大型发电机冷却方式的发展及特点

嚷嘿黝代 应 用 长 廊 娜彝潺磷麟测 大型发电机冷却方式的发展及特点 口中国科学院电工研究所 阮 琳 编者按 大型发电机是电 网的主要设备之一 , 是电能的直接生产者 。 回顾 电机向大型化的发展历 程 , 技术的改进对于 电机的大型化起着至关重要的作用 , 电机大型化的历 程 同时也是冷却技术逐步发展完善的 冷却方 式主要分为气冷和液冷两 大类 。 这些传统的冷却方 式都各有其优缺点 。 中国科 学院 电 工所本着扬长避短的原 则 , 从 年开始从事蒸发冷却技术的研究 , 在继承水 内冷技术优点的 同时 , 积极寻找合适的介质替换水介质 , 从而 解决水 内冷发电机的水电故障问题 。 经过 多年的艰苦研究 , 无论在理论上还是在实残方 面都取得 了很大 的成功 。 特别是 年底在青海李家峡水电站投入运行的 料 定子 自循环 蒸发冷却水轮发电机 已 经运行一年有余 , 电站反馈信息表明 , 这台机组运行非常稳定 , 维护检修量 小 , 运行安全可靠。 而且这台机组 已 于 年底通过 了 国家科技部的验收鉴定 。 这 向翻调侧翻旧甸翻旧由翻黑翻田自翻渝局翻俐翻甲侧翻田 项 工业应用 的成功标志着蒸发冷却技术已 经迈上 了大容量的 台阶 , 以 其独有的特点在众 多冷却方式中脱颖 而 出 。 从本期开始设立蒸发冷却技术专题 , 分别向大家介绍传统冷却方式的发展进步 , 蒸发冷却技术的研究初衷和发展历 原理和技术攻关等一 系列 问题 , 旨在进行科学普及的 同时推广蒸发冷却技术在大型 电力设备上的应 用 , 也希望借此 蒸发冷却技术感兴趣的 同仁加入这项技术的深入研究 , 以将这项技术完善化并推广应用 。 一 、 概述 大型发电机是 电 网的主要设备之一 , 是 电能 的直接生产 者 。 大型 电机的发展在整个 国民经济的发展 中占有重要地位 。 从电力生产 , 电网运行 、 管理的经济性和供电质量来看 , 电网 中主力机组的单机容量应与电网总容量维持一定的比例 , 例如 一 。 单机容量越大 , 则单位容量成本下 降 , 材料消耗 降 低 , 其经济性能就越好 。 电机容量的提高主要通过增大电机的 线性尺寸和增加电磁负荷两种途径实现 。 然而增大线性尺寸同 时会增大损耗 因为电机 的损耗是与线性尺寸 的三次方成正 比 , 造成电机效率下 降 。 而增加磁负荷 , 由于受到磁路饱和 的限制也很难实现 。 所以提高单机容量的主要措施就在于增加 线负荷了 。 但增加线负荷就同时会增加线棒铜损 , 线圈 的温度 将增加 , 可能达到无法容许的程度 。 这时就必须采用强化冷却 技术 , 以提高散热强度 , 从而将电机各部分的温升控制在允许 范围内 , 才能保证电机安全可靠地运行 。 所 以冷却技术的进步 是电机 向大容量发展的保证 。 电机的冷却方式分为气冷和液冷 两大类 。 气冷的冷却介质包括空气和氢气 。 液冷的介质有水 、 油及蒸发冷却所使用的氟里昂类介质及新型无污染化合物类氟 碳介质 。 汽轮发电机所采用 的冷却方式较为丰富 , 包括空冷 、 氢冷 、 水冷 、 油冷及蒸发冷 。 二 、 汽轮发电机的冷却方式 汽轮发电机的冷却方式经历 了丰富的发展变化过程 。 从最 早的空气冷却发展到氢气冷却 , 再到液体冷却 , 继而到 目前研 究的热点一蒸发冷却 。 每一种冷却方式都各有其优缺点 。 空气冷却 世纪 年代末期以前 , 汽轮发电机基本上处于单一的 空气冷却阶段 。 空气冷却在结构上最简单 , 费用最低廉 , 维护 最方便 , 这些显著的优点使得空气冷却首先得到 了应用 和发 展 。 