蒸发冷却技术在李家峡水电站水轮发电机组的应用

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摘要：主要从设计、制造、安装、试验等一系列重要环节进行分析，论证了李家峡水电站大型水轮发电机组在保留原有空冷基础，保持机组基本结构尺寸不变的情况下，初次在400MW水轮发电机组中进行蒸发冷却技术的可行性，并结合李家峡4＃机组近两年的运行情况，对蒸发冷却技术在水电站大型机组的设计与应用方面提出了一些设想。

　　关键词：水电站 机组 蒸发冷却 设计 应用

　　1、水轮发电机冷却技术的发展

　　水轮发电机的冷却方式有全空冷、定子水内冷、转子空冷、以及定转子水冷等方式。全空冷的水轮发电机具有结构和系统简单、运行维护简便等优点，向大型化发展时，电负荷大造成温升高而影响绝缘寿命，限制了制造容量的提高。空气冷却的特点是定子绕组绝缘内导体的发热量必须经过绝缘外表向空气散热，或者再经过铁芯传导后向空气散热的冷却方式它必然导致导体温升高。当机组立体性尺寸增大，绕组的高温升还会引起定子铁芯的热变形，以及过大的热应力。电机起停过程时的冷热循环造成绕组伸缩而使绝缘疲劳脱壳，以及与定子槽的相对滑动等，这已经成为大型发电机的重要问题而影响电机的可靠性。此外，转子重量大，机械应力、以及轴承载负大等均增加了制造的难度。水内冷技术虽然突破了上述的限制，但又带来了下列问题，①水的泵循环及水的去离子净化系统；②水的净化不够时的结垢以及氧化物的堵塞问题；③水一旦泄漏会引发绝缘故障。蒸发冷却技术正是为了继承冷的优点而克服它的缺点，不断在稳步发展。在10MW和50MW水轮发电机工业机组研制成功和长期可靠运行的基础上，将李家峡4＃机组定子绕组由空冷改为蒸发冷却，一方面可以改善原来机组的性能，另一方面可以通过实验为更大型的机组取得研制与运行的经验。

　　2、4＃水轮发电机组蒸发冷却的设计

　　2.1设计原则

　　李家峡4＃机组是在3台空冷机组已经投产，且本机组肘管部分安装已经完成的情况下才改用蒸发冷却的。因为李家峡水电站为双排机布置，改变冷却形式对结构改变的工程量较大，所以在改用蒸发冷却时要求4＃机的发电机总体结构布置、控制尺寸和定、转子高程不变，且尽可能与已投运的三台空冷机组保持一致。即采取优化发电机定子槽数定子空燉实心导线的线规及空燉实比选择，兼顾考虑蒸发冷却系统正常工作和万一系统出现故障退出电机处在全空冷状态运行下可能的最大出力、定子线棒截面电流密度的优选，从结构设计、制造工艺、安装维护等多方面对气、电接头的结构做深入的研究。

　　蒸发冷却系统设计与研究是蒸发冷却技术具体实施的结构化，它主要包括发电机电磁方案的优化和定子线棒、密封接头、氟塑料引管、集气管、集液管、冷凝器、连接管、均压管、排气阀和排液阀等结构部件的优化设计。蒸发冷却系统的可靠性是蒸发冷却发电机研制成功的关键。因此，在设计时尽可能考虑简便可靠的结构和优化系统设计；尽可能减少可能的事故点；尽可能减少蒸发冷却系统工地的现场焊接。

　　2.2发电机电磁方案的优化

　　发电机电磁设计直接影响蒸发冷却系统的实施，影响该系统的工艺性、制造难度等。发电机原设计每层576槽，分上、下两层，由于槽数太多，线棒间空间太小，改为空心线棒后，无法满足施工要求，因此，提出396槽（上、下两层）方案，该方案是保持转子基本不变；上、下机架完全与原空冷方案相同的定子蒸发冷却方案。这样，既保留了原发电机结构相同性，电站标高的一致性。又有效地减少了发电机定子槽数，使之完全能适应内冷发电机生产制造要求。

　　2.3定子绕组密封接头的设计

　　对于蒸发冷却系统，密封接头是关键部件之一，李家峡采用空心导线抽出与密封接头焊接的结构。考虑密封的可靠性，密封接头与氟塑料管的连接采用卡套结构，该卡套在制造前，进行了严格的模拟泄漏试验，以保证其密封性能良好。

　　2.4排气管的布置

　　为使蒸发冷却系统的安全运行，排气管必须畅通可靠，选取两个对称布置的排气管，并在布置上使排气管内高外低，以免冷却介质在管内冷凝堵塞排气管。

　　2.5通风系统的优化

　　由于蒸发冷却介质带走了定子绕组损耗，需要空冷带走的损耗大副降低，经分析计算，所需的风量为137m³/s，又因高原空气稀薄的因素，所需风量为170m³/s，而原空冷风量均为270m³/s，在保持原结构不变的情况下将风量减少到适量的数量。

