蒸發(fā)冷卻技術在李家峽水電站水輪發(fā)電機組的應用

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摘要：主要從設計、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，保持機組基本結構尺寸不變的情況下，初次在400MW水輪發(fā)電機組中進行蒸發(fā)冷卻技術的可行性，并結合李家峽4＃機組近兩年的運行情況，對蒸發(fā)冷卻技術在水電站大型機組的設計與應用方面提出了一些設想。

　　關鍵詞：水電站 機組 蒸發(fā)冷卻 設計 應用

　　1、水輪發(fā)電機冷卻技術的發(fā)展

　　水輪發(fā)電機的冷卻方式有全空冷、定子水內(nèi)冷、轉子空冷、以及定轉子水冷等方式。全空冷的水輪發(fā)電機具有結構和系統(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。空氣冷卻的特點是定子繞組絕緣內(nèi)導體的發(fā)熱量必須經(jīng)過絕緣外表向空氣散熱，或者再經(jīng)過鐵芯傳導后向空氣散熱的冷卻方式它必然導致導體溫升高。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，轉子重量大，機械應力、以及軸承載負大等均增加了制造的難度。水內(nèi)冷技術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)冷卻的設計

　　2.1設計原則

　　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，改變冷卻形式對結構改變的工程量較大，所以在改用蒸發(fā)冷卻時要求4＃機的發(fā)電機總體結構布置、控制尺寸和定、轉子高程不變，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，從結構設計、制造工藝、安裝維護等多方面對氣、電接頭的結構做深入的研究。

　　蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)設計與研究是蒸發(fā)冷卻技術具體實施的結構化，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構部件的優(yōu)化設計。蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)的可靠性是蒸發(fā)冷卻發(fā)電機研制成功的關鍵。因此，在設計時盡可能考慮簡便可靠的結構和優(yōu)化系統(tǒng)設計；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)電機結構相同性，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計

　　對于蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)，密封接頭是關鍵部件之一，李家峽采用空心導線抽出與密封接頭焊接的結構?？紤]密封的可靠性，密封接頭與氟塑料管的連接采用卡套結構，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，所需的風量為137m³/s，又因高原空氣稀薄的因素，所需風量為170m³/s，而原空冷風量均為270m³/s，在保持原結構不變的情況下將風量減少到適量的數(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項目，安裝人員必需嚴格按照有關圖紙、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，在圓周方向上應錯開9根線棒，以便于連上聚四氟乙烯管后通過對應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結論

　　①蒸發(fā)冷卻應用于大型水輪機組不僅在技術上是可行的，而且效果是顯著的。

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