穿片式空氣冷卻器在潘家口發電機組的應用

趙丁葉

（水利部海委引灤工程管理局，河北 遷西 064300）

潘家口水庫位于河北省遷西縣，水力水電機組共4 臺，總容量420 MW，其中1 號機組為常規水力發電機組，容量150 MW，2、3、4 號機組為抽水蓄能機組，容量為90 MW×3。潘家口水電廠1 號機組的水輪機型號為HL-220-LJ-550、發電機型號為SF150-60/1280、額定轉速100 r/min，1980 年12 月投入運行，肩負著防洪、供水、發電和華北與冀北電網緊急備用任務。水電機組優勢是開機并網迅速，開機令發出后30 min 內該機組即可并網并帶滿負荷150 MW。近年來國家電網對電網管理水平及電能質量的要求不斷提高，華北電力調控中心對機組并網后發電機運行環境溫度以及機組的安全穩定運行也提出了更高的要求。基于以上認識和我廠機組目前條件，為保證機組運行環境溫度和發電時的安全穩定，本文研究目前應用較為先進成熟且穩定的穿片式空氣冷卻器在潘家口水電廠空氣冷卻器改造與應用情況。

1 原潘家口1 號機組空氣冷卻器狀況分析

原潘家口1 號機組采用的空氣冷卻器是繞簧式空氣冷卻器，其風阻大、易積灰、成本高，而且使用過程中空氣冷卻器的散熱性能下降較快。

1.1 原潘家口1 號機組繞簧式空氣冷卻器結構

原潘家口1 號發電機組共有18 組繞簧式空氣冷卻器，繞簧式空氣冷卻器單體結構如圖1 所示。由圖1 可以看出，由于繞簧式結構本身有陳舊落后的缺陷，長期使用后，產生繞簧內灰塵逐漸增多無法清理、繞簧與銅管接觸不良等情況。近幾年，由于銅管封堵的越來越多，冷卻器封堵銅管超過規定的上限20%，即27 根，造成冷卻器散熱能力不佳，不能有效降低1 號發電機組在運行時定子、轉子周圍環境溫度而出現冷卻效果差的問題。同時冷卻器安裝方位朝向發電機組定子，存在漏水后水流滋向定子發生不可預見性事故的重大安全事故隱患。

圖1 繞簧式空氣冷卻器單體結構

1.2 原潘家口1 號機組繞簧式空氣冷卻器使用年限

原潘家口1 號發電機組空氣冷卻器為遼寧營口通風機械廠1979 年1 月生產的1B145 型繞簧式空氣冷卻器，設計使用年限20 年，實際運行42 年，使用年限過長，銅管銹蝕嚴重，管壁變薄。近幾年，1號機組運行過程中，繞簧式空氣冷卻器銅管漏水、銅管端部擴管處漏水、下端蓋銹蝕漏水現象越來越頻繁，尤其是2006 年，先是4 月3 日發生13 組空氣冷卻器大量往外滋水現象，險些造成1 號發電機組停機事故，后采取緊急措施，關閉13 組空氣冷卻器的供水閥門，退出13 組空氣冷卻器，才使1 號發電機組能夠繼續正常運行。后又在8 月10 日7 組空冷器大量噴水，險些將水噴向定子，嚴重危及1 號發電機組的安全運行，最后臨時采取緊急措施，關閉7 組空氣冷卻器的供水閥門，退出7 組空氣冷卻器，避免了1 號發電機組停機事故。由此可見1 號發電機組繞簧式空氣冷卻器銅管已經嚴重老化、銹蝕，嚴重影響機組的安全運行（圖2）。

圖2 舊空氣冷卻器

2 現潘家口1 號機組空氣冷卻器狀況分析

現潘家口1 號發電機組采用的是穿片式空氣冷卻器。穿片式空氣冷卻器是一種目前應用較為廣泛的空氣冷卻器，是一項應用于水力發電機組的先進成熟的空氣冷卻技術。

2.1 空氣冷卻器發展歷史

我國空氣冷卻器隨著水力發電、電機等行業發展而共同發展，20 世紀50 年代我國主要采用的是蘇聯的繞簧式空氣冷卻器，由于當時我國存在技術空白，繞簧式空氣冷卻器在我國所占比重較大，20世紀70 年代中葉，上海電機廠有開展擠片式空氣冷卻器的研究，但由于工藝技術等條件限制沒有深入，20 世紀80 年代初，我國逐漸引進西方技術，開始出現繞片式空氣冷卻器，在125 MW 以上的氫冷發電機組應用較多。20 世紀90 年代以來，隨著不斷引進國外新技術，在我國出現了繞簧式、擠片式、針刺式和穿片式多種形式的空氣冷卻器并存的局面[1]。其中穿片式空氣冷卻器以結構性與技術性能優勢明顯而成為國內先進且應用廣泛的空氣冷卻器。經綜合比較分析，潘家口水電廠1 號發電機空氣冷卻器改造選用穿片式空氣冷卻器。

