南津渡水電站發電機冷卻系統技術改造初探

陳敬明

（湖南省南津渡水電站 永州市 425100）

南津渡水電站位于湖南省永州市境內，是一座集防洪、供水、發電、航運等綜合利用的水電樞紐工程，也是湘江支流瀟水流域水電梯級開發的最后一個梯級電站，距湘江河口7 km，壩址控制流域面積11 791 km2，總庫容為6 100萬m3，電站總裝機容量為60 MW，為奧地利ELIN 公司低水頭徑流式燈泡貫流式機組，單機容量20 MW。 1991年發電機冷卻系統投運后效果一直不理想，線棒滿負荷運行最高溫度達120℃，導致機組線棒在運行10年后事故不斷，冷卻系統改造刻不容緩。

1 機組冷卻系統基本情況

1.1 冷卻方式

發電機現有通風冷卻系統采用的是密閉循環強迫通風的冷卻方式，冷卻系統是完全獨立的，它由4臺軸流風機、8 臺空氣水熱交換器、2 臺冷卻水泵、1個錐形冷卻套等組成，具有兩個密閉循環冷卻系統，經過兩次熱交換進行冷卻，如圖1 冷卻水系統示意圖所示。 通過空氣水熱交換器后的冷空氣由軸流風機吹至轉子的下游側，流經磁極端部、定子支架、磁極間氣隙、磁極與定子線圈間氣隙等，在上游側端部匯合后通過空氣水熱交換器再次進入軸流風機，達到對發電機定子、轉子的冷卻，這便是密閉氣循環。空氣水熱交換器中所產生的熱水通過冷卻套時，由流道中的河水對其進行冷卻，冷卻后的冷水經水泵送入空氣水熱交換器中再次對發電機的熱風進行冷卻，這便是密閉水循環。

圖1 冷卻水示意圖

電站冷卻水系統在為發電機提供冷卻水的同時還為軸承油系統、調速器油系統提供冷卻水，軸承油冷卻水的流量是受恒溫控制器控制的，原冷卻水系統原理圖如圖2 所示。

1.2 現階段冷卻效果及原因分析

圖2 冷卻水系統原理圖（改造前）

運行發現現有冷卻系統的冷卻效果很不理想，發電機線棒仲夏運行的最高溫度達120℃，發電機燈泡頭環境溫度最高達45℃，對發電機組絕緣造成極大的危害。 造成的原因有三個方面：

（1）設計時冷卻器的熱交換功率不夠，達不到冷卻效果的要求。

首先對原有空氣水熱交換器的熱交換功率進行核算：

根據在熱量交換過程中的熱量守恒定律進行計算，在同一時間段內空氣水熱交換器中水溫度升高所吸收的熱量等于空氣溫度降低所釋放的熱量。

1 小時內水溫升高所吸收的熱量為：

1 小時內空氣溫度降低所釋放的熱量為：

空氣與水在1 小時內所交換的熱量大致平衡，電站現有8 臺空氣水熱交換器的熱交換功率為360 kW。

缺容計算：（449-360）/360=24.7%

上述計算說明在最初設計時空氣水熱交換器的熱交換功率沒有達到設計的要求。

鑒于電站使用的ELIN公司設計的空氣水熱交換器在冷卻水的進出口均未設計溫度表計，電站當時也未加裝，所以無法統計歷年來水溫的變化情況。 從2005年以及2007年對發電機熱風、冷風的溫度統計數據來看，冷卻氣體溫度平均降溫為20℃左右，并沒有達到設計的標準25.6℃，這也進一步說明了空氣水熱交換器存在缺容現象。

（2）冷卻套與河水的熱交換不夠充分。

冷卻套的外壁較厚且與河水直接接觸的面積有限，影響了熱對流的效果，導致空氣水熱交換器中的熱水沒到降到所要求的溫度，從而降低了機組的冷卻效果，特別是在夏天環境溫度較高的時候更是如此，定子線棒極限運行溫度達120℃，對定子線棒和機組的長期安全穩定運行不利，同時縮短設備壽命。

（3）冷卻計算時ELIN 進水溫度取得較低，而實際溫度比計算取值高。

ELIN 公司在設計空氣水熱交換器的進口水溫時所考慮的河水溫度比我國低，而實際上空氣水熱交換器的進水口水溫比設計值要高，導致冷水與熱空氣之間的溫差變小，溫差越小，熱對流時所帶走的熱量越少，從而降低了空氣水熱交換器的冷卻效果。

