龔在禮， 楊天勇， 孟憲影

(1.四川電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 成都 610071;2.華電四川寶珠寺電廠，四川 廣元 628003)

隨著水電廠運(yùn)行技術(shù)的智能化、人性化以及用戶(hù)二次開(kāi)發(fā)技術(shù)的普及和應(yīng)用，最大限度地節(jié)約水能、提高水電機(jī)組的運(yùn)行效率是完全可以實(shí)現(xiàn)的。水電廠耗用水能除了用于水輪機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電以外，還有各冷卻、潤(rùn)滑系統(tǒng)耗用的水能。對(duì)于具有年調(diào)節(jié)能力及以上的水電廠，通過(guò)合理進(jìn)行水庫(kù)調(diào)度，基本上可以避免棄水，減少發(fā)電機(jī)、軸承及變壓器等設(shè)備冷卻、潤(rùn)滑系統(tǒng)的水能耗用，相當(dāng)于增加了發(fā)電量，創(chuàng)造了經(jīng)濟(jì)價(jià)值，也就等于減少了化石燃料的耗用和二氧化碳的排放。筆者通過(guò)對(duì)四川境內(nèi)某水電廠冷卻系統(tǒng)減少耗水量進(jìn)行的可行性分析，提出了減少耗水量的解決方案，并作了節(jié)能減排效果分析，供設(shè)計(jì)、制造及運(yùn)行單位參考。

1 該水電廠機(jī)組及其環(huán)境特點(diǎn)

該水電廠總裝機(jī)容量為70(4×17.5)萬(wàn)kW，最大庫(kù)容25.5 億 m3，調(diào)節(jié)庫(kù)容 13.4 億 m3，設(shè)計(jì)時(shí)為具有不完全年調(diào)節(jié)水庫(kù)電站。近年來(lái)，由于水庫(kù)上游來(lái)水量減少，現(xiàn)已演變?yōu)榫哂型耆暾{(diào)節(jié)或多年調(diào)節(jié)水庫(kù)電站，已多年未出現(xiàn)棄水現(xiàn)象。該廠在四川電力系統(tǒng)中承擔(dān)調(diào)峰、調(diào)頻和事故備用任務(wù)，同時(shí)還承擔(dān)調(diào)壓任務(wù)，機(jī)組負(fù)荷率較低，多年平均在60%左右;額定負(fù)荷運(yùn)行時(shí)間短，少于15%;空載或輕載運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng)，達(dá)23.6%;四臺(tái)機(jī)組為發(fā)電機(jī)-變壓器單元接線(xiàn)。機(jī)組年平均耗水率加權(quán)值約為5.61 m2/kW·h，枯水期(每年11月到次年4月)水庫(kù)水頭較高，平均耗水率加權(quán)值降低，約為4.71 m3/kW·h。鑒于四川電網(wǎng)實(shí)行峰、枯電價(jià)政策，枯水期上網(wǎng)電價(jià)較高，故單位水能產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益可觀。

該廠發(fā)電機(jī)為水冷卻，空氣冷卻器用水量為710 m3/h。在冷卻水溫不超過(guò)25℃、冷卻空氣溫度不超過(guò)40℃的情況下能在額定功率下連續(xù)運(yùn)行;同時(shí)，發(fā)電機(jī)允許在解除一個(gè)空氣冷卻器后，仍在額定工況下連續(xù)運(yùn)行。定子機(jī)座外圓均勻布置有12個(gè)空氣冷卻器，具有較高的熱交換效果。定、轉(zhuǎn)子線(xiàn)圈采用B級(jí)絕緣，最高允許溫度為130℃。推力軸承轉(zhuǎn)動(dòng)部分重量721.6 t，額定負(fù)荷時(shí)軸向水推力為820 t，冷卻系統(tǒng)配置有4臺(tái)油冷卻器，置于油槽外側(cè)，借助外加泵強(qiáng)迫油進(jìn)行循環(huán)冷卻冷卻器耗水量為270 m3/h。在額定工況下，推力軸承最高溫度不超過(guò)70℃。冷卻器的最高進(jìn)水溫度為26℃，工作壓力為0.5 MPa。

