刁國(guó)峰，岳文亭，茍小軍，張建峰

(國(guó)網(wǎng)甘肅劉家峽水電站，甘肅 永靖 731600)

0 引 言

劉家峽水電站工程于1958年9月27日正式動(dòng)工興建，第1臺(tái)機(jī)組于1969年3月29日并網(wǎng)發(fā)電，1974年12月5臺(tái)機(jī)組全部安裝完畢并投產(chǎn)發(fā)電。在西北電力系統(tǒng)中處于十分重要的地位。至今，劉家峽電站已經(jīng)穩(wěn)定運(yùn)行了50余載，近年來(lái)，電站內(nèi)發(fā)電機(jī)碳粉堆積問(wèn)題日益嚴(yán)重，已經(jīng)逐步威脅到電站的穩(wěn)定運(yùn)行[1]。

劉家峽水電廠發(fā)電機(jī)采用老式直流勵(lì)磁機(jī)，機(jī)內(nèi)未裝設(shè)碳粉收集裝置，發(fā)電機(jī)機(jī)組運(yùn)行時(shí)碳粉飄逸和堆積情況嚴(yán)重，碳粉飄逸會(huì)污染電廠內(nèi)空氣；碳粉堆積會(huì)導(dǎo)致集電環(huán)溫度較高和降低電氣設(shè)備絕緣性能等問(wèn)題，機(jī)組發(fā)電效率及安全性下降。筆者主要針對(duì)勵(lì)磁機(jī)內(nèi)碳粉堆積過(guò)多，影響發(fā)電安全和效率一題展開(kāi)研究，通過(guò)加裝碳粉收集裝置解決碳粉堆積問(wèn)題，提高水力發(fā)電機(jī)安全性和發(fā)電效率。

1 勵(lì)磁系統(tǒng)的作用及碳粉堆積問(wèn)題

供給水輪發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流的電源及其附屬設(shè)備統(tǒng)稱為勵(lì)磁系統(tǒng)，勵(lì)磁系統(tǒng)的核心為直流勵(lì)磁機(jī)，直流勵(lì)磁機(jī)主要由功率單元和調(diào)節(jié)器(裝置)兩大部分組成，其中勵(lì)磁功率單元是指為同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組提供直流勵(lì)磁電流的勵(lì)磁電源部分，而勵(lì)磁調(diào)節(jié)器則是根據(jù)控制要求的輸入信號(hào)和給定的調(diào)節(jié)準(zhǔn)則控制勵(lì)磁功率單元輸出的裝置。由勵(lì)磁調(diào)節(jié)器、勵(lì)磁功率單元和發(fā)電機(jī)本身一起組成的整個(gè)系統(tǒng)稱為勵(lì)磁系統(tǒng)控制系統(tǒng)。勵(lì)磁系統(tǒng)是發(fā)電機(jī)的重要組成部份，它對(duì)電力系統(tǒng)及發(fā)電機(jī)本身的安全穩(wěn)定運(yùn)行有很大的影響。

勵(lì)磁系統(tǒng)的主要作用有根據(jù)發(fā)電機(jī)負(fù)荷的變化相應(yīng)的調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流，以維持機(jī)端電壓為給定值，控制并列運(yùn)行發(fā)電機(jī)間無(wú)功功率分配，在發(fā)電機(jī)內(nèi)部出現(xiàn)故障時(shí)，進(jìn)行滅磁，以減小故障損失程度，根據(jù)運(yùn)行要求對(duì)發(fā)電機(jī)實(shí)行最大勵(lì)磁限制及最小勵(lì)磁限制。

機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中，集電環(huán)與碳刷摩擦，產(chǎn)生的大量碳粉會(huì)污染集電環(huán)相關(guān)部件，導(dǎo)致勵(lì)磁機(jī)設(shè)備的絕緣部件絕緣性能降低、零點(diǎn)接地和碳刷高溫等嚴(yán)重安全隱患[2]。碳粉堆積情況如圖1所示。

2 碳粉收集裝置設(shè)計(jì)與應(yīng)用

2.1 設(shè)計(jì)理念

根據(jù)劉家峽發(fā)電機(jī)外罩的結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)碳粉收集裝置。碳粉收集裝置通過(guò)管路對(duì)外罩內(nèi)部碳粉進(jìn)行抽取后再進(jìn)行過(guò)濾。既可以收集機(jī)組運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的碳粉，又由于內(nèi)部熱空氣的抽離，外部冷空氣的補(bǔ)充，達(dá)到通風(fēng)降溫的目的[3]。碳粉收集裝置設(shè)計(jì)圖如圖2所示。

2.2 設(shè)計(jì)分析與計(jì)算

碳粉收集裝置主要由吸風(fēng)口、環(huán)管和除塵器三部分組成。

2.2.1 吸風(fēng)口

(1) 吸風(fēng)口的面積大小由碳粉飄逸軌跡決定，為分析碳粉顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡，需要建立粉塵顆粒的運(yùn)動(dòng)方程[4]?？紤]電場(chǎng)力、黏性阻力以及重力三種主要的顆粒受力。笛卡爾坐標(biāo)系下顆粒動(dòng)量方程見(jiàn)式(1)：

(1)

