翁建明, 虞儒新, 劉宏芳, 鮑麗娟,戴超超, 沈忠明, 劉 剛, 宋 滿

(1.浙江浙能嘉興發(fā)電有限公司, 浙江 嘉興 314000; 2.傲源流體技術(shù)(上海)有限公司, 上海 201106)

山西太原第一熱電廠于1978年首次引入爐水循環(huán)泵,1998年引進(jìn)德國(guó)KSB技術(shù)進(jìn)行國(guó)產(chǎn)化生產(chǎn)。高溫高壓的運(yùn)行工況對(duì)設(shè)備提出了較高的要求,國(guó)產(chǎn)爐水循環(huán)泵的密封性、穩(wěn)定性、出力均與進(jìn)口設(shè)備相比有明顯差距。至今,3大主機(jī)廠在為大型鍋爐配套時(shí),仍然依賴(lài)進(jìn)口設(shè)備供應(yīng)商。40年間國(guó)家電力裝備能力發(fā)生了翻天覆地的變化,與此變化不相稱(chēng)的是,鍋爐上最關(guān)鍵的爐水循環(huán)泵的本體技術(shù)仍然非常匱乏,現(xiàn)有國(guó)內(nèi)技術(shù)儲(chǔ)備僅能解決周期性維護(hù)問(wèn)題,爐水循環(huán)泵仍然是發(fā)電主設(shè)備中為數(shù)不多的盲區(qū)。強(qiáng)制循環(huán)鍋爐要適應(yīng)現(xiàn)階段深度調(diào)峰、清潔運(yùn)行、節(jié)能減排的運(yùn)行需求,需要爐水循環(huán)泵進(jìn)一步配合調(diào)整。為了進(jìn)一步拓展鍋爐的調(diào)控空間,擺脫核心技術(shù)的進(jìn)口依賴(lài),浙江浙能嘉興發(fā)電有限公司(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“嘉興電廠”)對(duì)亞臨界火電機(jī)組爐水循環(huán)泵國(guó)產(chǎn)化進(jìn)行了一些有益的嘗試。

1 亞臨界火電機(jī)組爐水循環(huán)泵國(guó)產(chǎn)化難點(diǎn)分析

嘉興電廠一期使用上海鍋爐廠生產(chǎn)的300 MW亞臨界強(qiáng)制循環(huán)鍋爐,配置3臺(tái)爐水循環(huán)泵,兩用一備,可提供的揚(yáng)程為0.25～0.5 MPa,熱態(tài)工作溫度為400 ℃左右。該泵懸掛在管道系統(tǒng)中,立式布置,泵殼、電機(jī)殼體與傳輸管道共同形成整體壓力容器,通過(guò)1根長(zhǎng)軸驅(qū)動(dòng)葉輪,泵的葉輪、電機(jī)定轉(zhuǎn)子全部浸在傳輸媒介中。

高參數(shù)熱態(tài)運(yùn)行工況對(duì)爐水循環(huán)泵的精度和材質(zhì)的要求十分嚴(yán)格。由于國(guó)內(nèi)精加工的精度控制已經(jīng)非常成熟,國(guó)產(chǎn)化的難點(diǎn)主要在于材料的適用性。爐水循環(huán)泵采用1根長(zhǎng)軸驅(qū)動(dòng)葉輪,這根長(zhǎng)軸貫穿泵和電機(jī),導(dǎo)致電機(jī)殼體內(nèi)的水體和泵殼內(nèi)的高溫水體相連通。電機(jī)內(nèi)繞組的絕緣材料對(duì)溫度敏感,而且靠近泵端400 ℃水體的繞組距離只有70 cm。在這種狀況下,需要確保絕緣材料的耐熱性能滿足泵內(nèi)環(huán)境的要求,保證國(guó)產(chǎn)材料能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。此外,我國(guó)現(xiàn)有爐水循環(huán)泵設(shè)計(jì)不完全遵從現(xiàn)行的國(guó)際電工委員會(huì)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。失去了國(guó)際電工委員會(huì)全球智囊團(tuán)的支持,數(shù)據(jù)模型的建立和推導(dǎo)均要從頭開(kāi)始,這對(duì)于國(guó)產(chǎn)化研發(fā)工作無(wú)疑是一項(xiàng)巨大的挑戰(zhàn)。

