600MW發電機定子空心股線堵塞時溫度場分布的數值分析

雷一鳴，張 莉

(上海電力學院能源與環境工程學院，上海 200090)

火電機組的發展使得發電機的單機發電容量也在不斷增大，大容量發電機運行時損耗產生的更多熱能能否及時被冷卻介質帶走是關系著發電機安全運行的重要問題.隨著發電機冷卻技術的發展，水-氫-氫已經成為目前大型汽輪發電機比較成熟的冷卻方式.但是冷卻水在冷卻銅材質制成的發電機定子線棒空心股線中時，由于冷卻水水質不能保證始終控制在最優狀態，難免會使定子線棒的空心股線發生腐蝕，造成空心股線的堵塞.而空心股線一旦堵塞，冷卻水無法及時地將熱量帶走，就會造成發電機定子的局部“超溫”，危及發電機的安全.

由于定子冷卻水路在定子線棒空心股線中的堵塞現象是水內冷汽輪發電機中常見的故障之一［1］.因此，運行現場常通過布置在定子線棒上的溫度測點來監測定子線棒是否超溫，一旦定子線棒的監測溫度大于某一規定值，發電機必須降低負荷，以確保安全.但是就發電機現場對定子線棒溫度的實際監測情況來看，對于有一定橫斷面積的定子線棒，通常并沒有對定子線棒橫斷面進行足夠點位的溫度監控，而僅在上、下線棒交接處的某一位置上布置了測溫元件，定子線棒是否“超溫”也就僅靠測量這一位置上的溫度來判斷.但是這一測點處的溫度并不一定能反映出整個定子線棒“超溫”的實際情況.比如當定子線棒被堵塞的空心股線距離溫度測點較遠時，定子線棒的局部即使“超溫”，也有可能不會被測點處的溫度反映出來.因此，有必要對定子線棒不同位置處的空心股線堵塞后的溫度場進行數值模擬，讓運行人員能夠事先對定子線棒不同空心股線堵塞后可能出現的溫度場分布有所了解，為現場運行人員提供有益的參考.

本文以某600 MW發電機為研究對象，采用有限元法，研究了該發電機定子線棒空心股線未堵塞，以及空心股線在不同堵塞情況下汽輪發電機定子線棒橫斷面上的溫度場，總結了不同堵塞情況下定子線棒溫度場的變化規律.

1 定子線棒傳熱模型

1.1 定子線棒的結構

水內冷汽輪發電機定子槽內一般有上下2根線棒，每根線棒是由空心銅導線和包有股間絕緣的實心銅導線組合排列而成.中型汽輪發電機的定子線棒由2排銅導線組成，大型汽輪發電機需要4排甚至6排銅導線［2］.定子繞組在槽內通過槽底、層間槽楔、墊片、波紋板和綁扎帶實現固定;通過股間絕緣、排間絕緣、主絕緣達到絕緣目的.

1.2 定子線棒的傳熱模型及若干假設

根據實際情況，當發電機穩態運行時，可以認為其中的溫度不隨時間變化，因此定子線棒內溫度場的求解問題是一個帶內熱源的穩態導熱問題.首先，電流流過定子線棒的銅股線時會產生損耗，產生的損耗以發熱的形式表現出來，因此在實心和空心股線上有內熱源存在;其次，定子線棒的熱損是通過空心股線中流過的冷卻水攜帶走的，所以在空心股線的內孔邊界被冷卻水以表面對流換熱方式進行冷卻，即空心股線內孔邊界上為第3類邊界條件;此外，定子線棒的外邊界為主絕緣邊界，空心股線發出的熱量還可以通過主絕緣邊界散出.

為了使得定子線棒導熱問題能夠求解，還需對傳熱模型作若干假設，具體如下:

(1)認為渦流效應對每根股線的影響相同，即取銅股線上的銅耗發熱平均值;

(2)當空心股線未被堵塞時，冷卻水的流動處于紊流狀態，空心股線內邊界上的表面對流換熱系數可通過管內對流換熱實驗關聯式確定;

(3)當空心股線堵塞時，冷卻水無法在空心股線內流動，而是在空心股線內邊界上根據第3類邊界條件轉化成由冷卻水填充的內部區域;

(4)冷卻水沿定子線棒軸向呈近似線性變化，在進行二維溫度場計算時，冷卻水的溫度可取冷卻水進、出水溫度的平均值;

(5)定子線圈橫斷面所涉及材料的導熱系數各向同性且不隨溫度變化，即不同材料的λ均為定值;

(6)考慮到定子線棒發出的熱量主要是由冷卻水攜帶走的，而通過主絕緣散出去的熱量較少，可以認為主絕緣邊界為絕熱邊界.

