大型水轮发电机冷却技术综述

大型水轮发电机冷却技术特点综述（哈尔滨理工大学电气与电子工程学院）摘要：本着节能减排、可持续发展的原则，清洁无污染的水力发电会越来越被人们所重视，本文介绍了大型水轮发电机三种冷却方式：空冷，水冷，蒸发冷却。

首先分别介绍了三种冷却方式的工作原理、特点、造价、适用范围，和当前各种冷却方式的发展现状，对于冷却原理和运行过程中的注意问题给出了详细的说明。

之后通过查阅数据，从经济性、实用性、运行维护和电机结构等角度对三种不同的冷却方式进行了比较，给出了合理的意见。

关键词：大型水轮发电机；冷却方式；发展现状；运行性能The Cooling TechnologySummary for Large Hydro-generators (College of Electrical and Electronic Engineering ,Harbin University of ScienceandTechnology )Abstract: Based on the principle of energy saving and emission reduction and sustainable development, more and more people will pay attention to clean and non polluted hydroelectric power. This paper introduces three kinds of cooling methods for large hydro-generators, including air cooling, water cooling, and evaporation cooling. First of all, the paper introduces the working principle, characteristics, cost and scope of application, and the current developing status of three kinds of cooling methods. A detailed description of the cooling principle and the problem in process of operation is given. By looking up data, the three different cooling methods are compared and the reasonable suggestions are given from the point of economy, practicality, operation maintenance and motor structure.Key words: large hydro-generators; cooling mode; development status; operating performance1 引言我国幅员辽阔，蕴藏的可开发水资源量巨大，在当今可持续发展的理念要求下，利用清洁的可再生的水资源发电，可以减少火力发电燃烧煤炭所产生的有害气体对环境的污染，对于改善全球气候变暖具有重要作用，大力开发水电，对全人类都具有重要意义。

我国目前的水轮发电机装机容量仅占全国电力的24%[1]，而我国可开发利用的水资源总量为5.42亿千瓦[1]，有待开发的水资源量巨大。

因此我国未来水轮发电机发展的前景广阔，大力发展水电势在必行。

水轮发电机是将水能转换为电能的重要设备之一.，随着我国水坝建造技术的日趋成熟和完善, 水轮发电机组的装机容量会越来越大, 目前水轮发电机的单机容量已超过700 MW, 呈进一步增长的良好趋势，水轮发电机未来的发展前景巨大。

水轮发电机的原理就是把水流从高出流下的能量，经过水轮机转化为动力机械能，通过水轮机带动发电机将机械能转化为电能。

我国水轮发电机的起步较晚，1952年哈尔滨电机厂生产了我国第一台800千瓦的混流式水轮发电机机组，改革开放后我国的水轮发电机研发发展迅速，80年代，东方电机厂生产了当时世界上最大的转桨式水轮发电机机组安装在葛洲坝电站。

在过去50年的发展当中，在某些方面，我国水轮发电机机组单机容量已经达到世界先进水平。

在水轮机技术的发展过程中也碰到许多重要的问题，比较突出的问题时发电机的冷却问题，电机在长时间运转中发热是不可避免的，散热工作做得不好会造成严重后果，必须采用合适的散热方式将多余的热量带走，将电机各部分的温度控制在合适范围内。

发电机的冷却技术是保持发电机长期稳定运行的关键，对于不同种类的发电机冷却的方法也不一样，水轮发电机的冷却方式有很多种，但是对于大型水轮发电机而言，采用的冷却方式主要有全空冷，半水冷和蒸发冷却等。

在300千瓦以下的水轮发电机，利用空气进行冷却是主要的冷却方式，在容量再大一些的水轮机，对冷却方式的要求比较高，一般采用水冷或者水冷和空冷相结合的方式进行冷却。

本文简单介绍大型水轮发电机的几种冷却方式的，各自的优缺点、适用范围和选择方法。

2 空气冷却目前空气冷却技术一般用在容量在500MVA以下的空气冷却汽轮发电机中，对于水轮发电机来说，空冷是采用最早也是目前应用最为广泛的的冷却方式，它的历史比较久，发展也比较成熟。

现在无论是小型还是大型水轮发电机，很多都采用空气冷却方式。

它是指对定子的绕组铁芯，转子的绕组铁芯均采用空气冷却，对于一般的大型水轮发电机，多采用无风扇双路径径向密闭端部回风的自循环冷却系统[2]。

全空冷却的机组结构比较简单，机组的冷却空气首先由冷却器流出，之后被分成两路从上进风道和下进风道进入电机，一部分流向磁极，与径向进入的气流合并，之后进入热风室，最后流入冷凝器。

