蒸發(fā)冷卻技術(shù)在李家峽水電站水輪發(fā)電機(jī)組的應(yīng)用

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摘要：主要從設(shè)計(jì)、制造、安裝、試驗(yàn)等一系列重要環(huán)節(jié)進(jìn)行分析，論證了李家峽水電站大型水輪發(fā)電機(jī)組在保留原有空冷基礎(chǔ)，保持機(jī)組基本結(jié)構(gòu)尺寸不變的情況下，初次在400MW水輪發(fā)電機(jī)組中進(jìn)行蒸發(fā)冷卻技術(shù)的可行性，并結(jié)合李家峽4＃機(jī)組近兩年的運(yùn)行情況，對(duì)蒸發(fā)冷卻技術(shù)在水電站大型機(jī)組的設(shè)計(jì)與應(yīng)用方面提出了一些設(shè)想。

　　關(guān)鍵詞：水電站 機(jī)組 蒸發(fā)冷卻 設(shè)計(jì) 應(yīng)用

　　1、水輪發(fā)電機(jī)冷卻技術(shù)的發(fā)展

　　水輪發(fā)電機(jī)的冷卻方式有全空冷、定子水內(nèi)冷、轉(zhuǎn)子空冷、以及定轉(zhuǎn)子水冷等方式。全空冷的水輪發(fā)電機(jī)具有結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)簡(jiǎn)單、運(yùn)行維護(hù)簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)，向大型化發(fā)展時(shí)，電負(fù)荷大造成溫升高而影響絕緣壽命，限制了制造容量的提高?？諝饫鋮s的特點(diǎn)是定子繞組絕緣內(nèi)導(dǎo)體的發(fā)熱量必須經(jīng)過(guò)絕緣外表向空氣散熱，或者再經(jīng)過(guò)鐵芯傳導(dǎo)后向空氣散熱的冷卻方式它必然導(dǎo)致導(dǎo)體溫升高。當(dāng)機(jī)組立體性尺寸增大，繞組的高溫升還會(huì)引起定子鐵芯的熱變形，以及過(guò)大的熱應(yīng)力。電機(jī)起停過(guò)程時(shí)的冷熱循環(huán)造成繞組伸縮而使絕緣疲勞脫殼，以及與定子槽的相對(duì)滑動(dòng)等，這已經(jīng)成為大型發(fā)電機(jī)的重要問(wèn)題而影響電機(jī)的可靠性。此外，轉(zhuǎn)子重量大，機(jī)械應(yīng)力、以及軸承載負(fù)大等均增加了制造的難度。水內(nèi)冷技術(shù)雖然突破了上述的限制，但又帶來(lái)了下列問(wèn)題，①水的泵循環(huán)及水的去離子凈化系統(tǒng)；②水的凈化不夠時(shí)的結(jié)垢以及氧化物的堵塞問(wèn)題；③水一旦泄漏會(huì)引發(fā)絕緣故障。蒸發(fā)冷卻技術(shù)正是為了繼承冷的優(yōu)點(diǎn)而克服它的缺點(diǎn)，不斷在穩(wěn)步發(fā)展。在10MW和50MW水輪發(fā)電機(jī)工業(yè)機(jī)組研制成功和長(zhǎng)期可靠運(yùn)行的基礎(chǔ)上，將李家峽4＃機(jī)組定子繞組由空冷改為蒸發(fā)冷卻，一方面可以改善原來(lái)機(jī)組的性能，另一方面可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)為更大型的機(jī)組取得研制與運(yùn)行的經(jīng)驗(yàn)。

　　2、4＃水輪發(fā)電機(jī)組蒸發(fā)冷卻的設(shè)計(jì)

　　2.1設(shè)計(jì)原則

　　李家峽4＃機(jī)組是在3臺(tái)空冷機(jī)組已經(jīng)投產(chǎn)，且本機(jī)組肘管部分安裝已經(jīng)完成的情況下才改用蒸發(fā)冷卻的。因?yàn)槔罴覎{水電站為雙排機(jī)布置，改變冷卻形式對(duì)結(jié)構(gòu)改變的工程量較大，所以在改用蒸發(fā)冷卻時(shí)要求4＃機(jī)的發(fā)電機(jī)總體結(jié)構(gòu)布置、控制尺寸和定、轉(zhuǎn)子高程不變，且盡可能與已投運(yùn)的三臺(tái)空冷機(jī)組保持一致。即采取優(yōu)化發(fā)電機(jī)定子槽數(shù)定子空燉實(shí)心導(dǎo)線的線規(guī)及空燉實(shí)比選擇，兼顧考慮蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)正常工作和萬(wàn)一系統(tǒng)出現(xiàn)故障退出電機(jī)處在全空冷狀態(tài)運(yùn)行下可能的最大出力、定子線棒截面電流密度的優(yōu)選，從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造工藝、安裝維護(hù)等多方面對(duì)氣、電接頭的結(jié)構(gòu)做深入的研究。

