能空冷就不要水冷--论巨型水轮发电机冷却方式的选择

３．４空冷方案应采取的相应措施 龙滩、小湾和拉西瓦水轮发电机为我国近期重点 开发的巨型全空冷水轮发电机。由于发电机运行时发 热量巨大，为有效控制发电机定、转子线圈温度和铁 心温度，保证发电机的安全稳定运行，应十分重视发 电机通风冷却系统的设计。由于我国哈电、东电等电 机制造厂通过引进技术、首次设计制造７００ＭＷ级大型 空冷机组，作者在这些电站机组设计审查、招标文件 咨询、合同谈判及设计联络会等不同场合，特别强调 应采取如下措施。在所花代价不大的情况下，宁可适 当多留点裕度，在可能的情况下将空冷方案的风险降 到最低。目的是确保发电机空冷方案的顺利实施并为 今后成功投运打下较好的基础。在机组成功投运后， 再回过头来好好总结经验、教训，看看这些裕度或措 施是否保守、必要和合理。 （１）鼓励国内厂家与有资质的国外制造厂进行发 电机冷却方案的联合设计，同时也要信任我国主机制 造厂家近年来通过引进技术、合作生产已具备较为丰 富的设计、制造、运行经验和坚实的计算机软件、模 型试验以及人才等技术储备。在多次设计联络会上， 要求业主、设计院和制造厂家共同研究和分析发电机 通风冷却结构设计的合理性。 （２）强调进行发电机通风模型试验：建议明确规定 在投标前或合同签订后应进行发电机通风冷却模型试 验，并随投标文件提交发电机通风冷却计算和模型试 验的分析论证报告。
１．３发电机造价分析 根据当时对外技术交流资料，加拿大ＧＥ公司初 步估算认为，二滩发电机定子水冷的造价比空冷的高 约１５％ｌ阿尔斯通公司则表示要高约９％ｌ东芝公司认
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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
为二滩发电机采用半水冷，水内冷线圈工艺复杂，造 价明显昂贵。另外，二滩为地下厂房，流道系统ＬＶ值 较大。调保计算要求发电机的ＧＤ２不得小于 ９５，０００ｔ．ｍ２，故发电机的重量不可能因采用水冷而有较 大的减轻，这样就失去了水冷机组重量较轻．价格可 略低的主要优点。相反，水冷发电机的总造价将比空 冷的要高。
１．１定子空冷和水冷方式 世界上单机容量为５００ＭＶＡ～８００ＭＶＡ的大型水 轮发电机既有采用水内冷也有采用全空冷方式。 发电机采用空冷方式，其电气参数较好，额定点 的效率略高·结构，布置简单，安装、运行、维护简 便；运行成本低，可靠性较高，对电站经济效益的回 报较为有利。全空冷方式的主要问题是定子线棒轴向 温度分布均匀度略差些，由热引起的机械应力、定子 铁心热膨胀及“瓢曲”等问题较液体内冷发电机严重 些。应当看到，从７０年代起，世界各主要制造厂家研 究并开发了圆盘式转子，浮动式定子机座、斜支臂弹 性支撑、上机架八卦形支撑、径向通风系统、Ｆ级线 圈绝缘和固定系统等，在解决空冷机组冷却、耐热性 能、变形控制和现场叠片等关键技术难题上取得了较 大进展，发电机的空冷制造界限已大有提高。 水冷方式的定子线棒温度较低、温度分布较均匀、 有利于改善热应力，减小铁心翘曲及延长绝缘寿命。
３．２小湾水轮发电机冷却方式的确定
