雷一鳴，張 莉

(上海電力學(xué)院能源與環(huán)境工程學(xué)院，上海 200090)

火電機(jī)組的發(fā)展使得發(fā)電機(jī)的單機(jī)發(fā)電容量也在不斷增大，大容量發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)損耗產(chǎn)生的更多熱能能否及時(shí)被冷卻介質(zhì)帶走是關(guān)系著發(fā)電機(jī)安全運(yùn)行的重要問題.隨著發(fā)電機(jī)冷卻技術(shù)的發(fā)展，水-氫-氫已經(jīng)成為目前大型汽輪發(fā)電機(jī)比較成熟的冷卻方式.但是冷卻水在冷卻銅材質(zhì)制成的發(fā)電機(jī)定子線棒空心股線中時(shí)，由于冷卻水水質(zhì)不能保證始終控制在最優(yōu)狀態(tài)，難免會使定子線棒的空心股線發(fā)生腐蝕，造成空心股線的堵塞.而空心股線一旦堵塞，冷卻水無法及時(shí)地將熱量帶走，就會造成發(fā)電機(jī)定子的局部“超溫”，危及發(fā)電機(jī)的安全.

由于定子冷卻水路在定子線棒空心股線中的堵塞現(xiàn)象是水內(nèi)冷汽輪發(fā)電機(jī)中常見的故障之一［1］.因此，運(yùn)行現(xiàn)場常通過布置在定子線棒上的溫度測點(diǎn)來監(jiān)測定子線棒是否超溫，一旦定子線棒的監(jiān)測溫度大于某一規(guī)定值，發(fā)電機(jī)必須降低負(fù)荷，以確保安全.但是就發(fā)電機(jī)現(xiàn)場對定子線棒溫度的實(shí)際監(jiān)測情況來看，對于有一定橫斷面積的定子線棒，通常并沒有對定子線棒橫斷面進(jìn)行足夠點(diǎn)位的溫度監(jiān)控，而僅在上、下線棒交接處的某一位置上布置了測溫元件，定子線棒是否“超溫”也就僅靠測量這一位置上的溫度來判斷.但是這一測點(diǎn)處的溫度并不一定能反映出整個(gè)定子線棒“超溫”的實(shí)際情況.比如當(dāng)定子線棒被堵塞的空心股線距離溫度測點(diǎn)較遠(yuǎn)時(shí)，定子線棒的局部即使“超溫”，也有可能不會被測點(diǎn)處的溫度反映出來.因此，有必要對定子線棒不同位置處的空心股線堵塞后的溫度場進(jìn)行數(shù)值模擬，讓運(yùn)行人員能夠事先對定子線棒不同空心股線堵塞后可能出現(xiàn)的溫度場分布有所了解，為現(xiàn)場運(yùn)行人員提供有益的參考.

本文以某600 MW發(fā)電機(jī)為研究對象，采用有限元法，研究了該發(fā)電機(jī)定子線棒空心股線未堵塞，以及空心股線在不同堵塞情況下汽輪發(fā)電機(jī)定子線棒橫斷面上的溫度場，總結(jié)了不同堵塞情況下定子線棒溫度場的變化規(guī)律.

1 定子線棒傳熱模型

1.1 定子線棒的結(jié)構(gòu)

水內(nèi)冷汽輪發(fā)電機(jī)定子槽內(nèi)一般有上下2根線棒，每根線棒是由空心銅導(dǎo)線和包有股間絕緣的實(shí)心銅導(dǎo)線組合排列而成.中型汽輪發(fā)電機(jī)的定子線棒由2排銅導(dǎo)線組成，大型汽輪發(fā)電機(jī)需要4排甚至6排銅導(dǎo)線［2］.定子繞組在槽內(nèi)通過槽底、層間槽楔、墊片、波紋板和綁扎帶實(shí)現(xiàn)固定;通過股間絕緣、排間絕緣、主絕緣達(dá)到絕緣目的.