　　蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究是蒸發(fā)冷卻技術(shù)具體實(shí)施的結(jié)構(gòu)化，它主要包括發(fā)電機(jī)電磁方案的優(yōu)化和定子線棒、密封接頭、氟塑料引管、集氣管、集液管、冷凝器、連接管、均壓管、排氣閥和排液閥等結(jié)構(gòu)部件的優(yōu)化設(shè)計(jì)。蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)的可靠性是蒸發(fā)冷卻發(fā)電機(jī)研制成功的關(guān)鍵。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)盡可能考慮簡(jiǎn)便可靠的結(jié)構(gòu)和優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)；盡可能減少可能的事故點(diǎn)；盡可能減少蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)工地的現(xiàn)場(chǎng)焊接。

　　2.2發(fā)電機(jī)電磁方案的優(yōu)化

　　發(fā)電機(jī)電磁設(shè)計(jì)直接影響蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)的實(shí)施，影響該系統(tǒng)的工藝性、制造難度等。發(fā)電機(jī)原設(shè)計(jì)每層576槽，分上、下兩層，由于槽數(shù)太多，線棒間空間太小，改為空心線棒后，無(wú)法滿足施工要求，因此，提出396槽（上、下兩層）方案，該方案是保持轉(zhuǎn)子基本不變；上、下機(jī)架完全與原空冷方案相同的定子蒸發(fā)冷卻方案。這樣，既保留了原發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)相同性，電站標(biāo)高的一致性。又有效地減少了發(fā)電機(jī)定子槽數(shù)，使之完全能適應(yīng)內(nèi)冷發(fā)電機(jī)生產(chǎn)制造要求。

　　2.3定子繞組密封接頭的設(shè)計(jì)

　　對(duì)于蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)，密封接頭是關(guān)鍵部件之一，李家峽采用空心導(dǎo)線抽出與密封接頭焊接的結(jié)構(gòu)?？紤]密封的可靠性，密封接頭與氟塑料管的連接采用卡套結(jié)構(gòu)，該卡套在制造前，進(jìn)行了嚴(yán)格的模擬泄漏試驗(yàn)，以保證其密封性能良好。

　　2.4排氣管的布置

　　為使蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)的安全運(yùn)行，排氣管必須暢通可靠，選取兩個(gè)對(duì)稱布置的排氣管，并在布置上使排氣管內(nèi)高外低，以免冷卻介質(zhì)在管內(nèi)冷凝堵塞排氣管。

　　2.5通風(fēng)系統(tǒng)的優(yōu)化

　　由于蒸發(fā)冷卻介質(zhì)帶走了定子繞組損耗，需要空冷帶走的損耗大副降低，經(jīng)分析計(jì)算，所需的風(fēng)量為137m³/s，又因高原空氣稀薄的因素，所需風(fēng)量為170m³/s，而原空冷風(fēng)量均為270m³/s，在保持原結(jié)構(gòu)不變的情況下將風(fēng)量減少到適量的數(shù)量。

　　2.6冷卻介質(zhì)

　　蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)的冷卻介質(zhì)為氟里昂R／113.它有良好的絕緣性能和防火滅弧性能，不含水時(shí)無(wú)腐蝕性，在大氣壓時(shí)的沸點(diǎn)為47.3℃，當(dāng)電機(jī)冷卻系統(tǒng)運(yùn)行在70℃以下時(shí)，壓力在0～0.02MPa表壓力，實(shí)際上一種無(wú)壓密封系統(tǒng)運(yùn)行狀況，便于制造安裝且具有較高可靠性。

　　該電機(jī)共有792（原設(shè)計(jì)為1152根）根線棒，每根線棒一條氣支路，分為上、下兩個(gè)接口，下接口為進(jìn)液口，通過(guò)絕緣引管與集液管相連；上接口為出氣口，通過(guò)絕緣引管與集氣管相連。集氣管與集液管間通過(guò)冷凝器相連接，形成一個(gè)閉合的循環(huán)管路。定子線棒分為上、下兩層，集氣管與集液管也分為內(nèi)外兩圈，分別與上下層線棒相連。    3蒸發(fā)冷卻機(jī)組的定子下線

　　3.1線棒下線前的準(zhǔn)備工作

　　李家峽4＃機(jī)定子下線屬國(guó)家公關(guān)項(xiàng)目，安裝人員必需嚴(yán)格按照有關(guān)圖紙、規(guī)程、規(guī)范去完成。在蒸發(fā)冷卻發(fā)電機(jī)中，疊片工藝和空冷發(fā)電機(jī)是一樣的，在下線前，除對(duì)線棒要進(jìn)行表面檢查、測(cè)冷態(tài)時(shí)絕緣電阻值、交流耐壓試驗(yàn)及起暈電壓試驗(yàn)外，還要進(jìn)行氣密試驗(yàn)，氣源為壓縮氮?dú)?，壓力?MPa，保壓時(shí)間為3min，不得泄露，從另一端放氣，以驗(yàn)證單根線棒的流通性。

