抽水蓄能机组新型隔声降噪外罩通风设计

刘 政，王 勇，陈泓宇，何 伟，杜芳勉

（1．东方电机有限公司，四川省德阳市 618000；2．南方电网调峰调频发电公司工程建设管理分公司，广东省广州市 510600）

0 引言

随着中国大水电工业的快速发展，大容量、高转速抽水蓄能机组的隔声降噪得到了广泛的关注。同时，人们对抽水蓄能电站的运行和工作的环境也提出了更高的、更加人性化的要求。越来越多抽水蓄能机组在隔声降噪方面进行了更加深入的研究与尝试。

抽水蓄能电站机坑内的噪声，经上盖板与电机端部的外罩传至发电机层。因此，上盖板与外罩是蓄能发电机层隔声降噪的关键部件。在M抽水蓄能电站，除了利用加厚型吸音上盖板与减震器降低发电机层噪声外，还采用了新型的隔声降噪外罩。

这种外罩与常规的开式外罩相比，拥有专门的工艺美学设计，采用相对密闭的结构设计。研究表明，在隔声罩内壁涂刷阻尼材料和粘贴吸声层能够取得较好的降噪效果[1]，因此侧壁还设计有隔声层。其外观质量与隔声降噪效果都比过去传统的水电外罩有了明显的提高，如图1所示。

图1 M抽水蓄能机组新型隔声降噪外罩Figure 1 New type of noise reduction outer housing of pumped storage unit

这种外罩近年来逐渐被广泛接受，其使用范围甚至延伸到常规巨型混流式水轮发电机组。

理论上，完全封闭的隔声罩隔声性能最好，而机组实际需要考虑进气与排风[1]。因此在拥有这些优点的同时，新型隔声降噪外罩也因为其良好的密闭性能，使得其通风冷却需有针对性地设计，以防止内部出现过热现象。

1 新型隔声降噪外罩结构与主要热源

1．1 新型隔声降噪外罩主体结构

M抽水蓄能外罩为圆柱体，高约1.9m，直径约5m，由支架、侧壁、顶盖组成。侧壁内嵌吸音层，并开有进人门。外罩内部安装有集电环碳刷装置及支架、包围式碳粉吸尘装置、照明系统、通风系统等，如图2所示。

图2 新型隔声降噪外罩主体结构Figure 2 Main structure of new noise reduction outer housing

1．2 新型隔声降噪外罩内主要热源

从其功能和结构分析，外罩内主要热源有：

（1）集电环及碳刷，含电气与摩擦损耗；

（2）通风系统风机，含电气损耗。

这里忽略较小的热源：照明、上导油槽传导。

外罩内部主要冷却部位为集电环。碳刷与滑环环面温度在90℃左右，湿度在50%左右，空气清洁度良好的情况下，容易形成氧化膜[2]。当温度超过100 ℃时，接触电阻急剧增加，使原流过此电刷上的电流进行“雪崩”式重新分配[3]。因此，冷却目标为集电环温度：

2 新型隔声降噪外罩通风设计

水轮发电机有其独特的通风系统。根据建立风压的方法，可分为自通风和强迫通风方式[4]。传统的外罩，因为其结构特点，属于开启式自通风系统[5]，由旋转产生风压，通过开启式外罩，自然与外部进行热交换。

而新型隔声降噪外罩，由于其密闭特性，设计一种合理的通风结构，确保外罩内的温升限制，是这种外罩设计的关键点之一[6-8]。同时，还应结合外罩结构和内部设备特点的研究，确定其通风设计。

2．1 新型隔声降噪外罩通风型式

新型隔声降噪外罩的总体通风型式设计为两方面：一是由包围式碳粉吸尘装置形成的内部循环通风；二是由外罩与外部热交换形成的外循环通风，如图3所示。

图3 新型隔声降噪外罩通风型式Figure 3 Ventilation type of new noise reduction outer housing

内循环动力来源于碳粉除尘器的吸尘风机，均匀布置2台，单台风机额定功率1kW；机组工作时，吸尘风机将包围圈内的热空气吸排至外罩内，同时，外罩内的空气通过包围圈的进风口进入到包围圈内，冷却集电环和碳刷。

外循环动力来源于强迫通风风机，均匀布置4台，对称180°处2台风机运行排气，另外2台风机停运自动补气，单台风机额定功率0.18kW。机组工作时，风机将外罩内的热空气排出，并从外部厂房环境补充入冷空气，冷却外罩内环境。风机端部通过消声器与外部厂房环境相连，阻断噪声通向外界的通道。

