特大型水輪發(fā)電機，其冷卻方式的選擇對發(fā)電機長期安全可靠運行和電機的使用壽命有著重要的影響。目前，國內(nèi)外較大容量機組常用的冷卻方式有全空冷，半水冷和蒸發(fā)冷卻方式3種，空調(diào)冷卻方式是極少使用的、尚處在控研階段的一種冷卻方式。隨著大型水壩和發(fā)電機制造業(yè)新技術(shù)的發(fā)展，水輪機的單機容量正向巨型邁進，目前已超過800MW，呈現(xiàn)出進一步增長的趨勢，進入特大型巨型機的行列，采用傳統(tǒng)的空氣冷卻方式已不能滿足電機散熱的要求。
1 水輪發(fā)電機組幾種常用的冷卻方式
1.1 全空冷方式
水輪發(fā)電機所采用的傳統(tǒng)冷卻方式一般都是空冷。
發(fā)電機的額定容量可由下式計算：
式中Sn為額定容量，kVA;K為常數(shù)，對于大容量的水輪發(fā)電機，K取1.35×10-12;As為定子線負荷，A/cm;Bδ為空載氣隙磁通密度，Gs;Di為定子內(nèi)徑，cm;li為定子鐵芯有效長度，cm;nN為轉(zhuǎn)子額定轉(zhuǎn)速，r/min。
對應于飛逸轉(zhuǎn)速nr時的發(fā)電機轉(zhuǎn)子圓周速度為：
式中kr為飛逸系數(shù)，kr=nf/nN;nf為轉(zhuǎn)子飛逸轉(zhuǎn)速，r/min。
從容量計算式可以看出，空冷水輪發(fā)電機的極限容量由電磁負荷、材料強度和定子鐵芯長度決定。Bδ值受鐵芯材料飽和的限制不宜高于8000Gs。線負荷As的取值與采用的絕緣等級以及冷卻方式有關(guān)。對于空冷效果較好的大容量水輪發(fā)電機，定子線圈采用F級絕緣，A的取值可為800A/cm。疊片磁軛的最大圓周速度可取到170m/s。對于在水電站進行機座裝焊、定子鐵芯整圓疊裝和下線的水輪發(fā)電機，lt理論上適宜的最大值取為4m。在以上各量的極限取值下，空冷輪發(fā)電機的極限容量由下式計算：
空冷水輪發(fā)電機的極限容量也可由下列近似公式表述：
當額定轉(zhuǎn)速、飛逸轉(zhuǎn)速確定后，空冷電機的極限容量也就確定了。當空冷電機的單機容量不能滿足要求時，為了提高電機容量便選擇更有效的其他冷卻方式。
電機的發(fā)熱狀況通常用每極容量來表征。我國現(xiàn)已運行的每極容量最大的大型全空冷機組為：每極容量14.57MVA的二灘電站等機組，目前正在設計制造的為每極容量達19.445MVA的小灣電站機組。除每極容量外，電機的發(fā)熱與溫升主要與槽電流、熱負荷及支路的匹配直接相關(guān)。全空冷水輪發(fā)電機有一個共同的特點，即槽電流通常需控制在5500-6700A，目前擴大到5500-7500A，個別最高值可達8000A。但熱負荷不宜突破3000A2/(mm2?cm)。電機的定子鐵芯長度對通風冷卻性能有較大的影響，對空冷發(fā)電機定子鐵芯長度也有一定的限制。定子鐵芯長度lt>3m時，定子鐵芯通風冷卻困難，對空冷式機組，鐵芯長度過長，鐵芯散熱條件差，溫度分布不均勻，容易產(chǎn)生局部過熱，不利于發(fā)電機長期穩(wěn)定運行，制造時裝壓亦困難。目前單機容量超過500MW典型機組的定子鐵芯長度最大值是3.8m。當機組轉(zhuǎn)子外緣周速較高時，其轉(zhuǎn)子自身產(chǎn)生的冷卻風量已能夠滿足通風散熱的需要。因此，可以采用無風扇端部回風雙路徑向密閉自循環(huán)全空冷方式。在滿足發(fā)電機散熱需要的前提下，這種冷卻方式具有結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、維護方便等優(yōu)點，能有效地減少電廠的二次運行費用。