2 冷卻系統更新改造的可行性分析

飛來峽、大源渡等電站改造前與南津渡電站的冷卻方式是一樣的，冷卻水系統均為密閉循環強迫通風的冷卻方式，后來均改為復式冷卻，即利用外置冷卻器對錐形冷套出來的冷水再進行一次冷卻，進一步降低發電機空冷器的進水口水溫，從而提高了熱空氣與冷水之間的溫差，增強了空氣水熱交換器的冷卻效果，使得線棒的溫度得到進一步的降低。

根據同類型機組廣州飛來峽電站采用增加1組板式冷卻器對冷卻系統改造后運行1年的情況來看，在環境溫度最高時，機組額定工況下運行安全穩定，達到改造設計要求，能將發電機線圈溫度降低9℃左右。

附表為飛來峽電站改造前后的冷卻效果對照表。

附表 飛來峽電站改造前后的冷卻效果對照表 ℃

從多個ELIN 進口燈泡貫流機組的冷卻系統改造的經驗看，改造是可行的。

3 更新改造的步驟安排及預計效果

運行近20年后，3 臺機組的線棒均有不同程度的損壞，已全部更換為國內線棒，為保證更換線棒后的機組能在合適的溫度環境下運行，延長它的使用壽命，3 臺機組的冷卻系統必須進行更新改造。 改造分三個階段安排：

第一階段：安裝分體空調（每臺機約5 kW），根據空調的功率與發電機燈泡頭的冷卻空間容積相匹配來計算，將發電機燈泡頭的空氣溫度降低10℃左右，即保證燈泡頭的溫度最高在35℃左右，全面改善泡頭環境溫度，預計線棒降溫（1～2）℃。

第二階段：對冷卻介質進行強迫冷卻，根據廣州飛來峽電站冷卻系統成功改造成后的經驗來看，計算線棒降溫為（8～10）℃。

第三階段：對空冷器進行增容更換，增大冷卻風量，進一步降低線棒溫度，力爭降溫（3～5）℃。

4 機組冷卻系統改造（第二階段）技術方案設計

4.1 方案選擇

通過對同類型燈泡貫流式機組的考察和分析，不同電站根據自身機組的情況以及水質情況一般采取兩種改造方案：一是由原來的密閉式內循環冷卻水系統改造為開放式外循環冷卻水系統（如廣州的白垢電站），改造后的系統圖如圖3 所示；二是復式冷卻，在不改變原有冷卻系統設備的基礎上增加一組板式冷卻器（如廣州飛來峽電站），對原有冷卻水進行二次冷卻（如圖4 所示），兩種方案均能達到所要求的冷卻效果。 方案一的缺點是洪水季節水質對冷卻水設備及管道會產生腐蝕以及微生物在管道內壁的粘附會造成管道內流態的改變，增加檢修的工作量和設備潛在的風險，所以只適用于水質情況比較好的電站；方案二雖然需要增加一組平板冷卻器，卻避免了上述風險的發生，并且可以做到和外循環一樣的冷卻效果，并且從梧州長洲電站內安裝的4個廠家（東電、哈電、天阿、東芝）16 臺機組看密閉循環冷卻系統是主流和發展方向。所以建議采用方案二，需要考慮南津渡水電站機組的安裝比較緊湊，發電機層和抗壓蓋板上空閑空間均不多，需要優化設備的布置。

4.2 整體布置及開孔說明

圖3 冷卻水系統原理圖（改造后）

圖4 復式冷卻系統圖

進水、取水口均可布置在抗壓蓋板的下面，需要注意的是考慮到抗壓蓋板和導流板之間的水幾乎為死水，流動緩慢，淤泥沉積，建議將進出水口均穿過導流板伸入到流道內，并在進出水口安裝過濾網，進水口安裝在出水口的上游側，兩臺水泵均安裝在抗壓蓋板上，見圖5。

圖5 抗壓蓋板設備平面布置圖

考慮到發電機層和抗壓蓋板上所空閑的空間均不多，以及避免大修時增加拆卸的設備，建議將過濾器和板式冷卻器均安裝在水泵房的走廊上，雖然增加了一部分管道，但便于安裝，巡視、維修和整體布置，見圖6。

5 結語

電站冷卻水系統的更新改造計劃3年內完成，改造完成后發電機組定子線棒的最高運行溫度在100℃，將大為改善發電機運行環境，延長機組的使用壽命。

圖6 水泵房走廊設備平面布置圖