2.2 空氣冷卻器的改造

2021 年11 月18 日，我廠召開動員大會，進行技術及安全交底，在安全和技術上做到關鍵節點有把控，危險源有措施，并做防護措施，做好設備防護，11 月23 日～30 日，空冷器安裝前水壓試驗；12 月1日～3 日，拆除舊空冷器；4 日～7 日，安裝新空冷器；8 日～9 日，發電機蓋板回裝等恢復工作；30 日，充水試驗及試運行，潘家口1 號機組空氣冷卻器改造完畢。

2.3 穿片式空氣冷卻器結構與技術性能分析

穿片式空氣冷卻器是采用銅管穿入帶有沖有凸緣多孔的薄金屬片上，之后利用脹接的方法結合而成，薄金屬片作為管束外的整體翅片，沖孔的凸緣用來保證兩翅片中間的距離，同時可以增加翅片與銅管間的接觸面積，減小接觸熱阻。穿片式空氣冷卻器優點如下：

（1）風阻低且檢修維護方便。穿片式空氣冷卻器結構的特點決定了風道的阻力遠小于繞簧式空氣冷卻器，發電機的熱風通過冷卻器風道時風速較快，所以熱風室壓力較低。且由于風阻低，風速快，冷卻器積塵慢，所以新冷風器維護檢查尤其是清掃時比較方便。

（2）體積小且散熱效率高。穿片式結構散熱面積為每米管長1.04 m2，遠大于繞簧式，穿片式空氣冷卻器的散熱面積與接觸面積的關系，其中每米管長水接觸面積為0.053 m2，綜合考慮穿片式空氣冷卻器散熱面積較大。蘇華[2]還對穿孔翅片管進行了實驗研究和數值分析。結果表明：在平翅片表面局部換熱系數較低、換熱薄弱的區域開圓孔的穿孔翅片管的換熱系數可提高12.5%，而阻力增加不超過7%。

（3）冷卻器剛度大、整體性好，延長了使用壽命。繞簧式空氣冷卻器是單根結構，互相之間的固定方式除上、下端板固定之外，中間再由夾板加以固定，運行時間長了容易松動，造成繞簧松動或漏水等現象發生[3]；穿片式冷卻器在結構上翅片、銅水管與整個穿片式空氣冷卻器支架為一個整體，冷卻器的剛度大、整體性較好，從源頭上解決了冷卻水銅管的根部由于抗振性小引起的易松動問題，延長了穿片式空氣冷卻器的使用壽命。

2.4 潘家口水電廠穿片式空氣冷卻器使用效果

改造前繞簧式空冷器冷風溫度普遍在29～30 ℃，改造前后冷風溫度對比如表1 所示。

表1 改造前測值時間為2021 年8 月24 日，18號測點失效顯示為0。更換新穿片式空冷器后冷風溫度普遍在9～11 ℃，改造后測值時間為2022 年5月15 日，由于只能在1 號機組開機并網發電后才能測值，因此并不能保證在同一時間測值，但由于機組在海拔141 m，低于當地平均海拔150 m，受季節溫度影響較小，前后測值對比仍具有參考價值。安裝新穿片式空氣冷卻器后1～18 組空冷器冷風溫度總體平均下降了20 ℃，冷卻效果顯著。穿片式空氣冷卻器的風阻力小、傳熱系數大，單位體積散熱面積大，經過半年運行后，現冷卻效果完全達到改造目的，數據穩定且連續。

3 結論

通過分析和研究最近半年穿片式空氣冷卻器的監視數據，確認穿片式空氣冷卻器的可靠性，其降溫效果符合預期要求。得出應用于潘家口發電機組中的穿片式空氣冷卻器，有效地降低了發電機組運行環境溫度，對潘家口1 號機組推力瓦溫產生積極影響，保證了1 號機組安全、穩定地運行，驗證了穿片式空氣冷卻器是一種應用較為先進成熟且穩定的空氣冷卻器，為穿片式空氣冷卻器的推廣積累了經驗。