高海拔地區水輪發電機組通風系統設計

王　銘，陳志祥，黃億良，嚴錦麗

(浙富控股集團股份有限公司，杭州　310013)

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高海拔地區水輪發電機組通風系統設計

王銘，陳志祥，黃億良，嚴錦麗

(浙富控股集團股份有限公司，杭州310013)

摘要：高海拔地區由于海拔高度的增大，較低海拔地區的空氣特性發生了顯著的變化。文章比較系統地分析了高海拔地區空氣特性的變化對水輪發電機通風系統產生的影響，并提出了相應的對策，以滿足水輪發電機在高海拔地區運行的冷卻需要。

關鍵詞：水輪發電機；通風系統；高海拔；溫升限值

0前言

隨著中國國民經濟的發展和西部大開發戰略的實施，在高海拔地區修建的水電站將會越來越多[1-2]。因為全空冷水輪發電機具有結構簡單、運行可靠和維護方便的明顯優勢，目前，利用空氣作為冷卻介質對定、轉子繞組以及定子鐵心表面進行冷卻，仍是水輪發電機的主要冷卻方式[3-4]。但在高海拔地區，由于海拔高、空氣稀薄，空氣流過定轉子等發熱體表面時帶走熱量的能力會降低，并且外加風機的性能也會下降，最終削弱了發電機通風冷卻的效果。因此，研究海拔增加給水輪發電機組通風系統帶來的影響，進而在發電機的設計中充分考慮并采取必要的對策，對確保水輪發電機組的安全穩定運行具有重要的工程價值[5-7]。

1高海拔地區的空氣特性

隨著海拔高度的升高，空氣的物理性質發生了改變[8]。

1.1空氣溫度

隨著海拔高度上升，空氣常年平均溫度明顯下降：

(1)

式中:tz為海拔高度h處的氣溫，℃；tA為相鄰氣象站的氣溫，℃；gt為氣溫的梯度，取0.5～0.7 ℃/100 m；Δh為海拔h處與相鄰氣象站海拔之差,km。

1.2大氣壓力

海拔高度直接影響到環境的大氣壓力，不同海拔高度處的大氣壓力可用下列近似公式計算：

(2)

式中:Ph為當海拔高度為hkm時的大氣壓力；P0為海拔高度為0時的大氣壓力；h為海拔高度,km。

表1列出了不同海拔高度下的大氣壓力。

表1　不同海拔高度下的大氣壓力表

1.3空氣密度

隨著海拔高度上升，空氣密度降低，這是高海拔大氣環境對水輪發電機組通風冷卻系統最主要的影響因素。設海平面的大氣壓力為101 325 Pa，空氣密度為1.2258 kg/m3，則當海拔高度為Hkm時空氣密度的近似計算公式為：

ρ=1.2258(1-0.2257H)4.256kg/m3

(3)

1.4空氣體積比熱

海拔增高使得空氣密度下降，從而造成空氣的體積比熱也下降，空氣的體積比熱與空氣密度成正比，見表2。

表2　干空氣的熱物理性質(P=1.01325×105 Pa)表

2空氣密度降低對水輪發電通風系統的影響

2.1發電機總風量

水輪發電機通風系統冷卻介質的循環由轉子自身旋轉或外置風機驅動。轉子或風機產生的風壓以及通風系統中的風壓損失由下述公式表示：

(4)

(5)

式中：ρ為空氣密度；υ1、υ2分別為轉子或風機的特征速度；β、ξ分別為風壓系數和風阻系數；υ為管路中的風速。

如式(4)所示，轉速和結構尺寸一定的情況下，轉子或風機所產生的風壓只和冷卻介質的密度正相關。

如式(5)所示，在體積流量和結構尺寸一定的情況下，流過通風元件的壓力損失也只和冷卻介質的密度正相關。

因此，由于海拔增高引起空氣密度降低后，發電機的風阻特性曲線和風機特性曲線都會出現在同樣的流量下風壓呈等比例減小的特點。即，同樣的機組放在低海拔處時，風阻特性曲線與風機特性曲線的交點(風機工作點)的風量的體積流量與放在高海拔處時相等，但風機工作點的風壓要大于放在高海拔處，見圖1。

圖1　不同海拔高度風機工作點圖

2.2發電機損耗

通過采取針對性的措施，可以使得高海拔處發電機的工作溫度與低海拔處接近，因此鐵耗和銅耗基本不變。相同風量下，發電機通風損耗與空氣密度成正比。海拔高度上升導致空氣密度下降從而使發電機通風損耗下降，因此，在計算發電機總損耗時需要對通風損耗進行修正。

