劉 政，王 勇，陳泓宇，何 偉，杜芳勉

（1．東方電機(jī)有限公司，四川省德陽(yáng)市 618000；2．南方電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻發(fā)電公司工程建設(shè)管理分公司，廣東省廣州市 510600）

0 引言

隨著中國(guó)大水電工業(yè)的快速發(fā)展，大容量、高轉(zhuǎn)速抽水蓄能機(jī)組的隔聲降噪得到了廣泛的關(guān)注。同時(shí)，人們對(duì)抽水蓄能電站的運(yùn)行和工作的環(huán)境也提出了更高的、更加人性化的要求。越來(lái)越多抽水蓄能機(jī)組在隔聲降噪方面進(jìn)行了更加深入的研究與嘗試。

抽水蓄能電站機(jī)坑內(nèi)的噪聲，經(jīng)上蓋板與電機(jī)端部的外罩傳至發(fā)電機(jī)層。因此，上蓋板與外罩是蓄能發(fā)電機(jī)層隔聲降噪的關(guān)鍵部件。在M抽水蓄能電站，除了利用加厚型吸音上蓋板與減震器降低發(fā)電機(jī)層噪聲外，還采用了新型的隔聲降噪外罩。

這種外罩與常規(guī)的開(kāi)式外罩相比，擁有專門(mén)的工藝美學(xué)設(shè)計(jì)，采用相對(duì)密閉的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。研究表明，在隔聲罩內(nèi)壁涂刷阻尼材料和粘貼吸聲層能夠取得較好的降噪效果[1]，因此側(cè)壁還設(shè)計(jì)有隔聲層。其外觀質(zhì)量與隔聲降噪效果都比過(guò)去傳統(tǒng)的水電外罩有了明顯的提高，如圖1所示。

圖1 M抽水蓄能機(jī)組新型隔聲降噪外罩Figure 1 New type of noise reduction outer housing of pumped storage unit

這種外罩近年來(lái)逐漸被廣泛接受，其使用范圍甚至延伸到常規(guī)巨型混流式水輪發(fā)電機(jī)組。

理論上，完全封閉的隔聲罩隔聲性能最好，而機(jī)組實(shí)際需要考慮進(jìn)氣與排風(fēng)[1]。因此在擁有這些優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，新型隔聲降噪外罩也因?yàn)槠淞己玫拿荛]性能，使得其通風(fēng)冷卻需有針對(duì)性地設(shè)計(jì)，以防止內(nèi)部出現(xiàn)過(guò)熱現(xiàn)象。

1 新型隔聲降噪外罩結(jié)構(gòu)與主要熱源

1．1 新型隔聲降噪外罩主體結(jié)構(gòu)

M抽水蓄能外罩為圓柱體，高約1.9m，直徑約5m，由支架、側(cè)壁、頂蓋組成。側(cè)壁內(nèi)嵌吸音層，并開(kāi)有進(jìn)人門(mén)。外罩內(nèi)部安裝有集電環(huán)碳刷裝置及支架、包圍式碳粉吸塵裝置、照明系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)等，如圖2所示。

圖2 新型隔聲降噪外罩主體結(jié)構(gòu)Figure 2 Main structure of new noise reduction outer housing

1．2 新型隔聲降噪外罩內(nèi)主要熱源

從其功能和結(jié)構(gòu)分析，外罩內(nèi)主要熱源有：

（1）集電環(huán)及碳刷，含電氣與摩擦損耗；

（2）通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)機(jī)，含電氣損耗。

這里忽略較小的熱源：照明、上導(dǎo)油槽傳導(dǎo)。

外罩內(nèi)部主要冷卻部位為集電環(huán)。碳刷與滑環(huán)環(huán)面溫度在90℃左右，濕度在50%左右，空氣清潔度良好的情況下，容易形成氧化膜[2]。當(dāng)溫度超過(guò)100 ℃時(shí)，接觸電阻急劇增加，使原流過(guò)此電刷上的電流進(jìn)行“雪崩”式重新分配[3]。因此，冷卻目標(biāo)為集電環(huán)溫度：

2 新型隔聲降噪外罩通風(fēng)設(shè)計(jì)

水輪發(fā)電機(jī)有其獨(dú)特的通風(fēng)系統(tǒng)。根據(jù)建立風(fēng)壓的方法，可分為自通風(fēng)和強(qiáng)迫通風(fēng)方式[4]。傳統(tǒng)的外罩，因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)特點(diǎn)，屬于開(kāi)啟式自通風(fēng)系統(tǒng)[5]，由旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生風(fēng)壓，通過(guò)開(kāi)啟式外罩，自然與外部進(jìn)行熱交換。