作者主持的小湾水轮发电机组招标文件评审会审 查意见：“同意优先采用全空冷方案，也可采用定子水 内冷方案。投标人可根据自己的经验提出推荐方案，
但必须报全空冷方案，由业主最终选定”。
３．３拉西瓦水轮发电机冷却方式的确定 拉西瓦水电站可行性研究报告发电机原采用水冷 方式，水电水利规划设计总院的审查意见明确指出： “同意暂采用定子水内冷、转子空冷的方式，下阶段可 进一步研究采用全空冷方式的合理性”。后根据审查意 见和业主的要求，召开了（（７００ＭＷ水轮发电机组研究 成果汇报暨专家咨询会）），会议纪要明确建议优先采 用全空冷方案，不排除其它冷却方案。投标人可根据 自己的经验提出推荐方案，但必须报全空冷方案，由 业主最终选定。
１．４效率分析 水冷和空冷发电机两者效率相当。水冷发电机需 要的风量小，相应的风损小、空载损耗小，低于额定 容量运行时的效率略高。按阿尔斯通公司提供的资料． 二滩发电机空冷最高效率为９８．６５％，而水冷最高效率 为９８．５８％。
１．５系统稳定分析 近期内四川５００ｋＶ网架还较为单薄，不希望Ｘｄ 过大。而二滩水冷发电机的Ｘｄ’在Ｏ．３６及以上，难以 满足电力系统不大于Ｏ．３３的要求。 综上所述，我们根据当时国内外厂家的制造水平 和二滩电站的具体条件分析，认为空冷发电机的优点 较多，推荐采用了全空冷方式。
２对水轮发电机空冷方式新的认识
２．１ 冷却方式已不受每极容量的限制 参照国内外制造厂家、特别是哈电有关技术资料， 随着通风冷却技术的改进和完善、绝缘技术的进步以 及防止铁心膨胀翘曲设计技术的进步和发展，国内外 空冷机组已得到广泛应用，其容量、槽电流及电负荷 有不断增大的趋势。采用空冷的常规水轮发电机，特 别是蓄能电站的发电电动机已完全突破每极容量的限 制，其值可高达２５ＭＶＡ－４０ＭＶＡ。普遍认为，发电机 的冷却方式已不受每极容量的限制，而更注重对机组 转速、发电机额定电压、定子绕组支路数与槽电流的 合理匹配及热流密度的分析计算。为保证空冷水轮发 电机（发电电动机）安全稳定可靠运行，必须严格控 制其槽电流、电负荷及热负荷值在一个比较合适的范 围内，即对大容量空冷发电机的槽电流值宜取 ５５００Ａ一７３００Ａ Ｉ热负荷值宜控制在２０００— ２７００Ａ２／ｃｍ·ｍｍ２的范围内，不宜突破３０００ＡＺ／ｃｍ·ｆｉｌｍ２。
（２）哈电在分析国内白山、岩滩，天生桥一、二级、 隔河岩、小浪底、水Ｉ＝ｌ、二滩、五强溪、水布垭以及 广蓄一、二级、天荒坪等典型空冷大容量水轮发电机 等的大量统计数据后指出，目前对空冷发电机定子绕 组体积损耗密度的取值范围为（０．１５～０．４５）Ｗ／ｅｒａ５。 定子铁心体积损耗密度取值范围为（０．０２５～Ｏ．０４） Ｗ／ｃｍ３Ｉ对５００ＭＷ级及以上发电机，此值宜控制在 （０．０２４～０．０３４）Ｗ／ｃｍ３。由铁心损耗产生的热流密度 （比热负荷），对大容量空冷水轮发电机，其合理取值 范围为（１．１５～１．３５）ｗ／ｅｒａ；。由定子绕组损耗产生的 热流密度取值范围为（Ｏ．５～Ｏ．７７）Ｗ／ｅｒａ２，大容量空冷 发电机可取上限值。
２．２注重关键部件体积损耗密度和热流密度的合 理取值
