某貫流式水輪發(fā)電機(jī)組超發(fā)可行性分析

韓榮娜，劉保生，安志華

(哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司，黑龍江哈爾濱 150040)

0 引言

某燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)單機(jī)容量為21.7 MVA，是該梯級開發(fā)的最后一個(gè)水電站。該機(jī)組于1999年并網(wǎng)發(fā)電以來，一直運(yùn)行良好。考慮到在枯水期內(nèi)上游受到臺風(fēng)、暴雨等影響，該電站具有超發(fā)的條件，對其超發(fā)極限容量進(jìn)行計(jì)算分析。

燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)適用于低水頭、大流量電站，具有工作效率高的特點(diǎn)，因而受到市場的青睞。機(jī)組關(guān)鍵發(fā)熱部件溫升限值是考核機(jī)組超發(fā)能力的關(guān)鍵參數(shù)，由于該機(jī)組運(yùn)行年限較長，空氣冷卻器的換熱能力、損耗和風(fēng)量分布情況等均與設(shè)計(jì)值產(chǎn)生偏差。因此，通過計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果相結(jié)合的研究，進(jìn)行全面評估機(jī)組超發(fā)極限容量是十分必要的。

1 通風(fēng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)是一種浸沒于流道中的臥式機(jī)組。與普通立式水輪發(fā)電機(jī)組相比，燈泡貫流式機(jī)組直徑小，鐵心軸向長度較長，并且燈泡式貫流發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速較低，發(fā)電機(jī)極數(shù)較多，轉(zhuǎn)子極間過風(fēng)面積較小，風(fēng)阻較大，發(fā)電機(jī)通風(fēng)十分不利，容易造成發(fā)電機(jī)軸向溫度分布不均。因此，燈泡貫流式發(fā)電機(jī)的冷卻難度較大，溫度分布及溫升限值是考核機(jī)組超發(fā)極限容量的重點(diǎn)。

本文研究的燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)采用外加鼓風(fēng)機(jī)強(qiáng)迫通風(fēng)的軸向、徑向混合通風(fēng)方式，具體通風(fēng)結(jié)構(gòu)見圖1所示。冷卻氣體在轉(zhuǎn)子和鼓風(fēng)機(jī)的作用下，一路由轉(zhuǎn)子支架上圓盤、磁軛圈徑向通風(fēng)孔、磁極極間，經(jīng)氣隙進(jìn)入定子徑向通風(fēng)溝；另一路氣體從轉(zhuǎn)子支架上下圓盤流出，經(jīng)離心風(fēng)扇加壓后冷卻定子下游側(cè)端部。兩路冷卻氣體最終匯流至定子鐵心背部，通過機(jī)座環(huán)板通風(fēng)孔匯流至冷卻器進(jìn)行熱交換，散去熱量后重新經(jīng)鼓風(fēng)機(jī)壓入電機(jī)內(nèi)，形成密閉循環(huán)強(qiáng)迫通風(fēng)方式。

圖1 某燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)通風(fēng)系統(tǒng)示意圖

目前，機(jī)組冷卻系統(tǒng)可以滿足額定工況下冷卻要求，定轉(zhuǎn)子溫升在合理范圍內(nèi)。機(jī)組超發(fā)極限容量計(jì)算主要從冷卻器出風(fēng)溫度、定轉(zhuǎn)子溫升等方面進(jìn)行研究。

2 機(jī)組超發(fā)極限容量計(jì)算方法研究

2.1 冷卻器進(jìn)水溫度計(jì)算

該機(jī)組采用二次循環(huán)的冷卻器循環(huán)系統(tǒng)。冷卻水套是二次循環(huán)系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件，冷卻水套內(nèi)是攜帶電機(jī)熱量的空氣冷卻器出水，水套外與河水接觸進(jìn)行熱傳導(dǎo)散熱。試驗(yàn)時(shí)，由于2#發(fā)電機(jī)傳感器已壞，只記錄了1#發(fā)電機(jī)各個(gè)試驗(yàn)工況下對應(yīng)的河水溫度與冷卻器進(jìn)出水溫度，見表1。

表1 試驗(yàn)工況下河水與冷卻器進(jìn)出水溫

注：帶有*數(shù)據(jù)為試驗(yàn)人員外加溫度傳感器測試的結(jié)果，其余數(shù)據(jù)為電廠監(jiān)測數(shù)據(jù)。

根據(jù)測試數(shù)據(jù)顯示，河水與二次冷卻水溫降在9.3～10.8 K范圍內(nèi)，水溫差隨機(jī)組有功功率增加變化不大。因此，在計(jì)算時(shí)取10.3 K作為河水與二次冷卻水基準(zhǔn)溫差值。

2.2 冷卻器出風(fēng)溫度計(jì)算

冷卻器傳熱性能與自身的結(jié)構(gòu)尺寸和經(jīng)過冷卻器風(fēng)量、風(fēng)速有關(guān)，在計(jì)算時(shí)可近似認(rèn)為空氣冷卻器在各種工況下傳熱系數(shù)是相同的。冷卻器傳熱系數(shù)計(jì)算公式如下：