該廠變壓器為強(qiáng)迫油循環(huán)水冷卻，共設(shè)置4臺(tái)冷卻器，其中2臺(tái)工作，2臺(tái)備用，單臺(tái)冷卻器用水量為35 m3/h，2臺(tái)工作時(shí)總冷卻用水量70 m3/h。繞組采用A級(jí)絕緣，在正常情況下，為了保護(hù)絕緣油不致過(guò)度氧化，上層油溫應(yīng)不超過(guò)85℃。同時(shí)，變壓器設(shè)計(jì)技術(shù)條件規(guī)定，變壓器運(yùn)行中，當(dāng)冷卻器故障全部切除時(shí)，應(yīng)允許變壓器在額定負(fù)載下運(yùn)行20 min，20 min后，當(dāng)上層油溫未達(dá)到75℃，則允許繼續(xù)運(yùn)行至上層油溫上升到75℃。但在切除全部冷卻裝置后，變壓器的最長(zhǎng)運(yùn)行時(shí)間在任何情況下均不得超過(guò)1 h。根據(jù)該廠多年的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，該廠主變壓器溫升很少超過(guò)20℃，上層油溫常年在45℃以下，均未達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的溫度限值。

2 減少冷卻水量的可行性分析

由于該廠水庫(kù)具有年調(diào)節(jié)甚至多年調(diào)節(jié)能力，在電力系統(tǒng)中承擔(dān)調(diào)峰、調(diào)頻、調(diào)壓和事故備用任務(wù)。機(jī)組旋轉(zhuǎn)備用和事故備用的時(shí)間較長(zhǎng)，2007年至2010年間，空載小時(shí)數(shù)平均達(dá)3 646 h，占已運(yùn)行小時(shí)數(shù)的23.6%(平均值)，見(jiàn)表1。運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)顯示，該廠發(fā)電機(jī)額定運(yùn)行小時(shí)數(shù)僅為15%，大部分時(shí)間發(fā)電機(jī)都在空載或輕載下運(yùn)行，發(fā)電機(jī)、推力軸承及變壓器發(fā)熱量較小，需要的冷卻功率亦較小。

表1 該廠機(jī)組近年主要運(yùn)行指標(biāo)表 /h

因該廠地處四川地區(qū)北部，晝夜溫差和冬夏季溫差較大。發(fā)電機(jī)層夏季最高溫度(晝)36℃，冬季(枯水期一般為每年11月到次年4月)最低溫度(夜)0℃;冷卻水溫偏低，最高溫度為5℃，最低溫度為0℃，見(jiàn)表2。在冬季及夜間，冷卻水溫低，冷卻效果好，故可減少冷卻水量。

表2 環(huán)境及冷卻水溫度值表

由于我國(guó)電力行業(yè)在上個(gè)世紀(jì)90年代以前，在設(shè)備的設(shè)計(jì)、制造時(shí)考慮可靠性、安全性、穩(wěn)定性等因素較多，對(duì)節(jié)能減排因素考慮較少，冷卻系統(tǒng)的安全系數(shù)在設(shè)計(jì)部門(mén)和制造部門(mén)的層層加碼下，冷卻水量趨于保守而偏大，故存在減少冷卻水量的可能。

多年運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，該廠主變壓器溫升很少超過(guò)20℃，上層油溫常年在45℃及以下，離國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的上限溫度值(85℃)有較大裕度。因此，減小冷卻水，甚至短時(shí)(1 h以?xún)?nèi))停止冷卻水，變壓器溫度也不會(huì)超過(guò)允許值。