1.2 定子線棒的傳熱模型及若干假設(shè)

根據(jù)實(shí)際情況，當(dāng)發(fā)電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，可以認(rèn)為其中的溫度不隨時(shí)間變化，因此定子線棒內(nèi)溫度場的求解問題是一個(gè)帶內(nèi)熱源的穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱問題.首先，電流流過定子線棒的銅股線時(shí)會產(chǎn)生損耗，產(chǎn)生的損耗以發(fā)熱的形式表現(xiàn)出來，因此在實(shí)心和空心股線上有內(nèi)熱源存在;其次，定子線棒的熱損是通過空心股線中流過的冷卻水?dāng)y帶走的，所以在空心股線的內(nèi)孔邊界被冷卻水以表面對流換熱方式進(jìn)行冷卻，即空心股線內(nèi)孔邊界上為第3類邊界條件;此外，定子線棒的外邊界為主絕緣邊界，空心股線發(fā)出的熱量還可以通過主絕緣邊界散出.

為了使得定子線棒導(dǎo)熱問題能夠求解，還需對傳熱模型作若干假設(shè)，具體如下:

(1)認(rèn)為渦流效應(yīng)對每根股線的影響相同，即取銅股線上的銅耗發(fā)熱平均值;

(2)當(dāng)空心股線未被堵塞時(shí)，冷卻水的流動處于紊流狀態(tài)，空心股線內(nèi)邊界上的表面對流換熱系數(shù)可通過管內(nèi)對流換熱實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式確定;

(3)當(dāng)空心股線堵塞時(shí)，冷卻水無法在空心股線內(nèi)流動，而是在空心股線內(nèi)邊界上根據(jù)第3類邊界條件轉(zhuǎn)化成由冷卻水填充的內(nèi)部區(qū)域;

(4)冷卻水沿定子線棒軸向呈近似線性變化，在進(jìn)行二維溫度場計(jì)算時(shí)，冷卻水的溫度可取冷卻水進(jìn)、出水溫度的平均值;

(5)定子線圈橫斷面所涉及材料的導(dǎo)熱系數(shù)各向同性且不隨溫度變化，即不同材料的λ均為定值;

(6)考慮到定子線棒發(fā)出的熱量主要是由冷卻水?dāng)y帶走的，而通過主絕緣散出去的熱量較少，可以認(rèn)為主絕緣邊界為絕熱邊界.

1.3 定子線棒溫度場的數(shù)學(xué)模型

根據(jù)傳熱學(xué)知識［3］，汽輪發(fā)電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，定子線棒橫斷面上的二維穩(wěn)態(tài)溫度場的數(shù)學(xué)模型為:

式中:T——定子線棒內(nèi)的溫度;

λ——不同材質(zhì)物體的導(dǎo)熱系數(shù);

φ——為銅心股線上的的熱源強(qiáng)度;

s1——邊界為主絕緣的外邊界;

s2——邊界為空心股線的內(nèi)孔邊界.

2 計(jì)算對象及計(jì)算模型的確定

2.1 計(jì)算對象簡介

本文選取某600 MW發(fā)電機(jī)定子繞組中的1根下層線棒作為研究對象.該定子線棒由16根空心銅導(dǎo)線和32根實(shí)心銅導(dǎo)線組成，分為4排，每排又分4組，每組由1根空心銅導(dǎo)線和2根實(shí)心銅導(dǎo)線組成.該型號發(fā)電機(jī)的額定值見表1.

表1 某600 MW汽輪發(fā)電機(jī)的額定值

2.2 計(jì)算模型的確定

在定子線棒的橫斷面上，通常存在繞組銅導(dǎo)線、主絕緣、綁扎帶，以及股間絕緣、排間絕緣等5種材質(zhì).計(jì)算對象的銅導(dǎo)線所用的銅為2#純銅;主絕緣材料為環(huán)氧玻璃粉云母多膠帶;綁扎帶的主要成分為無堿玻璃纖維;股間絕緣的主要成分是薄層玻璃纖維;排間絕緣材料為多膠玻璃粉云母板.對于每一種材質(zhì)，在計(jì)算前查出其導(dǎo)熱系數(shù)，并應(yīng)用于求解過程中.

在假定冷卻水處于充分發(fā)展的紊流狀態(tài)的情況下，空心股線內(nèi)界面的表面對流傳熱系數(shù)可以按照管內(nèi)強(qiáng)制對流換熱實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式計(jì)算.