随着电网容量的增大 , 要求提高汽轮发电机的容量 。 为了 提高容量 , 需要增加电磁负荷 , 导致电磁损耗增大 , 从而引起 电机发热量的增加 , 要强化冷却就必须加大通风量 , 这必然引 起通风 损耗 的增 大 , 而通 风损耗 含 风 摩耗 占总 损耗 的 , 这就使得电机的效率降低 。 另外 , 空气冷却的定转子绕 组的温升也较高 , 影响绝缘的寿命 。 氢气冷却 当电机的单机容量达到一定水平时 , 空冷技术在效率和温 升等方面逐渐暴露出不足 , 为了寻求更加有效的冷却方式 , 人 们发展了氢冷技术 。 从 世纪 年代末 , 容量大于 的 汽轮发电机逐步过渡到氢气冷却 。 氢气的比重小 , 纯氢的密度 仅为空气的 , 导热系数为空气的 倍 , 在同一温度和流速 下 , 放热系数为空气的 一 倍 。 由于密度小 , 因此 , 在 相同气压下 , 氢气冷却的通风损耗 、 风摩耗均为空气的 , 而且通风噪声亦可减小 。 氢冷电机的效率提高了 , 而且温升明 显下降 。 由于电机内氢气必须维持规定纯度 , 为此必须额外设 置一套供氢装置 , 给和安装带来了困难 。 另外 , 密封防爆 问题始终是氢气冷却电机安全运行的一个隐患 。 液冷 早在 年 , 匈牙利冈次茨工厂就曾用变压器油作牵引电机 © 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 应 用 长 廊 电噢豹代 的冷却介质 。 年代后 , 又曾从事水外冷的研究 , 但长期以来没有 取得重大进展 。 年 , 英国开始采用净化水冷却电机定子绕组 。 目前定子绕组采用水冷已相当普遍 。 液体的比热 , 导热系数比气体 大 , 所以液冷的散热能力较气冷大为提高。 水是很好的冷却介质 , 它具有很大的比热和导热系数 , 价廉无毒 , 不助燃 , 无爆炸危险 。 通 水冷却的部件冷却效果极为显著 , 允许承受的电磁负荷比空冷 、氢 冷高 ,提高了材料的利用率 。 但是 , 由于水垢的产生及空心铜线被 水中的氧离子氧化产生的氧化铜和氧化亚铜等沉积造成水路堵塞 , 继而产生绕组局部过热而烧毁 。 同时 , 水接头及各个密封点处由于 承受水压漏水的问题将造成短路和漏电危险 。 近些年 , 各地的水内 冷机组都发生了一种新的漏水现象 , 被称为水力钻孔 。 这是由于水 中的微小颗粒在空心导线的转弯或粗糙点慢慢沉积下来 , 由于受到 水流的冲击而以颗粒与空心线的接触处为支点旋转起来 , 日积月累 就会将这一点钻穿 。 这种现象造成绕组漏水漏电 , 烧毁绝缘的危 险。 因此 , 水冷电机的堵和漏成为困扰水冷电机发展的致命弱点 。 全液冷电机的研制同样受到了各国的重视 。 全液冷主要 以 油冷为主 。 这种电机的定子浸在油中 , 绝缘大为简化 。 电机槽 满率高 , 材料消耗少 , 效率高于 同容量 的其他冷却方式的电 机 。 但维护不方便 , 要考虑防火防爆问题 , 结构较复杂 。 蒸发冷却 近年来 , 美 、 日 、 英 、 俄 、 加等国相继开展 了将相变原理 应用于大型发电设备中的研究 , 并取得了一定的成果 , 但至今 没有成熟产品生产 。 我国从解放初期就开始研究蒸发冷却 , 中 国科学院电工所从 年开始研究 电机的蒸发冷却技术 , 目 前在研制的各个方面均处于世界领先水平 , 并且 已有数台机组 投人运行 , 运行情况良好 。 蒸发冷却是利用冷却介质液体汽化 吸热的原理来冷却电机的 。 蒸发冷却从原理上说是一种高效的 冷却方式 , 汽化热大 , 所需流量小 , 绕组各部分之间温差小 , 因此成为 目前冷却技术研究的新方向 。 