空氣冷卻的特點是定子繞組絕緣內(nèi)導體的發(fā)熱量必須經(jīng)過絕緣外表向空氣散熱，或者再經(jīng)過鐵芯傳導后向空氣散熱，這必然導致導體溫度升高。當機組立體性尺寸增大，繞組的高溫升還會引起定子鐵芯的熱度變形，以及過大的熱應力。電機起停過程中的冷熱循環(huán)造成繞組伸縮而使絕緣疲勞脫殼，以及與定子槽的相對滑動等，這已經(jīng)成為大型發(fā)電機影響電機可靠性的重要問題。水輪發(fā)電機采用空氣冷卻存在著一些不利于運行可靠性的問題。空冷電機因為熱量及溫度分布不均勻，定子線棒溫度高，鐵芯與機座的熱應力大，所以硅鋼片可能引起拱曲，內(nèi)膛產(chǎn)生非圓形;甩負荷時，轉(zhuǎn)子的應變增大，即直徑比正常運行時大，容易發(fā)生“掃膛”(即定轉(zhuǎn)子相撞)的事故。對于負荷變化大、頻繁起停的調(diào)峰機組，定子線棒在運行的過程中會發(fā)生熱變形，由于銅導體和外包絕緣的溫度熱膨脹系數(shù)不同而造成的疲勞，會引起絕緣脫殼及老化，產(chǎn)生內(nèi)部電暈，破壞絕緣。
1.2 定子繞組水內(nèi)冷方式
不完全統(tǒng)計，近30-40a，水冷為大型水輪發(fā)電機的主要冷卻方式。首先內(nèi)冷技術(shù)的采用降低了繞組溫升，特別是能有效減小繞組線棒的溫差，使整個發(fā)電機定子繞組溫度分布均勻，延長了絕緣壽命;由于使用內(nèi)冷方式，發(fā)電機定子繞組損耗的發(fā)散不再需要定子鐵芯負擔，定子鐵芯的溫升由其自身損耗產(chǎn)生，其溫升較之空冷方式有很大幅度的降低;內(nèi)冷電機由于鐵芯與機座溫差相對較小，鐵芯熱應力較易控制;內(nèi)冷技術(shù)的應用將大大減小導體與絕緣之間的熱應力，避免了絕緣脫殼和內(nèi)部電暈;定子繞組內(nèi)冷后，發(fā)電機的電磁負荷可提高，結(jié)構(gòu)尺寸有一定程度的減小，特別是轉(zhuǎn)子重量的減小，可降低推力負荷和轉(zhuǎn)子機械應力。例如：當采用水內(nèi)冷時，由于冷卻效果增強了，線負荷可提高到1200A/cm。氣隙磁密可取8000-9000Gs，其利用效率約為空冷發(fā)電機的1.5倍，極限容量約為空冷發(fā)電機的1.5-2倍。水內(nèi)冷發(fā)電機槽電流的控制值約為10000A。
水冷與空冷相比，在定子鐵芯內(nèi)徑相同條件下，鐵芯高度前者為后者的2/3，重量為3/4，轉(zhuǎn)動慣量GD2約為70%，滿載時發(fā)電機效率大致相同，在部分負荷時，水冷發(fā)電機略高。
由于空冷發(fā)電機定子繞組和鐵芯溫度高，隨著水輪發(fā)電機單機容量的增長，定子和轉(zhuǎn)子繞組的熱負荷不斷提高，大型和特大型發(fā)電機采用傳統(tǒng)的空氣冷卻方式，其散熱存在一定的問題。國外大型和特大型發(fā)電機多采用定子繞組水冷卻技術(shù)，據(jù)統(tǒng)計，全世界大于600MW水輪發(fā)電機中采用定子繞組水冷卻技術(shù)的占85%以上。水內(nèi)冷技術(shù)的使用，改善了上述空冷機組存在的問題。降低了繞組溫升，特別是能有效減小繞組線棒的溫差，使整個發(fā)電機定子繞組溫度分布均勻，延長絕緣壽命;使用內(nèi)冷方式，發(fā)電機定子鐵芯的溫升較之空冷方式有很大幅度的降低，因此內(nèi)冷電機由于鐵芯與機座溫差相對較小，鐵芯熱應力較易控制;內(nèi)冷技術(shù)的應用將大大減小導體與絕緣體之間的熱應力，避免約絕緣脫殼和內(nèi)部電暈;定子繞組內(nèi)冷后，發(fā)電機的電磁負荷可提高，結(jié)構(gòu)尺寸有一定程度的減小，特別是轉(zhuǎn)子重量的減小，可降低推力負荷和轉(zhuǎn)子機械應力。但水內(nèi)冷技術(shù)使用水作為循環(huán)冷卻介質(zhì)，雖然具有內(nèi)冷方式的各種優(yōu)點，但卻存在著不可避免的弊端：除了需要在水電站安裝一套復雜的凈水系統(tǒng)外，還存在著線棒冷卻孔淤堵、接頭泄漏及水力鉆孔的致命弱點。
