大型水輪發電機冷卻方式的經濟性比較

俞立婷

摘 要：文章闡述了大型水輪發電機三種不同冷卻方式的原理及特點。從制造成本、運行維護成本等方面對全空冷、水冷、蒸發冷卻等不同冷卻方式的經濟性進行了對比。對大型水輪發電機冷卻方式的應用給出了參考意見。

關鍵詞：大型水輪發電機；冷卻方式；經濟性

前言

20世紀90年代以來，我國開始新建三峽水電站、龍灘水電站等大型水電站，其水輪發電機單機容量均為700MW。大型水輪發電機冷卻技術包括全空冷與介質內冷兩大類；介質內冷又包括水內冷與蒸發冷卻兩種方式。大型水輪發電機冷卻方式既影響到發電機結構設計、重量及造價等方面，也對機組投運以后的安全穩定運行及運行維護量產生重要影響。因此，比較各種冷卻方式的經濟性對大型水輪發電機組選擇何種冷卻方式有著重要的意義。

1 大型水輪發電機冷卻方式介紹

現在我國投入運行的大型水輪發電機主要有三種冷卻方式，全空冷發電機、水內冷發電機以及蒸發冷卻發電機。

水內冷冷卻是指定子繞組為水內冷，定子鐵芯和轉子為空冷。繞組采用水內冷具有承載容量大、溫升低、絕緣壽命長、機組熱應力小等優點，繞組水內冷系統包括一套純水處理設備和冷卻水路，相同容量的機組可以大大減小機組的設計制造尺寸。發電機定子繞組水冷技術，在世界上已有較為成功的運行經驗，在三峽水電站700MW機組上也已安全穩定運行超過10年。但定子繞組水冷方式受定子結構熱變形和機組振動的影響，對定子線棒內部的冷卻水管、水接頭和水處理設備的可靠性要求較高，如果定子繞組冷卻水出現泄漏就會危及發電機絕緣，給發電機的安全運行帶來風險。

全空冷是指定子鐵心、定子繞組、匯流銅環、轉子繞組、轉子鐵心均為空氣冷卻。大型水輪發電全空冷冷卻方式多為無風扇雙路徑徑向密閉、端部回風自循環空氣冷卻系統。空氣通過轉子的風扇作用，產生動力循環，并通過布置在定子機座外側周圍的空氣冷卻器進行冷卻，再由電站技術供水系統冷卻空冷器并把熱量帶走。這種通風冷卻方式損耗小、風量分配均勻，上下路徑對稱；并且便于檢修。

蒸發冷卻是指定子繞組蒸發冷卻方式，定子鐵芯和轉子為空冷方式。蒸發冷卻技術是應用了絕緣性能好、沸點合適的液體替代水作為冷卻介質，充入電機定子線棒的空心導線內部，利用液體沸騰吸收潛熱來冷卻發電機，冷卻液沸點一般在60℃左右，蒸汽不必壓縮即可由冷凝器在常溫條件下經二次冷卻水散出。吸熱而沸騰后的流體改變了它的密度，利用吸熱量及流體密度的變化，形成了自循環動力。不需要外加動力，就可使流體介質在全密封的冷卻系統內循環，實現發電機的自行冷卻目標。

2 不同冷卻方式的經濟性比較

因三種冷卻方式各有其特點，發電機采購成本及后期運行維護成本等方面也各有不同。現通過對比三種不同水輪發電機冷卻方式的造價成本及運行維護成本來對其經濟性做一個評價。

2.1 不同冷卻方式造價比較

通過對比三種不同冷卻方式的國產700MW水輪發電機價格，三種冷卻方式發電機總體價格差異不大。

單獨對比發電機冷卻系統的造價發現，蒸發冷卻系統因為其使用冷卻介質的特殊性及密封性的高要求，其造價最高，而全空冷冷卻系統主要依靠自循環空氣冷卻，其造價也相對最低；水冷冷卻系統價格居中。

因水輪發電機冷卻方式不同決定了發電機定、轉子尺寸、線棒結構等各個方面也不相同，因此單獨比較冷卻系統造價并不能完全說明其經濟性優劣。建議應以發電機及其輔助系統的整體價格來評估不同冷卻方式的經濟性。

2.2 不同冷卻方式運行維護成本比較

現從700MW水輪發電機冷卻系統運行期間損耗量、冷卻系統損壞率、維護費用等方面來對比三種冷卻方式的經濟性。

空冷器是通過轉子的風扇作用，產生動力循環，冷卻水源取自技術供水，基本不存在運行損耗成本。另外，經統計空冷器的損壞率及維修率相對很低，基本不存在維修成本。

發電機蒸發冷卻系統運行期間冷卻液處于自然循環狀態，無需外加動力，因此不存在耗電量。蒸發冷卻系統冷卻液在不發生泄漏的情況下，每年要求泄漏量不大于5%。蒸發冷卻系統運行穩定之后，實際每臺發電機冷卻液年損耗量應在1%左右，穩定運行后的蒸發冷卻系統基本也處于免維護狀態。

700MW水內冷發電機冷卻系統運行期間主要耗電量為純水泵運行耗電量，按一臺純水泵功率約75KW，平均每套純水系統年運行8000小時計算，每臺每年約耗電量60萬度。另經統計，700MW水內冷發電機純水系統每臺機組每年耗水量約為145L。純水系統的運行維護量及維護費用遠高于全空冷系統和蒸發冷卻系統。每年純水系統因損壞而更換的主要部件包括膨脹節、電導率變送器、壓力開關、軟啟動器、電機、純水泵機封、油封、水封等等。根據統計某大型水電站2013至2014年一年的維護情況，單臺700MW發電機純水系統年維護成本在不計人工成本情況下約30000元。

針對以上情況，對三種發電機冷卻形式的年運行損耗費用、年檢修維護費用進行模糊統計，統計結果如表1所示。因發電機前期運行的不穩定性所造成的技改和維護量不會在以后的長期的維護中體現，表1數據只統計了冷卻系統趨于穩定運行后的損耗量及維護量。

表1 三種發電機冷卻系統年運行及維護成本

表1數據統計未將人工成本計入在內，但從平時缺陷數量及檢修情況來看，人工成本同樣是純水冷卻系統最高，全空冷系統最低。根據某大型水電站發變輸電設備日常缺陷的統計，純水系統的缺陷數量最多，占缺陷總數的57%，這極大增加了純水系統的人工的維護成本，人工成本在水冷機組冷卻系統經濟性比較中不容忽視。

3 結束語

根據以上對大型水輪發電機的造價成本、運行維護成本的統計分析，水內冷發電機因其維護量大，維護成本高，從后期運行維護角度來看其經濟性是最低的。蒸發冷卻發電機器造價成本略高，但在運行穩定的情況下，與全空冷發電機相同，基本不存在維護成本。全空冷發電機無論從造價成本，還是運行維護成本上來看其經濟性都是最高的。

隨著2007年我國自主研發、設計、制造的全空冷發電機在三峽電站的投產，數年的運行維護經驗表明全空冷冷卻技術在大型水輪發電機上的應用是成功，且其經濟性明顯高于其它冷卻方式，具有廣闊的應用前景。