（１）进行电磁设计时，通过多方案的分析优化，最 终选择的发电机主要尺寸（定子铁心内径和高度等）
及电磁负荷要综合满足对效率、主要电抗参数、温升， ＧＤ２、刚强度和总体布置的要求，并对主要发热部件产 生的损耗与其相应结构尺寸进行匹配计算，以获得合 适的体积损耗密度和热流密度，确保空冷发电机的通 风冷却系统安全、可靠、经济。
２．３通风冷却与Ｌｔ／Ｔ关系 铁心长度与极距的比值（Ｌ价）是衡量空冷发电机 通风冷却的主要数据，过大的Ｌｔｈ将直接影响冷却和 安全运行。小湾的Ｌｔ／ｘ为３．８７、龙滩为３．９２、拉西瓦 为３．９０、三峡右岸为４．３４，均处于已运行大容量空冷发 电机设计、制造和运行的经验范围内（如Ｆｏｚ ｄｏＡｒｅｉａ 为４．７０、Ｓｅｒｒａ Ｄａ ｍｅｓａ为４．５８、Ｘｉｎｇｏ为５．０１、古里 ５．６７、李家峡４．１７、葛洲坝４．１２、二滩３．２７等）。实际 上，随着通风冷却技术的进步与发展，对采用双路径 向密闭自循环空冷方式的中、低速大容量水轮发电机 及高速大容量发电电动机，其通风冷却已不受Ｌｔ＆指 标的限制，而更注重考虑运行的安全可靠（如取消风 扇等辅助部件）、总风量的控制、风量和风速的均匀分 布以及预期达到的冷却（温升）效果。这些，均可通 过发电机风路系统的优化设计、通风冷却系统日益精 确的数值计算并辅之以通风模型试验的验证来予以保
在满足规定ａＤｚ值条件下，水冷方式可适当降低铁心 高度、缩小体积、减轻重量。尽管一些厂家已掌握发 电机定子水冷技术，也有成功运行经验，但定子线棒 水接头结构和水处理设备的可靠性较低，一旦水泄漏 危及电机绝缘和安全运行的风险较大，安装、试验、 运行管理和检修的难度及工作量较大ｔ机组起动时间 较长对电站调频调峰不利ｔ增加了地下厂房设备布置 的难度。同时，水处理设备及其监控系统的制造、安 装、维护成本较高。
能空冷就不要水冷 ——论巨型水轮发电机冷却方式的选择
李定中 （水电水利规划设计总院北京１００００１）
［摘要】 本文回顾了二滩水电站水轮发电机冷却方式的选择。论述了近年来对水轮发电机选择空冷方式新 的认识：“能空冷就不要水冷”．介绍了龙滩、小湾和拉西瓦水电站水轮发电机空冷方案的确定历程及所采取 的相应措施。提出“要水冷，不如上蒸发冷却”． ［关键词】水轮发电机，冷却方式，空冷，水冷，蒸发冷却
大型发电机的冷却技术，关系到水轮发电机的参 数选择、结构设计、重量和造价，是保证发电机的绝 缘寿命、提高效率、保持长期安全稳定运行的关键技 术之一，也是突破发电机容量极限的关键。
１ 二滩发电机冷却方式选择
在２０世纪９０年代初期。作者在成都勘测设计研 究院主持了二滩电站水轮发电机招标文件的编制工 作。当时主要从以下方面对二滩发电机采用空冷方案 进行了分析论证（参见“水力发电”１９９７年１２期《二滩 水轮发电机主要参数和结构型式的选择》、李定中）：
