國建鴻 顧國彪 傅德平 黃德書
(1.中國科學(xué)院電工研究所 北京 100080 2.上海汽輪發(fā)電機有限公司 上海 200240)
隨著電網(wǎng)的容量愈來愈大,發(fā)電設(shè)備逐步邁向巨型化,如汽輪發(fā)電機已達到百萬千瓦級,發(fā)電設(shè)備傳統(tǒng)的冷卻技術(shù)受到嚴峻的挑戰(zhàn),人們在優(yōu)化設(shè)計、提高工藝的同時,通過嘗試各種冷卻組合,改變冷卻介質(zhì)形成各式各樣的冷卻方式??梢哉f發(fā)電機單機容量的增加,電機冷卻技術(shù)的提高是關(guān)鍵技術(shù)之一。汽輪發(fā)電機所采用的冷卻方式包括空冷、氫冷、水冷、油冷及蒸發(fā)冷卻[1-4]??绽洹淅?、水冷技術(shù)均為早期國外引進技術(shù)后優(yōu)化設(shè)計,是很成熟技術(shù),為解決水內(nèi)冷、氫冷存在的安全隱患問題,同時繼承液冷方式有效帶走熱能的優(yōu)點,美、日、俄等國相繼開展了將相變原理應(yīng)用于大型發(fā)電設(shè)備中的研究,并取得了一定的理論成果,但至今沒有成熟的運行產(chǎn)品。
中科院電工所20世紀(jì)50年代開始蒸發(fā)冷卻技術(shù)研究,已經(jīng)成功研制多臺蒸發(fā)冷卻水輪發(fā)電機,最大單機容量為三峽840MW機組,通過72小時試運行,50MW蒸發(fā)冷卻汽輪發(fā)電機組運行了十年,證明了蒸發(fā)冷卻電機運行的安全可靠性[5-7]。本文依據(jù)兩相流與傳熱理論,采用有限元方法對 330MW級蒸發(fā)冷卻汽輪發(fā)電機對定子三維溫度場進行數(shù)值計算,給出了在發(fā)電機溫度場求解域中的溫度分布規(guī)律。將計算結(jié)果與樣機出廠型式試驗結(jié)果進行對比分析,表明了本文仿真分析方法的準(zhǔn)確性和適用性,同時分析了大型蒸發(fā)冷卻汽輪發(fā)電機的性能及特點。
蒸發(fā)冷卻技術(shù)基于沸騰換熱機理,實現(xiàn)對發(fā)熱部件的冷卻,本文從下面兩點說明其與傳統(tǒng)冷卻方式不同。
蒸發(fā)冷卻發(fā)電機與目前汽輪發(fā)電機常規(guī)的冷卻方式,如空氣、水、氫氣冷卻最關(guān)鍵的不同之一就是冷卻介質(zhì)的不同,進而冷卻介質(zhì)實現(xiàn)冷卻的原理稍有不同,除了利用冷卻介質(zhì)的物質(zhì)熱性質(zhì)比熱容來實現(xiàn)熱量交換,蒸發(fā)冷卻技術(shù)更主要的是利用相變傳熱原理[8,9]實現(xiàn)熱量交換的,即液體吸收發(fā)熱體熱量,由液態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài),氣化過程中分子內(nèi)能發(fā)生變化而吸收發(fā)熱元件產(chǎn)生的熱量,因此在含有相變的熱交換過程中,混合流體具有很大的表觀比熱,可明顯增大傳熱流體與流道管壁面間的傳熱能力[10]??諝狻錃獾冉橘|(zhì),是以顯熱的方式進行熱交換,其傳熱的效率比蒸發(fā)冷卻低,見表1。
表1 幾種冷卻介質(zhì)性能比較Tab.1 Comparisons on different cooling technologies
冷卻介質(zhì)是依賴特定的冷卻循環(huán)回路對電機發(fā)熱體實現(xiàn)冷卻,其介質(zhì)循環(huán)結(jié)構(gòu)有管內(nèi)強迫循環(huán)和全浸式自循環(huán)兩種[11,12]。全浸式自循環(huán)冷卻結(jié)構(gòu)與空冷結(jié)構(gòu)相似,體積小于空冷,其特點是結(jié)構(gòu)簡單、運行維護量少,系統(tǒng)基本處于零壓力運行狀態(tài),安全可靠性高,重點研究電機繞組溫升是否能達到冷卻技術(shù)要求。全浸式冷卻自循環(huán)原理結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 300MW汽輪發(fā)電機全浸式蒸發(fā)冷卻自循環(huán)結(jié)構(gòu)Fig.1 300MW evaporative cooling turbine generator structure