　　3.2下線工藝及耐壓試驗(yàn)

　　下線工藝及耐壓試驗(yàn)和普通線棒是一樣的。

　　3.3氣管路的安裝

　　裝上集氣管及下集液管、連聚四氟乙烯管，先用臨時(shí)支撐裝兩節(jié)1/12上層集氣管（外環(huán)）將一節(jié)集氣管出口臨時(shí)用法蘭封堵，另一節(jié)集氣管出口用帶有檢漏嘴的法蘭封堵。裝1/6下層集液管（外環(huán)）及回液口，用臨時(shí)支撐固定，并將兩頭臨時(shí)焊接封堵。裝以上兩節(jié)管時(shí)，在圓周方向上應(yīng)錯(cuò)開(kāi)9根線棒，以便于連上聚四氟乙烯管后通過(guò)對(duì)應(yīng)的下層線棒成一個(gè)比較密閉的系統(tǒng)，從而減少封堵，便于檢漏。拆掉線棒接頭處的堵頭，將一端塑料管加熱至150℃左右，加熱時(shí)間為1min，使管子軟化后迅速套在接頭上。套上卡套，至此一根管子的組裝結(jié)束，采用壓縮空氣進(jìn)行檢漏，氣壓為0.4MPa，120min無(wú)泄漏（使用洗滌劑檢查，并用超聲波檢漏儀配合）。還充入氮?dú)夂瓦m量的SF6，壓力為0.3MPa，壓4h無(wú)泄漏（使用激光檢漏裝置定向巡回檢測(cè)和鹵素檢漏儀定點(diǎn)檢測(cè)）。如接頭泄漏，應(yīng)重新安裝。這樣的方法安裝所有管路。用CO2氣體保護(hù)罩進(jìn)行不銹鋼焊接，整個(gè)蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)安裝完后，系統(tǒng)氣密試驗(yàn)，充入干燥氮?dú)夂瓦m量的SF6，壓力為0.25MPa，進(jìn)行最后一次巡檢，（使用激光檢漏裝置定向巡回檢測(cè)和鹵素檢漏儀定點(diǎn)檢測(cè)），確認(rèn)無(wú)泄漏后，在起始?jí)毫?.25MPa下保壓72h表計(jì)壓降不得大于3％，完全達(dá)到要求。

　　3.4氟里昂灌注

　　打開(kāi)冷凝器放氣閥，用干凈的耐壓輸液管將定子下環(huán)管放液閥與氟里昂桶連接，打開(kāi)氟里昂瓶閥，調(diào)整減壓閥使進(jìn)入儲(chǔ)液筒的氮?dú)鈮毫?.02～0.05MPa，此時(shí)，氟里昂氣體流入冷卻系統(tǒng)。監(jiān)視液位，當(dāng)灌至從下環(huán)管算起約4.4m時(shí)，關(guān)閉放液閥。

　　4蒸發(fā)冷卻機(jī)組的運(yùn)行試驗(yàn)

　　李家峽400MW蒸發(fā)冷卻水輪發(fā)電機(jī)組于1999年12月10日正式投入了商業(yè)運(yùn)行。截止2000年11月底，4＃機(jī)已累計(jì)運(yùn)行5643.2h，發(fā)電量132241.89萬(wàn)kW·h，最大輸出負(fù)荷為380MW（液位：2.32m，壓力：0.05MPa，定子線圈最高溫度：58℃），一般所帶負(fù)荷為100～330MW，所測(cè)繞組溫度在50～58℃范圍內(nèi)，壓力變化范圍為0.02～0.06MPa，均符合設(shè)計(jì)值。

　　李家峽4＃機(jī)組在發(fā)電初期曾出現(xiàn)一次系統(tǒng)泄漏，在1999年12月23日運(yùn)行人員發(fā)現(xiàn)液位明顯下降，邊運(yùn)行邊判斷，正常停機(jī)后充氮?dú)鈾z查，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)上環(huán)管一個(gè)法蘭螺釘松動(dòng)導(dǎo)致漏氣，經(jīng)處理重新加液后，運(yùn)行正常。從2000年1月3日以后，系統(tǒng)可靠、密封良好，狀態(tài)穩(wěn)定溫升低，機(jī)組運(yùn)行良好。

　　5結(jié)論

　?、僬舭l(fā)冷卻應(yīng)用于大型水輪機(jī)組不僅在技術(shù)上是可行的，而且效果是顯著的。

　　②蒸發(fā)冷卻作為一種新技術(shù)用于大型發(fā)電機(jī)組還有許多課題值得研究和探索。