2 亞臨界火電機(jī)組爐水循環(huán)泵國(guó)產(chǎn)化過(guò)程研究

為了突破國(guó)產(chǎn)材料適用性這一難關(guān),本次國(guó)產(chǎn)化研究分為2步:首先,量化爐水循環(huán)泵內(nèi)部的運(yùn)行環(huán)境,分析環(huán)境對(duì)材料的要求;其次,針對(duì)國(guó)產(chǎn)化材料的特征進(jìn)行選型分析。

2.1 爐水循環(huán)泵內(nèi)環(huán)境

絕緣材料對(duì)溫度非常敏感,對(duì)于環(huán)境壓力、濁度、內(nèi)部電氣環(huán)境的適應(yīng)性較好。大型電纜生產(chǎn)商的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明,環(huán)境溫度每上升1 K,絕緣的壽命約下降一半。因此,量化爐水循環(huán)泵內(nèi)部的運(yùn)行環(huán)境,關(guān)鍵在于溫度環(huán)境,需要探索影響溫度變化的熱能工況。熱能分析從熱量輸入和輸出的角度進(jìn)行,同時(shí)量化熱量與時(shí)間的關(guān)系,探尋長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中對(duì)電機(jī)安全性產(chǎn)生影響的因素。

2.1.1 熱 源

(1)爐水 鍋爐正常運(yùn)行時(shí),泵內(nèi)的爐水溫度在400 ℃左右小幅波動(dòng),而泵內(nèi)水體和電機(jī)側(cè)水體聯(lián)通,泵殼內(nèi)爐水的熱量對(duì)電機(jī)的繞組而言是重要熱源。

(2)摩擦熱 軸承摩擦產(chǎn)生熱量。

(3)定轉(zhuǎn)子發(fā)熱 定轉(zhuǎn)子繞組在運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生熱量。

(4)環(huán)境溫度 嘉興地區(qū)的環(huán)境溫度在-3～35 ℃[1],爐水循環(huán)泵所處的安裝位置受鍋爐輻射熱的影響,環(huán)境溫度為2～40 ℃。根據(jù)常年運(yùn)行數(shù)據(jù)顯示,當(dāng)環(huán)境溫度比電機(jī)溫度低時(shí),對(duì)于繞組不造成影響,所以忽略環(huán)境溫度的影響。

2.1.2 熱傳導(dǎo)

(1)強(qiáng)化熱傳導(dǎo) 在泵和電機(jī)之間,采用一個(gè)外部“頸”形散熱結(jié)構(gòu)或外置散熱裝置,在過(guò)渡區(qū)間擴(kuò)大熱傳導(dǎo)能力,促進(jìn)泵殼體至電機(jī)之間的水冷卻。

(2)限制熱量對(duì)流傳導(dǎo) 在泵和電機(jī)的過(guò)渡環(huán)節(jié)中布置迷宮,延長(zhǎng)流道,延長(zhǎng)熱交換區(qū)間。

(3)控制薄壁熱傳導(dǎo) 通過(guò)嚴(yán)格控制間隙精度進(jìn)行薄壁熱傳導(dǎo)控制。該間隙同時(shí)也是軸和泵殼之間動(dòng)靜部件的配合間隙。

(4)電機(jī)內(nèi)部強(qiáng)制冷卻傳導(dǎo) 電機(jī)與一外置熱交換器連接,通過(guò)電機(jī)底部輔助葉輪進(jìn)行強(qiáng)制冷卻水流動(dòng)。熱交換器進(jìn)行主動(dòng)冷卻,維持電機(jī)內(nèi)低溫。

其中,強(qiáng)化熱傳導(dǎo)、限制熱量對(duì)流傳導(dǎo)、控制薄壁熱傳導(dǎo)主要限制高溫爐水的熱量傳導(dǎo)到電機(jī)腔體內(nèi);電機(jī)內(nèi)部強(qiáng)制冷卻傳導(dǎo)用于傳輸定轉(zhuǎn)子發(fā)熱和摩擦熱。爐水循環(huán)泵通過(guò)以上措施控制泵的溫度分布,保持泵和電機(jī)之間巨大的溫差,維持電機(jī)腔體內(nèi)常溫環(huán)境的穩(wěn)定。

