摘要:为了改进冷却技术,提高我国大型空冷汽轮发电机的冷却技术水平,介绍了大型空冷汽轮发电机空冷系统的分类,包括直接空冷系统和间接空冷系统。指出了大型空冷汽轮发电机的优势:性能良好、经济效益良好、市场条件成熟。分析了大型空冷汽轮发电机冷却技术:单路压入技术、单路抽风技术、分段多流技术、转子冷却技术。提出了改进措施:提升风扇动力,控制风摩损耗。通过不断优化设计和改进,降低功率损耗,以提高空冷发电机的冷却性能。
大型空冷汽轮发电机在运行过程中定子绕组与转子绕组会产生大量的热,以往的氢冷却技术在冷却质量、冷却效率、经济性上具有一定的局限性,而空冷发电机使用的冷却介质是空气,简化了水处理和制氢环节,结构简单,冷却效率高,在发电领域得到了广泛应用。但是,该项技术在实际应用中也存在一定的缺点,与氢冷汽轮发电机相比,运行效率略低,其空气导热能力不如氢气,增加了运行过程中的风损耗,尤其是大型的空冷汽轮发电机,通风损耗达到了整体通风的30%左右,整体运行效率降低了0.1%左右,需要通过技术改进与创新解决通风损耗问题,提高空冷汽轮发电机的冷却成效。
1、大型空冷汽轮发电机空冷系统的分类
大型空冷汽轮发电机采用排汽空冷系统,替代了循环冷却水系统,核心部件为空冷器,主要由挡风墙、风机、抽气系统、凝结水箱、翅片管等组成,如图1所示。其冷却过程可节约大量的水资源,90%以上的水主要消耗在冷却塔环节,其直接冷却排汽,无须用水作为中间介质,实现了汽轮机发电节水的目的。冷却原理是排汽经过管道流入翅片管,空气流经翅片管带走热量,排汽冷凝成水后最终流入到冷凝水箱中。
1.1 直接空冷系统
直接空冷系统采用的技术较为简单,直接应用粗大排汽管道作为汽轮机的排汽通道,将排汽运输至室外的空冷器中,风机吹动空气在散热器表面流动,促使排汽冷却成水。该空冷系统结构简单,使用的设备较少,建设成本较低。实际应用中的不足之处是需要使用粗大排汽管道,密封难度大,运行过程中需维持管道内部的真空环境。该系统在冬季应用时室外温度过低,致使管道易结冰。
1.1.1 真空抽气系统
该系统为空冷核心系统。大型空冷汽轮发电机运行中,真空抽气系统抽取空冷器、排汽管道、凝结水箱中的空气,维持排汽系统的真空状态,保证直接空冷系统正常运行。此外,整个空冷系统为密封状态,采用双层焊接,避免空冷系统密封性不够,影响空冷效果。
1.1.2 风机与排汽管道系统
风机系统主体结构为风机与风筒,直接空冷系统要求风机可在40%~100%的转速区间正常工作,减压效率应在70%以上且变频性能优异。直接空冷系统的排汽管道安装难度大,其连接着汽轮机房与空冷岛,在安装现场组装后需要借助吊机安装。粗大管道对接与焊接环节非常关键,要实行严格的质量检查与管理措施,以保证直接空冷系统的建设效果。
1.1.3 凝结水系统
凝结水箱位于蒸汽进下方,汽轮机低压缸下方设置排汽装置,将汽轮机形成的蒸汽经由排汽装置流入至蒸汽进处,再进入空冷器中,最后凝结成水流入至凝结水箱。凝结水箱负责收集排汽凝结水,并将水通过水泵输送至汽轮机的回热系统,实现水的循环利用。
1.2 间接空冷系统
空冷塔的运行状况受到天气、温度的影响,在高温季节,气温与水温之间温差小,大风天气状况下风力影响空冷塔的进风量,会降低空冷塔的冷却效果。一旦空冷塔水温较高,将影响汽轮机的空冷成效,降低排汽冷却效能,进而影响整个汽轮机组的运行状况,因此需要使用间接空冷系统,增加汽轮机空冷效果。如果联合使用蒸发式冷却器与冷却塔,采用蒸发水吸收冷却塔中循环水的热量,可分流循环水,减少冷却塔中的水流量,达到减少出水口温度的目的,降低汽轮机的热压力,保证冷却效果。如果冷却塔出现运行不良现象,使用蒸发式冷却器替代其运行,也可起到一定的冷却效果,避免机组发生生产事故。蒸发式冷却器分流的循环水完成冷却后,与冷却塔中冷却后的循环水最终都将流入凝结水箱中。