根據(jù)前面的假設(shè)，假定銅股線上的銅耗發(fā)熱均勻.由文獻(xiàn)［4］可知，通常600 MW 汽輪發(fā)電機(jī)的基本銅耗占其額定容量的0.3%，經(jīng)過計(jì)算可得銅股線上單位體積的生熱率.

3 計(jì)算結(jié)果與分析

采用上述傳熱模型，對所選取的600 MW發(fā)電機(jī)定子下層線棒進(jìn)行了空心股線未堵塞和不同程度堵塞時(shí)定子線棒橫斷面溫度場的分析工作.空心股線的堵塞除了1根股線堵塞和多根股線堵塞外，還有在橫斷面上堵塞位置的不同等情況.

3.1 空心股線未堵塞

在空心股線均未被堵塞，冷卻水流動暢通的情況下，得到的定子線棒橫斷面的二維溫度場，如圖1所示.

由圖1可以看出，空心股線由于冷卻水的適當(dāng)冷卻，溫度相對較低，比水溫略高，而實(shí)心股線溫度相對較高.對于外緣靠近主絕緣層的線棒，由于主絕緣層外按照絕熱邊界處理，因此線棒散熱條件相對較差，溫度比中部線棒要高.由于橫向主絕緣與空心股線距離較近，一部分熱量可以被空心股線帶走，因此橫向主絕緣的溫度比徑向主絕緣溫度低4℃左右.此外，溫度最高點(diǎn)位于實(shí)心線棒密集區(qū)，與主絕緣交界處，溫度最低點(diǎn)位于空心股線內(nèi)壁.

圖1 空心股線未被堵塞時(shí)的溫度場分布

另外，圖1所示的定子下層線棒橫斷面上的溫度場分布較為合理，符合定子繞組在正常運(yùn)行時(shí)，溫度均在80℃以下的規(guī)律［2］，從而證明了本文建模及求解的正確性;所得到的計(jì)算結(jié)果也表明，定子線棒上、下棒交接處的溫度較高，現(xiàn)場對定子線棒溫度監(jiān)控的測點(diǎn)設(shè)置在上、下線棒交接處，有一定的代表性.

3.2 1根空心股線堵塞

在對空心股線被堵塞的有限元進(jìn)行分析時(shí)，考慮到空心股線被堵塞時(shí)，大多是在某一局部位置處發(fā)生堵塞，導(dǎo)致冷卻水無法流通，所以堵塞時(shí)空心股線內(nèi)填充的物質(zhì)為內(nèi)冷水.而對于其余未被堵塞的空心股線的內(nèi)邊界仍然是對流邊界條件.由于模型的對稱性，本文只討論上兩排股線的堵塞情況，分析4種1根空心股線被堵塞情況下的溫度分布.圖2為1根空心股線在堵塞位置不同時(shí)，計(jì)算得到的定子線棒的溫度場分布.

由圖2可看出，1根空心股線被堵塞時(shí)，定子線棒橫斷面上的溫度分布不僅有別于空心股線未被堵塞時(shí)的溫度分布，而且當(dāng)堵塞位置不同時(shí)，溫度分布也不相同.當(dāng)靠近主絕緣的空心股線發(fā)生堵塞時(shí)，受主絕緣外近似絕熱的邊界條件影響，股線周圍區(qū)域內(nèi)溫度變化顯著，尤其是處于邊角位置的空心股線發(fā)生堵塞時(shí)，傳熱條件惡化，最高溫度與最低溫度甚至相差約40℃.

當(dāng)被堵塞的空心股線位于線棒的中部位置時(shí)，溫度分布的變化主要發(fā)生在被堵塞的空心股線周圍，該區(qū)域內(nèi)溫度升高，橫斷面上最高溫度與最低溫度相差約為20℃，但此時(shí)主絕緣處的溫度并未受到影響.