2.1.3 熱能與時(shí)間的關(guān)系

鍋爐升溫后,爐水循環(huán)泵泵殼內(nèi)的爐水溫度長(zhǎng)期在400 ℃左右小幅波動(dòng)。從熱能的角度來(lái)看,變化不明顯。爐水循環(huán)泵為定轉(zhuǎn)速定工況運(yùn)行,摩擦生熱和定轉(zhuǎn)子發(fā)熱也基本穩(wěn)定[2-3]。因此,從熱源的角度出發(fā),熱能基本不隨時(shí)間發(fā)生變化。

從熱傳導(dǎo)的視角出發(fā),強(qiáng)化熱傳導(dǎo)、限制熱量對(duì)流傳導(dǎo)、控制薄壁熱傳導(dǎo)均采用靜態(tài)結(jié)構(gòu)。在爐水循環(huán)泵正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),動(dòng)靜結(jié)構(gòu)不發(fā)生觸碰,迷宮和頸部的間隙不會(huì)擴(kuò)大,不會(huì)引發(fā)熱交換量增大的現(xiàn)象。另外,爐水中的雜質(zhì),日積月累會(huì)沉積在迷宮附近,可能造成迷宮內(nèi)的熱交換量偏低。因?yàn)闊峤粨Q量偏低對(duì)繞組是有益的保護(hù),而且雜質(zhì)的沉積效果難以量化,所以本研究對(duì)此不做專(zhuān)題討論。電機(jī)內(nèi)部強(qiáng)化冷卻屬于動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu),運(yùn)行期間在電機(jī)壁的不同位置插入3根熱電阻測(cè)點(diǎn),用于監(jiān)測(cè)強(qiáng)制循環(huán)的冷卻效果。多年來(lái)的運(yùn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)顯示,溫度測(cè)點(diǎn)的讀數(shù)穩(wěn)定。因此,推斷強(qiáng)制循環(huán)的冷卻效果穩(wěn)定。

綜上所述,亞臨界強(qiáng)制循環(huán)鍋爐上的爐水循環(huán)泵的內(nèi)環(huán)境溫度穩(wěn)定,除起爐、停爐外,溫度環(huán)境基本不隨時(shí)間發(fā)生變化。因此,若原材料能夠滿足長(zhǎng)期穩(wěn)定性的要求,在溫度環(huán)境內(nèi)即能夠滿足工藝需求。

2.2 爐水循環(huán)泵內(nèi)部運(yùn)行熱環(huán)境分析

熱量分析的關(guān)鍵位置為泵殼到電機(jī)頂部,水的溫度從爐水溫度迅速下降到電機(jī)頂部的電機(jī)腔內(nèi)溫度。該段機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜、工況變化迅速、結(jié)構(gòu)緊湊,需要對(duì)可能存在的熱量交換模式進(jìn)行詳細(xì)分析。

2.2.1 泵端與電機(jī)連接部位的熱環(huán)境分析

由前文可知,盡管泵端溫度很高,但通過(guò)控制泵端與電機(jī)內(nèi)部水體的運(yùn)動(dòng),控制水中熱量的傳遞,能夠降低泵端水體溫度對(duì)電機(jī)內(nèi)部水體溫度的影響。水的運(yùn)動(dòng)有對(duì)流、層流和湍流3種形式,每種運(yùn)動(dòng)形式與熱量傳導(dǎo)的關(guān)系均有不同。由于泵端與電機(jī)之間的迷宮結(jié)構(gòu)復(fù)雜且內(nèi)部間隙在1 mm以?xún)?nèi),電機(jī)端密閉,且泵端與電機(jī)之間的壓差僅有靜壓,無(wú)額外壓差,所以泵端與電機(jī)之間的水體對(duì)流可以暫時(shí)忽略。

