謝尉揚

（浙能技術(shù)中心，杭州市，310052）

0 引言

發(fā)電機定子冷卻水系統(tǒng)的作用是通過冷卻水帶走發(fā)電機定子線圈產(chǎn)生的熱量，防止定子線圈超溫。國內(nèi)引進西屋、日立、東芝技術(shù)生產(chǎn)的水-氫-氫冷發(fā)電機，定子內(nèi)冷線圈采用銅質(zhì)材料。為維持定子冷卻水的水質(zhì)，該系統(tǒng)除定子以外的設(shè)備和管道全部采用不銹鋼材料，并通過過濾、水質(zhì)再生和水箱充氮等措施，防止線圈銅質(zhì)材料的氧化和腐蝕。定子冷卻水系統(tǒng)通常配置有水箱、水泵、冷卻器、過濾器、調(diào)節(jié)閥、去離子裝置等設(shè)備以及各種測量儀器[1-12]。集裝式定子冷卻水裝置一般布置在標(biāo)高低于發(fā)電機本體的汽輪機房0 m層或夾層，為防止定子冷卻水回水可能產(chǎn)生的虹吸現(xiàn)象，從發(fā)電機定子線圈匯水管出來的冷卻水被破壞真空后流回到定子冷卻水箱。如果能合理地控制定子冷卻水的流量，并且利用冷卻水的回水勢能，該系統(tǒng)還有較大的節(jié)能潛力。

1 定子冷卻水流量

機組投運后發(fā)電機定子冷卻水的流量通常被設(shè)定為一定值，但實際上發(fā)電機的負荷必須隨時服從電網(wǎng)調(diào)度的指令，發(fā)電機定子線圈產(chǎn)生的熱量隨負荷而變，基本上呈線性關(guān)系。當(dāng)發(fā)電機負荷下降時，如果定子冷卻水的流量維持不變，則定子冷卻水的溫升必定降低；如果只維持定子線圈的出水溫度不超標(biāo)，則可以減少定子冷卻水的流量，從而降低該系統(tǒng)的能耗。通過試驗，可以找出在定子線圈出水溫度不超標(biāo)條件下機組負荷與冷卻水流量的關(guān)系，按照所需的流量進行控制，就能達到節(jié)能的目的。改變冷卻水流量可以通過調(diào)節(jié)閥來實現(xiàn)，也可以利用電機變頻技術(shù)，通過改變水泵轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)。目前控制流量常規(guī)的手段是利用調(diào)節(jié)閥，但水流通過調(diào)節(jié)閥后會產(chǎn)生一定的壓降，造成相應(yīng)的能量損失。由于離心泵比較平坦的壓力-流量特性，在流量減少時壓力升高的幅度較小，故利用調(diào)節(jié)閥節(jié)流也能起到較好的節(jié)能效果。考慮到管道系統(tǒng)的阻力特性與流速（流量）的2次方成比例關(guān)系，當(dāng)流量降低時系統(tǒng)的阻力也相應(yīng)降低，因此可以利用電機變頻技術(shù)，通過降低水泵的轉(zhuǎn)速來降低系統(tǒng)的流量和阻力，由于水泵的功率與轉(zhuǎn)速的3次方成比例關(guān)系，因而其節(jié)能效果將更加明顯。由于水泵特性必須與管路系統(tǒng)的阻力特性相匹配，具體的轉(zhuǎn)速降低范圍還需要通過現(xiàn)場試驗來確定。

2 回水勢能

由于集裝式定子冷卻水裝置低位布置于發(fā)電機下面，定子冷卻水的回水通常被破壞真空后流回到冷卻水箱，沒能利用虹吸效應(yīng)，從而浪費了回水的勢能。如果定子冷卻水設(shè)備（水箱）布置在0 m層，從回水管高點到冷卻水箱的高差則是從運行層到0 m層的高差，300 MW機組有12 m，600 MW機組有13.7 m，1 000 MW機組有17 m，即使是布置在夾層，也約有上述一半的高差，與冷卻水泵的揚程相比，這部分高差也占相當(dāng)比例。如果要利用這部分回水的勢能，必須對系統(tǒng)進行合理的布置，讓整個冷卻水的回水管也充滿水。譬如可以將水箱從集裝式定子冷卻水裝置中分離出來，提高其布置標(biāo)高，使之能略高于（幾m即可）定子冷卻水回水的最高點，其他定子冷卻水設(shè)備仍低位布置在0 m層或夾層，這樣既可保證整個定子冷卻水系統(tǒng)的管路充滿水，又不會過于增加整個系統(tǒng)的壓力。這時候的水箱在高位，主要起到系統(tǒng)膨脹水箱的作用，因而可以大大減小水箱的容量。定子冷卻水系統(tǒng)這樣布置后，由于利用了回水的勢能，可以相應(yīng)地降低冷卻水泵的揚程，理論上可以降低回水高差。目前采用西門子技術(shù)的1 000 MW汽輪發(fā)電機，定子冷卻水系統(tǒng)的水箱已經(jīng)高位布置，充分利用了回水的勢能，水箱的容積為0.58 m3，而某公司生產(chǎn)的水箱采用低位布置，其容積為5 m3。

如果不能完全利用定子冷卻水的回水勢能，也可設(shè)法利用一部分。譬如將布置在0 m層的集裝式定子冷卻水裝置提高到夾層，這樣回水勢能的損失可以從運行層至0 m層的高差減少到從運行層至夾層的高差，相當(dāng)于利用了從夾層到0 m層高差的回水勢能，這時候水泵的揚程也可相應(yīng)減少，這樣布置縮短了管道的總體長度，也降低了管道的阻力。

