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

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

　　關(guān)鍵詞：水電站 機組 蒸發(fā)冷卻 設(shè)計 應(yīng)用

　　1、水輪發(fā)電機冷卻技術(shù)的發(fā)展

　　水輪發(fā)電機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)電機具有結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)簡單、運行維護簡便等優(yōu)點，向大型化發(fā)展時，電負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的特點是定子繞組絕緣內(nèi)導(dǎo)體的發(fā)熱量必須經(jīng)過絕緣外表向空氣散熱，或者再經(jīng)過鐵芯傳導(dǎo)后向空氣散熱的冷卻方式它必然導(dǎo)致導(dǎo)體溫升高。當機組立體性尺寸增大，繞組的高溫升還會引起定子鐵芯的熱變形，以及過大的熱應(yīng)力。電機起停過程時的冷熱循環(huán)造成繞組伸縮而使絕緣疲勞脫殼，以及與定子槽的相對滑動等，這已經(jīng)成為大型發(fā)電機的重要問題而影響電機的可靠性。此外，轉(zhuǎn)子重量大，機械應(yīng)力、以及軸承載負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，但又帶來了下列問題，①水的泵循環(huán)及水的去離子凈化系統(tǒng)；②水的凈化不夠時的結(jié)垢以及氧化物的堵塞問題；③水一旦泄漏會引發(fā)絕緣故障。蒸發(fā)冷卻技術(shù)正是為了繼承冷的優(yōu)點而克服它的缺點，不斷在穩(wěn)步發(fā)展。在10MW和50MW水輪發(fā)電機工業(yè)機組研制成功和長期可靠運行的基礎(chǔ)上，將李家峽4＃機組定子繞組由空冷改為蒸發(fā)冷卻，一方面可以改善原來機組的性能，另一方面可以通過實驗為更大型的機組取得研制與運行的經(jīng)驗。

　　2、4＃水輪發(fā)電機組蒸發(fā)冷卻的設(shè)計

　　2.1設(shè)計原則

　　李家峽4＃機組是在3臺空冷機組已經(jīng)投產(chǎn)，且本機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。因為李家峽水電站為雙排機布置，改變冷卻形式對結(jié)構(gòu)改變的工程量較大，所以在改用蒸發(fā)冷卻時要求4＃機的發(fā)電機總體結(jié)構(gòu)布置、控制尺寸和定、轉(zhuǎn)子高程不變，且盡可能與已投運的三臺空冷機組保持一致。即采取優(yōu)化發(fā)電機定子槽數(shù)定子空燉實心導(dǎo)線的線規(guī)及空燉實比選擇，兼顧考慮蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)正常工作和萬一系統(tǒng)出現(xiàn)故障退出電機處在全空冷狀態(tài)運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、制造工藝、安裝維護等多方面對氣、電接頭的結(jié)構(gòu)做深入的研究。

　　蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)設(shè)計與研究是蒸發(fā)冷卻技術(shù)具體實施的結(jié)構(gòu)化，它主要包括發(fā)電機電磁方案的優(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。蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)的可靠性是蒸發(fā)冷卻發(fā)電機研制成功的關(guān)鍵。因此，在設(shè)計時盡可能考慮簡便可靠的結(jié)構(gòu)和優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計；盡可能減少可能的事故點；盡可能減少蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)工地的現(xiàn)場焊接。

　　2.2發(fā)電機電磁方案的優(yōu)化

　　發(fā)電機電磁設(shè)計直接影響蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)的實施，影響該系統(tǒng)的工藝性、制造難度等。發(fā)電機原設(shè)計每層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)電機結(jié)構(gòu)相同性，電站標高的一致性。又有效地減少了發(fā)電機定子槽數(shù)，使之完全能適應(yīng)內(nèi)冷發(fā)電機生產(chǎn)制造要求。

　　2.3定子繞組密封接頭的設(shè)計

　　對于蒸發(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)。考慮密封的可靠性，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，進行了嚴格的模擬泄漏試驗，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)的安全運行，排氣管必須暢通可靠，選取兩個對稱布置的排氣管，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，不含水時無腐蝕性，在大氣壓時的沸點為47.3℃，當電機冷卻系統(tǒng)運行在70℃以下時，壓力在0～0.02MPa表壓力，實際上一種無壓密封系統(tǒng)運行狀況，便于制造安裝且具有較高可靠性。

　　該電機共有792（原設(shè)計為1152根）根線棒，每根線棒一條氣支路，分為上、下兩個接口，下接口為進液口，通過絕緣引管與集液管相連；上接口為出氣口，通過絕緣引管與集氣管相連。集氣管與集液管間通過冷凝器相連接，形成一個閉合的循環(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)冷卻機組的定子下線

　　3.1線棒下線前的準備工作

　　李家峽4＃機定子下線屬國家公關(guān)項目，安裝人員必需嚴格按照有關(guān)圖紙、規(guī)程、規(guī)范去完成。在蒸發(fā)冷卻發(fā)電機中，疊片工藝和空冷發(fā)電機是一樣的，在下線前，除對線棒要進行表面檢查、測冷態(tài)時絕緣電阻值、交流耐壓試驗及起暈電壓試驗外，還要進行氣密試驗，氣源為壓縮氮氣，壓力為1MPa，保壓時間為3min，不得泄露，從另一端放氣，以驗證單根線棒的流通性。

　　3.2下線工藝及耐壓試驗

　　下線工藝及耐壓試驗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，用臨時支撐固定，并將兩頭臨時焊接封堵。裝以上兩節(jié)管時，在圓周方向上應(yīng)錯開9根線棒，以便于連上聚四氟乙烯管后通過對應(yīng)的下層線棒成一個比較密閉的系統(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，采用壓縮空氣進行檢漏，氣壓為0.4MPa，120min無泄漏（使用洗滌劑檢查，并用超聲波檢漏儀配合）。還充入氮氣和適量的SF6，壓力為0.3MPa，壓4h無泄漏（使用激光檢漏裝置定向巡回檢測和鹵素檢漏儀定點檢測）。如接頭泄漏，應(yīng)重新安裝。這樣的方法安裝所有管路。用CO2氣體保護罩進行不銹鋼焊接，整個蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)安裝完后，系統(tǒng)氣密試驗，充入干燥氮氣和適量的SF6，壓力為0.25MPa，進行最后一次巡檢，（使用激光檢漏裝置定向巡回檢測和鹵素檢漏儀定點檢測），確認無泄漏后，在起始壓力為0.25MPa下保壓72h表計壓降不得大于3％，完全達到要求。

　　3.4氟里昂灌注

　　打開冷凝器放氣閥，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，打開氟里昂瓶閥，調(diào)整減壓閥使進入儲液筒的氮氣壓力為0.02～0.05MPa，此時，氟里昂氣體流入冷卻系統(tǒng)。監(jiān)視液位，當灌至從下環(huán)管算起約4.4m時，關(guān)閉放液閥。

　　4蒸發(fā)冷卻機組的運行試驗

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

　　李家峽4＃機組在發(fā)電初期曾出現(xiàn)一次系統(tǒng)泄漏，在1999年12月23日運行人員發(fā)現(xiàn)液位明顯下降，邊運行邊判斷，正常停機后充氮氣檢查，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)上環(huán)管一個法蘭螺釘松動導(dǎo)致漏氣，經(jīng)處理重新加液后，運行正常。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，機組運行良好。

　　5結(jié)論

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

　?、谡舭l(fā)冷卻作為一種新技術(shù)用于大型發(fā)電機組還有許多課題值得研究和探索。