2、大型空冷汽轮发电机的优势
2.1 性能良好
空冷汽轮发电机的结构不复杂,性能稳定,维护简便,尤其是空冷系统,简化了一定的程序,无须安装制氢装置也无水处理设备,中间环节的缩减减少了辅助设备失灵和发电机运行故障等问题,提高了空冷发电机运行的可靠性。空冷发电机是空气冷却,日常维护过程不用添加冷却介质,进一步提高了工作的安全性。
2.2 经济效益良好
空冷发电机简化了诸多程序,使用的构件和装置较少,降低了整体制造成本,特别是冷却介质使用的是空气,无须安装辅助性制冷装置和设备,降低了维护难度和成本。与氢冷汽轮发电机相比,运行费用和前期投入成本较低,高新冷却技术的运用进一步提升了空冷发电机性能,使生产效率更高,整体经济效益显著。
2.3 市场条件成熟
国际发电市场非常注重生产的清洁性和环保性,燃气-蒸汽联合循环电站的兴建刺激了大型空冷发电机市场的快速发展。空冷发电机使用空气制冷,节水效益良好,启停速度快,性能稳定,生产效率高,可以满足循环发电站对发电机的各项要求,市场条件成熟,为空冷发电机的研发提供了良好的市场环境。
3、大型空冷汽轮发电机冷却技术及改进措施
3.1 大型空冷汽轮发电机冷却技术
大型空冷发电机的关键技术是通风冷却系统,需具良好的经济性,应针对结构进行研究,提高通风冷却系统性能。冷却系统的风量需在发电机内部均匀分布,可及时有效地带走热量。风路设计主要是风阻的合理设计。转子是发电机的动力构件,其产生的热量较高,应注重此位置的冷却设计。通风冷却系统结构设计需要以节约成本为原则,实现结构最简化,并达到性能最优化。设计通风冷却系统时,要从空冷发电机的结构出发,发电机定子绕组需借助定子铁芯传导,由径向风路进行间接冷却,而转子绕组直接冷却即可。
3.1.1 单路压入技术
发电机转子两端设置风扇,发电机运行过程中,空冷器会不断输送冷风,由风扇将冷风吹进转子内部,冷风经过铁芯进入端盖。采用单路压入冷却技术的定子结构应尽量简单,冷风在定子内部流动过程中与热气混合后会分散在定子各个零部件上,所以该项技术适用于小于150MW的空冷发电机,如果将其应用在大于150MW的发电机中,热气与冷风混合后会增加径向风沟中空气的温度,导致铁芯冷却效果较差。
3.1.2 单路抽风技术
单路抽风技术是冷风在发电机内部按照一定的路径流动,带走发电机内部的热量,空冷器将冷风先输送至铁芯背部和转子,流入径向风道。到达气隙位置后,此处位置设有两台风扇,将气隙中的热风抽出。应用该技术可以同时冷却转子和定子,在气隙位置将热气及时抽出,风扇自身产生的热量就不会影响发电机。其不足之处是风扇安装在定子端部,增加了此处位置的复杂性,聚集了大量的热气,对定子端部散热产生了一定的影响。
3.1.3 分段多流技术
空冷器输送的冷风输送至发电机内部后将被分成三路,第一路经由定子端部流进,第二路气流进入机座,流动至铁芯背部,第三路冷风被输送至通风副槽,流入气隙。这三路气流最终会在气隙位置聚集,经由出风口流出发电机内部。该技术的不足是三路气流多数聚集在气隙位置,会相应地减少铁芯背部的气流,有时会导致倒流问题,不利于背部位置的冷却,在实际应用中,需要安装一个挡风板,降低气隙处的进风量。
3.1.4 转子冷却技术