層流條件下,熱量主要依靠熱傳導(dǎo)的方式傳熱[4]。從泵端經(jīng)迷宮、細(xì)脖子到電機(jī)腔體最上部,水的流道延長(zhǎng),金屬的散熱面積擴(kuò)大,由于流體的導(dǎo)熱系數(shù)比金屬的導(dǎo)熱系數(shù)小得多,因此該布局傳導(dǎo)熱的傳輸效率很高。通過(guò)受熱面積計(jì)算可知,70%的熱量在該過(guò)渡區(qū)間內(nèi)通過(guò)熱傳導(dǎo)進(jìn)行釋放。此外,盡管泵端和電機(jī)之間布置了復(fù)雜的迷宮、專(zhuān)用于散熱的細(xì)脖子結(jié)構(gòu)和十分精密的小于1 mm的間隙,水仍然進(jìn)行湍流運(yùn)動(dòng)。在湍流運(yùn)動(dòng)中,攜帶熱量的質(zhì)點(diǎn)充分混合,并且由于湍流造成層流底層變薄,湍流的導(dǎo)熱系數(shù)較大。從熱傳導(dǎo)的角度來(lái)看,迷宮及細(xì)脖子之間屬于薄壁式熱傳導(dǎo)[5-6]。湍流和層流之間的薄壁熱傳導(dǎo)溫度分布如圖1所示。

圖1 薄壁熱傳導(dǎo)溫度分布

由圖1可知:在最靠近金屬壁的層流底層,流體質(zhì)點(diǎn)只沿流動(dòng)方向作一維運(yùn)動(dòng),在傳熱方向上無(wú)質(zhì)點(diǎn)的混合,溫度變化大,傳熱主要以熱傳導(dǎo)的方式進(jìn)行,導(dǎo)熱為主,熱阻大,溫差大;在遠(yuǎn)離壁面的湍流中心,具有湍流核心,此時(shí)流體質(zhì)點(diǎn)充分混合,溫度趨于一致,傳熱主要以對(duì)流方式進(jìn)行;在過(guò)渡區(qū)域,溫度分布不像湍流主體那么均勻,也不像層流底層變化明顯,傳熱以熱傳導(dǎo)和對(duì)流2種方式共同進(jìn)行,質(zhì)點(diǎn)混合、分子運(yùn)動(dòng)共同作用,溫度變化平緩。

假設(shè)流體與固體壁面之間的傳熱熱阻集中在厚度為δt的有效膜中,在有效膜之外無(wú)熱阻存在,在有效膜內(nèi)傳熱主要以熱傳導(dǎo)的方式進(jìn)行。該膜既不是熱邊界層,也非流動(dòng)邊界層,而是集中了全部傳熱溫差并以導(dǎo)熱方式傳熱的虛擬膜[4],其計(jì)算公式為

δt=δe+δ

(1)

式中:δe——湍流區(qū)虛擬膜厚度;

δ——層流底部膜厚度。

使用傅里葉定律表示虛擬膜內(nèi)的傳熱速率,為

(2)

式中:Q——對(duì)流傳熱速率,W;

λ——對(duì)流傳熱系數(shù),W/(m2·℃);

A——傳熱面積,m2;

tw——壁溫,℃;

tf——流體平均溫度,℃。

通過(guò)以上公式可計(jì)算出單位時(shí)間內(nèi)從泵端傳遞到電機(jī)腔體內(nèi)的熱量,作為下一步計(jì)算電機(jī)腔體內(nèi)熱環(huán)境的輸入數(shù)據(jù)。

2.2.2 爐水循環(huán)泵電機(jī)內(nèi)部的熱環(huán)境分析

從爐水循環(huán)泵電機(jī)的結(jié)構(gòu)來(lái)看,輔助葉輪布置在電機(jī)繞組下方,靠近電機(jī)底部蓋端。輔助葉輪的功能是驅(qū)動(dòng)電機(jī)腔體內(nèi)水體,在電機(jī)和熱交換器之間制造強(qiáng)制對(duì)流,形成均勻的熱環(huán)境。電機(jī)和熱交換器回路中主要是定轉(zhuǎn)子和軸承,即電機(jī)內(nèi)的主要發(fā)熱元件均處于強(qiáng)制對(duì)流下。配置熱交換器的散熱量大于電機(jī)內(nèi)定轉(zhuǎn)子、軸承的發(fā)熱量和泵端傳遞的熱量和,即能控制電機(jī)內(nèi)的運(yùn)行溫度不升高,保證繞組在安全穩(wěn)定的溫度環(huán)境中運(yùn)行。

