大中型水轮发电机冷却方式的探讨

大中型水轮发电机冷却方式的探讨
发表时间：2017-09-28T10:40:49.700Z 来源：《基层建设》2017年第14期作者：蒋红辉
[导读] 摘要：水轮发电机是现代水力发电中最为主要的机械设备，水轮发电机组运行的质量很大程度上影响着水力发电的水平，而水轮发电机组的运行还需要有效的冷却方式的运用予以保障，为了有效提高水力发电企业的电力供应水平，加强对水轮发电机冷却方式的研究具有着重要的意义，本文将就此展开探讨。

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摘要：水轮发电机是现代水力发电中最为主要的机械设备，水轮发电机组运行的质量很大程度上影响着水力发电的水平，而水轮发电机组的运行还需要有效的冷却方式的运用予以保障，为了有效提高水力发电企业的电力供应水平，加强对水轮发电机冷却方式的研究具有着重要的意义，本文将就此展开探讨。

关键词：大中型；水轮发电机；冷却方式
在水轮发电机组运行过程中，如冷却方式选择不当，冷却效果不理想，将很容易导致水轮发电机组主要结构部分过热，并增加机组设备及控制电路损坏的几率，严重情况下，还可能造成一系列安全事故的发生，造成严重的损失和危害。

因此，对各类冷却方式进行分析，并准确把握各冷却方式的应用特点，结合水轮发电机组的运行需求，合理进行冷却方式的选择有着很大的必要性。

一、应用于水轮发电机组的主要冷却方式
1.全空冷方式
空冷技术是较早应用于水轮发电机组冷却系统的一种技术方式，经过多年的发展，全空冷技术已经得到了逐渐的完善，并且也能够适应和满足大型、乃至超大型水轮发电机组的冷却需求。

水轮发电机组中全空冷方式的运用首先需要结合发电机的额定容量及结构特点，确定冷却系统应能够提供的有效总风量，并要明确与之相应的风量分配方案，以确保全空冷方式的冷却能力满足需求。

其次，要做好对风道、风沟等结构部分的科学设计，从而保证发电机组整体温度分布的均匀性。

此外，还要充分考虑各方面的影响因素，结合实际的参数分析，计算合理的换热系数。

全空冷方式在实际应用中的冷却效果会对发电机的发电功率产生明显的影响，即发电机效率随进风温度的升高而下降，进风温度越低则发电机功率越高，同时还具有着结构简单、便于操作和维护等优点。

但由于全空冷方式运用中发电机定子绕组的绝缘内导体在运行中产生的热量必须要通过绝缘层或铁芯向外传导才能散发出去，因此针对一般中小型水轮发电机相对较为适用，而过大尺寸的水轮发电机组中，铁芯温度传导不及时可能导致超温现象，并造成变形，影响到冷却的有效性，这也需要技术上予以进一步的加强。

2.半水内冷方式
半水内冷方式在当前水轮发电机组中的应用也较为普遍，该冷却方式下发电机定子线棒由导电的实心股线和通冷却水的空心股线组成，一般由一根空心股线带走4根实心股线产生的损耗热量。

经过纯水处理装置处理过的冷却水（水质纯净、无固体杂质、PH值为7.5～8.5、硬度小于2µmol/l、水温25℃时电导率小于1.7µs/cm），用泵打入定子线棒的空心股线进行冷却并带走实心股线产生的热量，升温的纯水进入冷却器，与二次冷却水进行热交换，降温后的纯净冷却水经过纯水处理装置，再进入定子线棒空心股线形成水冷循环系统。

在半水内冷方式的应用过程中，首先需要重点注意对线棒端部接头的有效处理，应确保接头处的良好密封性，杜绝渗漏问题对线路造成的影响，并要能够适应在水轮发电机正常工作过程中产生的震动和压力，这就对接头材料的选择与焊接工艺有一定的要求，通常要选用质量性能较好的不锈钢材料，并采取工厂预加工或现场银铜焊，保证冷却系统整体运行的可靠性。

同时，由于采用冷却水循环降温模式，还必须要注重对水路循环系统结垢问题的预防，结垢问题的产生大都是由水对构成空心股线的铜产生的腐蚀作用引发的，根据实际条件的不同，结垢的程度也有所差异，对此，一般需要通过加强空心股线防腐处理，或更换成不锈钢材料等措施予以解决。

此外，保证纯水处理装置的性能，提高冷却水水质也是极为重要的，由于水质不良会导致一系列运行问题的出现，因此，必须要合理选择纯水处理装置，并针对处理后纯水的品质进行监测，避免不合格纯水进入冷却循环系统中。

3.蒸发冷却方式
蒸发冷却方式一种相对较新的水轮发电机冷却方式，通常是通过向线棒的空心股线中注入低沸点、绝缘性能良好的介质，在线棒通过电流所产生的热量，使介质温度升高达到沸点，介质汽化，已汽化部位形成混合二相流体，其密度小于未沸腾集液管中液态介质的密度。

