張 瑋， 秦光宇， 劉平安

(1.國網(wǎng)甘肅省電力公司劉家峽水電廠，甘肅 永靖 731600；2.哈爾濱電機廠有限責任公司，哈爾濱 150040；3.水力發(fā)電設(shè)備國家重點實驗室 (哈爾濱大電機研究所)，哈爾濱 150040)

0 前言

劉家峽水電站位于甘肅省永靖縣境內(nèi)黃河干流上，距蘭州市100km，海拔1631m[1]。電站以發(fā)電為主，兼顧防洪、防凌、航運、灌溉和工業(yè)城鎮(zhèn)供水等，是我國自主建造的第一座百萬千瓦級大型水電站。劉家峽電站第一臺機組于1969年3月投產(chǎn)發(fā)電，1974年5臺機組全部投產(chǎn)發(fā)電，設(shè)計多年平均發(fā)電量為57×109kW·h。1994年劉家峽水電廠開始進行機組改造，至2002年，電廠裝機容量由1225MW增至1350MW。由于改造范圍小和技術(shù)的局限，改造后的發(fā)電機存在定子繞組溫差大、電暈腐蝕嚴重、絕緣受損及端部變形等問題，為了使機組能夠長期安全穩(wěn)定運行，需要從根本上解決機組存在的問題，其中通風系統(tǒng)改造是一項重要措施[2]。

1 改造前通風系統(tǒng)特點

改造前，發(fā)電機為雙路徑軸向轉(zhuǎn)子端部安裝斗式風扇通風結(jié)構(gòu)[3-4]。發(fā)電機下風道從水泥基礎(chǔ)進風，上風道從上機架進風，被冷卻器冷卻的空氣經(jīng)上、下風道進入機座內(nèi)。在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的壓頭驅(qū)送下，冷卻空氣一部分流入轉(zhuǎn)子支架、磁軛風道和磁極極間，另一部分被斗式風扇壓入磁極極間，同時吹拂定子繞組端部。全部冷卻風量通過定子徑向通風溝匯集至定子鐵芯背部，攜帶發(fā)電機熱量進入冷卻器進行冷卻，形成密閉自循環(huán)通風方式[5]。改造前通風系統(tǒng)風路如圖1所示，轉(zhuǎn)子端部風斗結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 發(fā)電機改造前風路

圖2 轉(zhuǎn)子端部風斗結(jié)構(gòu)

這種結(jié)構(gòu)的問題在于定子端部、銅環(huán)及引線處于封閉空間，僅有風斗對這部分空氣進行擾動從而進行冷卻，端部空間氣體溫度高、散熱系數(shù)低，部件冷卻難度大，過高的溫度會造成絕緣受損、繞組溫度分布不均等問題，長期運行危害機組安全[6-7]。為了改善端部冷卻條件，在定子端部對應機座壁開設(shè)通風道，使端部有冷卻風量流過，相應的風路如圖3所示。

圖3 發(fā)電機加強端部冷卻結(jié)構(gòu)后風路

該結(jié)構(gòu)下，端部冷卻效果有所改善。冷卻端部的空氣從冷卻器上、下機座壁的開孔流出，未經(jīng)冷卻直接回到發(fā)電機內(nèi)部，其溫度較冷卻器的出風溫度有所提高。

發(fā)電機共有12個冷卻器，其中繞簧式和針刺式冷卻器各6臺，呈穿插布置，繞簧式冷卻器冷卻效果優(yōu)于針刺式冷卻器，出風溫度相差3K左右。與穿片式冷卻器相比，繞簧式和針刺式冷卻器換熱效果都比較差，新機組基本不再選用。

為了掌握改造前發(fā)電機通風系統(tǒng)的情況，對其風量、通風損耗及流場進行了測量觀測。

用風速表測量冷卻器出風平面的平均風速，此風速值與冷卻器出風面面積及冷卻器個數(shù)相乘，即得總風量。一個冷卻器出風面的面積為3.2m2，冷卻器數(shù)量為12，測試數(shù)據(jù)見表1。

表1 冷卻器風量測試數(shù)據(jù)

由于風速儀測得的風速與實際風速存在一定偏差，其曲線校正方程為 Vs＝1.027Vz＋0.124，式中，Vs為實際風速，Vz為風速儀測試值。由此計算得實際平均風速為4.19m/s，發(fā)電機通風系統(tǒng)總風量為161m3/s。

對定子端部機座開孔流場的觀測情況如圖4所示，可見有風從發(fā)電機內(nèi)部流出。

圖4 定子端部機座開孔流場

通風損耗為發(fā)電機空轉(zhuǎn)時各冷卻器帶走的損耗[8]，即:

式中，Pa為被冷卻介質(zhì)帶走的損耗，kW；Cp為冷卻介質(zhì)比熱，kJ/(kg·K)；Q為冷卻介質(zhì)流量，m3/s；ρ為冷卻介質(zhì)密度，kg/m3；Δt為冷卻介質(zhì)溫升，K。

由于劉家峽電站海拔較高，因此空氣密度比平原低。采用電阻網(wǎng)測得熱風平均溫度為27.95℃，冷風平均溫度為19.62℃，冷熱風溫差為8.33K，根據(jù)公式(1)計算得通風損耗為1380kW。

據(jù)電站反饋，當發(fā)電機有功功率為255MW時，定子平均溫度為75℃，最高點溫度為92℃，不均勻度大，且各部分溫度大多較低。電站的反饋數(shù)據(jù)說明風量余量較大，多余的風量造成了不必要的通風損耗。

2 定子改造方案與效果

根據(jù)發(fā)電機定子改造的要求，針對發(fā)電機改造前存在的問題，有針對性地給出了通風改造方案[9]。改造內(nèi)容包括:

