張濤，呂衛(wèi)國(guó)

（三峽水力發(fā)電廠,湖北宜昌443000）

三峽地下電站700 MW水輪發(fā)電機(jī)蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)環(huán)流、溫升與穩(wěn)定性提高

張濤，呂衛(wèi)國(guó)

（三峽水力發(fā)電廠,湖北宜昌443000）

文章對(duì)三峽地下電站水輪發(fā)電機(jī)蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)的原理進(jìn)行簡(jiǎn)要論述,并對(duì)運(yùn)行過(guò)程中冷卻介質(zhì)HFC-4310壓力與液位變化規(guī)律、系統(tǒng)環(huán)流、溫升以及如何提高系統(tǒng)穩(wěn)定性等技術(shù)問(wèn)題進(jìn)行了探討。

水輪發(fā)電機(jī)；蒸發(fā)冷卻；液位變化規(guī)律；穩(wěn)定性提高

1 引言

蒸發(fā)冷卻技術(shù)最早是由荷蘭的T.De.koning于1949提出的。許多國(guó)家對(duì)此技術(shù)進(jìn)行過(guò)理論研究,并建立了一些實(shí)驗(yàn)機(jī)組,取得過(guò)不少成果和專利,但始終未能形成工業(yè)樣機(jī)投入使用,且主要研究方向是針對(duì)汽輪發(fā)電機(jī)的。水輪發(fā)電機(jī)為立式結(jié)構(gòu)，這給冷卻介質(zhì)的自然循環(huán)創(chuàng)造了必要條件。蒸發(fā)后的介質(zhì)蒸汽可用環(huán)境溫度的水直接冷卻。它無(wú)需外加動(dòng)力，依靠介質(zhì)受熱后所產(chǎn)生的密度變化形成循環(huán)驅(qū)動(dòng)力，從而可以產(chǎn)生自然循環(huán)。

在國(guó)內(nèi),中國(guó)科學(xué)院電工所于20世紀(jì)50年代末開(kāi)始蒸發(fā)冷卻的應(yīng)用基礎(chǔ)研究,1976年后與東方電機(jī)廠聯(lián)合研制開(kāi)發(fā)2臺(tái)10 MW云南大寨電站蒸發(fā)冷卻水輪發(fā)電機(jī),于1983年投產(chǎn)。1992年又在安康火石巖聯(lián)營(yíng)電站52.5 MW水輪發(fā)電機(jī)上應(yīng)用此項(xiàng)技術(shù)。為檢驗(yàn)蒸發(fā)冷卻效果及摸索運(yùn)行經(jīng)驗(yàn),故將原設(shè)計(jì)為全空冷的李家峽水電站400 MW 4號(hào)水輪發(fā)電機(jī)改為蒸發(fā)冷卻發(fā)電機(jī)。并于1999年12月改裝完畢,投產(chǎn)發(fā)電。

隨著三峽水電站的興建,我國(guó)水輪發(fā)電機(jī)容量達(dá)到了一個(gè)前所未有的水平。但三峽發(fā)電機(jī)定子鐵心高度高達(dá)4 m。理論計(jì)算表明它已達(dá)到空冷效果的極限（圖1）,這為蒸發(fā)冷卻技術(shù)的應(yīng)用提供了一個(gè)很好的機(jī)會(huì)。

三峽地下電站中2臺(tái)機(jī)組定子線棒采用HFC-4310為介質(zhì)自循環(huán)蒸發(fā)冷卻技術(shù)，在全世界尚屬首例在700 MW巨型水輪發(fā)電機(jī)上運(yùn)用。本文通過(guò)蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)的原理和運(yùn)行特點(diǎn)等研究和分析產(chǎn)生環(huán)流和溫升的原因，并結(jié)合缺陷處理，探索提高系統(tǒng)穩(wěn)定性的措施和方法。

圖1 空冷發(fā)電機(jī)極限容量與轉(zhuǎn)速的關(guān)系

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

蒸發(fā)冷卻自循環(huán)系統(tǒng)由6部分組成：定子繞組蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)、冷凝器、冷凝器供排水管路系統(tǒng)、均壓排氣管路系統(tǒng)、蒸發(fā)冷卻供排液系統(tǒng)及控制系統(tǒng)。另外配置1套移動(dòng)式抽真空裝置（2臺(tái)機(jī)共用）。

