济性

3.1 投资对比（表1）

表1

3.2 安装对比

水氢氢冷发电机较空内冷发电机增加定子水系统的各项安装及检查试验项目，水内冷主引线的绝缘引水管的相关试验，密封油系统的安装与调试。整体看来，空内冷发电机安装简单、快捷。

3.3 运行与维护（表2）

表2

通过以上对比可以看出，空内冷发电机组造价虽高，但水氢氢冷发电机附属设备较多，从长期运行来看，经济效益并不差。空内冷发电机独有的系统简单，维护量少，安全可靠性高，能够节约能源。

除考虑氢气有易爆遗漏的特性外，而水由于具有易于吸氧，对线圈等有腐蚀作用等特性，使得冷却用氢，水介质成为发电机安全运行的重大威胁因素，氢、水介质在发电机内外一旦发生泄漏，后果都很严重，所以空气作为冷却介质更为方便，维护更为简单。

4 空内冷发电机的缺点

根据使用情况看，虽然大型空内冷发电机冷却技术不断更新，效率较以前提高，但同氢冷和水冷发电机的工作效率相比，效率还是比较低。这是因为氢和水的导热和传热性比空气更好，所影响的通风损耗更小。空内冷发电机的全部损耗中，通风损耗占据了三分之一，导致空内冷发电机的工作效率要比同等容量的氢冷发电机低0.1%～0.2%。

空内冷发电机的体积和重量相对氢冷和水冷发电机的要大，空内冷发电机定子和转子的重量约为水氢氢冷发电机的1.7倍。加上转子两端的冷却风扇旋转，发出的噪声要比氢冷和水冷发电机大，因此在使用过程中需要采取有效的措施来降低噪声。

5 结语

随着火电机组运行调峰作用越来越明显，甚至部分机组出现启停调峰，这对发电机运行安全提出了更高的要求，更加体现出空内冷发电机的优势。