據(jù)國際大電網(wǎng)會議組織調(diào)查，水冷的運行可靠性較空冷的低4%-5%，這是用戶難以接受水冷的關(guān)鍵[1]。由于水冷方案技術(shù)要求高，存在設備復雜、運行工作量大、可能發(fā)生故障等問題，故機組在空冷方案滿足要求的情況下，不宜采用水冷方案。
1.3 定子繞組蒸發(fā)冷卻方式
大型水輪發(fā)電機的這下子繞組自循環(huán)蒸發(fā)冷卻技術(shù)在冷卻效果、安全性等方面與現(xiàn)有的空冷技術(shù)和水冷技術(shù)相比，有獨特之處，針對機組頻繁起停的特點，蒸發(fā)冷卻方式是一個選擇。蒸發(fā)冷卻是一項新型的電機冷卻技術(shù)。
與水冷技術(shù)相比，蒸發(fā)冷卻機組的空心導線內(nèi)部最高壓力為0.03MPa，大約相當于水冷機組的1/20�？朔死鋮s水泄漏和結(jié)垢對安全運行造成的威脅，還可省掉造價高昂、占地較大、維護最大的純水處理系統(tǒng)，降低了成本，縮短了工期。由于采用了無泵自循環(huán)機理，簡化了運行維護程序，機組的可靠性得到提高。
與空冷技術(shù)相比，線棒溫度分布均勻，繞組在滿負荷時溫度不超過65℃，溫升約相當于空冷機組允許溫升的1/4，絕緣壽命大大延長，在發(fā)電機負荷變化時，溫升基本不變，大大減少了由于溫差大而產(chǎn)生的定子和線棒的摩擦和變形[2]。
蒸發(fā)冷卻是利用高絕緣、低沸點液體騰吸收汽化潛熱進行冷卻的一種自循環(huán)冷卻系統(tǒng)，其這下子繞組采用空心銅線和實心銅線組合，空心銅線用于冷卻介質(zhì)(蒸發(fā)用介質(zhì))通過。當發(fā)電機運行時線棒內(nèi)液態(tài)冷卻介質(zhì)受熱而汽化，通過線棒上端集汽管，將汽化的冷卻介質(zhì)進入冷凝器液化后又返回線棒下端集液管，液態(tài)的介質(zhì)再次進入線棒內(nèi)的空心銅線，并再進行新的循環(huán)，將電機內(nèi)部的熱量帶走進行冷卻。
蒸發(fā)冷卻水輪發(fā)電機自1983年第1臺云南大寨10MW發(fā)電機運行以來，相繼投運了52.5MW和大容量的400MW發(fā)電機，運行時間已接近20a，通過長期運行考驗，機組運行可靠，各項性能指標達到預期效果。
蒸發(fā)冷卻過去采用氟里昂類物質(zhì)CFC113作為冷卻介質(zhì)，因為該種冷卻介質(zhì)對大氣臭氧層有破壞作用，將被限制使用。為此，東方電機股份有限公司與中科院電工所從20世紀90年代初開始進行新介質(zhì)的研究，經(jīng)過篩選、分析實驗、性能測試和機組運行考核等，已確定將Fla、HFC-4310和HFCAR-3000作為今后蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)使用的首選介質(zhì)，該介質(zhì)在性能上完全符合使用的要求，蒸發(fā)溫度適中、流動性好、傳熱能力強;其將，它屬氟碳氮化合物，不含氯元素，因而不會破壞大氣臭氧層，無毒、無刺激性、使用安全。Fla已在大寨10MW蒸發(fā)冷卻水輪發(fā)電機上得到應用，并獲得了良好的運行效果，但價格較貴。