3 水質(zhì)再生

當(dāng)定子冷卻水系統(tǒng)是有銅系統(tǒng)時，為防止銅質(zhì)材料的氧化和腐蝕，對冷卻水的水質(zhì)有較高的要求。按照DL/T 801—2002《大型發(fā)電機內(nèi)冷水質(zhì)及系統(tǒng)技術(shù)要求》，定子冷卻水應(yīng)采用除鹽水或凝結(jié)水，水質(zhì)要求如下：pH（25℃）值7.0～9.0，電導(dǎo)率（25℃）不大于2.0 μs/cm，硬度小于2.0 μmol/L，溶氧量小于30 μg/L，含銅量不大于40 μg/L，溶氨量小于300 μg/L。為保證水質(zhì)指標(biāo)，定子冷卻水的整個外部系統(tǒng)采用全不銹鋼材料，同時對定子冷卻水的水箱進行充氮保護，以防止空氣進入該系統(tǒng)；另一方面還專門對冷卻水進行去離子再生處理，通常是配置1套樹脂交換裝置，將冷卻水流量的10%～20%經(jīng)樹脂交換裝置再生，再生后的高純度水流回到系統(tǒng)。如果系統(tǒng)的水質(zhì)維持較好，則可以減少再生水的流量，甚至可以暫時不進行再生處理，相應(yīng)節(jié)省水泵的能耗。當(dāng)定子冷卻線圈內(nèi)襯不銹鋼材料時，整個系統(tǒng)為全不銹鋼系統(tǒng)，水中無含銅量，水質(zhì)指標(biāo)較容易保證，可以減少冷卻水的再生流量。如采用西門子技術(shù)的1 000 MW汽輪發(fā)電機，定子冷卻線圈內(nèi)襯不銹鋼，該系統(tǒng)僅對補充水部分進行樹脂交換處理，并且流量也很?。?20 L/h），不需要額外消耗水泵的功率。由于系統(tǒng)水質(zhì)較好，并且無泄漏，實際上不需要一直補水，建議對系統(tǒng)進行適當(dāng)優(yōu)化，從水泵出口增加1路相應(yīng)流量的旁路水經(jīng)樹脂再生后流回系統(tǒng)，這樣可以減少系統(tǒng)的溢流損失。

4 節(jié)能潛力分析

以1 000 MW汽輪發(fā)電機為例，對A公司和B公司生產(chǎn)的定子冷卻水系統(tǒng)進行比較。A公司設(shè)置了冷卻水高位水箱，水箱布置在25 m標(biāo)高，保證了定子冷卻水的回水管充滿水，充分利用了冷卻水的回水勢能。B公司的冷卻水箱在集裝式定子冷卻水裝置內(nèi)，整體布置于汽輪機房的0 m層，定子冷卻水的回水按破壞虹吸設(shè)計，沒有利用冷卻水的回水勢能。2家制造廠要求發(fā)電機定子線圈的冷卻水流量均為120 m3/h，所配定子冷卻水泵的額定參數(shù)見表1。

表1 1 000 MW汽輪發(fā)電機定子冷卻水泵額定參數(shù)Tab.1 Rated parameters of stator cooling water pump of 1 000 MWturbo-generator

由制造廠選配的水泵電機功率可知，A公司的功率比B公司的低27%，即使按水泵在額定參數(shù)下的軸功率計算，假定水泵的效率一致，前者的軸功率也比后者低33%。如果將B公司的定子冷卻水系統(tǒng)改造成高位水箱布置，僅以水泵揚程降低17 m計算，水泵的功率也能降低16%。

當(dāng)集裝式定子冷卻水裝置的布置從0 m層提高到夾層時，1 000 MW機組的這2層高差有8.6 m，理論上計算B公司的冷卻水泵功率可以降低8%，A公司的冷卻水系統(tǒng)由于已經(jīng)利用了回水勢能，集裝式定子冷卻水裝置標(biāo)高的提高不能再降低能耗，但可以縮短管道的長度，減小管道的阻力，因而也是有利的。

目前火電廠機組負荷率平均為75%，只要能維持定子線圈冷卻水的出口溫度不超標(biāo)，如果以調(diào)節(jié)閥來控制冷卻水流量，大約可以節(jié)約20%的能耗；如果定子冷卻水泵采用電機變頻技術(shù)，在流量減小的同時還可降低水泵的出口壓力，即使考慮到水泵轉(zhuǎn)速降低對水泵效率的影響，也可以節(jié)省更多的能耗，機組負荷率越低時節(jié)能效果越明顯。

5 結(jié)語

發(fā)電機定子冷卻水系統(tǒng)的總功率雖然不大，但如果能充分利用系統(tǒng)的回水勢能，并且按定子線圈的出水溫度不超標(biāo)來控制冷卻水流量，仍具有可觀的節(jié)能潛力，可以從系統(tǒng)的合理布置、流量的控制手段以及水質(zhì)再生流量最小化等方面對系統(tǒng)進行優(yōu)化和改進。對于B公司1 000 MW汽輪發(fā)電機的定子冷卻水系統(tǒng)，如果能夠充分利用冷卻水的回水勢能，水泵可以降低16%的功率，即使僅將集裝式定子冷卻水裝置的布置從汽輪機房0 m層提高到夾層，冷卻水泵也能降低8%的功率。按目前機組平均75%的負荷率計算，只要維持定子線圈出水溫度不超標(biāo)，如果以調(diào)節(jié)閥來控制冷卻水流量，大約可以節(jié)約20%的能耗；如果對冷卻水泵采用電機變頻技術(shù)，則可以節(jié)省更多的能耗。

[1]DL/T 801—2002大型發(fā)電機內(nèi)冷水質(zhì)及系統(tǒng)技術(shù)要求[S].北京：中國電力出版社，2002.

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