直流励磁机碳粉收集装置设计与应用

2022-03-14刁国峰岳文亭苟小军张建峰

机械研究与应用 2022年1期

刁国峰，岳文亭，苟小军，张建峰

(国网甘肃刘家峡水电站，甘肃永靖 731600)

0 引言

刘家峡水电站工程于1958年9月27日正式动工兴建，第1台机组于1969年3月29日并网发电，1974年12月5台机组全部安装完毕并投产发电。在西北电力系统中处于十分重要的地位。至今，刘家峡电站已经稳定运行了50余载，近年来，电站内发电机碳粉堆积问题日益严重，已经逐步威胁到电站的稳定运行[1]。

刘家峡水电厂发电机采用老式直流励磁机，机内未装设碳粉收集装置，发电机机组运行时碳粉飘逸和堆积情况严重，碳粉飘逸会污染电厂内空气；碳粉堆积会导致集电环温度较高和降低电气设备绝缘性能等问题，机组发电效率及安全性下降。笔者主要针对励磁机内碳粉堆积过多，影响发电安全和效率一题展开研究，通过加装碳粉收集装置解决碳粉堆积问题，提高水力发电机安全性和发电效率。

1 励磁系统的作用及碳粉堆积问题

供给水轮发电机励磁电流的电源及其附属设备统称为励磁系统，励磁系统的核心为直流励磁机，直流励磁机主要由功率单元和调节器(装置)两大部分组成，其中励磁功率单元是指为同步发电机转子绕组提供直流励磁电流的励磁电源部分，而励磁调节器则是根据控制要求的输入信号和给定的调节准则控制励磁功率单元输出的装置。由励磁调节器、励磁功率单元和发电机本身一起组成的整个系统称为励磁系统控制系统。励磁系统是发电机的重要组成部份，它对电力系统及发电机本身的安全稳定运行有很大的影响。

励磁系统的主要作用有根据发电机负荷的变化相应的调节励磁电流，以维持机端电压为给定值，控制并列运行发电机间无功功率分配，在发电机内部出现故障时，进行灭磁，以减小故障损失程度，根据运行要求对发电机实行最大励磁限制及最小励磁限制。

机组运行过程中，集电环与碳刷摩擦，产生的大量碳粉会污染集电环相关部件，导致励磁机设备的绝缘部件绝缘性能降低、零点接地和碳刷高温等严重安全隐患[2]。碳粉堆积情况如图1所示。

2 碳粉收集装置设计与应用

2.1 设计理念

根据刘家峡发电机外罩的结构，设计碳粉收集装置。碳粉收集装置通过管路对外罩内部碳粉进行抽取后再进行过滤。既可以收集机组运行时产生的碳粉，又由于内部热空气的抽离，外部冷空气的补充，达到通风降温的目的[3]。碳粉收集装置设计图如图2所示。

2.2 设计分析与计算

碳粉收集装置主要由吸风口、环管和除尘器三部分组成。

2.2.1 吸风口

(1) 吸风口的面积大小由碳粉飘逸轨迹决定，为分析碳粉颗粒的运动轨迹，需要建立粉尘颗粒的运动方程[4]。考虑电场力、黏性阻力以及重力三种主要的颗粒受力。笛卡尔坐标系下颗粒动量方程见式(1)：

(1)

式中：mp为碳粉粒子质量，kg；uj表示颗粒物在j方向的速度(j代表x,y方向)，m/s。

空气动力学拖曳力：

up)|ug-up|

式中：CD为气体-颗粒阻力系数；dp为颗粒直径。

利用 FLUENT 计算风压除尘器内湍流场，采用SIMPLE 算法对控制容积进行数值求解。采用有限容积法离散化耦合求解电势泊松方程和电流连续性方程，可得到粒子荷电密度和电场分布。认为空气是连续相，采用 Euler 方法对流场进行数值计算;认为粉尘颗粒是离散相，采用 Lagrange 颗粒轨迹法对颗粒运动进行追踪。选用分离式求解依次求解流场、颗粒动力场以及电场的各个方程，经过多次迭代可得到收敛解。

多次求解后取平均值，选取横截面积为170 mm×300 mm的吸风口可以完成集尘工作。

(2) 通过测量机罩周径，在保证机罩完整性和安全性的前提下，最终设计14个吸风口，全方位收集由滑环室飘逸而出的碳粉，吸风头与机罩接触面设计为7.3°的弧面，紧密贴合机罩，在接触面还设计有与吸风头等大的橡胶垫，加强切口的密封性，防止碳粉逸出，加强吸尘效果[5]。吸风口设计图如图3所示。

2.2.2 环管

环管起连接吸风口和除尘器的作用，其主要由碳钢钢管和橡胶软管组成，碳钢钢管保证管路的可靠性，在连接部位使用橡胶软管连接，可以使整个连接管路的位置更灵活多变，两种管道的内壁作光滑处理，避免收集的碳粉堵塞管道。环管设计图如图4所示。