目前，蒸發(fā)冷卻技術(shù)在水輪發(fā)電機的應用實踐中只采用了半內(nèi)冷方式，即發(fā)電機定子采用蒸發(fā)冷卻、其他部位采用空冷方式，本文所述的蒸發(fā)冷卻方式均指半內(nèi)冷方式。
2 幾種常用冷卻方式的優(yōu)缺點
大型水輪發(fā)電機每一種常見的冷卻方式都各有優(yōu)缺點�？绽浞绞浇Y(jié)構(gòu)簡單，運行維護方便，但受轉(zhuǎn)速和容量的限制，且同容量體只龐大;水冷效率遠高于空冷且體積相應較小，但結(jié)構(gòu)復雜，且運行維護工作量大;蒸發(fā)冷卻技術(shù)在大容量機組上的運用微乎其微，還存在一些沒有解決的問題，未形成完整的產(chǎn)業(yè)化、標準化、特別是兩相流問題的處理還缺乏準確性。
大型水輪機常用冷卻方式的優(yōu)缺點見表1。
表1 大型水輪發(fā)電機常用冷卻方式優(yōu)缺點
3 空調(diào)冷卻方式
特大型水輪發(fā)電機繞組的工作壽命尤其令人關(guān)注。西門子公司委托加拿大多倫多大學進行的千次熱循環(huán)試驗證明，國外各名牌廠家的線棒均發(fā)生了脫殼現(xiàn)象。線棒與鐵芯縱向上的熱膨脹差別會造成絕緣與鐵芯接觸面磨損。發(fā)電機端部沿圓周通風及損耗分布不均，造成溫升差別大，從而導致端部故障頻繁。按照絕緣的8-10℃法則，溫度每升高8-10℃，絕緣的壽命就減半，因此特大型水輪發(fā)電機繞組冷卻發(fā)電機繞組冷卻方式的冷卻效果顯得極其重要。目前空調(diào)冷卻方式還處于研究階段，本文特此探研將空調(diào)冷卻方式作為特大型水輪發(fā)電機冷卻方式的可能性。
3.1 特點
空調(diào)冷卻是從機外吸入新鮮空氣，經(jīng)過專門的空調(diào)洗滌室噴霧水洗、降溫、去溫后進入發(fā)電機內(nèi)，冷卻完后熱空氣經(jīng)管道排出。其優(yōu)點是：
(1)水量消耗非常小，能量消耗也小。
(2)由于發(fā)電機內(nèi)熱空氣的混合，發(fā)電機中冷空氣從不出現(xiàn)完全飽和現(xiàn)象，故發(fā)電機內(nèi)不會結(jié)露。
(3)由于可控制較低的風機冷風溫度，發(fā)電機運行溫度穩(wěn)定熱膨脹減少，大大緩解了熱變形的問題，絕緣壽命延長。
(4)需要空氣量較少，通風損耗較少，效率提高。
(5)結(jié)構(gòu)簡單，比較經(jīng)濟。
空調(diào)冷卻方式的缺點是：金屬耗量大、較重[3]。這主要是指設置的金屬管路多，這一問題可通過將金屬管路轉(zhuǎn)換為工程塑料管路予以解決。
3.2 冷卻效果計算
本文推薦的空調(diào)冷卻方式是，不從機外吸氣，而是從機內(nèi)吸入發(fā)電機冷卻后的熱風，經(jīng)空冷風機處理后將冷風送至發(fā)電機上下風道進風區(qū)，這樣可保證機內(nèi)的冷卻氣路為密閉循環(huán)，空氣也不必再進行干燥處理。
基于700MW級水輪發(fā)電機通風模型試驗研究的結(jié)果[4];這一級容量的通風量為300m3/s較為合適，水輪發(fā)電機的散熱平衡公式為：
Q發(fā)熱風-Q熱風出+Q冷風時=Q發(fā)冷風
設水輪發(fā)電機通風熱風平均溫度為51.3℃，冷風平均溫度為30.5℃[4]，下面分析了3種熱風置換量情況。
(1)如果采用1/3的熱風置換量，空冷風機的額定通風量應為100m3/s。設8臺空冷風機，每臺空冷風機的額定出風量為12.5m3/s，最大出風量為14.4m3/s;設12臺空冷風機，每臺空冷風機的額定出風量為8.33m3/s，最大出風量為9.6m3/s。300m3/s×51.3℃-100m3/s×51.3℃+100m3/s×t℃=300m3/s×30.5℃，則進入發(fā)電機上、下風道進風區(qū)的空冷風機冷風溫度;t=-11.1℃。