按照冷卻介質(zhì)的流動(dòng)方向，包括：回液管、下集液環(huán)管、下絕緣引流管、定子線棒（圖2、圖3中僅用1根示意）、上絕緣引流管、上集氣環(huán)管、上導(dǎo)流管、冷凝器，以及管路內(nèi)部充入適量的冷卻介質(zhì)等，同時(shí)各冷卻單元通過(guò)冷凝器上部的均壓管連接成整體，形成蒸發(fā)冷卻循環(huán)回路。

圖2 蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)示意圖

圖3 蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)模型圖

3 基本原理

當(dāng)機(jī)組運(yùn)行時(shí)，定子線棒發(fā)熱，線棒空心導(dǎo)體中的冷卻介質(zhì)（介質(zhì)HFC-4310，二氫十氟戊烷，沸點(diǎn)55℃，無(wú)色透明，易揮發(fā)，本文簡(jiǎn)稱氟里昂）吸收定子線棒的熱量，當(dāng)冷卻介質(zhì)溫度達(dá)到一定時(shí)冷卻介質(zhì)部分沸騰汽化，由于空心導(dǎo)體內(nèi)的介質(zhì)為氣液混合態(tài)，其密度小于回液管中純液態(tài)介質(zhì)的密度?；匾汗芎涂招膶?dǎo)體間的密度差在重力加速度作用下，生成流動(dòng)壓頭。該壓頭克服回路中的阻力壓降維持一定流量的循環(huán)，使含熱兩相介質(zhì)進(jìn)入系統(tǒng)中壓力最低的冷凝器，經(jīng)與二次冷卻介質(zhì)——水進(jìn)行熱交換后還原為純液態(tài)再流到回液管進(jìn)行新一輪循環(huán)，如此往復(fù)把熱量傳到外部，從而冷卻發(fā)電機(jī)定子線棒。

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，介質(zhì)HFC-4310冷卻定子線棒，技術(shù)供水用于冷卻介質(zhì)HFC-4310。蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)能自行調(diào)整蒸發(fā)點(diǎn)位置、介質(zhì)流量和蒸氣干度,這一過(guò)程不依靠外力,是自循環(huán)調(diào)整方式。當(dāng)二次冷卻水足量時(shí)，冷凝器內(nèi)介質(zhì)所在空間幾為零壓狀態(tài)，而系統(tǒng)中各種部件所承受的壓力僅是其內(nèi)含液態(tài)介質(zhì)重力的反映，各部壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于純水系統(tǒng)壓力，運(yùn)行可靠性大幅度上升。

4 運(yùn)行過(guò)程中HFC-4310壓力與液位變化規(guī)律

在大寨水電站10 MW發(fā)電機(jī)上，氟里昂液位及壓力變化表現(xiàn)出較為單一的規(guī)律:即在負(fù)荷增加的過(guò)程中，壓力逐漸升高，回液管液位逐漸降低。簡(jiǎn)單理論解釋可以認(rèn)為，隨負(fù)荷加大，定子線棒發(fā)熱加大,氟里昂汽化加劇，液態(tài)氟里昂減少。從而使壓力上升，液位下降。而三峽蒸發(fā)冷卻機(jī)組為大型水輪發(fā)電機(jī)組,其規(guī)律與小型發(fā)電機(jī)有明顯不同。主要表現(xiàn)為:某一負(fù)荷以下，規(guī)律與前述基本相同，而超過(guò)這一負(fù)荷，就會(huì)出現(xiàn)壓力上升同時(shí)液位也上升的情況。

初步分析原因認(rèn)為:在某一負(fù)荷以上，線棒溫度升高到一定值，介質(zhì)汽化位置在線棒中下移，同時(shí)汽壓上升，液體被壓迫至回液管中，導(dǎo)致線棒內(nèi)液體量減少，回液管液位指示上升。具體的這一負(fù)荷分界點(diǎn)，隨液體添加量不同而不同。液位變化為診斷蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)穩(wěn)定性提供了有效的依據(jù)，具體規(guī)律如下：

（1）沒(méi)有泄露情況下機(jī)組停機(jī)后一段時(shí)間，隨著定子線槽溫度的下降，介質(zhì)液位有所下降。

（2）機(jī)組停機(jī)時(shí)介質(zhì)液位高于并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)液位；機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行穩(wěn)定后，當(dāng)線槽溫度大于61℃時(shí)，線槽溫度上升，介質(zhì)液位隨之升高；線槽溫度下降，介質(zhì)液位隨之下降。

1）從整體來(lái)看，機(jī)組停機(jī)時(shí)，介質(zhì)液位相對(duì)較高；機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行后，介質(zhì)液位較低。這說(shuō)明并網(wǎng)運(yùn)行后，部分介質(zhì)揮發(fā)成氣體（沸點(diǎn)55℃），且揮發(fā)作用的影響大于液體的熱膨脹，故介質(zhì)液位降低。

