周其彬

（四川華能涪江水電有限責(zé)任公司，四川 成都610041）

1 概述

自一里水電站地處四川省涪江上游最大一級(jí)支流火溪河上，是火溪河梯級(jí)電站的第二級(jí)，電站正常蓄水位2 034.00 m，額定水頭445 m，裝機(jī)容量2×65MW，機(jī)組為立軸混流式結(jié)構(gòu)，由原克瓦納（杭州）發(fā)電設(shè)備有限公司成套供貨，機(jī)組轉(zhuǎn)速600 r/min，為一中型水電站。兩臺(tái)機(jī)組分別于2004年12月和2005年4月投入商業(yè)運(yùn)行。

自一里水電站發(fā)電機(jī)共安裝有8組空氣冷卻器，發(fā)電機(jī)定子繞組156槽，定子鐵心46疊。發(fā)電機(jī)冷卻設(shè)計(jì)采用密封自循環(huán)雙路徑軸向通風(fēng)方式，按理想設(shè)計(jì)，發(fā)電機(jī)的通風(fēng)循環(huán)方式為：轉(zhuǎn)子兩端裝有螺槳式風(fēng)扇，風(fēng)壓由螺槳式風(fēng)扇產(chǎn)生，從空氣冷卻器出來(lái)的冷卻氣流分別通過(guò)機(jī)坑和上、下機(jī)架進(jìn)入發(fā)電機(jī)內(nèi)部，冷卻定、轉(zhuǎn)子繞組和鐵心，變成熱風(fēng)后，由機(jī)座進(jìn)入到空氣冷卻器，經(jīng)過(guò)冷卻后又重新進(jìn)入發(fā)電機(jī)，如此形成周而復(fù)始的循環(huán)，把發(fā)電機(jī)在運(yùn)行中產(chǎn)生的熱量帶走。發(fā)電機(jī)空氣冷卻器冷卻水進(jìn)水溫度不超25℃，設(shè)計(jì)的發(fā)電機(jī)密閉通風(fēng)循環(huán)方式如圖1所示。

2 發(fā)電機(jī)鐵心過(guò)熱情況

自一里電站水輪發(fā)電機(jī)出廠時(shí)，未在定子鐵心端部裝設(shè)測(cè)溫電阻，而在鐵心中部安裝了12只測(cè)溫電阻。機(jī)組滿(mǎn)負(fù)荷65 MW運(yùn)行時(shí)，監(jiān)視定子鐵心溫度一般在60～70℃，讓大家誤認(rèn)為發(fā)電機(jī)通風(fēng)散熱良好。但在1號(hào)機(jī)組A修期間，發(fā)現(xiàn)定子上下端部各有兩疊鐵心出現(xiàn)過(guò)熱發(fā)黑情況。為查找過(guò)熱發(fā)黑原因，監(jiān)測(cè)定子鐵心溫度是最直接的方法。

圖1 設(shè)計(jì)發(fā)電機(jī)風(fēng)路循環(huán)圖

我們?cè)诙ㄗ予F心上下兩端部?jī)?nèi)側(cè)1～2疊、45～46疊之間互成120°埋設(shè)6只Φ5.5×25 mm PT100測(cè)溫電阻。通過(guò)運(yùn)行65 MW額定負(fù)荷2 h觀察，發(fā)現(xiàn)鐵心上端最高溫度達(dá)131℃，鐵心下端最高溫度達(dá)178℃。該機(jī)組定、轉(zhuǎn)子均為F級(jí)絕緣，絕緣耐熱溫度155℃，定子鐵心運(yùn)行中允許溫升為75 K，以環(huán)境溫度25℃考慮，定子鐵心運(yùn)行溫度不宜超過(guò)100℃，而鐵心端部實(shí)際運(yùn)行溫度已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了安全值，試驗(yàn)證明溫度過(guò)高是引起定子鐵心端部過(guò)熱發(fā)黑的直接原因。為防止鐵心溫度過(guò)高加快絕緣老化而引起鐵心短路，我們采取了限負(fù)荷運(yùn)行，通過(guò)試驗(yàn)最終限定機(jī)組在40 MW可連續(xù)運(yùn)行。

