張金洪，趙益俊

（1．福建福清核電有限公司，福建省福清市 350318；2．重慶華能水電設(shè)備制造有限公司，重慶市巴南區(qū) 401320）

0 引言

水輪發(fā)電機(jī)組碳粉堆積問題是影響機(jī)組安全、穩(wěn)定運(yùn)行的主要影響因素之一。碳粉是因?yàn)樘妓⒑托D(zhuǎn)的集電環(huán)摩擦產(chǎn)生，從源頭上來看，這是不可避免的[7]；目前國內(nèi)外存在一些碳粉收集的解決方法，包括自泵式碳粉收集方式、敞開式碳粉收集方式、局部式碳粉收集方式等，但是這些方法的實(shí)際效果不佳，不能解決碳粉收集的問題。

因此，非常有必要對(duì)水輪發(fā)電機(jī)組碳粉收集的問題進(jìn)行研究，探討碳粉收集最有效、可行的方法，保證水輪發(fā)電機(jī)組碳粉收集系統(tǒng)的效果，為機(jī)組安全、穩(wěn)定運(yùn)行提供有力保障。

1 國內(nèi)外碳粉收集系統(tǒng)方法簡(jiǎn)介

1.1 國外解決方案

目前，國外公司采用的碳粉收集方法是，在每個(gè)刷握上單獨(dú)設(shè)置一根或者多根小塑料管，將小塑料管匯集到高壓泵上，原理圖如圖1所示，實(shí)物場(chǎng)景圖如圖2所示。

圖1 國外碳粉收集方案原理圖Figure 1 Schematic diagram of foreign carbon dust collection scheme

圖2 國外碳粉收集方案應(yīng)用場(chǎng)景圖Figure 2 Application scenarios of foreign carbon dust collection schemes

國外的碳粉收集方案存在諸多缺點(diǎn)和不足：

（1）安裝比較復(fù)雜。

（2）維護(hù)不便，刷架和碳刷周圍有許多小管子，檢修集電環(huán)、刷架、刷握等都不太方便。

（3）碳粉吸收效率不高。

（4）吸塵點(diǎn)位于刷握周圍，將碳刷和集電環(huán)接觸的位置包裹起來，不允許直接目視檢查電刷，如果碳刷出現(xiàn)打火，巡檢人員發(fā)現(xiàn)不了，容易造成事故。

國內(nèi)的機(jī)組單機(jī)容量普遍比國外大，勵(lì)磁電流較大，碳刷布置數(shù)量也比較多，不太適合采用這種結(jié)構(gòu)類型。

1.2 國內(nèi)解決方案

1.2.1 自泵式碳粉收集方案

自泵式碳粉收集采用的方法是：在集電環(huán)下方的發(fā)電機(jī)主軸上，安裝并固定一套類似于帶有離心風(fēng)扇葉的離心轉(zhuǎn)輪[6]，將從集電環(huán)、刷架處掉落下來的碳粉吹到四周的過濾層上，對(duì)碳粉進(jìn)行收集，原理圖如圖3所示，實(shí)物圖如圖4所示。

圖3 自泵式碳粉收集原理圖Figure 3 Schematic diagram of self-pumped carbon dust collection

圖4 自泵式碳粉收集應(yīng)用場(chǎng)景圖Figure 4 Physical picture of self-pumped carbon dust collection

自泵式碳粉收集方案存在如下缺點(diǎn)和不足：

（1）碳粉顆粒很細(xì)，被集電環(huán)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的風(fēng)吹得四處飄散，不容易直接掉下來，碳粉收集效率不高。

（2）離心轉(zhuǎn)輪將風(fēng)吹到過濾層上，風(fēng)容易被反彈回來，將碳粉也反吹出來，不能被較好地收集。

（3）離心轉(zhuǎn)輪直徑一般比集電環(huán)大，轉(zhuǎn)速較快，巡檢集電環(huán)和碳刷時(shí)有較大的安全風(fēng)險(xiǎn)。

（4）自泵式碳粉收集裝置需要加裝在主軸上，需要在新機(jī)組設(shè)計(jì)時(shí)考慮相關(guān)安裝接口和結(jié)構(gòu)。而已有的舊機(jī)組結(jié)構(gòu)緊湊，沒有多余的位置加裝，故自泵式碳粉收集也具有較強(qiáng)的使用局限性。

（5）風(fēng)扇葉輪的扇葉片設(shè)計(jì)具有方向性，不適合抽水蓄能機(jī)組具有順時(shí)針、逆時(shí)針兩個(gè)旋轉(zhuǎn)方向的機(jī)組使用。

1.2.2 敞開式碳粉收集方案

敞開式碳粉收集采用的方法是：在集電環(huán)和刷架的下方布置一個(gè)粉塵收集盤，在粉塵收集盤上圓周開若干個(gè)孔，用一臺(tái)或者多臺(tái)除塵器的吸塵口從粉塵收集盤上的空洞處，將粉塵吸出并收集，原理圖如圖5所示，實(shí)物圖如圖6所示。

圖5 敞開式碳粉收集方案原理圖Figure 5 Open carbon dust collection scheme

圖6 敞開式碳粉收集方案應(yīng)用場(chǎng)景圖Figure 6 Physical picture of open type Carbon collection scheme

敞開式碳粉收集方案存在如下缺點(diǎn)和不足：

（1）碳粉顆粒很細(xì)，被集電環(huán)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的風(fēng)吹得四處飄散，不容易直接掉下來。