(2)如果采用2/3的熱風置換量，空冷風機的額定通風量應為200m3/s。設8臺空冷風機，每臺空冷風機的額定出風量為25m3/s，最大出風量為28.8m3/s;設12臺空冷風機，每臺空冷風機的額定出風量為16.67m3/s，最大出風量為19.2m3/s。300m3/s×51.3℃-200m3/s×51.3℃+200m3/s×t℃=300m3/s×30.5℃，則進入發(fā)電機上、下風道進風區(qū)的空冷風機冷風溫度;t=20.1℃。
(3)如果采用3/3的熱風置換量，空冷風機的額定通風量應為300m3/s。設8臺空冷風機，每臺空冷風機的額定出風量為37.5m3/s，最大出風量為43.2m3/s;設12臺空冷風機，每臺空冷風機的額定出風量為25m3/s，最大出風量為28.8m3/s，則進入發(fā)電機上、下風道進風區(qū)的空冷風機冷風濕度;t=30.5℃。
第2種方案較為合適。依目前我國冷風機制造水平，可制造出上述參數(shù)的空冷風機。其單機壓力在100Pa左右，功率為16-48kW。
在確定合適的冷卻風速參數(shù)并完成結(jié)構(gòu)設計后，需通過水輪發(fā)電機通風模型試驗獲取最佳風速，以達到經(jīng)濟實效。
3.3 冷風機設備布置
圖1為以某600W水輪發(fā)電機組為例，在發(fā)電機機坑四周壁上布置空冷風機，保證機內(nèi)的冷卻氣路為密閉循環(huán)。氣路的設計如下：分上、下兩冷風出口，由隔板將冷熱風道分開，冷風流對著繞組端部流過，保證繞組端部有良好的冷卻效果。
圖1 某600W水輪發(fā)電機空冷風機冷卻方案布置(單位：mm)
特大型水輪發(fā)電機其機坑直徑大，壁厚，利于布置空冷風機時避開發(fā)電機出線。
4 空冷風機的運行
空冷風機在各個季節(jié)中的轉(zhuǎn)速應有所不同，以適應機組負荷的需要。在春、秋季(約占全年時間的36%)，空冷風機以中速運行，不僅節(jié)約廠用電，還能降低噪聲;在冬季(約占全年48%)，空冷風機以低速運行，可更好地滿足節(jié)能、降低噪聲和防凍要求;在夏季(約占全年16%)，空冷風機則以高速和滿速運行，以多發(fā)電、多帶負荷。采用變頻調(diào)速技術(shù)后則可實現(xiàn)上述要求，并可延長設備的使用壽命，實現(xiàn)風機的軟啟動、遠程控制和自動控制，特別適用于不允許空冷風機停機的場合。據(jù)資料，轉(zhuǎn)速降低10%，約可減少能耗30%。
為防止因長期運行后冷卻空氣泄露等原因而造成風量不足，在空冷風機上設置空氣過濾器，可隨時補充因泄露而減少的空氣。
5 結(jié)語
近幾年來，龍灘、小灣、構(gòu)皮灘、瀑布溝、錦屏、拉西瓦、向家壩、溪洛渡等一批大型水電站相繼開工建設，其中有些項目的部分工程已投產(chǎn)發(fā)電;金沙江流域水電開發(fā)全面啟動，溪洛渡電站于2007年11月8日實現(xiàn)截流。截至2007年底，水電發(fā)電設備容量達1.45億kW，水輪機的單機容量隨之向巨型邁進，水電在國民經(jīng)濟建設中將發(fā)揮越來越重要的作用。隨著水電建設步伐的加快，水輪發(fā)電機的質(zhì)量、工作壽命令人關(guān)注，本文詳細分析了大型水輪發(fā)電機幾種常用的冷卻方式，針對其存在的不足和問題，探研了采用空冷風機的空調(diào)冷卻方式作為特大型水輪發(fā)電機的冷卻方式。作者認為空冷風機的空調(diào)冷卻方式經(jīng)濟，能達到有效的冷卻效果。
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