式中，P為冷卻器換熱容量(kW)；fa為冷卻器總散熱面積(m2)；hL為冷卻水管有效長(m)；N為冷卻器臺數(shù)；Z為冷卻器水管總數(shù)；Δt為逆流時(shí)平均溫差，計(jì)算公式如下：

式中，Ta為經(jīng)過冷卻器后空氣溫度降落(K)；Tw為冷卻器水溫度升高(K)；ta為冷卻器最高出風(fēng)溫度(℃)；tw為冷卻器最高進(jìn)水溫度(℃)。

根據(jù)上述公式，以冷卻器設(shè)計(jì)參數(shù)為基準(zhǔn)值，可以推導(dǎo)出其它容量下冷卻器出風(fēng)溫度，相應(yīng)參數(shù)如表2所示。其中，換熱容量根據(jù)機(jī)組容量可以確定為已知項(xiàng)；最高進(jìn)水溫度根據(jù)河水溫度可以確定為已知項(xiàng)；空氣降落和冷卻水溫度升高均可以根據(jù)換熱容量計(jì)算均為已知項(xiàng)。因此，以冷卻器設(shè)計(jì)時(shí)參數(shù)根據(jù)換熱系數(shù)相等，可以推導(dǎo)出任何容量工況下冷卻器出風(fēng)溫度。

表2 空氣冷卻器主要參數(shù)

2.3 定子溫升計(jì)算

發(fā)電機(jī)定子發(fā)熱部件散熱情況復(fù)雜，無法根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果推算得出各種容量下的溫升情況。因此，發(fā)電機(jī)定子溫升采用有限元法進(jìn)行三維溫度場計(jì)算。該計(jì)算方法根據(jù)發(fā)電機(jī)定子結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，建立三維有限元模型，根據(jù)發(fā)熱部件損耗情況進(jìn)行熱源加載，根據(jù)電機(jī)風(fēng)量分布情況進(jìn)行散熱邊界條件賦值，然后進(jìn)行求解計(jì)算，最后根據(jù)2#發(fā)電機(jī)1.075倍額定容量工況下溫升試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行計(jì)算結(jié)果的校正。在此計(jì)算模型的基礎(chǔ)上分別進(jìn)行其他容量工況下溫升計(jì)算。2#發(fā)電機(jī)1.075倍額定容量工況下溫升仿真計(jì)算結(jié)果如圖2所示，計(jì)算結(jié)果顯示定子RTD溫升為79.5 K，鐵心溫升為65.8 K。

2.4 轉(zhuǎn)子溫升計(jì)算

根據(jù)業(yè)主需要，1.075倍額定容量可以滿足超發(fā)需要。因此，把該工況下的勵(lì)磁電流792 A作為超發(fā)的各個(gè)方案中最大的勵(lì)磁電流來考慮。轉(zhuǎn)子溫升計(jì)算的時(shí)候，根據(jù)1.075倍容量試驗(yàn)工況下轉(zhuǎn)子溫升進(jìn)行相應(yīng)河水溫度條件下的轉(zhuǎn)子線圈溫度推算。具體計(jì)算流程如圖3所示。

圖2 2#發(fā)電機(jī)1.075倍額定容量工況下溫升仿真計(jì)算結(jié)果

圖3 轉(zhuǎn)子線圈溫度計(jì)算流程圖

3 計(jì)算結(jié)果

該燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)溫升試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)如表3、表4所示。

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可知，1#和2#發(fā)電機(jī)風(fēng)量及定轉(zhuǎn)子溫升相差不大。因此，以2#發(fā)電機(jī)1.075倍容量工況下溫升計(jì)算結(jié)果為基礎(chǔ)，進(jìn)行超發(fā)后定轉(zhuǎn)子溫升推算。推算條件是河水溫度分別為25 ℃、27 ℃、29 ℃和30.5 ℃，轉(zhuǎn)子最高勵(lì)磁電流為792 A。經(jīng)過推算后，在河水溫度不同情況下，電機(jī)可超發(fā)的容量以及定轉(zhuǎn)子熱點(diǎn)溫升如表5所示。

4 結(jié)論

針對某燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)組在部分時(shí)間段內(nèi)水頭具有超發(fā)能力的實(shí)際情況，開展了冷卻系統(tǒng)換熱能力的計(jì)算研究，從發(fā)熱部件溫升限值考慮初步確定了機(jī)組在不同河水溫度條件下的超發(fā)容量。計(jì)算結(jié)果可以預(yù)期超發(fā)后，定轉(zhuǎn)子溫升限值，確保機(jī)組安全運(yùn)行。

表3 通風(fēng)試驗(yàn)結(jié)果

表4 溫升試驗(yàn)結(jié)果

表5 電機(jī)超發(fā)后各項(xiàng)數(shù)據(jù)列表