管內(nèi)強迫循環(huán)結(jié)構(gòu)類似汽輪發(fā)電機定子繞組水內(nèi)冷式結(jié)構(gòu),是定子鐵心采用全浸式結(jié)構(gòu),定子繞組管內(nèi)冷,這是因為內(nèi)冷式是冷卻介質(zhì)直接與定子繞組導(dǎo)線發(fā)熱面接觸,是目前大容量機組普遍采用的一種更高效的冷卻方式,而全浸式是繞組導(dǎo)線的熱傳導(dǎo)要經(jīng)過絕緣層再與冷卻介質(zhì)進行熱交換,熱阻較大,因此內(nèi)冷冷卻效果比全浸式冷卻效果更上一臺階,但結(jié)構(gòu)要比全浸式的結(jié)構(gòu)復(fù)雜些[13,14]。
我國 300MW汽輪發(fā)電機的冷卻方式主要是有雙水冷型、全氫冷型和水氫冷型,由于定子繞組發(fā)熱較嚴重,基本上均采用內(nèi)冷方式,而 300MW量級蒸發(fā)冷卻汽輪發(fā)電機為國內(nèi)首次設(shè)計,對于蒸發(fā)冷卻管內(nèi)冷和全浸泡式結(jié)構(gòu)進行了對比計算和試驗后,經(jīng)過多方專家論證,認為 300MW量級蒸發(fā)冷卻汽輪發(fā)電機采用全浸式自循環(huán)式蒸發(fā)冷卻方式能滿足電機冷卻技術(shù)要求,結(jié)構(gòu)簡單無需采用定子繞組管內(nèi)強迫循環(huán)冷卻方式。因此,本文重點分析全浸式蒸發(fā)冷卻結(jié)構(gòu)下的定子繞組兩相流傳熱性能。由于 300MW量級蒸發(fā)冷卻汽輪發(fā)電機樣機是針對平頂山姚孟電廠2號發(fā)電機進行增容改造,平頂山姚孟電廠原2號機組為運行了30多年的300MW雙水內(nèi)冷機組,方案設(shè)計時考慮轉(zhuǎn)子仍采用原來的水冷轉(zhuǎn)子,因此根據(jù)姚孟電廠原2號機組參數(shù)設(shè)計了新型蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)的發(fā)電機定子結(jié)構(gòu)。
(1)額定容量:為適應(yīng)整個電站改造增容的要求,與汽輪機匹配容量確定為330MW。
(2)額定電壓:為節(jié)約資金電廠改造不更換變壓器,所以發(fā)電機額定電壓仍采用18kV。
(3)發(fā)電機的設(shè)計原則為:利用原來的轉(zhuǎn)子、軸承、勵磁系統(tǒng),保持機座的安裝尺寸不變。這樣電廠的廠房基礎(chǔ)設(shè)計可以不做太大的變化。
(4)主要技術(shù)參數(shù)見表2。
表2 主要參數(shù)Tab.2 Main parameters
在吸取水氫氫 300MW 優(yōu)化設(shè)計和新 300MW雙水內(nèi)冷發(fā)電機設(shè)計技術(shù)的基礎(chǔ)上,對 330MW蒸發(fā)冷卻發(fā)電機整體部件的結(jié)構(gòu)等進行了全新的設(shè)計。
定子鐵心兩端部各有6個階梯,定子鐵心共有108個通液道,能夠保證冷卻液及冷卻蒸汽流動通道的暢通,從而使冷卻蒸汽順利地上升到冷卻器,起到了良好的冷卻作用。冷卻液在鐵心內(nèi)既能沿徑向流動又能沿軸向流動,改善了鐵心的冷卻效果。
發(fā)電機鐵心采用無磁性鑄鋼壓圈,壓圈外設(shè)有銅屏蔽,它們之間保持一定間隙,能保證冷卻液進入它們之間的區(qū)域進行冷卻,而且在金屬支架固定螺釘位置襯有銅墊塊,表面鍍銀,與壓圈和銅屏蔽保持良好接觸。