而新型隔聲降噪外罩，由于其密閉特性，設(shè)計(jì)一種合理的通風(fēng)結(jié)構(gòu)，確保外罩內(nèi)的溫升限制，是這種外罩設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)之一[6-8]。同時(shí)，還應(yīng)結(jié)合外罩結(jié)構(gòu)和內(nèi)部設(shè)備特點(diǎn)的研究，確定其通風(fēng)設(shè)計(jì)。

2．1 新型隔聲降噪外罩通風(fēng)型式

新型隔聲降噪外罩的總體通風(fēng)型式設(shè)計(jì)為兩方面：一是由包圍式碳粉吸塵裝置形成的內(nèi)部循環(huán)通風(fēng)；二是由外罩與外部熱交換形成的外循環(huán)通風(fēng)，如圖3所示。

圖3 新型隔聲降噪外罩通風(fēng)型式Figure 3 Ventilation type of new noise reduction outer housing

內(nèi)循環(huán)動(dòng)力來(lái)源于碳粉除塵器的吸塵風(fēng)機(jī)，均勻布置2臺(tái)，單臺(tái)風(fēng)機(jī)額定功率1kW；機(jī)組工作時(shí)，吸塵風(fēng)機(jī)將包圍圈內(nèi)的熱空氣吸排至外罩內(nèi)，同時(shí)，外罩內(nèi)的空氣通過(guò)包圍圈的進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入到包圍圈內(nèi)，冷卻集電環(huán)和碳刷。

外循環(huán)動(dòng)力來(lái)源于強(qiáng)迫通風(fēng)風(fēng)機(jī)，均勻布置4臺(tái)，對(duì)稱180°處2臺(tái)風(fēng)機(jī)運(yùn)行排氣，另外2臺(tái)風(fēng)機(jī)停運(yùn)自動(dòng)補(bǔ)氣，單臺(tái)風(fēng)機(jī)額定功率0.18kW。機(jī)組工作時(shí)，風(fēng)機(jī)將外罩內(nèi)的熱空氣排出，并從外部廠房環(huán)境補(bǔ)充入冷空氣，冷卻外罩內(nèi)環(huán)境。風(fēng)機(jī)端部通過(guò)消聲器與外部廠房環(huán)境相連，阻斷噪聲通向外界的通道。

2．2 新型隔聲降噪外罩內(nèi)通風(fēng)冷卻計(jì)算

以M電站新型隔聲降噪外罩為例進(jìn)行通風(fēng)計(jì)算?；緟?shù)如下：

額定轉(zhuǎn)速n；

集電環(huán)外徑D；

集電環(huán)內(nèi)徑D1；

集電環(huán)寬度w1；

碳刷截面Ae；

碳刷長(zhǎng)度Le；

每級(jí)碳刷數(shù)Ne；

勵(lì)磁電流If。

2.2.1 外罩內(nèi)設(shè)備損耗P

（1）電刷損耗P1：主要包括碳刷與集電環(huán)接觸壓降損耗Pd和碳刷與集電環(huán)表面摩擦損耗Pv，即：

式中：ΔU——集電環(huán)與碳刷間接觸壓降；

I——通過(guò)碳刷的電流；

μ——碳刷與集電環(huán)的摩擦系數(shù)；

F——碳刷的壓強(qiáng)；

S——碳刷總面積；

V——集電環(huán)表面圓周速度。

計(jì)算得，電刷損耗：P1=6.36 kW。

（2）強(qiáng)迫通風(fēng)風(fēng)機(jī)損耗P2：?jiǎn)闻_(tái)風(fēng)機(jī)功率0.18kW，2臺(tái)風(fēng)機(jī)，P2=0.36kW。

（3）吸塵風(fēng)機(jī)損耗P3：?jiǎn)闻_(tái)風(fēng)機(jī)功率1kW，2臺(tái)風(fēng)機(jī)，P3=2kW。

外罩內(nèi)設(shè)備總損耗：P=P1+P2+P3=8.72kW。

2.2.2 外罩內(nèi)通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算

采用流體網(wǎng)絡(luò)仿真軟件，對(duì)外罩進(jìn)行通風(fēng)計(jì)算，獲得風(fēng)速、風(fēng)量、壓力的分布，如表1和圖4所示。

表1 M蓄能電站外罩通風(fēng)計(jì)算結(jié)果Table 1 Outer housing ventilation calculation result