(1)更換定子機座，打開定子上、下端部對應位置；

(2)改換穿片式冷卻器，冷卻器最高出風溫度按37℃設(shè)計，以補償高海拔環(huán)境帶來的換熱能力降低，改善換熱效果；

(3)更換定子鐵芯和線圈，減小定子通風溝高度，增加定子通風溝個數(shù)，增加散熱面積，減小風量，控制通風損耗。

定子改造前后主要數(shù)據(jù)對比見表2。

表2 定子改造前后主要數(shù)據(jù)對比

應用線性技術(shù)將發(fā)電機內(nèi)冷卻流體流動網(wǎng)絡簡化為線性網(wǎng)絡，應用各種元件模擬流道流阻、流體類型及壓力等，進行流體動力計算，定子改造發(fā)電機通風系統(tǒng)計算網(wǎng)絡如圖5所示，各部分風量分配如圖6所示。

圖5 定子改造發(fā)電機通風系統(tǒng)計算網(wǎng)絡

圖6 定子改造發(fā)電機通風系統(tǒng)風量分配

計算得到定子改造發(fā)電機通風系統(tǒng)風量為150.4m3/s，通風損耗為1226kW，真機試驗測得總風量為144.0m3/s，通風損耗為1230kW。風量和通風損耗計算誤差在4%以內(nèi)。

通風系統(tǒng)風量減小至改造前的89.4%，通風損耗降低至改造前的89.1%，而經(jīng)計算可知，通風系統(tǒng)的需要風量為129.7m3/s，風量留有裕量，可以滿足發(fā)電機冷卻要求。定子改造實現(xiàn)了減小風量、控制通風損耗的目標。

3 整機改造通風冷卻系統(tǒng)特點與效果

為了從根本上解決劉家峽水輪發(fā)電機的問題，整機改造需要改變通風系統(tǒng)風路。在定子改造的基礎(chǔ)上，進行轉(zhuǎn)子改造，形成雙路徑向無風扇 (風斗)端部回風密閉自循環(huán)全空氣冷卻結(jié)構(gòu)。與改造前相比，流過定子端部的風向相反，定子端部由冷卻器流出的冷風直接冷卻，風量大，風溫低，冷卻效果好。通風系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，風路穩(wěn)定，無旋渦，通風損耗小，全部冷卻空氣都經(jīng)過冷卻器冷卻，無熱風溢出，機坑環(huán)境得到改善[10-12]。整機改造后通風系統(tǒng)風路如圖7所示。這種通風系統(tǒng)已廣泛應用于三峽、拉西瓦、官地、錦屏等電站機組，并取得良好的運行效果。

圖7 整機改造后發(fā)電機通風系統(tǒng)風路

整機改造發(fā)電機通風系統(tǒng)計算網(wǎng)絡如圖8所示，各部分風量分配如圖9所示。

圖8 整機改造發(fā)電機通風系統(tǒng)計算網(wǎng)絡

圖9 整機改造發(fā)電機通風系統(tǒng)風量分配

定子徑向通風溝齒部風速分布如圖10所示。

圖10 定子徑向通風溝齒部風速分布

劉家峽水輪發(fā)電機整機改造后計算總風量為145.2m3/s，通風損耗為1068kW，總風量和通風損耗進一步降低。由圖10可以看出，定子徑向通風溝風速均勻，保證了定子鐵芯和繞組具有相近的冷卻條件，從而使溫度分布趨于均勻。

為了驗證該風量下定、轉(zhuǎn)子各部分溫度，采用有限元法對額定260MW工況下的定、轉(zhuǎn)子溫度場進行了計算，其中冷風溫度按37℃計算。定子溫度計算結(jié)果如圖11所示，定子鐵芯溫度計算結(jié)果如圖12所示，轉(zhuǎn)子磁極溫度計算結(jié)果如圖13所示，勵磁線圈溫度分布曲線如圖14所示。

圖11 定子溫度計算結(jié)果 (單位:℃)

圖12 定子鐵芯溫度計算結(jié)果 (單位:℃)

圖13 轉(zhuǎn)子磁極計算區(qū)域溫度 (單位:℃)

圖14 勵磁線圈溫度分布曲線

計算得定子鐵芯最高溫度為79.2℃，定子線棒層間絕緣最高溫度為101.1℃，勵磁線圈平均溫度為103.2℃。定子軸向溫度分布均勻，轉(zhuǎn)子磁極迎風面溫度較背風面溫度略低，額定運行時的計算結(jié)果說明定、轉(zhuǎn)子各部件溫度都在設(shè)計經(jīng)驗和運行實踐合理范圍之內(nèi)?，F(xiàn)場有監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，當發(fā)電機有功功率為230MW時，整機改造后的定子平均溫度為57℃，最高點溫度為59.4℃，最大溫差4.9K。整機改造效果良好，可完全確保劉家峽水輪發(fā)電機的安全可靠穩(wěn)定運行。

4 結(jié)論

劉家峽水輪發(fā)電機改造采用了先改定子再改轉(zhuǎn)子的整機改造方式，逐漸控制風量，最終采用密封性能優(yōu)異的雙路徑向端部回風通風冷卻系統(tǒng)代替原機轉(zhuǎn)子風斗結(jié)構(gòu)，不僅提高了機組的安全可靠性，而且改善了溫度分布的均勻度，提升了定子鐵芯防翹曲性能及使用壽命，同時大幅降低了通風損耗，提高了發(fā)電機效率。

劉家峽水輪發(fā)電機改造是老舊機組增容改造的成功案例，可為后續(xù)機組改造提供經(jīng)驗。