空冷发电机的大型化发展提高了对冷却技术的要求,以往的转子表面冷却技术已经无法完全保证发电机的可靠运行,故而需要采用以下技术。其一,槽底副槽技术,冷风直接进入副槽,流入转子铜线,最后进入气隙。该技术的应用优势是冷风经副槽流入,减少了转子的风摩损耗,不需要安装风扇且槽楔制作容易,不足之处是进风面积较小,冷却效果不够理想。其二,轴向进气技术,空冷器输出冷风后经由转子两端流至槽楔出风孔,最后流进气隙。该技术解决了副槽风阻大的问题,缺点是风道过长,增加了风阻力,需要使用高压风扇,但是在风扇应用过程中,通风损耗增加,影响了发电机整体的冷却效率。此外该技术实现较为困难,比较适用于大型空冷发电机。
3.2 空冷汽轮发电机冷却技术的改进措施
3.2.1 提升风扇动力
冷却风扇借助转子驱动,属于耗功元件,在转动过程中会消耗机械能,将机械能用于冷风的驱动。空冷使用的冷却介质要多于氢冷发电机,增加了风扇的摩擦损耗,所以需要对风扇的动力进行改进。日本生产的250MW空冷汽轮发电机,在风扇设计上采用了与NACA叶片相类似的方案,将风扇的效率提高至60%。
3.2.2 控制风摩损耗
改进转子通风结构。转子的风摩损耗分为两个方面,一是内部风路,主要是冷却介质流动过程中的风摩损耗,在气体分流和回流过程中受到风道的摩阻,因此需要对风道结构进行改进,比如在分流时,应尽量做到均匀分配或是对副槽进行变截面设计等,可有效降低风摩损耗;二是转子表面,其与气流之间会产生摩擦,并引起一定的阻碍,需要将转子表面打磨光滑,以减少风阻。
改进定子通风结构。定子的风摩损耗分为两个方面,一是径向支路,支路的形状和截面改变是形成损耗的主要原因,需要适当增加通风的面积,降低支路的风摩损耗;二是铁芯与气隙之间产生的损耗,主要是冷风流动过程中的沿程摩阻形成的损耗,采用的方法是增大气隙的面积,对通风结构进行改进。
改进算法。通风量计算方法的改进是冷却技术优化的关键,目前应用较多的计算方法是等效风路法,而通风系统会根据计算的结果进行设计,令其在实际运用中实测获得的风量值与计算值之间有着较大的差异,引起发电机部件过热现象,降低了发电机的冷却效果,形成较大的风摩损耗,因此在算法改进时需要采取以下对策:重新设定阻力系数,不但与风道结构有关,还与风量分配有关。局部阻力系数的测定较为复杂,存在阻力损失,主要分为阻碍范围内与前后影响长度内两个方面的损失,在通风计算中需要考虑这些损失问题。基于通风道的结构特点,其与局部阻碍间距不够,不宜使用局部阻力系数。转子在通风冷却系统中,其冷却空气是向着轴向方向流动且逐渐减少,当副槽截面阻力没有变化时,冷却空气流动速度下降,导致风道两个方向上的压力出现差异,形成冷却不均匀现象。设计中应注重副槽截面阻力的计算,调整截面结构,以平衡两个方向的压力,保证冷却的均匀性。
4、结语
从空冷发电机冷却技术分析可以看出,冷却技术还需要进一步深入研究,如冷却风扇的设计,由于其转动形成较大的损耗,需要进行优化设计和改进,以提高风扇的冷却性能,降低其功率损耗。要对定子和转子结构进行优化,以降低风摩损耗,从而提高空冷发电机的冷却性能。
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文章来源:侯键.大型空冷汽轮发电机冷却技术探究[J].黑龙江科学,2022,(06):76-78.
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2023-10-26我要评论
期刊名称:河北电力技术
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