爐水循環(huán)泵的電機(jī)為鼠籠式異步電機(jī),除水浸特征外,與傳統(tǒng)電機(jī)無(wú)異。因此,電機(jī)內(nèi)部定轉(zhuǎn)子散熱直接引用傳統(tǒng)電機(jī)的散熱數(shù)據(jù)[7],不做專(zhuān)題研究。

完全浸在水中的軸承為水潤(rùn)滑式軸承,利用水的黏性和潤(rùn)滑性[8],在一定條件下提供流體動(dòng)力膜,在船舶行業(yè)具有廣泛的應(yīng)用,相關(guān)熱量計(jì)算十分成熟[9],因此水潤(rùn)滑軸承的散熱數(shù)據(jù)可以直接引用傳統(tǒng)數(shù)據(jù)。

2.3 泵的運(yùn)行熱環(huán)境模擬

根據(jù)上述公式,對(duì)爐水循環(huán)泵進(jìn)行內(nèi)環(huán)境的模擬仿真。仿真軟件采用Solidworks和ANSYS。工況選擇為:泵送介質(zhì)400 ℃,流量1 500 m3/h;冷卻腔冷卻水入口溫度35℃,流量10 m3/h。生成的三維溫度分布圖如圖2所示。

圖2 三維溫度分布

圖2中,左側(cè)為泵端,右側(cè)為電機(jī)蓋端。泵端溫度在接近法蘭面時(shí)下降至350 ℃;沿著軸的方向,從葉輪下端到繞組上端,經(jīng)過(guò)迷宮、細(xì)脖子結(jié)構(gòu),溫度下降最快。繞組上端溫度降到90 ℃以下,約為75 ℃。在定子和轉(zhuǎn)子之間的水體,由于同時(shí)承受定轉(zhuǎn)子和軸承的散熱作用及冷卻水強(qiáng)制循環(huán)的降溫作用,是整個(gè)爐水循環(huán)泵穩(wěn)定運(yùn)行的主體部位。

通過(guò)溫度模擬,可推導(dǎo)出該水體的運(yùn)行溫度在50 ℃以下,并且在整套定子和轉(zhuǎn)子配合的電磁場(chǎng)中呈現(xiàn)穩(wěn)定狀態(tài)。在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)時(shí),為了保證良好接觸,溫度傳感器的探頭放置在水中;同時(shí)繞組表面放置感溫片,記錄繞組表面溫度。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)顯示,電機(jī)腔體內(nèi)測(cè)量點(diǎn)的數(shù)值在40 ℃左右,繞組表面溫度約為75 ℃。由此可知,電機(jī)腔體內(nèi)水體的溫度與冷卻水進(jìn)水溫度相關(guān),當(dāng)冷卻水進(jìn)水溫度降低時(shí),電機(jī)內(nèi)溫度略低。該結(jié)論與演算結(jié)果、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)基本吻合[10]。

通過(guò)計(jì)算流量和流體的溫度變化,得出復(fù)雜的流體流動(dòng)狀態(tài)和傳熱特性,進(jìn)一步計(jì)算得出爐水循環(huán)泵和電機(jī)內(nèi)的熱量分布數(shù)據(jù),根據(jù)數(shù)據(jù)進(jìn)行國(guó)產(chǎn)材料選型。由于濕定子溫度分布對(duì)定子繞組絕緣壽命有重要的影響,因此電機(jī)腔室內(nèi)部的數(shù)值模擬將對(duì)繞組線圈絕緣材料的選型提供有效的技術(shù)支撐。

3 國(guó)產(chǎn)化繞組材料選型

由上述分析計(jì)算可知,繞組的工作環(huán)境溫度為75 ℃,繞組靠近泵端溫度可接近90 ℃,電機(jī)末端的溫度較低,約為35 ℃。在正常運(yùn)行的工況下,繞組的溫度環(huán)境基本保持不變。