蒸发冷却的研究经历了 从低温蒸发冷却到常温蒸发冷却再到常温 自循环蒸发冷却的过 程 。 低温蒸发冷却技术使用沸点较低的介质 , 汽化后 的饱和蒸 汽温度低于二次冷却介质温度 , 必须经过压缩 , 使其饱和蒸汽 温度高于二次冷却介质温度 , 才能进行热交换 , 冷凝为液体 。 在电机的允许温升范 围内 , 冷却介质沸点太低没有必要 。 而 且 , 温度低也容易造成热量逆流 , 外部热量往电机内部传递 。 因此考虑用常温蒸发冷却技术 , 去掉压缩机 , 用泵来替换 , 提 供压头克服各种阻力损失 。 以上两种均属于强迫循环方式 。 后 来的研究发现 , 利用电机结构的特点 例如 立式水轮发 电机 的定子绕组 , 以及液体汽化后密度发生变化而引起压差变化 , 可 以形成 自然循环 。 蒸发冷却方式应用于汽轮发电机的显著优 势是介质具有极强的电绝缘性 , 与其他冷却方式配合时能够扬 长避短 , 特别是采用浸泡式蒸发冷却后加强 了端部的冷却效 果 , 改善了电晕和电磁屏蔽问题 , 使电机运行安全可靠 , 因此 是一种极具发展前途的冷却方式 。 三 、 水轮发电机的冷却方式 水轮发电机的冷却方式不象汽轮发电机那么繁多 , 主要有 空冷 、 水冷和蒸发冷 。 虽然冷却方式对水轮发 电机的技术经济 性能具有密切的关系 , 但还不能算是限制容量的决定因素 。 另 外 , 当电力系统发生故障 , 水轮发电机突然和电网解列 即甩 负荷 时 , 由于水轮机导水机构关闭需要一定的时间 , 在这段 时间内 , 机组的转速将升高 。 为了防止转速上升过多而飞逸 , 所以要求设计水轮机 的转动惯量 倪〕 要足够大 。 它直接影响 到发电机在甩负荷时的速度上升率和系统负荷突变时发电机的 运行稳定性 。 因此强化冷却减小尺寸的要求 由于 ‘刀 的限制 而显得并不迫切 。 另一方面 , 越大 , 则机组转速变化率越 小 , 电力系统运行稳定性越高 但是 “ 过大 , 使发 电机重 量增加 , 一方面导致成本提高 , 一方面将加大推力轴承的负 荷 。 推力轴承要承受立式水轮发电机的全部轴向负荷 , 所以要 具有较高的刚度和强度 。 根据水轮发电机运行的故障统计我们 知道 , 有 的故障源于推力轴承的缺陷 。 如果水轮发 电机 的转子尺寸过大 , 重量也相应较大 , 那么推力轴承的推力负荷 就很大 , 若轴承强度不够 , 轴承的结构部件就会发生变形 , 造 成机组运行振动等不稳定现象 。 若将空冷改为内冷 , 可适当减 小转子尺寸及重量 , 缓解推力轴承的负担 也有些制造厂设计 在相同的 刀 限制的情况下 , 增大 从而减小 ‘ 来缓解推力 轴承的负荷 。 再者 , 是 出于要提高电机 的效率 , 增加电机可 靠性的考虑 , 需要改进水轮发电机的冷却方式 , 继而出现了对 水冷及蒸发冷的研究应用 。 水轮发电机所采用的传统冷却方式一般都是空冷 。 近年来 , 随着大型水坝和发电机制造业新技术的发展 , 水轮机的单机容量 正向巨型迈进 , 目前已超过 万 , 预计还要进一步增长 。 采 用传统的空气冷却方式不仅不能满足电机散热的要求 , 而且还限 制了容量的增长 。 发电机的额定容量可由下式计算 , 众刀。。矛, 对于大容量的水轮发 电机 , 取 一 ‘ 。 对应于飞 逸转速 时的发电机转子周边速度为 兀 刃 一名丽万一 式中 —是飞逸系数 。 二 生 几 —转子飞逸速度、 —转子额定转速 。 从容量计算式可以看出 , 空冷水轮发电机的极限容量是由电 磁负荷 、材料强度和定子铁心长度决定 。 