綜上分析可知，在發(fā)電機(jī)空載(或輕載)工況、冬季和夜間時(shí)段可減少大量的冷卻水;既使在額定運(yùn)行工況下，也存在減小冷卻水的可能。

3 解決方案

(1)委托專(zhuān)業(yè)試驗(yàn)機(jī)構(gòu)(如各省市的電力試驗(yàn)研究院)做設(shè)備的溫升試驗(yàn)，測(cè)取溫度隨時(shí)間升高的值，重新確定冷卻水量。

①先讓發(fā)電機(jī)保持額定負(fù)荷運(yùn)行，空冷器冷卻水100%投入，測(cè)取數(shù)個(gè)發(fā)電機(jī)定子鐵芯、轉(zhuǎn)子繞組溫度隨時(shí)間升高的值，直至測(cè)點(diǎn)溫度達(dá)到穩(wěn)定值為止，試驗(yàn)數(shù)據(jù)填入表3。若測(cè)點(diǎn)穩(wěn)定溫度低于且離上限溫度裕度較大，可減小冷卻水量，直至穩(wěn)定溫度低于并接近上限溫度為止，記錄下該冷卻水量，作為發(fā)電機(jī)額定負(fù)荷下的冷卻水量Qf1。再讓發(fā)電機(jī)保持輕載(≤20%PN)運(yùn)行，因此時(shí)發(fā)電機(jī)空載損耗占到總損耗的60%，而空載發(fā)熱量應(yīng)占總發(fā)熱量的60%左右。輕載(≤20%PN)運(yùn)行時(shí)，投入60%的冷卻水量，重新測(cè)取發(fā)電機(jī)溫度隨時(shí)間升高的值，直至測(cè)點(diǎn)溫度達(dá)到穩(wěn)定值為止，試驗(yàn)數(shù)據(jù)填入表3。若測(cè)點(diǎn)溫度低于且離上限溫度裕度較大，可減小冷卻水量，直至穩(wěn)定溫度小于且接近上限溫度為止，記錄下該冷卻水量，作為發(fā)電機(jī)輕載下的冷卻水量Qf2。反之，則增大冷卻水量，重新再試一次。

表3 發(fā)電機(jī)溫度及冷卻水量試驗(yàn)值表

②用同樣的方法測(cè)取推力軸承的溫度隨時(shí)間升高的值，可求得推力軸承在額定負(fù)荷、輕載(≤20%PN)負(fù)荷時(shí)實(shí)際需求的冷卻水量Qt1、Qt2。因空載時(shí)推力軸承損耗占到總損耗的50%左右，故輕載(≤20%PN)運(yùn)行時(shí)，投入50%的冷卻水量。

③用同樣的方法測(cè)取變壓器的的溫度隨時(shí)間升高的值，可求得變壓器在額定負(fù)荷、輕載(≤20%PN)負(fù)荷時(shí)實(shí)際需求的冷卻水量 Qb1、Qb2。因空載時(shí)變壓器損耗僅占總損耗的30%左右，故輕載(≤20%PN)運(yùn)行時(shí)，投入30%的冷卻水量。

(2)委托設(shè)備制造廠家改造各冷卻水控制閥，加裝閥門(mén)開(kāi)度智能化控制系統(tǒng)，使冷卻水量隨溫度及負(fù)荷自動(dòng)調(diào)節(jié)。

①該廠發(fā)電機(jī)定、轉(zhuǎn)子線(xiàn)圈為B級(jí)絕緣，允許最高工作溫度不超過(guò)130℃，考慮安全系數(shù)1.3，發(fā)電機(jī)定子鐵芯溫度允許值為100℃。因此，若溫度達(dá)到100℃ 時(shí)，增加冷卻水量至Qf1，若發(fā)電機(jī)負(fù)荷降低至輕載(≤20%PN)或溫度降低至60℃，則減少冷卻水量至Qf2。

②根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，推力軸承工作溫度一般應(yīng)保持在50℃以下。若溫度達(dá)到50℃ 時(shí)，增加冷卻水量至Qt1;若發(fā)電機(jī)負(fù)荷降低至輕載(≤20%PN)或溫度降低至35℃時(shí)，則減少冷卻水量至Qt2。