在冷凝器中将热风冷却后再重复以上循环过程，这样就可以将电机定子与转子产生的热量利用冷却空气带走，使电机各部分的温度控制在合理范围内，达到冷却目的。

冷却空气在转子风扇的作用下，产生动力去进行循环，之后通过布置在定子机座外侧的空气冷却器对空气进行冷却，再由电站技术供水系统冷却空冷器并把热量带走。

空气冷却的系统结构简单，不需要添加一些复杂的辅助设备，只需要在电机的内部开通风槽和通风沟即可，通风冷却损耗小分配均匀结构简单，便于检修。

目前，全空冷的水轮发电机机组在全世界的分布如下：表1 世界范围内大容量空气冷却发电机[3]发电站电压/KV 转速/r·min 单机容量/MAV 古里Ⅱ18 112.5 805太古力15 72 615二滩18 142.9 612 Reverlstoke 16 120 560丘吉尔瀑布15 200 500 Xingo 18 109 556 Harspranget 17.5 107 500 瀑布沟20 125 611近年来随着燃气轮机单机容量的上升，导致汽轮机的产量迅速上升，使得空冷技术有了很大的发展，空气冷却的优点有很多：由于采用空冷设备简单，没有辅助设备，管道也比较少，工程量小，使得初期投资成本低。

除此之外，它的运行成本也比较低，没有辅助设备，复杂的设备也比较少，维护和管理起来容易运行性能也比较好收益高。

目前，国内外在空气冷却系统设计方面有了很大的进步，700兆瓦的全空冷水轮发电机已经应用于三峡水电站[4]。

虽然空气冷却具有许多优点，操作简单、方便维修并且运行可靠，它暴露的一些缺陷也不容忽视。

由于空气冷却的空气比热小，在冷却过程中能够带走的热量是有限的，一般来讲冷却效果并不是很好，导致发单机的温升较高，直接影响到发电机的容量。

另外，由于热量的影响在制造过程中必须采取特殊的工艺进行加工制造。

加大风道和热交换面积，加大风量，这将会引起损耗增加，导致消耗的材料多，电机的体积较大。

利用空气冷却的电机，由于热量和温度分布不均匀使得电机中的硅钢片容易扭曲变形，发生“扫膛”现象，发生严重事故。

当负荷变化大时，调峰机组频繁启停，使得定子线棒发生形变，当铁芯与绝缘部分接触时发生磨损。

定子线棒轴向温度分布不均匀，温度过高引起机械应力使得定子叠片翘曲。

由于损耗不均温升过大也容易造成端部故障。

3水内冷水冷经济实惠，由于水的可利用的来源多，河流湖泊以及地下水，通过一些简单的处理装置，就可以进行使用而且可以循环利用。

利用水循环带走电机中的多余热量，由于水本身的比热容大的这一优点，在同等条件下，水可以吸收更多的热量并且吸收速度也很快。

这样利用水进行冷却可以达到很快的冷却速度冷却效果比较好。

由于水轮发电机定子线棒由实心股线和空心股线组成,可以通过空心股线带走实心股线产生的损耗热量，由于可以把内冷水直接通过定子线棒内部, 得到的冷却效果很好, 但是这对冷却水的电导率及离子含量要求会很严格。

水内冷有很多的优点，比如：电机的绝热效果好，产生的温度差小以及机组的热应力小等特点，利用上述的优点我们可以设计出一套合理完整的冷却系统设备。

但是在水冷技术的一般应用的过程中也要注意一些问题，由于电机的结构形变和产生的机械震动对定子绕组的影响比较大，所以对冷却设备的规格要求也较高，在应用时我们要注意这些问题。

在水循环系统工作过程中，将经过处理后的冷却水流入定子线棒当中，这个过程是利用压力泵将冷却水打入定子线棒实心股线当中，带走股线产生的热量，在定子线棒中，一般由一根空心股线带走4 根实心股线产生的损耗热量。

这时冷却水的温度升高，使温度升高后的冷却水进入冷凝器，这个冷凝器与空冷中的冷凝器结构原理基本相同。

之后再与冷凝器中的二次冷却水进行热量的交换，最后将本次降温后的冷却水经过处理之后进行下一次的水循环。

在这里我们要注意一点问题，经过处理后的冷却水要水质纯净无杂质，水温，PH值还有硬度要达标，这样才能很好地保证线棒的绝缘性。

一般这种水冷方式在多用于容量比较大的水轮发电机中，近年来，这种水冷技术不断发展，已经日趋成熟。

一般的水轮发电机在连续运转的时候，用于冷却的冷却水要经过静止、消毒杀菌、酸碱处理、吸附等操作处理才能使用，而且需要定期向泵中注入新的冷却水。

但是在水轮发电机冷却水循环系统的防垢问题上，虽然我们的循环水经过了严格的处理，各方面已经达标，但是在流通过线棒的过程中，仍然会对线棒产生一定的腐蚀作用，这些腐蚀后的杂质结成垢会使得冷却水流通的不畅通，使得冷却效果不够理想。

在日常的运行中，不仅要进行正常的化学清洗，还要进行必要的机械清洗。

例如：ABB公司就采取了一项措施，将由铜材料制成的空心股线改成不锈钢的，这就大大消除的铜腐蚀结垢的问题，使冷却效果提高[4]。

除此之外，水处理要有水源作为基础，对水进行处理加工需要很大的占地面积用作厂房设备，所以采用生活纯净水作为水循环系统的初始水源，对于二次冷却水仍采用由技术供水系统提供水的方法，当进入线棒中的水的指标不能满足要求时，在进入水质处理装置进行处理直到符合为止，这样可以大大提高效率节省土地占用面积。