目前投入商業(yè)使用的絕緣材料主要分為3種類(lèi)型:PVC,PE,HT4。其中,PE在水浸環(huán)境下性能穩(wěn)定,通過(guò)聚乙烯交聯(lián)提高耐熱性后,導(dǎo)體溫度最高可達(dá)90 ℃。PE在低于90 ℃的環(huán)境下,材料的熱滲透率小于25%。此數(shù)據(jù)說(shuō)明在爐水循環(huán)泵的內(nèi)運(yùn)行環(huán)境中,PE能保持穩(wěn)定的絕緣性能。

在一定壓力條件下,檢測(cè)絕緣對(duì)溫度變化的響應(yīng)。在快速遮斷試驗(yàn)中,PE的絕緣特性在90 ℃開(kāi)始出現(xiàn)拐點(diǎn),超過(guò)90 ℃后,絕緣性能開(kāi)始隨著溫度變化緩慢下降。具體如圖3所示。由圖3可知,采用國(guó)產(chǎn)PE的繞組電纜能夠滿足爐水循環(huán)泵溫度環(huán)境的要求。

圖3 PE在快速遮斷試驗(yàn)中的響應(yīng)

在驗(yàn)證了穩(wěn)定性和溫度響應(yīng)能力后,選用PE絕緣作為爐水循環(huán)泵的繞組絕緣材料。此外,由于產(chǎn)地和純度不同,PE性能可能略有差異,因此在向電纜生產(chǎn)商訂貨時(shí)需明確PE的熱滲透率和快速遮斷性能,避免發(fā)生由于材質(zhì)的微小變化而引起安全隱患。從電纜的加工工藝角度,國(guó)內(nèi)超過(guò)5家大中型電纜生產(chǎn)商都具有生產(chǎn)能力,因此從供應(yīng)角度來(lái)看,該選型是市場(chǎng)化的,也是安全的。

4 爐水循環(huán)泵國(guó)產(chǎn)化后的應(yīng)用

嘉興電廠2#爐B泵在2019年9月進(jìn)行國(guó)產(chǎn)化改造,10月正式投入運(yùn)行。國(guó)家產(chǎn)化改造后的爐水微處理機(jī)控制成型泵運(yùn)行界面如圖4所示。由圖4可知,B泵的電機(jī)腔室溫度略?xún)?yōu)于未改造的A泵和C泵。該泵電機(jī)腔室溫度穩(wěn)定,并穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)至發(fā)稿日。該記錄驗(yàn)證了爐水循環(huán)泵溫度環(huán)境的計(jì)算和國(guó)產(chǎn)繞組材料選型的過(guò)程是可行的。

圖4 國(guó)產(chǎn)化改造后的爐水循環(huán)泵運(yùn)行界面

5 結(jié) 語(yǔ)

在我國(guó)電力裝備發(fā)展歷程中,歐美長(zhǎng)期壟斷高參數(shù)裝備技術(shù)。由于核心技術(shù)的匱乏,目前我國(guó)核心主泵的試點(diǎn)研究仍然集中在常規(guī)泵型方面,因此系統(tǒng)的運(yùn)行溫度和壓力均受到泵傳輸技術(shù)的限制,這對(duì)于能源項(xiàng)目規(guī)模和技術(shù)發(fā)展造成明顯的影響。通過(guò)對(duì)嘉興電廠2#爐的爐水循環(huán)泵開(kāi)展國(guó)產(chǎn)化研究,從根本上掌握了該泵型對(duì)繞組材料的選型依據(jù)和核心熱能分析技術(shù),從理論和實(shí)踐上進(jìn)行了核心技術(shù)的突破,能夠做到采用國(guó)產(chǎn)材料進(jìn)行設(shè)計(jì)、預(yù)判設(shè)計(jì)結(jié)果、穩(wěn)定控制應(yīng)用成果。高參數(shù)設(shè)備核心技術(shù)的突破,可進(jìn)一步推動(dòng)火力發(fā)電節(jié)能環(huán)保應(yīng)用、石化深度加工、潮汐發(fā)電、深水作業(yè)等清潔能源行業(yè)向縱深發(fā)展。