直流勵磁機碳粉收集裝置設計與應用

刁國峰，岳文亭，茍小軍，張建峰

(國網甘肅劉家峽水電站，甘肅 永靖 731600)

0 引 言

劉家峽水電站工程于1958年9月27日正式動工興建，第1臺機組于1969年3月29日并網發電，1974年12月5臺機組全部安裝完畢并投產發電。在西北電力系統中處于十分重要的地位。至今，劉家峽電站已經穩定運行了50余載，近年來，電站內發電機碳粉堆積問題日益嚴重，已經逐步威脅到電站的穩定運行[1]。

劉家峽水電廠發電機采用老式直流勵磁機，機內未裝設碳粉收集裝置，發電機機組運行時碳粉飄逸和堆積情況嚴重，碳粉飄逸會污染電廠內空氣；碳粉堆積會導致集電環溫度較高和降低電氣設備絕緣性能等問題，機組發電效率及安全性下降。筆者主要針對勵磁機內碳粉堆積過多，影響發電安全和效率一題展開研究，通過加裝碳粉收集裝置解決碳粉堆積問題，提高水力發電機安全性和發電效率。

1 勵磁系統的作用及碳粉堆積問題

供給水輪發電機勵磁電流的電源及其附屬設備統稱為勵磁系統，勵磁系統的核心為直流勵磁機，直流勵磁機主要由功率單元和調節器(裝置)兩大部分組成，其中勵磁功率單元是指為同步發電機轉子繞組提供直流勵磁電流的勵磁電源部分，而勵磁調節器則是根據控制要求的輸入信號和給定的調節準則控制勵磁功率單元輸出的裝置。由勵磁調節器、勵磁功率單元和發電機本身一起組成的整個系統稱為勵磁系統控制系統。勵磁系統是發電機的重要組成部份，它對電力系統及發電機本身的安全穩定運行有很大的影響。

勵磁系統的主要作用有根據發電機負荷的變化相應的調節勵磁電流，以維持機端電壓為給定值，控制并列運行發電機間無功功率分配，在發電機內部出現故障時，進行滅磁，以減小故障損失程度，根據運行要求對發電機實行最大勵磁限制及最小勵磁限制。

機組運行過程中，集電環與碳刷摩擦，產生的大量碳粉會污染集電環相關部件，導致勵磁機設備的絕緣部件絕緣性能降低、零點接地和碳刷高溫等嚴重安全隱患[2]。碳粉堆積情況如圖1所示。

2 碳粉收集裝置設計與應用

2.1 設計理念

根據劉家峽發電機外罩的結構，設計碳粉收集裝置。碳粉收集裝置通過管路對外罩內部碳粉進行抽取后再進行過濾。既可以收集機組運行時產生的碳粉，又由于內部熱空氣的抽離，外部冷空氣的補充，達到通風降溫的目的[3]。碳粉收集裝置設計圖如圖2所示。

2.2 設計分析與計算

碳粉收集裝置主要由吸風口、環管和除塵器三部分組成。

2.2.1 吸風口

(1) 吸風口的面積大小由碳粉飄逸軌跡決定，為分析碳粉顆粒的運動軌跡，需要建立粉塵顆粒的運動方程[4]。考慮電場力、黏性阻力以及重力三種主要的顆粒受力。笛卡爾坐標系下顆粒動量方程見式(1)：

(1)

式中：mp為碳粉粒子質量，kg；uj表示顆粒物在j方向的速度(j代表x,y方向)，m/s。

空氣動力學拖曳力：

up)|ug-up|

式中：CD為氣體-顆粒阻力系數；dp為顆粒直徑。

利用 FLUENT 計算風壓除塵器內湍流場，采用SIMPLE 算法對控制容積進行數值求解。采用有限容積法離散化耦合求解電勢泊松方程和電流連續性方程，可得到粒子荷電密度和電場分布。認為空氣是連續相，采用 Euler 方法對流場進行數值計算;認為粉塵顆粒是離散相，采用 Lagrange 顆粒軌跡法對顆粒運動進行追蹤。選用分離式求解依次求解流場、顆粒動力場以及電場的各個方程，經過多次迭代可得到收斂解。

多次求解后取平均值，選取橫截面積為170 mm×300 mm的吸風口可以完成集塵工作。

(2) 通過測量機罩周徑，在保證機罩完整性和安全性的前提下，最終設計14個吸風口，全方位收集由滑環室飄逸而出的碳粉，吸風頭與機罩接觸面設計為7.3°的弧面，緊密貼合機罩，在接觸面還設計有與吸風頭等大的橡膠墊，加強切口的密封性，防止碳粉逸出，加強吸塵效果[5]。吸風口設計圖如圖3所示。

2.2.2 環 管

環管起連接吸風口和除塵器的作用，其主要由碳鋼鋼管和橡膠軟管組成，碳鋼鋼管保證管路的可靠性，在連接部位使用橡膠軟管連接，可以使整個連接管路的位置更靈活多變，兩種管道的內壁作光滑處理，避免收集的碳粉堵塞管道。環管設計圖如圖4所示。

圖3 吸風口設計圖

圖4 環管設計圖

2.2.3 除塵器

(1) 根據電廠現場的氣壓情況計算吸收碳粉所需的風壓參數。吸風口與機罩連接處的壓力及風量計算，設計吸風口風速為20 m/s，每臺除塵裝置需連接2根環管，則除塵裝置需要調節的風量為：

Q=S×v

=0.0552×3.14×20×2×3600≈1 368 m3/h

式中：S為環管橫截面積，m2；v為吸風口風速，m/s。

(2) 除塵器的選型

通過計算，當除塵裝置的調節風量為1 368 m3/h時，可以完成收集碳粉作業，對向分布的兩個碳粉收集裝置同時將滑環室內碳粉吸出，可以使吸氣量更加均勻。考慮到風量在環管傳輸中有所損耗，并增加了冗余配置。查詢風量-電機功率性能曲線表如圖5所示。

圖5 風量-電機功率性能曲線圖

選用4臺3.0 kW的除塵器進行吸風作業，強勁的風壓保證碳粉均能進入碳粉收集裝置，并且通過空氣流動的方式也實現了對于整個勵磁系統和碳刷的降溫工作。除塵器設計圖如圖6、7所示。

圖6 除塵器俯視圖

圖7 除塵器主視圖

2.3 運行效果

4臺除塵器同時工作的情況下，超過95%的碳粉均被收集裝置吸走，電站內不再有飄逸的碳粉，空氣質量明顯改善；滑環室內無碳粉堆積，碳刷溫度明顯降低，并且不再出現因碳粉堆積問題而造成的非計劃停機，成功解除因碳粉堆積而對電站運行形成的危機。碳粉收集裝置建成效果如圖8所示。

圖8 運行效果圖

3 結 語

通過根據對劉家峽電站的實地考察測量出準確數據后，通過數學計算和有限元模型分析，設計出最適用于劉家峽電站的碳粉收集裝置。投入使用后取得了良好的碳粉收集效果，成功解決了直流勵磁機內碳粉堆積的問題。文中提到的碳粉收集方案也適用于同類型的電站，對各大電站進行新裝機或改造時具有指導意義。