2.3發熱部件溫升

以定子線圈為例，分析海拔高度對發電機發熱部件溫升的影響。當發電機熱平衡時，其定子線圈的溫升主要由空氣溫升、流-固兩相表面溫差和絕緣溫降組成。其中，絕緣溫降的形成源于發電機內固體間的熱傳導，其僅與絕緣厚度、絕緣件的導熱系數和線圈熱負荷有關，與海拔高度無關；流-固兩相間的溫差源于流體與固體間的對流換熱，其僅與流體與固體的接觸面積、傳遞熱量的大小以及接觸面的表面散熱系數有關，前兩者不變的情況下，流-固兩相間的溫差主要取決于接觸面的表面散熱系數。表面散熱系數的大小除與接觸面的幾何形狀、粗糙度、表面氣體流動情況有關外，還與流體的物理性質有關[9-10]，當空氣密度下降后，流-固兩相間的對流換熱強度隨之減弱，表面散熱系數下降，造成流-固兩相間溫差上升；同時，隨著海拔的升高空氣的體積比熱也會下降，若保持空氣的流量和熱負荷不變，則空氣的溫升會增加。綜上所述，當海拔高度增加，發電機線圈溫升會有所提高。

2.4風機性能

2.5小結

高海拔地區空氣特性的變化以及這些變化對通風系統的影響如圖2所示。

圖2　空氣特性變化對通風系統的影響圖

3對策

隨著海拔高度的增加，空氣密度的降低會引起空氣冷卻效果的下降，造成發電機散熱能力降低，繞組溫升增加。按照國家標準GB755-2008的規定[15]，高于海拔1 000.00 m的機組，每高出100 m降低約1%溫升限值，同時也規定可由最高環境溫度低于40 ℃來得到補償。最高環境溫度的具體要求見表3。以F級絕緣在海拔高度3 000.00 m處為例，溫升限值下降23 K；由公式(1)可知環境溫度下降10～14 K。最終影響發電機絕緣壽命的是工作溫度，它由環境溫度和空氣溫升相加得到，因此環境溫度隨海拔的升高而降低，對發電機溫升增加有很大的補償作用，但不能做到完全補償。GB755-2008表9項號3中規定：對于海拔高度為1 000.00～4 000.00 m，且最高環境溫度不做規定的機組不用對溫升限值作修正。這一條款應該是考慮到環境溫度降低已基本補償了溫升限值的降低，發電機工作溫度雖然比低海拔地區要高一些，但還是能保證在溫升限值以內。

表3　假定的最高環境溫度表

對于超出環境溫度補償能力的發電機溫升增加可以通過以下對策來解決。

3.1電磁方案設計

相對低海拔水輪發電機設計的結構數據和性能參數數據，應將溫升的修正值和發電機通風損耗的修正值考慮進去，確定足夠的設計要求風量，以保證發電機在高海拔的環境條件下能長期穩定安全運行。

3.2結構設計

選擇風阻低、傳熱效率高的通風結構，以充分提高發電機效率和可靠性。從機組通風冷卻角度考慮，發電機的結構設計應能使通風順暢合理，使發電機運行在允許的溫度范圍內，要達到這一目的，結構設計必須滿足如下條件：① 總風量滿足電磁方案的設計要求；② 流經發電機各部分的風量分配力求合理；③ 單位體積流量的通風損耗小；④ 結構簡單，運行安全可靠，維護方便。

3.3風機和空冷器性能

對于設有外加風機的機組，可通過優化風機的葉片設計、改變葉片安裝角或者更換更大尺寸和功率的風機來增加通風系統的循環風量。另外加大空冷器的散熱能力，增加其冷卻容量，并盡可能降低其空氣壓降也有利于系統的通風散熱。

3.4熱平衡圖對比

針對相同機組在低海拔地區和高海拔地區分別設計通風系統，其熱平衡圖如圖3所示。為了使發電機在高海拔和低海拔處的工作溫度相同，在優化機組結構、增加總風量的同時，還提高了空冷器的換熱能力，使得冷、熱風的溫差增大，從而起到降低發電機溫升的目的。

圖3　熱平衡圖

4結語

隨著海拔高度的增加，空氣特性發生了變化，其中空氣密度的下降使得空氣變得稀薄，雖然發電機產生的風量維持不變，但是空氣冷卻發電機發熱部件的能力降低了，因此發電機散熱條件變得惡劣。因此在綜合考慮發電機通風損耗下降和最高環境溫度下降的前提下，需要根據海拔高度對發電機溫升限值進行修正。同時，要采取有針對性的措施滿足發電機在高海拔運行的冷卻需要。

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Design of Ventilating System of Turbine Generator Unit Applied in High-altitude Regions

WANG Ming, CHEN Zhixiang, HUANG Yiliang, YAN Jinli

(ZHEFU Holding Group Co.,Ltd., Hangzhou310013, China)

Abstract:Compared with air in lower altitude, that in higher altitude outstandingly changes in term of characteristics because of the altitude increase. In the paper, influences on the ventilating system of the turbine-generator unit by changes of the air characteristics in the higher altitude are systematically analyzed as well as the corresponding countermeasures are proposed so as to satisfy the cooling requirement of the turbine-generator unit to be utilized in the high altitude regions.

Key words:turbine-generator unit; ventilating system; high altitude; temperature rise limit

中圖分類號：TV734.21

文獻標識碼：A

DOI:10.3969/j.issn.1006-2610.2016.02.016

作者簡介：王銘(1981- )，男，浙江省杭州市人，高級工程師，主要從事水輪發電機設計和分析工作.

收稿日期：2016-03-11

文章編號：1006—2610(2016)02—0059—04