梁永樹,徐藝恩,陰新華

(1.廣西西江開發(fā)投資集團有限公司貴港航運樞紐分公司,廣西 貴港 537100；2.廣東省飛來峽水利樞紐管理處，廣東 清遠 511825)

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仙衣灘電廠發(fā)電機組冷卻水系統(tǒng)存在問題及改造方案研究

梁永樹1,徐藝恩1,陰新華2

(1.廣西西江開發(fā)投資集團有限公司貴港航運樞紐分公司,廣西 貴港 537100；2.廣東省飛來峽水利樞紐管理處，廣東 清遠 511825)

仙衣灘電廠機組運行中，特別是在夏天外界環(huán)境溫度較高時,存在溫度偏高的現(xiàn)象,為了保證機組的安全運行,運行人員不得不降低出力運行,從而大大降低了電站的發(fā)電效益和機組運行的安全性；且燈泡頭和定轉(zhuǎn)子運行溫度高,巡視人員的工作環(huán)境也較差。通過對仙衣灘電廠機組冷卻系統(tǒng)冷卻過程存在問題的研究分析,利用夏季、冬季不同實測溫度對比,提出新增板式冷卻器冷卻功率及配套實施方案,達到降低發(fā)電機定子、軸承瓦溫度的效果。

水輪發(fā)電機組；冷卻水系統(tǒng)；改造

1 概述

仙衣灘電廠位于廣西郁江中段貴港市上游6 km處,距上游西津水電站104.3 km,距下游馬騮灘水電站110 km。樞紐由船閘、攔河壩、廠房及開關(guān)站組成,船閘位于主河槽的右岸,廠房及開關(guān)站位于主河槽的左岸。電站裝設(shè)4臺燈泡貫流式機組,單機容量30 MW,總裝機容量120 MW。水輪機額定水頭8.5 m,最大水頭13.3 m,單機額定流量405 m3/s。貴港航運樞紐工程是一座以通船為主兼顧發(fā)電的綜合利用“以電養(yǎng)航”工程,電站為日調(diào)節(jié)水電站,汛期帶基荷運行,枯水期承擔調(diào)峰任務(wù)。樞紐主體工程已于1995年元月開工,1997年10月18日工程主河槽截流,1998年元月1日船閘通航,1999年2月1日電站第一臺機組并網(wǎng)發(fā)電。

發(fā)電機組在正常運行中,由于定子、轉(zhuǎn)子、線圈等部件損耗最終都以發(fā)熱的形式出現(xiàn),故需要通過冷卻系統(tǒng)對相關(guān)設(shè)備進行有效冷卻降溫,從而確保設(shè)備長期安全穩(wěn)定運行。冷卻系統(tǒng)在發(fā)電機安全運行中發(fā)揮著重要作用,冷卻系統(tǒng)的冷卻效果好,可以充分發(fā)揮發(fā)電機的出力性能,控制機組的溫度在正常范圍之內(nèi),讓機組有較好的運行環(huán)境,保證機組的使用壽命；反之,如果機組冷卻系統(tǒng)的冷卻效果不行,機組的運行溫度偏高,就會限制機組的發(fā)電性能,縮短機組的使用壽命,影響機組的安全運行。一直以來,仙衣灘電廠機組特別是在夏天外界環(huán)境溫度較高時,機組在運行中都存在溫度偏高的現(xiàn)象,為了保證機組的安全運行,運行人員不得不降低出力運行,從而大大降低了機組的發(fā)電效率和機組運行的安全性。同時因為散熱差,燈泡頭、定轉(zhuǎn)子運行環(huán)境溫度高,人員維護巡視較困難。

2 仙衣灘電廠機組冷卻系統(tǒng)主要存在的問題

仙衣灘電廠機組采用的是密閉循環(huán)強迫通風(fēng)的冷卻方式。整個系統(tǒng)由6臺軸流風(fēng)機、6臺空氣/水熱交換器、2組水/水冷卻套冷卻器、2臺互為備用的循環(huán)水泵、1個膨脹水箱及配套管路等組成。圖1表示了發(fā)電機“空氣—冷卻水” 、“冷卻水—河水”的熱量傳遞方式。仙衣灘電廠機組采用二次冷卻(見圖2),冷卻水采用經(jīng)軟化處理清潔水,對水—氣換熱器影響較小,冷卻水密閉循環(huán)、重復(fù)利用,運行維護非常簡單,與河流水源無關(guān)。

圖1 發(fā)電機冷卻系統(tǒng)示意

圖2 二次冷卻方式

表1 冷卻套卻器主要參數(shù)

冷卻套冷卻器安裝在機組燈泡頭與定子之間(主要參數(shù)見表1),其冷卻容量不足,導(dǎo)致仙衣灘電廠機組運行時溫度偏高。在機組試運行期間,4臺機組普遍出現(xiàn)過發(fā)額定負荷時,定子線圈溫度高于機組最高設(shè)計溫度的現(xiàn)象。夏季,機組運行時多次出現(xiàn)了發(fā)電機風(fēng)溫高的報警,電站被迫采取限負荷運行,甚至在減負荷時也出現(xiàn)了熱風(fēng)溫度高機組跳閘的故障。