③該廠變壓器線(xiàn)圈絕緣為A級(jí)絕緣，工作溫度保持在85℃以下。若溫度接近85℃ 時(shí)，增加冷卻水量至Qb1;若變壓器負(fù)荷降低至輕載(≤20%PN)或溫度降低至35℃時(shí)，則減少冷卻水量至Qb2。

4 節(jié)能減排效果分析

目前，只要機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)，該廠發(fā)電機(jī)、推力軸承和變壓器冷卻水即按設(shè)計(jì)值投入全部冷卻水量。每臺(tái)發(fā)電機(jī)空氣冷卻器耗水量為710 t/h，四臺(tái)發(fā)電機(jī)總耗水量為2 840 t/h。每臺(tái)機(jī)組推力軸承冷卻系統(tǒng)耗水量為270 t/h，四臺(tái)機(jī)組推力軸承冷卻器總耗水量為1 080 t/h。每臺(tái)變壓器耗水量為70 t/h，四臺(tái)變壓器總耗水量為280 t/h。

(1)因發(fā)電機(jī)及其推力軸承空載(或輕載)運(yùn)行時(shí)損耗僅占額定運(yùn)行的60%左右，變壓器空載運(yùn)行的損耗不到額定運(yùn)行的40%，按上述技術(shù)改造方案，發(fā)電機(jī)及其推力軸承冷卻水可減少40%，變壓器冷卻水可減少60%。由表1可知，該廠自2007年至2010年，機(jī)組平均每年有3 646 h處于空載(或輕載)運(yùn)行，則總計(jì)每年可減少冷卻水量:

(2 840×40%+1 080×40%+280×60%)×3 646=6 329 456(t)

該廠年平均耗水率加權(quán)值按5.61 m3/kW·h計(jì)算，減少的這部分水能每年可實(shí)現(xiàn)發(fā)電量:

6 329 456/5.61=1 128 245(kW·h)

該廠平均上網(wǎng)電價(jià)為0.49元/kW·h，年可增加收入552 840元，若按表3所示燃煤電廠碳排放系數(shù)為270克碳/kW·h，水電廠碳排放系數(shù)4.9克碳/kW·h，則年減少碳排放量為1 356.28 t碳。

表4 各類(lèi)發(fā)電廠碳排放系數(shù)表

若通過(guò)合理調(diào)度，將水能調(diào)整到枯水期發(fā)電，枯水期水位較高，枯水期平均耗水率加權(quán)值較豐水期減少，即4.71 t/kW·h，則可增加發(fā)電量為:

6 329 456/4.71=1 343 833(kW·h)

按枯水期上網(wǎng)電價(jià)0.72元/kW·h計(jì)算，年可增加收入967 560元;年減少碳排放量為1 615.44 t碳。

(2)若考慮冬季和夜間環(huán)境溫度和冷卻水溫度較低，可再減少5%左右;考慮上世紀(jì)90年代以前設(shè)計(jì)、制造安全系數(shù)偏大等原因，還可再減小5%左右，故其經(jīng)濟(jì)效益和減排效果更好。

5 結(jié)語(yǔ)

委托專(zhuān)業(yè)試驗(yàn)機(jī)構(gòu)試驗(yàn)，提供設(shè)備的溫升曲線(xiàn)及相應(yīng)設(shè)備的冷卻水量，設(shè)備研發(fā)制造廠家對(duì)機(jī)組及變壓器冷卻水系統(tǒng)進(jìn)行智能化改造，所需資金不多，經(jīng)濟(jì)效益與減排效果好，值得相關(guān)部門(mén)參考并進(jìn)行進(jìn)一步研究。

[1]秦定龍.開(kāi)發(fā)水能可以有效減少二氧化碳的排放[J].四川水力發(fā)電，2011，30(2):71 －75，78.

[2] 胡虔生，等.電機(jī)學(xué)[M].北京:中國(guó)電力出版社，2009.