圖2 1根空心股線堵塞時(shí)的溫度場分布

通過分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)空心股線堵塞時(shí)，發(fā)生堵塞的空心股線及其周圍臨近的實(shí)心股線溫度急劇升高，升溫區(qū)域沒有在周邊形成擴(kuò)散的趨勢，這主要是由于排間及股間絕緣隔熱的影響，被堵塞股線的熱量無法被周邊空心股線內(nèi)的冷卻水有效帶走所致.而當(dāng)被堵塞的空心股線距離溫度測點(diǎn)較近時(shí)，溫度測點(diǎn)能夠很快地監(jiān)控到“超溫”，但當(dāng)被堵塞的空心股線位于線棒的中部位置時(shí)，位于上、下線棒交接處的溫度測點(diǎn)不一定能夠監(jiān)控到定子線棒內(nèi)部區(qū)域的“超溫”現(xiàn)象，表面上符合“定子線棒層間最高與最低溫度間的溫差小于8℃”的相關(guān)規(guī)定［5］，實(shí)際上已構(gòu)成了安全隱患.

3.3 多根空心股線堵塞

采用同樣的方法，本文還對2根、3根空心股線發(fā)生堵塞的情況進(jìn)行了有限元分析，分析結(jié)果分別見圖3和圖4.

將圖3和圖4的溫度分布與圖2的溫度分布進(jìn)行分析比較發(fā)現(xiàn)，當(dāng)多根堵塞的空心股線不相鄰時(shí)，堵塞的空心股線周邊區(qū)域的升溫情況與1根空心股線發(fā)生堵塞時(shí)的情況近乎相同，而且這些升溫區(qū)域相互影響不大，因此線棒的最大溫差情況也與1根空心股線堵塞情況下的相一致.但當(dāng)堵塞的空心股線相鄰時(shí)，不同堵塞空心股線的升溫區(qū)域就會互相作用，加劇溫度的升高，溫度最高點(diǎn)出現(xiàn)在2根線棒中間絕緣處.當(dāng)2根位于線棒內(nèi)部的相鄰空心股線發(fā)生堵塞時(shí)，由于熱量可以被周圍的空心股線帶走一部分，所以局部過熱的情況(2根堵塞時(shí)最大溫差約為22℃，3根堵塞時(shí)最大溫差約為44℃)要好于堵塞的空心股線集中在主絕緣附近時(shí)(2根堵塞時(shí)最大溫差約為67℃，3根堵塞時(shí)最大溫差約為120℃).

此外，定子線棒最大溫差值隨堵塞股線的聚集程度及距離主絕緣的遠(yuǎn)近程度而變化.總體來說，聚集程度越密，最大溫差越大;距離主絕緣越近，最大溫差越大.而且現(xiàn)場的溫度測點(diǎn)不能及時(shí)反應(yīng)出定子線棒內(nèi)的“超溫”，比如3根空心股線堵塞，但不臨近下層線棒的上層主絕緣(即溫度測點(diǎn)布置位置)時(shí)，溫度測點(diǎn)處的溫度約為61℃，與空心股線未堵塞時(shí)的溫度相差無幾.

圖3 2根空心股線堵塞時(shí)的溫度場分布

圖4 3根空心股線堵塞時(shí)的溫度場分布

4 結(jié)論

(1)定子線棒的空心股線堵塞后，其溫度場會發(fā)生變化，附近區(qū)域溫度有所升高，而且堵塞越集中，堵塞的空心股線距離主絕緣越近，導(dǎo)致溫度分布不均勻性越大.

(2)空心股線未堵塞時(shí)，用布置在上、下層線棒間的測溫元件測量得到的溫度來表征定子線棒的“超溫”有一定的代表性.

(3)當(dāng)空心股線堵塞時(shí)，尤其是堵塞的空心股線與測溫元件不臨近時(shí)，堵塞引起的“超溫”并不能被測點(diǎn)測得的溫度反映出來，也就是說，測點(diǎn)溫度正常，并不一定代表定子線棒不“超溫”.

［1］馬天忠.電機(jī)狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2007:842-850.

［2］汪耕，李希明.大型汽輪發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)、制造與運(yùn)行［M］.上海:上海科學(xué)技術(shù)出版社，2000:219-227.

［3］楊世明，陶文銓.傳熱學(xué)［M］.北京:高等教育出版社，1988:25-28.

［4］丁舜年.大型電機(jī)的發(fā)熱與冷卻［M］.北京:科學(xué)出版社，1992:22.

［5］國家電力公司.防止電力生產(chǎn)重大事故的二十五項(xiàng)重點(diǎn)要求［M］.北京:中國電力出版社，2000:15-17.