　　2.6冷却介质

　　蒸发冷却系统的冷却介质为氟里昂R／113.它有良好的绝缘性能和防火灭弧性能，不含水时无腐蚀性，在大气压时的沸点为47.3℃，当电机冷却系统运行在70℃以下时，压力在0～0.02MPa表压力，实际上一种无压密封系统运行状况，便于制造安装且具有较高可靠性。

　　该电机共有792（原设计为1152根）根线棒，每根线棒一条气支路，分为上、下两个接口，下接口为进液口，通过绝缘引管与集液管相连；上接口为出气口，通过绝缘引管与集气管相连。集气管与集液管间通过冷凝器相连接，形成一个闭合的循环管路。定子线棒分为上、下两层，集气管与集液管也分为内外两圈，分别与上下层线棒相连。    3蒸发冷却机组的定子下线

　　3.1线棒下线前的准备工作

　　李家峡4＃机定子下线属国家公关项目，安装人员必需严格按照有关图纸、规程、规范去完成。在蒸发冷却发电机中，叠片工艺和空冷发电机是一样的，在下线前，除对线棒要进行表面检查、测冷态时绝缘电阻值、交流耐压试验及起晕电压试验外，还要进行气密试验，气源为压缩氮气，压力为1MPa，保压时间为3min，不得泄露，从另一端放气，以验证单根线棒的流通性。

　　3.2下线工艺及耐压试验

　　下线工艺及耐压试验和普通线棒是一样的。

　　3.3气管路的安装

　　装上集气管及下集液管、连聚四氟乙烯管，先用临时支撑装两节1/12上层集气管（外环）将一节集气管出口临时用法兰封堵，另一节集气管出口用带有检漏嘴的法兰封堵。装1/6下层集液管（外环）及回液口，用临时支撑固定，并将两头临时焊接封堵。装以上两节管时，在圆周方向上应错开9根线棒，以便于连上聚四氟乙烯管后通过对应的下层线棒成一个比较密闭的系统，从而减少封堵，便于检漏。拆掉线棒接头处的堵头，将一端塑料管加热至150℃左右，加热时间为1min，使管子软化后迅速套在接头上。套上卡套，至此一根管子的组装结束，采用压缩空气进行检漏，气压为0.4MPa，120min无泄漏（使用洗涤剂检查，并用超声波检漏仪配合）。还充入氮气和适量的SF6，压力为0.3MPa，压4h无泄漏（使用激光检漏装置定向巡回检测和卤素检漏仪定点检测）。如接头泄漏，应重新安装。这样的方法安装所有管路。用CO2气体保护罩进行不锈钢焊接，整个蒸发冷却系统安装完后，系统气密试验，充入干燥氮气和适量的SF6，压力为0.25MPa，进行最后一次巡检，（使用激光检漏装置定向巡回检测和卤素检漏仪定点检测），确认无泄漏后，在起始压力为0.25MPa下保压72h表计压降不得大于3％，完全达到要求。

　　3.4氟里昂灌注

　　打开冷凝器放气阀，用干净的耐压输液管将定子下环管放液阀与氟里昂桶连接，打开氟里昂瓶阀，调整减压阀使进入储液筒的氮气压力为0.02～0.05MPa，此时，氟里昂气体流入冷却系统。监视液位，当灌至从下环管算起约4.4m时，关闭放液阀。

　　4蒸发冷却机组的运行试验

　　李家峡400MW蒸发冷却水轮发电机组于1999年12月10日正式投入了商业运行。截止2000年11月底，4＃机已累计运行5643.2h，发电量132241.89万kW·h，最大输出负荷为380MW（液位：2.32m，压力：0.05MPa，定子线圈最高温度：58℃），一般所带负荷为100～330MW，所测绕组温度在50～58℃范围内，压力变化范围为0.02～0.06MPa，均符合设计值。

　　李家峡4＃机组在发电初期曾出现一次系统泄漏，在1999年12月23日运行人员发现液位明显下降，边运行边判断，正常停机后充氮气检查，发现系统上环管一个法兰螺钉松动导致漏气，经处理重新加液后，运行正常。从2000年1月3日以后，系统可靠、密封良好，状态稳定温升低，机组运行良好。

　　5结论

　　①蒸发冷却应用于大型水轮机组不仅在技术上是可行的，而且效果是显著的。

　　②蒸发冷却作为一种新技术用于大型发电机组还有许多课题值得研究和探索。