蒸發(fā)冷卻表面冷卻的定子線圈全部采用實心銅線,線圈的設(shè)計為上下層不同截面,上下層沿寬度方向為兩排。定子線圈槽內(nèi)固定設(shè)計中充分考慮了線圈和冷卻介質(zhì)的熱傳遞,楔下和層間固定墊條的結(jié)構(gòu)做了精細的布置使冷卻介質(zhì)在槽內(nèi)部分有流動的空隙以加強定子線圈散熱效果。定子線圈端部固定為了考慮端部線圈的散熱和制造多方面原因,采用綁扎結(jié)構(gòu)。
電機正常穩(wěn)態(tài)運行時,內(nèi)部磁場近似為正弦交變磁場,在電機軸向橫截面相同半徑的圓周上,各處平均損耗近似相等,所以可以認為其中的溫度不隨時間變化,近似為穩(wěn)態(tài)場。根據(jù)傅立葉熱傳導(dǎo)定律以及電機內(nèi)的熱交換情況,汽輪發(fā)電機穩(wěn)定運行時定子鐵心和繞組溫度在直角坐標(biāo)系下定解問題為
式中 λx, λy, λz—— x,y,z方向的導(dǎo)熱系數(shù) (W/(m·K));
Q——熱源密度(W/m3);
λn——邊界面外法線方向的導(dǎo)熱系數(shù);
α——散熱系數(shù)(W/(m2·K);
Tf——流體的溫度;
S1,S2——絕熱面;
S3, S4, S5, S6, S7, S8——散熱面;
n——邊界面外法線方向。
全浸式蒸發(fā)冷卻定子是將整個定子及鐵心密封在腔體內(nèi),被其內(nèi)充放的液態(tài)蒸發(fā)冷卻介質(zhì)完全浸式,電機腔內(nèi)的流體熱交換可以視為池內(nèi)沸騰傳熱,定子的端部、鐵心表面與蒸發(fā)冷卻介質(zhì)充分接觸,沸騰區(qū)內(nèi)大量氣泡的形成、躍力和運動,構(gòu)成了加熱面與流體之間的強烈對流傳熱,熱量很快被帶走,由于定子槽內(nèi)的繞組發(fā)熱最嚴重,并且與冷卻介質(zhì)的有效接觸面較小,所以定子最熱段應(yīng)位于直線部分中心定子槽內(nèi)的繞組中。據(jù)此,由電機定子結(jié)構(gòu)的對稱性,溫度場求解域確定為半個鐵心段,周向半個齒距的范圍如圖2所示。發(fā)電機在穩(wěn)定運行過程中內(nèi)部兩相流場不會發(fā)生變化,即可將其視為泡和沸騰,產(chǎn)生氣泡的活動點數(shù)密度與所傳遞的熱流密度值關(guān)系密切,因此,依據(jù)電工所多年的研究成果及泡和沸騰傳熱計算相應(yīng)的公式計算出不同區(qū)域表面的散熱系數(shù)[14-16]。
圖2 定子三維溫度場的求解場域Fig.2 3D temperature distribution calculation region for stator
以 330MW蒸發(fā)冷卻汽輪發(fā)電機參數(shù)為依據(jù),對定子三維溫度場進行數(shù)值計算,鑒于結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性,作如下假設(shè):
(1)位于同一定子槽中的上、下層繞組是同相的,在同一時間內(nèi)流過相同的電流。
(2)考慮定子繞組銅耗時,渦流效應(yīng)對每根股線的影響相同,即取其平均值。
(3)槽楔近似當(dāng)作與槽同寬,槽內(nèi)的所有絕緣(股線絕緣、層間絕緣)其熱性能與主絕緣相同。
(4)鐵心齒部和軛部的表面、槽楔表面、軛背部及部分定子繞組與冷卻介質(zhì)接觸面的散熱系數(shù)分別取其分區(qū)域平均值。齒中心截面和槽中心截面為絕熱面。
