一种贯流式水轮机新型冷却方式的应用

刘 伟

(四川明星电力股份有限公司，四川？遂宁？629000)

1 概 述

发电机的冷却方式主要考虑冷却介质、通风路径、循环方式等。由于灯泡贯流式水轮发电机呈卧式浸没于水中，周围介质是水，因此该类型的发电机组冷却难度要大于立式水轮发电机组。目前，国内灯泡贯流式发电机通常采用的冷却方式有以下几种：

1.1 空气冷却器冷却方式

该冷却方式又称为一次冷却。发电机由循环空气介质冷却，是利用空气冷却器冷却发电机运行时产生的全部热量，将冷却后的空气由风机打入发电机进行下一循环冷却；空冷器的冷却水采用的是经过过滤后的河水，再经过空冷器热交换后直接排至下游。

1.2 空气冷却器——冷却套冷却方式

该冷却方式又称二次冷却。运行中的发电机热风通过空冷器内的冷却水进行对流换热冷却，空冷器中的介质吸收热量后通过水泵注入冷却套(散热隔腔)，再由流道中的河水通过冷却套的外壁进行换热，带走空冷器介质吸收的部分热量，从而完成冷却系统的二次冷却过程。

2 机组冷却方式及状况

过军渡水电站位于四川省遂宁市龙凤场涪江干流河段，为灯泡贯流式机组。针对其水轮发电机的冷却，主要分为定子、转子的冷却及轴承瓦的冷却，详见图1。

图1 机组原有的闭式循环冷却系统图

2.1 定子、转子的冷却

冷却方式为常压、强迫通风闭路循环，水—水二次冷却。该通风冷却系统主要由2个空冷器、6台风机、2套互为备用的循环水泵、导风板、挡风板等组成，通风方式为径向磁轭通风。通风的循环路径为：由风机打入的冷风一小部分从上游侧间隙进定、转子冷却上游侧线圈端部；一小部分通过转子支架到下游侧，冷却下游侧端部线圈和铁心；大部分的冷却风通过磁轭通风隙进入极间冷却磁极后，进入定子通风沟冷却定子线圈和铁心；冷却定、转子后的热风沿机座通风孔进入空冷器冷却，然后再由风机打入定、转子循环。

6台风机在开机时投入，停机时延时停止，该空冷器的冷却水来自发电机冷却锥内的循环水，冷却水的循环路径为：水泵→空冷器(油冷器)→冷却锥→水泵。

2.2 轴承润滑油的冷却

油系统是水电站的重要组成部分，是保证系统正常运行，安全生产的主要装置之一。该机组正常运行时轴承由外部供油润滑冷却，采用强迫循环冷却方式，润滑油通过高位油箱产生的压差流入。润滑油的循环路线为：高位油箱→导轴承(水导、发导)和正、反向推力轴承→回油箱→油泵→油冷却器→高位油箱。

为保证轴承供油可靠，设有2台轴承供油螺杆泵，1台油泵连续工作，另一台油泵处于备用状态。润滑油经油泵、滤油器、油冷却器冷却后至轴承高位油箱，油冷却器的冷却水来自发电机冷却锥内的循环水。

3 目前冷却方式存在的问题

3.1 定子、转子冷却现状

机组长时间运行时，随着冷却锥冷却效果变差(冷却锥外表面附有水生物、泥垢等使冷却效果逐渐变差)，循环水温度会升高，从而影响定子及转子的冷却效果。

有记录显示，该机组在夏季高温高负荷运行时，线圈及铁心温度最高超过110 ℃，达到113.7 ℃，一般都在109 ℃左右；而机组正常运行情况下，定子及转子温度应维持在60～100 ℃之间。

高温运行对机组定子及转子的绝缘存在较严重的影响，使用寿命会大大缩短。运行温度越高，其绝缘材料的寿命越短，绝缘材料寿命随温度按指数函数下降；通常情况下，每当温度增高8 ℃，绝缘寿命缩短一半，可见温度对绝缘寿命影响很大。目前冷却方式无法有效降低定子及转子的温度。

3.2 轴承瓦冷却现状

机组长时间运行时，轴承润滑油的温度逐渐升高，对机组瓦温冷却效果变差；油随着温度升高，润滑效果变差；油随着温度升高黏度变小，使油泵出力变差，需2台油泵不断地同时运行才能满足高位油箱油量的要求。随着油温升高，影响到循环水，时间越长，循环水的温度会升高。

目前，电站轴承温度最高达到61～63 ℃(轴承额定运行最高允许温度：推力轴承为70 ℃，发导轴承70 ℃，水导轴承65 ℃)。因发导温度传感器的安装位置不佳，往往传感器所测得的温度值较实际发导温度偏低。

4 新型冷却方式的应用

为使机组在安全工况下长时间稳定运行，针对冷却方式做了一些新的尝试：

这两套散热器均使用前池河水作为冷却水源，利用河水与循环水的温差将循环油、水中的部分热量充分换热。由于冷却水源是前池和尾水之间的高低压差形成近0.13 MPa水压而自流，带走的热量直接排掉而未重新进入循环；因此这种新式机组冷却系统在冷却效果和节能效果方面相比原冷却系统有较明显的优势。另外，增加的散热器与原系统既可同时运行，也可单独运行，极大地提高了设备切换的灵活性，详见图2。

图2 新式冷却系统的原理图

4.1 新冷却方式的效果

对新冷却方式应用前后机组各项运行数据进行对比(该数据截取为夏季高温高负荷某一天内最高温度)。

水冷却器投入前，1号机与2号机各项运行参数最高温度对比如表1所示。

表1 近3年夏季机组运行参数表 ℃

水冷却器(阀门开50%)投入后，1号机与2号机各项运行参数最高温度对比如表2所示。

表2 2023年夏季机组运行参数表 ℃

根据统计(上表只是其中一部分)可得出结论：1号机在安装投入水冷却器之后，瓦温有明显降幅(平均有3℃降幅)，线圈与铁心能达到10 ℃降幅；2号机组投入油冷却器后瓦温分别降低约1～2 ℃。在做试验时将1台机组油冷却器冷却水加大，油温、瓦温下降明显。

4.2 新冷却方式的安全、经济效益

油温降低使润滑油油质不易恶化，延长了使用年限；瓦温降低使机组安全运行得以保障，为机组持续稳定高效运行提供了支撑；定子及转子温度的降低，延长了机组使用寿命，本质安全得以保证，安全性能得以提高。

5 运用及思考

新冷却方式投运以来，整体效果较好，但也存在一些问题：一是当油冷却器水量增加时，油温下降较大，影响油泵的出力，可能使备用泵不时启动，所以需调节冷却器的水量。二是当油冷却器、水冷却器都投入时水量不够，存在“抢水”现象，水冷却器的功能不能完全发挥。三是按当初设想在水冷却器完全发挥其功能时，定子及转子的温度将下降较大，此时可将冷却风机退出或退出一部分，这样既达到冷却效果，又能节约厂用电。

为了更好地达到冷却器的冷却效果，后期将采用供水侧分离、共用出水管方式，这样使油冷却器、水冷却器用水独立，油冷却器不再出现抢水；同时水冷却器的冷却效果将大大提升。随着冷却器效果的提升，可将机组空冷器6台风机分为2组或3组运行，在冬季环境温度较低时，运行一组或不用即能达到安全运行要求；在夏季高温高负荷时针对定、转子或瓦温也可选择性地投入风机；这样就避免了风机的长时间运行，延长了风机的使用寿命，在节约人力检修成本的同时又大大节约了厂用电损耗。