刁國峰，岳文亭，茍小軍，張建峰

(國網(wǎng)甘肅劉家峽水電站，甘肅 永靖 731600)

0 引 言

劉家峽水電站工程于1958年9月27日正式動工興建，第1臺機組于1969年3月29日并網(wǎng)發(fā)電，1974年12月5臺機組全部安裝完畢并投產(chǎn)發(fā)電。在西北電力系統(tǒng)中處于十分重要的地位。至今，劉家峽電站已經(jīng)穩(wěn)定運行了50余載，近年來，電站內(nèi)發(fā)電機碳粉堆積問題日益嚴重，已經(jīng)逐步威脅到電站的穩(wěn)定運行[1]。

劉家峽水電廠發(fā)電機采用老式直流勵磁機，機內(nèi)未裝設(shè)碳粉收集裝置，發(fā)電機機組運行時碳粉飄逸和堆積情況嚴重，碳粉飄逸會污染電廠內(nèi)空氣；碳粉堆積會導(dǎo)致集電環(huán)溫度較高和降低電氣設(shè)備絕緣性能等問題，機組發(fā)電效率及安全性下降。筆者主要針對勵磁機內(nèi)碳粉堆積過多，影響發(fā)電安全和效率一題展開研究，通過加裝碳粉收集裝置解決碳粉堆積問題，提高水力發(fā)電機安全性和發(fā)電效率。

1 勵磁系統(tǒng)的作用及碳粉堆積問題

供給水輪發(fā)電機勵磁電流的電源及其附屬設(shè)備統(tǒng)稱為勵磁系統(tǒng)，勵磁系統(tǒng)的核心為直流勵磁機，直流勵磁機主要由功率單元和調(diào)節(jié)器(裝置)兩大部分組成，其中勵磁功率單元是指為同步發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組提供直流勵磁電流的勵磁電源部分，而勵磁調(diào)節(jié)器則是根據(jù)控制要求的輸入信號和給定的調(diào)節(jié)準則控制勵磁功率單元輸出的裝置。由勵磁調(diào)節(jié)器、勵磁功率單元和發(fā)電機本身一起組成的整個系統(tǒng)稱為勵磁系統(tǒng)控制系統(tǒng)。勵磁系統(tǒng)是發(fā)電機的重要組成部份，它對電力系統(tǒng)及發(fā)電機本身的安全穩(wěn)定運行有很大的影響。

勵磁系統(tǒng)的主要作用有根據(jù)發(fā)電機負荷的變化相應(yīng)的調(diào)節(jié)勵磁電流，以維持機端電壓為給定值，控制并列運行發(fā)電機間無功功率分配，在發(fā)電機內(nèi)部出現(xiàn)故障時，進行滅磁，以減小故障損失程度，根據(jù)運行要求對發(fā)電機實行最大勵磁限制及最小勵磁限制。

機組運行過程中，集電環(huán)與碳刷摩擦，產(chǎn)生的大量碳粉會污染集電環(huán)相關(guān)部件，導(dǎo)致勵磁機設(shè)備的絕緣部件絕緣性能降低、零點接地和碳刷高溫等嚴重安全隱患[2]。碳粉堆積情況如圖1所示。

2 碳粉收集裝置設(shè)計與應(yīng)用

2.1 設(shè)計理念

根據(jù)劉家峽發(fā)電機外罩的結(jié)構(gòu)，設(shè)計碳粉收集裝置。碳粉收集裝置通過管路對外罩內(nèi)部碳粉進行抽取后再進行過濾。既可以收集機組運行時產(chǎn)生的碳粉，又由于內(nèi)部熱空氣的抽離，外部冷空氣的補充，達到通風降溫的目的[3]。碳粉收集裝置設(shè)計圖如圖2所示。

2.2 設(shè)計分析與計算

碳粉收集裝置主要由吸風口、環(huán)管和除塵器三部分組成。

2.2.1 吸風口

(1) 吸風口的面積大小由碳粉飄逸軌跡決定，為分析碳粉顆粒的運動軌跡，需要建立粉塵顆粒的運動方程[4]?？紤]電場力、黏性阻力以及重力三種主要的顆粒受力。笛卡爾坐標系下顆粒動量方程見式(1)：

(1)