2）當(dāng)機(jī)組運(yùn)行一段時(shí)間后，隨著定子線槽溫度的變化，介質(zhì)液位正向變化，此時(shí)介質(zhì)液體的熱膨脹占主導(dǎo)地位。

3）開(kāi)始時(shí)隨著機(jī)組負(fù)荷的增加，定子線槽溫度隨之上升（略微滯后），介質(zhì)液位下降。以大概判斷，機(jī)組開(kāi)機(jī)過(guò)程中線槽溫度小于59.5℃時(shí)，隨著線槽溫度的上升，介質(zhì)液位呈下降趨勢(shì)；線槽溫度在59.5～61℃時(shí)，介質(zhì)液位比較穩(wěn)定；線槽溫度大于61℃時(shí)，隨著線槽溫度的上升，介質(zhì)液位上升。

（3）蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)介質(zhì)泄漏。

某年8月上旬28 F滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，對(duì)應(yīng)的蒸發(fā)冷卻介質(zhì)還比較平穩(wěn)，從8月23日開(kāi)始有所下降。

結(jié)合前面分析得結(jié)論：沒(méi)有泄露情況下機(jī)組停機(jī)后，隨著定子線槽溫度的下降，介質(zhì)液位有所下降。剔除這部分影響外，介質(zhì)液位仍有所下降。

（4）當(dāng)蒸發(fā)冷卻介質(zhì)泄露時(shí)，機(jī)組停機(jī)時(shí)泄露速率小于機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)泄露速率。

為盡量避免線槽溫度對(duì)蒸發(fā)冷卻介質(zhì)的影響，選取開(kāi)機(jī)前某個(gè)相對(duì)較平穩(wěn)的點(diǎn)以及停機(jī)后某個(gè)相對(duì)較平穩(wěn)的點(diǎn)來(lái)估算開(kāi)機(jī)的這段時(shí)間內(nèi)蒸發(fā)冷卻介質(zhì)的平均泄漏量。當(dāng)然，選取的兩個(gè)點(diǎn)臨近開(kāi)機(jī)以及停機(jī)時(shí)刻的點(diǎn)。

選取9月8日06:00對(duì)應(yīng)的介質(zhì)液位作為開(kāi)機(jī)前液位（此點(diǎn)之后有一段突變?cè)龈撸菑?qiáng)制介質(zhì)液位以滿足開(kāi)機(jī)條件），此時(shí)液位為2 854.875 mm。

選取9月11日04:00對(duì)應(yīng)的介質(zhì)液位作為停機(jī)后液位（停機(jī)后，由于熱脹冷縮，蒸發(fā)冷卻介質(zhì)有減小，故時(shí)間選取滯后點(diǎn)），此段開(kāi)機(jī)時(shí)間內(nèi)，平均每小時(shí)泄漏量為每小時(shí)介質(zhì)液位下降3.79 mm。

選取停機(jī)后9月10日21:10機(jī)組停機(jī)后的介質(zhì)液位作為計(jì)算。同樣，停機(jī)后，由于熱脹冷縮，蒸發(fā)冷卻介質(zhì)有減小，故時(shí)間選取滯后點(diǎn)，選9月11日00:00對(duì)應(yīng)的2 628.75 mm作為起點(diǎn)，選9月11日07:00對(duì)應(yīng)的2 623.125 mm作為終點(diǎn)，歷時(shí)7 h而下降5.625 mm，平均每小時(shí)下降0.803 mm。

比較開(kāi)機(jī)和停機(jī)時(shí)蒸發(fā)冷卻介質(zhì)平均每小時(shí)泄漏量，可得知停機(jī)時(shí)泄漏慢。

5 提高穩(wěn)定性措施與實(shí)施

5.1 回液管活接頭松動(dòng)導(dǎo)致大量冷卻介質(zhì)泄漏

檢修過(guò)程中發(fā)現(xiàn)由于管箍式活接頭自身設(shè)計(jì)的原因，其緊固螺栓只有兩根，在震動(dòng)環(huán)境下容易逐漸松動(dòng)，而其內(nèi)部密封使用橡膠材質(zhì)，又有使用壽命的局限，在蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)中使用這種接頭有一定的不可靠性,從現(xiàn)場(chǎng)管道布置情況來(lái)看，回液管緊貼風(fēng)洞地面，因此用自主設(shè)計(jì)的矩形法蘭來(lái)替代傳統(tǒng)圓形法蘭。