圖4 M蓄能電站外罩風(fēng)速、風(fēng)壓分布Figure 4 Wind speed and pressure distribution of new noise reduction outer housing

2.2.3 外罩內(nèi)空氣溫升計(jì)算

以通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算為基礎(chǔ)，對(duì)外罩內(nèi)的空氣、集電環(huán)進(jìn)行溫升計(jì)算。假設(shè)：

（1）廠房環(huán)境溫度40℃。發(fā)電機(jī)部件冷卻計(jì)算時(shí)，冷風(fēng)溫度常取40℃。該計(jì)算按環(huán)境40℃計(jì)算（而實(shí)際M電站地下廠房環(huán)境溫度測(cè)量約為20℃）。

（2）外罩內(nèi)外熱交換主要通過(guò)通風(fēng)進(jìn)行。

空氣溫升計(jì)算如表2所示。

表2 M蓄能電站外罩內(nèi)空氣溫升計(jì)算Table 2 Air temperature rising in outer housing

2.2.4 集電環(huán)溫升計(jì)算

集電環(huán)溫升計(jì)算采用CFD_FLUENT進(jìn)行，計(jì)算模型包括集電環(huán)與電刷，如圖5所示。

圖5 集電環(huán)溫升計(jì)算模型Figure 5 Calculation mode of collector ring

計(jì)算中采用的主要邊界條件為：

（1）電刷損耗P1=6.36kW；

（2）廠房環(huán)境溫度40℃；

（3）外罩內(nèi)空氣平均溫度為47.48℃。

計(jì)算結(jié)果如表3所示：

表3 M蓄能電站集電環(huán)溫升計(jì)算結(jié)果Table 3 Collector ring temperature rising calculation

溫度分布云圖如圖6所示：

圖6 集電環(huán)溫度分布云圖Figure 6 Collector ring temperature distribution map

2.2.5 結(jié)果分析

當(dāng)廠房環(huán)境空氣溫度40℃時(shí)，M抽水蓄能機(jī)組集電環(huán)最高溫度為98.9℃，最高溫升為58.9K；集電環(huán)平均溫度83.5℃，平均溫升43.5K。

抽水蓄能地下廠房實(shí)際溫度低于40℃。實(shí)測(cè)M抽水蓄能電站廠房?jī)?nèi)溫度穩(wěn)定在20℃左右。如果以實(shí)測(cè)溫度為基準(zhǔn)，則集電環(huán)溫度最高約為78.9 ℃，平均63.5℃。

對(duì)M電站2#發(fā)電機(jī)發(fā)電工況實(shí)測(cè)，開(kāi)機(jī)1h以后，外罩內(nèi)部溫度如表4所示。

表4 M蓄能電站外罩內(nèi)實(shí)測(cè)溫度Table 4 Measured temperature of outer housing

集電環(huán)測(cè)量溫度與理論推導(dǎo)溫度較為接近，碳刷由于結(jié)構(gòu)原因，測(cè)量位置是碳刷的側(cè)部，而不是接觸面的最高溫度，僅作為參考溫度。

當(dāng)前M抽水蓄能電站的隔聲降噪外罩工作穩(wěn)定，溫度適當(dāng)。

2.2.6 注意事項(xiàng)

需要注意的是，外罩外循環(huán)風(fēng)機(jī)風(fēng)路必須保持通暢。因此在風(fēng)機(jī)端部吸音設(shè)備設(shè)計(jì)的時(shí)候，要考慮設(shè)計(jì)通暢的風(fēng)路。同時(shí)，在通路的上端勿采用風(fēng)阻很大的遮擋物。近期曾有抽水蓄能機(jī)組因?yàn)轱L(fēng)路不夠流暢導(dǎo)致外罩內(nèi)部出現(xiàn)溫度過(guò)高現(xiàn)象。

在新機(jī)組的設(shè)計(jì)中，可通過(guò)發(fā)熱的總體評(píng)估，選取合適的外循環(huán)風(fēng)機(jī)。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)新型隔聲降噪外罩通風(fēng)系統(tǒng)的研究，解決了該相對(duì)密閉系統(tǒng)內(nèi)部冷卻的難題。當(dāng)前抽水蓄能電站對(duì)于隔聲降噪減振等方面的需求逐漸提高，越來(lái)越多的地方采用密閉、封堵的方案。該研究對(duì)于抽水蓄能電機(jī)其他帶熱源的密閉系統(tǒng)的通風(fēng)冷卻研發(fā)，也有著借鑒的意義。