式中：mp為碳粉粒子質(zhì)量，kg；uj表示顆粒物在j方向的速度(j代表x,y方向)，m/s。

空氣動力學拖曳力：

up)|ug-up|

式中：CD為氣體-顆粒阻力系數(shù)；dp為顆粒直徑。

利用 FLUENT 計算風壓除塵器內(nèi)湍流場，采用SIMPLE 算法對控制容積進行數(shù)值求解。采用有限容積法離散化耦合求解電勢泊松方程和電流連續(xù)性方程，可得到粒子荷電密度和電場分布。認為空氣是連續(xù)相，采用 Euler 方法對流場進行數(shù)值計算;認為粉塵顆粒是離散相，采用 Lagrange 顆粒軌跡法對顆粒運動進行追蹤。選用分離式求解依次求解流場、顆粒動力場以及電場的各個方程，經(jīng)過多次迭代可得到收斂解。

多次求解后取平均值，選取橫截面積為170 mm×300 mm的吸風口可以完成集塵工作。

(2) 通過測量機罩周徑，在保證機罩完整性和安全性的前提下，最終設(shè)計14個吸風口，全方位收集由滑環(huán)室飄逸而出的碳粉，吸風頭與機罩接觸面設(shè)計為7.3°的弧面，緊密貼合機罩，在接觸面還設(shè)計有與吸風頭等大的橡膠墊，加強切口的密封性，防止碳粉逸出，加強吸塵效果[5]。吸風口設(shè)計圖如圖3所示。

2.2.2 環(huán) 管

環(huán)管起連接吸風口和除塵器的作用，其主要由碳鋼鋼管和橡膠軟管組成，碳鋼鋼管保證管路的可靠性，在連接部位使用橡膠軟管連接，可以使整個連接管路的位置更靈活多變，兩種管道的內(nèi)壁作光滑處理，避免收集的碳粉堵塞管道。環(huán)管設(shè)計圖如圖4所示。

圖3 吸風口設(shè)計圖

圖4 環(huán)管設(shè)計圖

2.2.3 除塵器

(1) 根據(jù)電廠現(xiàn)場的氣壓情況計算吸收碳粉所需的風壓參數(shù)。吸風口與機罩連接處的壓力及風量計算，設(shè)計吸風口風速為20 m/s，每臺除塵裝置需連接2根環(huán)管，則除塵裝置需要調(diào)節(jié)的風量為：

Q=S×v

=0.0552×3.14×20×2×3600≈1 368 m3/h

式中：S為環(huán)管橫截面積，m2；v為吸風口風速，m/s。

(2) 除塵器的選型

通過計算，當除塵裝置的調(diào)節(jié)風量為1 368 m3/h時，可以完成收集碳粉作業(yè)，對向分布的兩個碳粉收集裝置同時將滑環(huán)室內(nèi)碳粉吸出，可以使吸氣量更加均勻?？紤]到風量在環(huán)管傳輸中有所損耗，并增加了冗余配置。查詢風量-電機功率性能曲線表如圖5所示。

圖5 風量-電機功率性能曲線圖

選用4臺3.0 kW的除塵器進行吸風作業(yè)，強勁的風壓保證碳粉均能進入碳粉收集裝置，并且通過空氣流動的方式也實現(xiàn)了對于整個勵磁系統(tǒng)和碳刷的降溫工作。除塵器設(shè)計圖如圖6、7所示。

圖6 除塵器俯視圖

圖7 除塵器主視圖

2.3 運行效果

4臺除塵器同時工作的情況下，超過95%的碳粉均被收集裝置吸走，電站內(nèi)不再有飄逸的碳粉，空氣質(zhì)量明顯改善；滑環(huán)室內(nèi)無碳粉堆積，碳刷溫度明顯降低，并且不再出現(xiàn)因碳粉堆積問題而造成的非計劃停機，成功解除因碳粉堆積而對電站運行形成的危機。碳粉收集裝置建成效果如圖8所示。

圖8 運行效果圖

3 結(jié) 語

通過根據(jù)對劉家峽電站的實地考察測量出準確數(shù)據(jù)后，通過數(shù)學計算和有限元模型分析，設(shè)計出最適用于劉家峽電站的碳粉收集裝置。投入使用后取得了良好的碳粉收集效果，成功解決了直流勵磁機內(nèi)碳粉堆積的問題。文中提到的碳粉收集方案也適用于同類型的電站，對各大電站進行新裝機或改造時具有指導(dǎo)意義。