在重力场作用下产生压差，当动力压能大于沿程阻力时，能形成自循环，带有热量的二相流进入冷凝器，与冷凝器内的冷却水进行热交换，热量被冷却水带走，二相流被汽化部份的介质又重新变成液态，进入回液管、下集液管，在压头的作用下，再重新进入线棒，构成封闭式自循环系统，以实现循环冷却的目的。

蒸发冷却方式的应用具有着一系列的优势，主要体现在以下几个方面：第一，蒸发所产生的汽、液两相混合流体能够更加均匀的控制温度的上升，保持定子绕组温度变化的均匀性，从而有效的减少因温度变化不均匀或局部超温等情况产生变形的几率，提高设备的使用寿命。

第二，通过对介质的合理选择能够提高介质的绝缘性能以及防火灭弧性能。

第三，由于蒸发是基于水轮发电机组自身运行所产生的热量实现，蒸发量可随机组运行热量的变化而进行变化，温度低的情况下，蒸发量也相对较小，相反则蒸发量也随之加大，这就能够有效的实现蒸发冷却体系的自行调节，保证冷却功能的合理发挥。

第四，由于蒸发冷却方式对水的需求量相对并不大，因此，也不需要配备大型水处理装置予以支持，一方面节约了建设成本，另一方面也避免了介质泄露所产生的安全隐患，更有利于提高水轮发电机组运行及电力生产的稳定性。

第五，蒸发冷却方式依靠蒸汽覆盖实现热交换，其热交换的有效面积相对要远高于水冷却的方式，其冷却效果也相对更加理想。

二、对于不同冷却方式的合理选择
首先，针对三种不同冷却方式在对水轮发电机的极限容量的影响方面进行试验分析，发现利用水内冷方式相较于全空冷方式而言，能够使发电机的极限容量提升到1.5至2倍，而蒸发冷却方式与水内冷方式二者在对发电机极限容量的影响方面无太大差异。

其次，从温度分布情况来看，全空冷方式的冷却效果较水内冷方式要差，因此定子线棒最高温度也相对最高，蒸发冷却方式的定子线棒最高温度要略低于水内冷方式，且由于蒸发冷却自身的特点，也能够使温度分布最为均匀。

第三，从系统结构与安装难度方面来看，全空冷方式由于其自身结构和所需的设备装置较少，结构最为简单，也最容易进行安装，能够在较短时间内完成安装并投入使用。

而半水内冷方式是水冷和空冷结合的一种冷却方式，空冷结构部分与全空冷方式中的结构并无太大
差异，而水冷结构部分相对复杂，除连接管线更多外，还必须要配置纯水处理装置，同时要对各部分压差、温度、流量等参数进行监测，因而，在安装难度上要高于全空冷方式。

蒸发冷却方式不需要安装纯水处理装置，但需要构建一套自己的蒸发冷却循环系统，其结构复杂性与安装难度介于前两者之间。

第四，从系统损耗方面来看，全空冷方式定子绕组的铜损相对较小，低于内冷方式，但内冷方式由于有更好的冷却效果，因而在系统自身产生的损耗方面又远低于全空冷方式，同时内冷方式在电磁负荷上要更高，也使得其电机杂散损耗要更大，综合来看内冷方式总体损耗较空冷方式稍低，但总体差异程度较小。

第五，从经济性角度来看，采用全空冷方式下对于系统发电机要求较高，也使得发电机总体重量较高，在建设造价上相对也较高，对于较大容量的水轮发电机而言，采用全空冷方式经济性并不是很高，但对于一般容量的水轮发电机而言，由于全空冷方式建设周期短，安装难度低，可以较快投入使用，也可以适当选择。

水冷方式及蒸发冷却方式能够一定程度上降低发电机总重，但为了维持整体稳定性，还需要注重进行适当的控制，在实际水轮发电机设计中，可以结合不同冷却方式的建造成本、运行成本、安装难度等因素综合进行考量与搭配运用。

最后，从安全性角度考虑，全空冷方式结构最为简单，且过载能力也相对较强，因此在事故发生几率上更低，在冷却效果上相对较差，但基本能够保证系统正常的使用寿命，总体来看其安全性相对更高。

水内冷方试与蒸发冷却方式在冷却效果上更好，但由于结构的复杂性，有时还要面临设备故障、缺水、介质泄漏等问题的影响，可能需要停机检查并处理，总体安全性上稍低，但蒸发冷却方式由于使用绝缘性较好的介质，安全性稍高于水内冷方式。

总结
不同冷却方式在实际的应用中都有着不同的特点，而针对不同机型的水轮发电机所适用的冷却方式也有所差异，因此，在实际的冷却方式选择中还要综合考虑机型、运行条件、成本、安全性等多方面因素，合理进行冷却方式的选用，以保证设备冷却的良好效果。

参考文献
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[2]庄小慧,周凌九,周益峰,吴烈龙,王正伟.大型立式水轮发电机闭路循环通风系统仿真研究[J].中国电机工程学报.2014(35).
[3]顾国彪,阮琳.蒸发冷却技术在水轮发电机领域的应用和发展[J].中国电机工程学报.2014(29).。