2．2 新型隔声降噪外罩内通风冷却计算

以M电站新型隔声降噪外罩为例进行通风计算。基本参数如下：

额定转速n；

集电环外径D；

集电环内径D1；

集电环宽度w1；

碳刷截面Ae；

碳刷长度Le；

每级碳刷数Ne；

励磁电流If。

2.2.1 外罩内设备损耗P

（1）电刷损耗P1：主要包括碳刷与集电环接触压降损耗Pd和碳刷与集电环表面摩擦损耗Pv，即：

式中：ΔU——集电环与碳刷间接触压降；

I——通过碳刷的电流；

μ——碳刷与集电环的摩擦系数；

F——碳刷的压强；

S——碳刷总面积；

V——集电环表面圆周速度。

计算得，电刷损耗：P1=6.36 kW。

（2）强迫通风风机损耗P2：单台风机功率0.18kW，2台风机，P2=0.36kW。

（3）吸尘风机损耗P3：单台风机功率1kW，2台风机，P3=2kW。

外罩内设备总损耗：P=P1+P2+P3=8.72kW。

2.2.2 外罩内通风网络计算

采用流体网络仿真软件，对外罩进行通风计算，获得风速、风量、压力的分布，如表1和图4所示。

表1 M蓄能电站外罩通风计算结果Table 1 Outer housing ventilation calculation result

图4 M蓄能电站外罩风速、风压分布Figure 4 Wind speed and pressure distribution of new noise reduction outer housing

2.2.3 外罩内空气温升计算

以通风网络计算为基础，对外罩内的空气、集电环进行温升计算。假设：

（1）厂房环境温度40℃。发电机部件冷却计算时，冷风温度常取40℃。该计算按环境40℃计算（而实际M电站地下厂房环境温度测量约为20℃）。

（2）外罩内外热交换主要通过通风进行。

空气温升计算如表2所示。

表2 M蓄能电站外罩内空气温升计算Table 2 Air temperature rising in outer housing

2.2.4 集电环温升计算

集电环温升计算采用CFD_FLUENT进行，计算模型包括集电环与电刷，如图5所示。

图5 集电环温升计算模型Figure 5 Calculation mode of collector ring

计算中采用的主要边界条件为：

（1）电刷损耗P1=6.36kW；

（2）厂房环境温度40℃；

（3）外罩内空气平均温度为47.48℃。

计算结果如表3所示：

表3 M蓄能电站集电环温升计算结果Table 3 Collector ring temperature rising calculation

温度分布云图如图6所示：

图6 集电环温度分布云图Figure 6 Collector ring temperature distribution map

2.2.5 结果分析

当厂房环境空气温度40℃时，M抽水蓄能机组集电环最高温度为98.9℃，最高温升为58.9K；集电环平均温度83.5℃，平均温升43.5K。

抽水蓄能地下厂房实际温度低于40℃。实测M抽水蓄能电站厂房内温度稳定在20℃左右。如果以实测温度为基准，则集电环温度最高约为78.9 ℃，平均63.5℃。

对M电站2#发电机发电工况实测，开机1h以后，外罩内部温度如表4所示。

表4 M蓄能电站外罩内实测温度Table 4 Measured temperature of outer housing

集电环测量温度与理论推导温度较为接近，碳刷由于结构原因，测量位置是碳刷的侧部，而不是接触面的最高温度，仅作为参考温度。

当前M抽水蓄能电站的隔声降噪外罩工作稳定，温度适当。

2.2.6 注意事项

需要注意的是，外罩外循环风机风路必须保持通畅。因此在风机端部吸音设备设计的时候，要考虑设计通畅的风路。同时，在通路的上端勿采用风阻很大的遮挡物。近期曾有抽水蓄能机组因为风路不够流畅导致外罩内部出现温度过高现象。

在新机组的设计中，可通过发热的总体评估，选取合适的外循环风机。

3 结语

通过新型隔声降噪外罩通风系统的研究，解决了该相对密闭系统内部冷却的难题。当前抽水蓄能电站对于隔声降噪减振等方面的需求逐渐提高，越来越多的地方采用密闭、封堵的方案。该研究对于抽水蓄能电机其他带热源的密闭系统的通风冷却研发，也有着借鉴的意义。