5.2 消除集汽環(huán)管產(chǎn)生的環(huán)流和溫升

另外由于蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)集汽環(huán)管布置在定子線棒正上方，在機(jī)組運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)磁力線會(huì)切割集汽環(huán)管，從而在環(huán)管上產(chǎn)生感應(yīng)電流。環(huán)管由16根集汽支管組成，支管與支管采用卡箍接頭連接。由于卡箍接頭的結(jié)構(gòu)限制，支管與支管極易接觸不良，環(huán)管上的感應(yīng)電流會(huì)在卡箍接頭上產(chǎn)生極高的溫度（感應(yīng)電流大小未測(cè)量，但卡箍上溫度已超過(guò)測(cè)溫片最高量程127℃），該溫度足以使卡箍的密封橡膠熔毀。另外如此高的溫度也會(huì)對(duì)環(huán)管內(nèi)介質(zhì)產(chǎn)生不良影響。綜合上面的因素，故我們對(duì)集汽環(huán)管采用了一點(diǎn)斷開(kāi)并一點(diǎn)接地的導(dǎo)流方式改造。

在發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)附近的一處集汽管法蘭孔內(nèi)套“T”型絕緣套，加平墊片后穿螺栓把緊，確保螺栓與法蘭不直接接觸，測(cè)兩側(cè)法蘭之間絕緣電阻≥2MΩ，使集汽環(huán)管形成電氣斷開(kāi)點(diǎn)。將集汽環(huán)管與冷凝器連接的上導(dǎo)流管連接法蘭螺栓全部加絕緣套，在斷開(kāi)點(diǎn)對(duì)側(cè)180°附近上導(dǎo)流管連接法蘭兩端加短接銅扁線，形成一點(diǎn)接地。

5.3 定子直流耐壓及泄漏電流試驗(yàn)不合格處理

由于蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)機(jī)組開(kāi)機(jī)實(shí)驗(yàn)定子直流耐壓及泄漏電流試驗(yàn)不合格，經(jīng)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)對(duì)地絕緣不合格，故將系統(tǒng)中所有法蘭密封墊全部更換為聚四氟乙烯加玻璃纖維材質(zhì)的密封墊，并將集液環(huán)管支撐支架上加諾麥克紙以提高系統(tǒng)絕緣。

6 總結(jié)

措施實(shí)施完畢后，針對(duì)蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)穩(wěn)定性進(jìn)行了一系列的試驗(yàn)：灌液前進(jìn)行了整體氣密性試驗(yàn)；注入介質(zhì)后還對(duì)定子繞組進(jìn)行了電氣試驗(yàn)，主要包括：絕緣電阻、吸收比和極化指數(shù)測(cè)試；測(cè)量集汽管和集液管絕緣電阻值；對(duì)定子繞組進(jìn)行交流耐壓試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果均滿足要求，經(jīng)過(guò)改造后機(jī)組已穩(wěn)定運(yùn)行累計(jì)超過(guò)3000h，系統(tǒng)穩(wěn)定性得到顯著的提高（圖4）。

圖4

大型發(fā)電機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)難題就包括定子繞組的冷卻問(wèn)題，所以蒸發(fā)冷卻效果的好壞直接影響機(jī)組運(yùn)行的出力和溫升控制情況，采用蒸發(fā)冷卻技術(shù)的機(jī)組難點(diǎn)是絕緣引流管的安裝、蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)整體氣密性與兩相流動(dòng)的系統(tǒng)穩(wěn)定性、消除內(nèi)部環(huán)流和溫升傳熱問(wèn)題于實(shí)踐中的保證等。

蒸發(fā)冷卻技術(shù)首次應(yīng)用于700 MW大型水輪發(fā)電機(jī)組上，難免還存在一些值得改進(jìn)的地方，以上是對(duì)三峽地下電站700 MW水輪發(fā)電機(jī)蒸發(fā)冷卻原理的闡述和一些技術(shù)問(wèn)題的探討。作為一項(xiàng)新興技術(shù)蒸發(fā)冷卻具有冷卻效果好、可靠性更高、維護(hù)工作量小等特點(diǎn)；具有廣闊前景。如何更好地發(fā)揮蒸發(fā)冷卻的效果提高系統(tǒng)穩(wěn)定性并掌握其運(yùn)行規(guī)律,有待于

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TM312

B

1672-5387（2017）04-0066-04

10.13599/j.cnki.11-5130.2017.04.020

2016-08-01

張濤（1983-），男，高級(jí)工程師，從事水電站機(jī)械設(shè)備技術(shù)管理工作。