為了進(jìn)一步搞清楚發(fā)電機(jī)定子鐵心整體溫度分布情況，在鐵心外側(cè)+Y方向自上而下埋設(shè)了8只Φ5.5×25 mm PT100測(cè)溫電阻，用以監(jiān)測(cè)鐵心縱向各疊實(shí)際運(yùn)行溫度。通過(guò)連續(xù)運(yùn)行40 MW負(fù)荷觀察，發(fā)現(xiàn)鐵心縱向溫度分布不均，呈現(xiàn)上下兩端高，中間低的情況，（圖2、圖3）。通過(guò)查閱大量關(guān)于發(fā)電機(jī)定子鐵心溫度高的案例及文獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)發(fā)電機(jī)定子鐵心溫度高的原因，在排除定子鐵心短路故障后，大部分是由于通風(fēng)散熱不良引起。為此，現(xiàn)場(chǎng)對(duì)定子通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)測(cè)，以便掌握實(shí)際風(fēng)場(chǎng)分布，與設(shè)計(jì)進(jìn)行比較，查找定子鐵心過(guò)熱是否由通風(fēng)散熱不良引起。

圖2 鐵心外側(cè)探頭埋設(shè)位置圖

3 傳統(tǒng)通風(fēng)試驗(yàn)

首次通風(fēng)試驗(yàn)，我們采用傳統(tǒng)的手持式5725型風(fēng)量測(cè)速儀進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量?jī)?nèi)容包括：發(fā)電機(jī)總風(fēng)量、上下風(fēng)道風(fēng)量和發(fā)電機(jī)定子鐵心縱向通風(fēng)溝風(fēng)速。從測(cè)試情況看，設(shè)計(jì)總風(fēng)量48 m3/s，實(shí)際測(cè)總風(fēng)量為74.78 m3/s，實(shí)測(cè)總風(fēng)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)總風(fēng)量。其中，上端部進(jìn)風(fēng)量41.42 m3/s，下端部進(jìn)風(fēng)量39.31 m3/s，且上下進(jìn)風(fēng)道風(fēng)速較紊亂，數(shù)據(jù)值僅供參考。

圖3 有功40 MW鐵心縱向溫度分布

根據(jù)實(shí)測(cè)總風(fēng)量看，定子鐵心冷卻效果應(yīng)該非常良好。為進(jìn)一步分析定子鐵心縱向通風(fēng)溝風(fēng)量分布情況，現(xiàn)場(chǎng)取下7號(hào)空冷器，實(shí)測(cè)了定子鐵心縱向46疊通風(fēng)溝風(fēng)速，通風(fēng)檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1。通過(guò)對(duì)風(fēng)溝風(fēng)速測(cè)量數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，整個(gè)鐵心縱向風(fēng)溝通風(fēng)分布不均勻且數(shù)據(jù)跳變，規(guī)律性不強(qiáng)，如風(fēng)溝10～12、25～27、37～39、40～42 都出現(xiàn)數(shù)據(jù)異常變化情況，與相鄰風(fēng)溝風(fēng)速比較偏差過(guò)大。另外，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，鐵心整體風(fēng)量分布呈現(xiàn)兩端風(fēng)速大，中間風(fēng)速小，與發(fā)電機(jī)鐵心溫度兩端高中間低現(xiàn)狀不吻合?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)過(guò)程中也發(fā)現(xiàn)由于7號(hào)空冷器未裝，此處風(fēng)阻最小，在用風(fēng)速儀測(cè)量通風(fēng)溝風(fēng)速時(shí)，相鄰兩側(cè)出風(fēng)風(fēng)速較高且紊亂，是影響測(cè)量數(shù)據(jù)不準(zhǔn)和突變的主要原因。其相關(guān)測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)分析定子鐵心風(fēng)場(chǎng)實(shí)際分布和過(guò)熱參考意義不大。

表1 風(fēng)速儀檢測(cè)定子鐵心風(fēng)溝風(fēng)速結(jié)果

4 皮托管通風(fēng)試驗(yàn)

對(duì)于發(fā)電機(jī)風(fēng)場(chǎng)分布較復(fù)雜的環(huán)境，由于有些部位風(fēng)場(chǎng)紊亂，采用風(fēng)速儀測(cè)量的數(shù)據(jù)與實(shí)際情況偏差過(guò)大，特別是鐵心背部通風(fēng)溝風(fēng)速檢測(cè)。為了較為準(zhǔn)確的掌握定子鐵心縱向風(fēng)場(chǎng)分布情況，查找鐵心發(fā)熱的真正原因，現(xiàn)場(chǎng)采用目前比較權(quán)威的通風(fēng)試驗(yàn)檢測(cè)方案，皮托管配套微壓計(jì)檢測(cè)法。皮托管，又名“風(fēng)速管”，是測(cè)量氣流總壓和靜壓以確定氣流速度的一種管狀裝置。用皮托管測(cè)風(fēng)速和確定流量，有可靠的理論根據(jù)，使用方便、準(zhǔn)確，且受干擾小，是一種經(jīng)典廣泛的測(cè)量方法，如飛機(jī)測(cè)量相對(duì)空氣的飛行速度，隧道、礦井通風(fēng)等氣流速度。