3 仙衣灘電廠機組冷卻系統(tǒng)改造方案

在機組發(fā)電機流道蓋板上加裝1組板式冷卻器,通過水泵從流道蓋板底部的流道中取水,通過水泵加壓經(jīng)過濾器和板式冷卻器對發(fā)電機冷卻水進行二次冷卻。保留發(fā)電機原冷卻套冷卻器,以及原冷卻系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)管路,管路及閥門與新增冷卻器串聯(lián)運行。通過旁通閥組可切換,使新增板式冷卻器退出或串聯(lián)原冷卻套運行。該改造方案實施安全性高,采用冗余方式,原系統(tǒng)與新增系統(tǒng)可相互備用,可靠性大大提高,維護檢修方便(見圖3)。方案主要優(yōu)點有：兩套冷卻系統(tǒng)可串聯(lián)運行,在板式冷卻器故障維修時可通過閥門切換至冷卻套獨立運行,不影響機組正常運行；不拆除原有冷卻套冷卻器及相關(guān)管路,可保持原機組流道內(nèi)設(shè)備,工程量較小。

圖3 冷卻系統(tǒng)改造方方案

仙衣灘電廠河水設(shè)計最高水溫 30 ℃, 年平均水溫為21.9 ℃,實測最高水溫32.2 ℃,實測最低水溫4 ℃。經(jīng)反向演算,發(fā)電機組總熱損耗1 856 kW。參考原冷卻系統(tǒng)設(shè)計與夏季、冬季運行實際數(shù)據(jù)(見表2),能夠保證機組運行時,熱天發(fā)額定負荷時,定子線圈溫度不超過95 ℃、正推軸承溫度不超過60 ℃。

表2 仙衣灘電廠水輪發(fā)電機溫度對比分析(改造前)

板式水水熱交換器工況：熱側(cè)38℃～32.5 ℃,流量200 m3/h;冷側(cè)30℃～36 ℃，流量160 m3/h

根據(jù)理論計算,方案實施后(見表3):

① 發(fā)電機定子線圈溫度降低14.1 ℃。

② 正推力瓦溫降低8.6 ℃。

③ 冷卻水熱水溫度降低14.2 ℃。

表3 冷卻水系統(tǒng)改造前后溫度對比圖(夏季滿負荷同等工況) ℃

板式熱交換器主要技術(shù)參數(shù)：①外循環(huán)出口水溫 38 ℃～32.5 ℃,外循環(huán)冷卻水流量200 m3/h；②內(nèi)循環(huán)出口水溫30 ℃～36 ℃,內(nèi)循環(huán)冷卻水流量160 m3/h,與機組原冷卻水內(nèi)循環(huán)保持一致；③在前述運行工況下,板式熱交換器冷卻功率不得低于1 856 kW；④正常運行中,裝置內(nèi)、外循環(huán)水進出口壓差損失不得超過0.08 MPa；⑤裝置結(jié)構(gòu)應(yīng)能滿足經(jīng)常拆裝要求。冷卻器外循環(huán)水流量Q=200 m3/h,根據(jù)水泵壓水管路中允許的經(jīng)濟流速(1.5～5.0 m/s),供水管徑

選擇DN200鋼管。水流通過管道時的水力損失,包括沿程摩擦損失hf和局部阻力損失hj,管路損失總計約12 m水柱,選擇Q=200 m3/h,H=20 m,P=18.5 kW的立式離心泵。

外循環(huán)水取自流道蓋板,經(jīng)水泵、過濾器、板式冷卻器、流道蓋板孔口回流至流道。內(nèi)循環(huán)水保留原有管路不變,新增坂式冷卻器進出口加裝一旁通閥組,正常運行情況下,旁通閥組關(guān)閉,冷卻套冷卻器進出口閥門常開。主要設(shè)備布置簡圖如圖4所示：

圖4 改造后主要設(shè)備布置

冷卻水泵有2種啟動方式：開停機程序控制、現(xiàn)地控制屏手動控制。冷卻水泵由機組LCU的控制模塊控制運行,在中控室能觀察到水泵的運行狀態(tài)、冷卻水泵出口壓力值、冷卻器進出口水溫、監(jiān)測該冷卻水流量低報警。原布置在燈泡頭里的2臺內(nèi)循環(huán)水泵等相關(guān)設(shè)備全部外移至流道蓋板,燈泡頭內(nèi)管路作相應(yīng)調(diào)整。