1.3 定子線棒溫度場的數學模型

根據傳熱學知識［3］，汽輪發電機穩定運行時，定子線棒橫斷面上的二維穩態溫度場的數學模型為:

式中:T——定子線棒內的溫度;

λ——不同材質物體的導熱系數;

φ——為銅心股線上的的熱源強度;

s1——邊界為主絕緣的外邊界;

s2——邊界為空心股線的內孔邊界.

2 計算對象及計算模型的確定

2.1 計算對象簡介

本文選取某600 MW發電機定子繞組中的1根下層線棒作為研究對象.該定子線棒由16根空心銅導線和32根實心銅導線組成，分為4排，每排又分4組，每組由1根空心銅導線和2根實心銅導線組成.該型號發電機的額定值見表1.

表1 某600 MW汽輪發電機的額定值

2.2 計算模型的確定

在定子線棒的橫斷面上，通常存在繞組銅導線、主絕緣、綁扎帶，以及股間絕緣、排間絕緣等5種材質.計算對象的銅導線所用的銅為2#純銅;主絕緣材料為環氧玻璃粉云母多膠帶;綁扎帶的主要成分為無堿玻璃纖維;股間絕緣的主要成分是薄層玻璃纖維;排間絕緣材料為多膠玻璃粉云母板.對于每一種材質，在計算前查出其導熱系數，并應用于求解過程中.

在假定冷卻水處于充分發展的紊流狀態的情況下，空心股線內界面的表面對流傳熱系數可以按照管內強制對流換熱實驗關聯式計算.

根據前面的假設，假定銅股線上的銅耗發熱均勻.由文獻［4］可知，通常600 MW 汽輪發電機的基本銅耗占其額定容量的0.3%，經過計算可得銅股線上單位體積的生熱率.

3 計算結果與分析

采用上述傳熱模型，對所選取的600 MW發電機定子下層線棒進行了空心股線未堵塞和不同程度堵塞時定子線棒橫斷面溫度場的分析工作.空心股線的堵塞除了1根股線堵塞和多根股線堵塞外，還有在橫斷面上堵塞位置的不同等情況.

3.1 空心股線未堵塞

在空心股線均未被堵塞，冷卻水流動暢通的情況下，得到的定子線棒橫斷面的二維溫度場，如圖1所示.

由圖1可以看出，空心股線由于冷卻水的適當冷卻，溫度相對較低，比水溫略高，而實心股線溫度相對較高.對于外緣靠近主絕緣層的線棒，由于主絕緣層外按照絕熱邊界處理，因此線棒散熱條件相對較差，溫度比中部線棒要高.由于橫向主絕緣與空心股線距離較近，一部分熱量可以被空心股線帶走，因此橫向主絕緣的溫度比徑向主絕緣溫度低4℃左右.此外，溫度最高點位于實心線棒密集區，與主絕緣交界處，溫度最低點位于空心股線內壁.

圖1 空心股線未被堵塞時的溫度場分布

另外，圖1所示的定子下層線棒橫斷面上的溫度場分布較為合理，符合定子繞組在正常運行時，溫度均在80℃以下的規律［2］，從而證明了本文建模及求解的正確性;所得到的計算結果也表明，定子線棒上、下棒交接處的溫度較高，現場對定子線棒溫度監控的測點設置在上、下線棒交接處，有一定的代表性.

3.2 1根空心股線堵塞

在對空心股線被堵塞的有限元進行分析時，考慮到空心股線被堵塞時，大多是在某一局部位置處發生堵塞，導致冷卻水無法流通，所以堵塞時空心股線內填充的物質為內冷水.而對于其余未被堵塞的空心股線的內邊界仍然是對流邊界條件.由于模型的對稱性，本文只討論上兩排股線的堵塞情況，分析4種1根空心股線被堵塞情況下的溫度分布.圖2為1根空心股線在堵塞位置不同時，計算得到的定子線棒的溫度場分布.