。 值受铁心材料饱和 的限制不宜取高于 仪心 。 线负荷 的取值与采用 的绝缘等级 以及冷却方式有关 。 对于空冷效果较好的大容量水轮发电机 , 定 子线圈采用 级绝缘 , 的取值可为 。 叠片铁扼的最大 周边速度可取到 。 对于在水电站进行机座装焊 、定子铁心 整圆叠装和下线的水发电机 , , 的值可取 。 在 以上各量的极 限取值下 , 空冷水轮发电机的极限容量由下式计算 “ 叮 , · · ‘ “喘 , © 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 电叫时代 应 用 长 廊】 当额定转速由水轮发电机的转轮形式等因素确定后 , 空冷电 机的极限容量也就确定 了 。 当空冷电机的单机容量不能满足要 求时 , 为了提高电机容量便出现 了更有效的其他冷却方式 。 例 如 当采用水内冷时 , 由于冷却效果增强了 , 水发的线负荷可提高 到 。 气隙磁密可取 一 刃 , , 其利用效率约为空 冷发电机的 倍 , 极限容量约为空冷发电机的 一 倍 。 另外 , 水轮发电机采用空气冷却存在着一些不利于运行可 靠性的问题 。 空冷电机因为热量及温度分布不均匀 , 定子线棒 温度高 , 铁心与机座 的热应力大 , 所 以硅钢片可能引起拱曲 , 内膛产生非圆形变形 甩负荷时 , 转子的应变增大 , 即直径 比 正常运行时大 , 容易发生 “ 扫膛 ” 即定转子相撞 的事故 , 例如美国大古力电站就曾发生过由于热变形而造成的定转子相 撞事故 。 对于负荷变化大 , 频繁起停的调峰机组 , 定子线棒在 运行的过程中会发生热变形 , 由于铜导体和外包绝缘的温度热 膨胀系数不 同而造成 的疲劳 , 引起绝缘脱壳 , 会造成绝缘老 化 , 产生 内部电晕 , 破坏绝缘 , 西门子公司委托加拿大多伦多 大学进行的千次热循环试验 , 证明国外各名牌厂家的线棒均发 生了脱壳现象 。 由于线棒与铁心在长度方向上 的热膨胀差别 , 会造成绝缘与铁心接触面磨损 。 发电机端部 , 沿圆周通风及损 耗分布不均 , 造成温升差别大 , 按照绝缘的 一 ℃法则 , 温 度每升高 一 ℃ , 绝缘的寿命就减半 , 这种情况说明了故障 多发于端部的原因 。 据不完全统计 , 近 年 , 水冷成了大型水轮发 电机 的主要冷却方式 。 水内冷技术的使用 , 改善了上述空冷机组存 在的问题 。 首先内冷技术的采用降低了绕组温升 , 特别是能有 效减小绕组线棒的温差 , 使整个发 电机定子绕组温度分布均 匀 , 可延长绝缘寿命 由于使用 内冷方式 , 发电机定子绕组损 耗的发散不再需要定子铁心负担 , 定子铁心的温升由其 自身损 耗产生 , 其温升较之空冷方式有很大幅度的降低 。 因此内冷电 机由于铁心与机座温差相对较小 , 铁心热应力较易控制 内冷 技术的应用将大大减小导体与绝缘之间的热应力 , 可避免绝缘 脱壳和 内部 电晕 定子绕组 内冷后 , 发 电机 的电磁负荷可提 高 , 结构尺寸可有一定程度的减小 , 特别是转子重量 的减小 , 可降低推力负荷和转子机械应力 。 但水内冷技术使用水作为循 环冷却介质 , 虽然具有内冷方式的各种优点 , 但却存在着不可 避免的弊端 除了需要在水电站安装一套净水系统外 , 还存在 着堵 、 漏及水力钻孔的致命弱点 。 另外 , 据国际大电网会议组 织调查 , 水冷的运行可靠性较空冷低约 一 , 这是用户难 以接受水冷的关键 。 为了解决水内冷电机其水系统故障问题 , 同时继承内冷方 式的优点 , 中国科学院电工所开展了以蒸发介质代替水内冷的 研究工作 , 称为蒸发冷却技术 。 