（2）由于碳粉吸塵的空間比較開闊，未形成較為密閉的環(huán)境，只能收集粉塵收集盤上孔洞處的粉塵，其他沒有孔洞的位置則不能收集，碳粉收集效率不高。

1.2.3 封閉式碳粉收集方案

（1）封閉式碳粉收集采用的方法是：在集電環(huán)外圍設(shè)置一個(gè)集塵罩，集塵罩與集電環(huán)可形成一個(gè)相對(duì)密閉的腔體，使碳粉限制在密閉空間內(nèi)；在集塵罩上設(shè)置多個(gè)吸塵口；利用碳粉收集裝置將碳粉從集塵罩內(nèi)吸出后，在碳粉收集裝置內(nèi)處理后進(jìn)行收集，防止碳粉在絕緣部件上堆積后造成絕緣降低情況的發(fā)生，避免碳粉對(duì)發(fā)電機(jī)集電環(huán)及機(jī)組其他部件的污染，可以保證機(jī)組安全、可靠運(yùn)行。碳粉收集裝置運(yùn)行的同時(shí)，可以將集電環(huán)與集塵罩之間密閉腔體內(nèi)的熱空氣吸出，外部冷空氣從集電環(huán)與集塵罩的間隙不斷進(jìn)入補(bǔ)充，如此循環(huán)可達(dá)到降低集電環(huán)溫度的目的，可以避免集電環(huán)、碳刷高溫[8]。

（2）封閉式碳粉收集主要由帶集塵罩的刷架系統(tǒng)、碳刷及刷握裝置、碳粉收集裝置、吸塵管路系統(tǒng)、控制系統(tǒng)五大部分組成。

封閉式碳粉收集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)布置如圖7所示。

圖7 封閉式碳粉收集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)布置圖Figure 7 Structural layout of closed carbon powder collection system

（3）計(jì)算封閉式碳粉收集系統(tǒng)內(nèi)碳粉顆粒軌跡。

式中：Fg——重力，N；

Fext——其他外力，N；

mp——粒子質(zhì)量，kg；

FD——曳力，N。

式中：τp——粒子松弛時(shí)間，s；

v——粒子速度，m/s；

u′——流體速度和湍流擾動(dòng)速度的矢量和，m/s；

M——壁面修正系數(shù)。

式中：I——單位矩陣；

P(n)——壁法向方向的投影；

α——粒子半徑與粒子中心到最近壁面的距離的比值。

式中：rp——粒子半徑，m；

Lw——從粒子中心到最近壁的距離，m；

u——流體速度，m/s；

uf——擾動(dòng)速度，m/s。

式中：μ——流體黏度，Pa·s；

CD——曳力系數(shù)；

ρP——粒子密度，n/m3；

dP——粒子直徑，m；

Rer——相對(duì)雷諾數(shù)。

選取的邊界條件為：粒子從t=0s時(shí)刻開始釋放，釋放間隔0.2s，持續(xù)釋放1s 。瞬態(tài)計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)為0.02s，總計(jì)算時(shí)間為2s，計(jì)算以相對(duì)容差10-5作為收斂條件。除黏附邊界外，其他壁面均為反彈邊界、且黏附邊界和反彈邊界均是無條件黏附和反彈[1]。湍流擴(kuò)散模型選擇連續(xù)隨機(jī)游走模型，利用仿真有限元模型計(jì)算的結(jié)果如圖8所示。

圖8 封閉式碳粉收集裝置風(fēng)速分布圖Figure 8 Air speed distribution of closed carbon dust collection device

（4）效果評(píng)估。由重慶華能水電設(shè)備制造有限公司設(shè)計(jì)、制造的具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)和專利技術(shù)的封閉式碳粉收集結(jié)構(gòu)在抽水蓄能機(jī)組和常規(guī)立式機(jī)組上應(yīng)用，達(dá)到比較好的碳粉收集效果，如圖9、圖10所示分別為仙居抽水蓄能電站、烏東德水電站碳粉收集裝置。

圖9 仙居抽水蓄能電站碳粉收集裝置Figure 9 Carbon dust collection device of Xianju pumped storage

圖10 烏東德水電站碳粉收集裝置Figure 10 Carbon dust collection device of Wudongde power plant

封閉式碳粉收集可以達(dá)到以下效果：

（1）封閉式碳粉收集結(jié)構(gòu)能有效收集碳粉，避免碳粉對(duì)發(fā)電機(jī)集電環(huán)及機(jī)組的污染，保證機(jī)組安全、可靠運(yùn)行。

（2）能有效降低集電環(huán)及碳刷的運(yùn)行溫度。

（3）方便觀察、檢查集電環(huán)運(yùn)行狀況。

（4）可在機(jī)組運(yùn)行時(shí)帶電檢查及更換碳刷[9]。

2 結(jié)束語

本文結(jié)合目前市場(chǎng)上存在的一些碳粉收集處理方案，根據(jù)各個(gè)方案的實(shí)際運(yùn)行效果進(jìn)行分析，對(duì)碳粉收集較差的方案的失敗原因進(jìn)行分析、總結(jié)，對(duì)碳粉收集效果比較好的方案進(jìn)行重點(diǎn)討論，有助于各大電站在新裝機(jī)或改造時(shí)，對(duì)一些不恰當(dāng)?shù)幕蛘卟缓侠淼姆桨高M(jìn)行排除，同時(shí)選取適合電站自身需求的碳粉收集解決方案。