由圖2可看出，1根空心股線被堵塞時，定子線棒橫斷面上的溫度分布不僅有別于空心股線未被堵塞時的溫度分布，而且當堵塞位置不同時，溫度分布也不相同.當靠近主絕緣的空心股線發生堵塞時，受主絕緣外近似絕熱的邊界條件影響，股線周圍區域內溫度變化顯著，尤其是處于邊角位置的空心股線發生堵塞時，傳熱條件惡化，最高溫度與最低溫度甚至相差約40℃.

當被堵塞的空心股線位于線棒的中部位置時，溫度分布的變化主要發生在被堵塞的空心股線周圍，該區域內溫度升高，橫斷面上最高溫度與最低溫度相差約為20℃，但此時主絕緣處的溫度并未受到影響.

圖2 1根空心股線堵塞時的溫度場分布

通過分析發現，當空心股線堵塞時，發生堵塞的空心股線及其周圍臨近的實心股線溫度急劇升高，升溫區域沒有在周邊形成擴散的趨勢，這主要是由于排間及股間絕緣隔熱的影響，被堵塞股線的熱量無法被周邊空心股線內的冷卻水有效帶走所致.而當被堵塞的空心股線距離溫度測點較近時，溫度測點能夠很快地監控到“超溫”，但當被堵塞的空心股線位于線棒的中部位置時，位于上、下線棒交接處的溫度測點不一定能夠監控到定子線棒內部區域的“超溫”現象，表面上符合“定子線棒層間最高與最低溫度間的溫差小于8℃”的相關規定［5］，實際上已構成了安全隱患.

3.3 多根空心股線堵塞

采用同樣的方法，本文還對2根、3根空心股線發生堵塞的情況進行了有限元分析，分析結果分別見圖3和圖4.

將圖3和圖4的溫度分布與圖2的溫度分布進行分析比較發現，當多根堵塞的空心股線不相鄰時，堵塞的空心股線周邊區域的升溫情況與1根空心股線發生堵塞時的情況近乎相同，而且這些升溫區域相互影響不大，因此線棒的最大溫差情況也與1根空心股線堵塞情況下的相一致.但當堵塞的空心股線相鄰時，不同堵塞空心股線的升溫區域就會互相作用，加劇溫度的升高，溫度最高點出現在2根線棒中間絕緣處.當2根位于線棒內部的相鄰空心股線發生堵塞時，由于熱量可以被周圍的空心股線帶走一部分，所以局部過熱的情況(2根堵塞時最大溫差約為22℃，3根堵塞時最大溫差約為44℃)要好于堵塞的空心股線集中在主絕緣附近時(2根堵塞時最大溫差約為67℃，3根堵塞時最大溫差約為120℃).

此外，定子線棒最大溫差值隨堵塞股線的聚集程度及距離主絕緣的遠近程度而變化.總體來說，聚集程度越密，最大溫差越大;距離主絕緣越近，最大溫差越大.而且現場的溫度測點不能及時反應出定子線棒內的“超溫”，比如3根空心股線堵塞，但不臨近下層線棒的上層主絕緣(即溫度測點布置位置)時，溫度測點處的溫度約為61℃，與空心股線未堵塞時的溫度相差無幾.

圖3 2根空心股線堵塞時的溫度場分布

圖4 3根空心股線堵塞時的溫度場分布

4 結論

(1)定子線棒的空心股線堵塞后，其溫度場會發生變化，附近區域溫度有所升高，而且堵塞越集中，堵塞的空心股線距離主絕緣越近，導致溫度分布不均勻性越大.

(2)空心股線未堵塞時，用布置在上、下層線棒間的測溫元件測量得到的溫度來表征定子線棒的“超溫”有一定的代表性.

(3)當空心股線堵塞時，尤其是堵塞的空心股線與測溫元件不臨近時，堵塞引起的“超溫”并不能被測點測得的溫度反映出來，也就是說，測點溫度正常，并不一定代表定子線棒不“超溫”.

［1］馬天忠.電機狀態監測和故障診斷［M］.北京:機械工業出版社，2007:842-850.

［2］汪耕，李希明.大型汽輪發電機設計、制造與運行［M］.上海:上海科學技術出版社，2000:219-227.

［3］楊世明，陶文銓.傳熱學［M］.北京:高等教育出版社，1988:25-28.

［4］丁舜年.大型電機的發熱與冷卻［M］.北京:科學出版社，1992:22.

［5］國家電力公司.防止電力生產重大事故的二十五項重點要求［M］.北京:中國電力出版社，2000:15-17.