经过 多年的研究 , 已有累 计达 的运行经验 。 中国科学院电工所还与东方电机股 份有限公司长期合作 , 开发 了 自己独特的 自循环蒸发冷却技 术 。 年给云南大寨水电厂研制 的两 台 蒸发冷却水 轮发电机组安全运行至今 年给安康火石岩电厂研制的 蒸发冷却水轮发电机已在运行 , 于 年 月通过 鉴定 , 而且该机现在经常处于超发状态运行 年底投人运 行的李家峡 蒸发冷却水轮发电机运行 已有一年 , 没有 出现任何问题 , 也将于年内通过科技部验收鉴定 。 水轮发电机采用蒸发冷却方式 , 冷却效果显著 , 不仅可 以 解决提高容量的问题 , 更重要的是将电机运行的可靠性大大提 高了 , 不仅高于水冷 , 而且还高于空冷 。 蒸发冷却作为水轮发 电机的冷却方式 , 不仅具有内冷电机可以提高材料利用率 , 降 低定子绕组温升 , 从而降低绕组与铁心间的温差 , 提高运行稳 定性等优点 。 而且蒸发冷却方式无需庞大水处理设备 , 不容易 发生介质泄漏事故 。 采用了蒸发冷却技术的优点具体表现在如 下几方面 其一 , 采用蒸发冷技术解决了大型水轮发电机空冷 定子热变形的问题 其二 , 蒸发冷却利用液体汽化时的潜热 , 由于汽化吸热比比热吸热强烈 , 在同样的热交换条件下它可 以 比水冷具有更小的热交换面积 。 其三 , 利用液相和气液双相的 比重差实现无泵 自循环 。 蒸发冷却的气侧压力可 以设计为运行 时接近 正压 , 停机时成负压 , 减小泄漏的可能性 , 而 水冷时压力较高 , 泄漏可能性大 其四 , 蒸发冷却线棒 , 蒸发 量会随着热量增大而相应加大 , 有 自调节能力 。 故电机绕组各 部分之间温差较小 小于 ℃ , 所 以不可能出现水冷空心导 线局部高温形成气堵断水故障 其五 , 蒸发冷却所采用的冷却 介质 , 均是经劳保部 门测试为化学稳定性好 、 无毒 、 无腐蚀 性 、 不燃不爆的介质 。 其液态的绝缘性能与变压器油相当 , 即 使稍有泄漏 , 也不会引起绝缘的损坏而引发事故 。 蒸发介质还 具有灭火灭弧的能力 , 可以抑制其他电气故障的扩大 , 消除了 水内冷因泄漏而引发大事故的根本性缺点 。 蒸发冷却技术所采用的冷却介质属于氟里昂类产品 , 由于 氟里昂中所含的 元素对大气的臭氧层有破坏作用 , 所以 目 前限制使用 , , 。 为了提高冷却效果 , 并出于保护 环境的考虑 , 新型无毒 , 无污染的冷却介质正在开发研制之 中 , 并已经通过了实际机组的使用 。 四 、 综观大型发电机冷却技术的发展历程 , 每一种冷却技术的 应用都各有优缺点 。 但就比较而言 , 蒸发冷却技术显示 出了极 大的优 点 和 广 阔 的应 用 前 景 。 年 底 青 海 李 家 峡 电 站 蒸发冷却水轮发电机 的投人运行更加显示 出蒸发冷却 技术应用于大容量机组的优势 。 当然 , 蒸发冷却技术的研究本 身还存在一些问题没有完全得到解决 , 特别是两相流问题的处 理还缺乏准确性 。 所以 , 对蒸发冷却技术进行深人研究是非常 必要的 , 也是蒸发冷却技术进一步向前发展的基础 , 同时研究 也将为开辟蒸发冷却技术的更大应用领域进行技术知识储备 , 为电机的冷却技术开辟新的天地 。 收稿 启气时付 口 牢第 石期 © 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. 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