式中：mp為碳粉粒子質(zhì)量，kg；uj表示顆粒物在j方向的速度(j代表x,y方向)，m/s。

空氣動(dòng)力學(xué)拖曳力：

up)|ug-up|

式中：CD為氣體-顆粒阻力系數(shù)；dp為顆粒直徑。

利用 FLUENT 計(jì)算風(fēng)壓除塵器內(nèi)湍流場(chǎng)，采用SIMPLE 算法對(duì)控制容積進(jìn)行數(shù)值求解。采用有限容積法離散化耦合求解電勢(shì)泊松方程和電流連續(xù)性方程，可得到粒子荷電密度和電場(chǎng)分布。認(rèn)為空氣是連續(xù)相，采用 Euler 方法對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算;認(rèn)為粉塵顆粒是離散相，采用 Lagrange 顆粒軌跡法對(duì)顆粒運(yùn)動(dòng)進(jìn)行追蹤。選用分離式求解依次求解流場(chǎng)、顆粒動(dòng)力場(chǎng)以及電場(chǎng)的各個(gè)方程，經(jīng)過(guò)多次迭代可得到收斂解。

多次求解后取平均值，選取橫截面積為170 mm×300 mm的吸風(fēng)口可以完成集塵工作。

(2) 通過(guò)測(cè)量機(jī)罩周徑，在保證機(jī)罩完整性和安全性的前提下，最終設(shè)計(jì)14個(gè)吸風(fēng)口，全方位收集由滑環(huán)室飄逸而出的碳粉，吸風(fēng)頭與機(jī)罩接觸面設(shè)計(jì)為7.3°的弧面，緊密貼合機(jī)罩，在接觸面還設(shè)計(jì)有與吸風(fēng)頭等大的橡膠墊，加強(qiáng)切口的密封性，防止碳粉逸出，加強(qiáng)吸塵效果[5]。吸風(fēng)口設(shè)計(jì)圖如圖3所示。

2.2.2 環(huán) 管

環(huán)管起連接吸風(fēng)口和除塵器的作用，其主要由碳鋼鋼管和橡膠軟管組成，碳鋼鋼管保證管路的可靠性，在連接部位使用橡膠軟管連接，可以使整個(gè)連接管路的位置更靈活多變，兩種管道的內(nèi)壁作光滑處理，避免收集的碳粉堵塞管道。環(huán)管設(shè)計(jì)圖如圖4所示。

圖3 吸風(fēng)口設(shè)計(jì)圖

圖4 環(huán)管設(shè)計(jì)圖

2.2.3 除塵器

(1) 根據(jù)電廠現(xiàn)場(chǎng)的氣壓情況計(jì)算吸收碳粉所需的風(fēng)壓參數(shù)。吸風(fēng)口與機(jī)罩連接處的壓力及風(fēng)量計(jì)算，設(shè)計(jì)吸風(fēng)口風(fēng)速為20 m/s，每臺(tái)除塵裝置需連接2根環(huán)管，則除塵裝置需要調(diào)節(jié)的風(fēng)量為：

Q=S×v

=0.0552×3.14×20×2×3600≈1 368 m3/h

式中：S為環(huán)管橫截面積，m2；v為吸風(fēng)口風(fēng)速，m/s。

(2) 除塵器的選型

通過(guò)計(jì)算，當(dāng)除塵裝置的調(diào)節(jié)風(fēng)量為1 368 m3/h時(shí)，可以完成收集碳粉作業(yè)，對(duì)向分布的兩個(gè)碳粉收集裝置同時(shí)將滑環(huán)室內(nèi)碳粉吸出，可以使吸氣量更加均勻?？紤]到風(fēng)量在環(huán)管傳輸中有所損耗，并增加了冗余配置。查詢風(fēng)量-電機(jī)功率性能曲線表如圖5所示。

圖5 風(fēng)量-電機(jī)功率性能曲線圖

選用4臺(tái)3.0 kW的除塵器進(jìn)行吸風(fēng)作業(yè)，強(qiáng)勁的風(fēng)壓保證碳粉均能進(jìn)入碳粉收集裝置，并且通過(guò)空氣流動(dòng)的方式也實(shí)現(xiàn)了對(duì)于整個(gè)勵(lì)磁系統(tǒng)和碳刷的降溫工作。除塵器設(shè)計(jì)圖如圖6、7所示。

圖6 除塵器俯視圖

圖7 除塵器主視圖

2.3 運(yùn)行效果

4臺(tái)除塵器同時(shí)工作的情況下，超過(guò)95%的碳粉均被收集裝置吸走，電站內(nèi)不再有飄逸的碳粉，空氣質(zhì)量明顯改善；滑環(huán)室內(nèi)無(wú)碳粉堆積，碳刷溫度明顯降低，并且不再出現(xiàn)因碳粉堆積問(wèn)題而造成的非計(jì)劃停機(jī)，成功解除因碳粉堆積而對(duì)電站運(yùn)行形成的危機(jī)。碳粉收集裝置建成效果如圖8所示。

圖8 運(yùn)行效果圖

3 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)根據(jù)對(duì)劉家峽電站的實(shí)地考察測(cè)量出準(zhǔn)確數(shù)據(jù)后，通過(guò)數(shù)學(xué)計(jì)算和有限元模型分析，設(shè)計(jì)出最適用于劉家峽電站的碳粉收集裝置。投入使用后取得了良好的碳粉收集效果，成功解決了直流勵(lì)磁機(jī)內(nèi)碳粉堆積的問(wèn)題。文中提到的碳粉收集方案也適用于同類型的電站，對(duì)各大電站進(jìn)行新裝機(jī)或改造時(shí)具有指導(dǎo)意義。