１．２发电机的利用系数和每极容量 发电机的利用系数以往一般不超过８（大古力为 ７．３１，我国白山和龙羊峡分别为７．７６和７．８），古里Ⅱ 和邱吉尔瀑布已分别达到８．８和ｌＯ．１７，比过去已有较 大提高。从发电机每极容量看，由ＧＥ公司制造、于 １９７１年投运的邱吉尔瀑布发电机每极容量已达 １６．６７ＭＶＡｌ由ＳＩＥＭＥＮＳ、东芝、日立和三菱等公司 联合制造并于１９８３年投运的古里Ⅱ单机最大容量 ８０５ＭＶＡ，每极容量达１５．１ＭＶＡ。二滩发电机每极容 量为１４．５７ＭＶＡ，各主要制造厂商均表示没有困难。二 滩发电机采用空冷，利用系数为ｌＯ左右，既达到世界 先进水平，也是当时发电机采用全空冷技术力所能及 的。空冷发电机的可利用系数为９５％～９９％，水冷仅 为９０％－９５％。
３．１龙滩水轮发电机冷却方式的确定 在２００１年ｌＯ月龙滩机组技术专题咨询会上，作者 对龙滩水轮发电机冷却方式的书面咨询意见如下： （１）水冷方案对机组调峰运行时控制绕组绝缘冷 热循环温差和热变形较为有利（特别是在定子铁心高 度较高时，龙滩机组已达３．３ｍ）。但水冷方案的接头 多．又有一套水处理装置，相对空冷方案的可靠性要 差一点。每台机一套水处理装置占地约（５ｘ７）１１１２，对 龙滩地下厂房的布置是较为困难的。 （２）目前看来，空冷方案应是技术上成熟的方案。 龙滩发电机也属空冷每极容量的正常设计范围。空冷 方案设计得当也可确保定、转子通风均匀冷却。通过 二滩电站空冷技术的引进，国内东方厂已掌握ＧＥ的通 风技术专利，且近来通过几次对外投标，尝到了甜头。 古里机组最大容量８０５ＭＶＡ，定子铁心长度已达３．８ｍ， 每极容量达１５．１ＭＶＡ。现又经过了二、三十年。世界 上发电机通风冷却技术已有较大发展，国内两大厂家 已有二滩的经验（每极容量已达１４．６ＭＶＡ），龙滩每 极容量１４．４ＭＶＡ（按７００ＭＷ考虑），与二滩水平相当， 技术上应是有把握的。 （３）鉴于龙滩为地下厂房，水冷方案在布置上有一 定难度；加上电站调保计算又对机组ＧＤ２有一定要求， 建议能空冷就尽量不要水冷（反正是建立在与外商联 合设计的基础上）。招标文件宜尽量少一些比较方案 为好。吸取我国天荒坪蓄能机组（每极容量已达 ３０ＭＶＡ）等工程的成功经验，建议标书技术规范中规 定要求厂家提交发电机通风设计计算书并进行通风模 型试验，机组的通风设计方案应提交业主批准后实施。 （４）随后，作者主持的龙滩水轮发电机组招标文件 评审会审查意见同意优先采用全空冷方案，并明确“建 议取消定子水内冷方案”，指出：“水轮发电机技术条 款中最重要的部分应是与发电机采用空冷方式有关的 规定和要求，应重点研究和补充说明”。
（３）目前７００ＭＷ级的龙滩、小湾、拉西瓦和三峡 右岸发电机，其定子绕组体积损耗密度、定子铁心体 积损耗密度等的取值范围均处于我国２０世纪９０年代 后设计、制造和投运的隔河岩、二滩、天生桥一级、 水布垭等大容量空冷发电机正常设计制造经验范围内， 并有一定裕度。其中除定子铁损体积密度值随电机容 量的提高而适当减小外（通过适当降低温升，以减小 热变形和热应力、防止铁心翘曲等），其余的体积损耗 密度和热流密度值均随电机设计制造技术的先进性和 容量的提高而增大。
３２
证。
３龙滩等水轮发电机空冷方案的确定及相应 措施
近年来，受业主的委托，作者代表水电水利规划 设计总院主持了龙滩、小湾等水轮发电机组招标文件 的审查。考虑到业主的意愿，根据设计院、特别是哈 电、东电等国内外主机制造厂家的技术交流资料和分 析论证报告，同意龙滩、小湾等水轮发电机由原水冷 方式改为空冷方式。