4.1 試驗(yàn)方法

自一里電站發(fā)電機(jī)定子鐵心通風(fēng)溝寬度為8 mm，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)配置了直徑6 mm的不銹鋼皮托管。皮托管安裝插入通風(fēng)溝100 mm，管口正對(duì)定子圓心方向，盡量保持正對(duì)迎風(fēng)面，減小測(cè)量誤差，皮托管尾部應(yīng)焊接鋼筋支架，用于綁扎固定，防止皮托管移位。

為保證檢測(cè)數(shù)據(jù)與實(shí)際運(yùn)行工況一致，所有測(cè)量設(shè)備盡量放置在空冷器外側(cè)，減小測(cè)量設(shè)備風(fēng)阻的影響?，F(xiàn)場(chǎng)將皮托管安裝在空冷器內(nèi)側(cè)，微壓計(jì)等測(cè)量元件全部安裝在外側(cè)，然后將空冷器回裝。通過(guò)塑料軟管將皮托管與外側(cè)微壓計(jì)相連，檢測(cè)通風(fēng)溝風(fēng)壓，再通過(guò)軟件計(jì)算出實(shí)時(shí)風(fēng)速，具體安裝布置如圖4所示。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果及結(jié)論

為檢測(cè)發(fā)電機(jī)鐵心縱向風(fēng)場(chǎng)分布，現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)實(shí)際工況，在鐵心縱向通風(fēng)溝安裝20支皮托管。鐵心下端1～6疊、上端41～46疊為重點(diǎn)檢測(cè)部位，每疊通風(fēng)溝安裝一只皮托管。7～40疊鐵心通風(fēng)溝為間隔安裝，檢測(cè)風(fēng)場(chǎng)分布趨勢(shì)，實(shí)際檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 皮托管檢測(cè)定子鐵心風(fēng)溝風(fēng)速結(jié)果

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)1號(hào)發(fā)電機(jī)定子鐵心通風(fēng)溝上下端部風(fēng)速小，中部風(fēng)速大。中部通風(fēng)溝最大風(fēng)速達(dá)到20.81 m/s，下端通風(fēng)溝風(fēng)速最小為2.58 m/s，上端通風(fēng)溝最小風(fēng)速為4.08 m/s，鐵心縱向通風(fēng)溝最大風(fēng)速差達(dá)到了8倍。其風(fēng)場(chǎng)分布極不合理，造成定子鐵心中部冷卻散熱效果好，上下端部冷卻散熱效果差的情況，與發(fā)電機(jī)定子鐵心實(shí)際運(yùn)行溫度表現(xiàn)一致。

公司同時(shí)委托哈動(dòng)國(guó)家水力發(fā)電設(shè)備工程技術(shù)研究中心，對(duì)自一里電站機(jī)組鐵心過(guò)熱情況進(jìn)行分析研究。通過(guò)發(fā)電機(jī)通風(fēng)模擬計(jì)算，發(fā)現(xiàn)其機(jī)組通風(fēng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，風(fēng)場(chǎng)分布呈中間大兩端小的情況，其結(jié)論為通風(fēng)冷卻不良是導(dǎo)致定子鐵心過(guò)熱的主要原因。與現(xiàn)場(chǎng)采用皮托管試驗(yàn)法檢測(cè)通風(fēng)數(shù)據(jù)趨勢(shì)一致，故障原因得到有效驗(yàn)證。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)皮托管通風(fēng)試驗(yàn)在自一里水電站發(fā)電機(jī)故障排查中的實(shí)際運(yùn)用，其檢測(cè)出的數(shù)據(jù)與發(fā)電機(jī)實(shí)際風(fēng)場(chǎng)分布一致，試驗(yàn)數(shù)據(jù)真實(shí)可信，為發(fā)電機(jī)定子鐵心端部過(guò)熱故障原因分析和后期定子技改提供了有力的數(shù)據(jù)支撐。本文介紹的試驗(yàn)方法適用于風(fēng)場(chǎng)分布較為復(fù)雜的環(huán)境部位，其方法受干擾小且較常規(guī)風(fēng)速儀檢測(cè)法更準(zhǔn)確可靠，對(duì)需要實(shí)際驗(yàn)證水輪發(fā)電機(jī)通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)場(chǎng)分布和故障排查具有一定的參考意義。