4 機組冷卻水系統(tǒng)改造主要設(shè)備選型

4.1 板式水水熱交換器

1) 冷卻功率設(shè)計

在額定電壓10.5 kV,發(fā)額定出力30 MW連續(xù)運行的情況下,機組產(chǎn)生的熱損耗如表4所示。

表4 機組產(chǎn)生的熱損耗 kW

取60%的裕量計算,冷卻功率為1 153 kW。

2) 冷卻流量設(shè)計

以原冷卻系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)回路盡量不改動,減少工程量為原則,冷卻流量取160 m3/h；冷卻器外循環(huán)水流量取200 m3/h。

3) 設(shè)計目標

參照原冷卻系統(tǒng)設(shè)計與運行實際數(shù)據(jù),為保證機組正常運行,熱天發(fā)額定負荷定子線圈溫度不超過95 ℃、正推軸承溫不超60 ℃。

運行環(huán)境：仙衣灘電廠河水設(shè)計最高水溫 30 ℃, 年平均水溫：21.9 ℃,實測最高水溫32.2 ℃,實測最低水溫4 ℃。

4) 選型

工況參數(shù)WorkingParameters熱側(cè)Hotside冷側(cè)Coldside介質(zhì)名稱medium水水總熱負荷Totalheatload/kW1856總流量Totalflowrate/(t/h)160200單臺熱負荷Eachunitheatload/kW1856單臺流量Eachunitflowrate/(t/h)160200進口溫度Inlettemperature/℃44.030.0出口溫度Outlettemperature/℃34.038.0實際/允許總壓降A(chǔ)ctual/PermittedΔp/kPa25.70/40.038.39/40.0

4.2 過濾器的選擇

外循環(huán)水取自流道蓋板下方,相對流道上游水質(zhì)較好,水中漂浮雜物相對較少,通過水泵加壓強迫循環(huán),經(jīng)過濾器后,對板式冷卻器內(nèi)循環(huán)水進行冷卻,最后排至流道蓋板下方。設(shè)計時將過濾器設(shè)置在水泵后方,可確保過濾器有較好的排污效果,由于取水口設(shè)置了粗過濾裝置,正常運行不會對水泵造成損害。在流道取水口裝設(shè)不銹鋼濾筒,過濾粗顆粒雜物。設(shè)置在水泵后的自動過濾器選擇臥式刷刮式過濾器,該類型過濾器為臥式過濾器的改進型產(chǎn)品,具有體積小巧,排污效果好,有效過濾面積大的優(yōu)點。臥式刷刮式自動過濾器的剖面圖如下：

5 結(jié)語

通過上述研究分析,仙衣灘電廠機組冷卻水系統(tǒng)改造采取如下技術(shù)路線：保留發(fā)電機原冷卻套冷卻器,在流道蓋板上加裝一組板式冷卻器,通過水泵從河道取水,經(jīng)新增過濾器和板式冷卻器對發(fā)電機冷卻水進行二次冷卻。保留原冷卻套冷卻器及配套管路,與新增板式冷卻器串聯(lián)運行。該方案改造安全性高,采用冗余方式,原冷卻套與新增板式冷卻器可相互備用,可靠性大大提高,維護檢修方便。發(fā)電機溫度下降明顯,夏季滿負荷穩(wěn)定運行時水輪發(fā)電機組定子鐵芯溫度相對改造前下降10 ℃以上。夏季熱天額定負荷運行定子線圈溫度不超過95 ℃、正推軸承溫度不超過 60 ℃。經(jīng)有關(guān)專家評審認為,本項目解決了夏季環(huán)境溫度高時,由于發(fā)電機定子溫度偏高造成其出力受限的問題,在同類型燈泡貫流式機組中具有較好的實用和推廣價值。

[1] 陰新華,潘建忠,萬欣茹.飛來峽水利樞紐燈泡貫流機組冷卻系統(tǒng)的改造.廣東水利水電,2008(3)：72-74.

(本文責任編輯 馬克俊)

Problems of Water Cooling System of Generator Unit in Xianyitan Power Plant and Its Reforming Scheme

LIANG Yongshu1, XU Yi’en1, YIN Xinhua2

(1.Guigang Navigation Junction Branch, Guangxi Xijiang Investment and Development, Guigang 537100; 2.Management Office of Guangdong Feilaixia Hydro-junction, Qingyuan 511825)

when the environment temperature is high especially in the summer, problems in the operation of the Xianyitan power plant unit will appear. In order to ensure the safe operation of the unit, operators have to reduce output, so as to greatly reduce the efficiency of the unit and the safety of the unit operation. Through the Xianyitan power plant secondary cooling system research and analysis of problems in heat transfer process, using different measured temperature in summer and winter, the new plate cooler cooling power is put forward and a complete set of implementation plan is formed, to reduce the generator stator and bearing bushing temperature effect.

water-turbine generator set, cooling water system, equipment improvement

2016-06-08;

2016-07-30

梁永樹(1966),男,工程師,主要從事水電站機電設(shè)備檢修工作。

TK730.4

B

1008-0112(2016)08-0052-04