以上分析表明: 在所討論的溫度場的求解問題中,其邊界條件只有絕熱邊界和對流換熱邊界。鐵心軛背部S3、軛表面S4、徑向通液溝中鐵心齒表面S5、定子鐵心齒端面 S6、徑向通液溝中繞組散熱面S7以及槽楔與繞組之間夾有開槽墊條及波紋板,因此該處有部分繞組與介質(zhì)接觸,形成對流換熱面S8與蒸發(fā)冷卻介質(zhì)接觸的面為沸熱換熱面,按傳熱學(xué)中的第三類邊界條件處理,蒸發(fā)冷卻介質(zhì)區(qū)域面按等溫邊界條件處理。由于電機周向結(jié)構(gòu)的對稱性,槽中心面S1及齒中心面S2都是絕熱面,即為絕熱邊界條件。
根據(jù)上述汽輪發(fā)電機內(nèi)溫度場的數(shù)學(xué)模型,采用有限元分析軟件Ansys 對姚孟330MW汽輪發(fā)電機在額定工況運行條件下的溫度場進行了分析與計算,如圖3、圖4所示。
圖3 求解域內(nèi)溫度分布Fig.3 Solved region of temperature distribution
圖4 求解域內(nèi)定子槽內(nèi)繞組及鐵心的溫度分布Fig.4 Temperature distribution of stator and core
從圖3可知,鐵心整體的溫度是很均勻的,而且鐵心表面溫度與介質(zhì)溫度接近(約 50℃左右)。說明沸騰換熱過程中,冷卻液體快速由液態(tài)轉(zhuǎn)化為氣態(tài)帶走熱量,使得發(fā)熱表面溫度保持在沸騰溫度范圍內(nèi),利用氣化潛熱可以有效帶有鐵心的熱損耗,達到良好的冷卻效果,使得鐵心溫升遠低于采用空冷、氫冷方式時的20K以上。
圖4顯示的是求解域內(nèi)定子鐵心齒、槽以及槽內(nèi)的各個絕緣、各根銅線等的總體溫度分布情況,其中最下端出現(xiàn)的水平彩帶是溫度場的標(biāo)尺,按照其上顏色由藍到紅的變化依次代表溫度由低到高的分布變化,標(biāo)尺上的數(shù)字是溫度值,單位是℃。從圖中可看出,定子繞組最高溫升約81K,平均溫升約65K,由于繞組的集膚效應(yīng),定子槽內(nèi)的熱量集中在上層繞組內(nèi),致使該處成為整個定子側(cè)的最熱點,符合電機運行時的實際發(fā)熱狀況。下層線棒總的溫度分布情況要明顯低于上層線棒,主絕緣內(nèi)也存在一定的溫度梯度,槽內(nèi)的層間絕緣與上下層線棒緊貼,溫升為 40~60K。由于在上層繞組墊條設(shè)計中采用了開槽和加波紋板結(jié)構(gòu),增加槽內(nèi)液體流通通路,即增加了與冷卻介質(zhì)的換熱面,因此,貼近槽楔部位的繞組溫度下對比較低,說明了該種設(shè)計結(jié)構(gòu)設(shè)計合理,可以發(fā)揮蒸發(fā)冷卻技術(shù)的兩相流動換熱特性。
發(fā)電機定子和轉(zhuǎn)子裝配完成后進行了型式試驗。為全面了解電機溫度分布情況,埋設(shè)了較多的測溫元件,熱電阻測溫元件埋設(shè)位置為:在定子鐵心的兩端和中間擋,水平位置的齒部和軛部各埋置4個共12個(其中6個備用);在發(fā)電機A、B、C每個相帶6個槽的層間,埋置兩個共12個(其中6個備用);在汽勵端銅屏蔽埋置4個。短路試驗和空載試驗情況如圖5~圖7所示。
圖5 1.0IN短路溫升試驗Fig.5 Short-circuit temperature rise test
圖6 1.0IN短路和1.1UN空載試驗時鐵心溫升Fig.6 Shows the core temperature rise, the 1.0IN short circuit and 1.1UN no-load test
圖7 1.0IN短路和1.1UN空載試驗時銅屏蔽溫升Fig.7 Shows the copper shielding temperature rise, the 1.0IN short circuit and 1.1UN no-load test
發(fā)電機性能試驗測得電阻、電抗、時間常數(shù)等絕大部分參數(shù)均在允許范圍內(nèi),短路比0.466。發(fā)電機效率損耗試驗值中,損耗與設(shè)計值相當(dāng)或稍小,因此發(fā)電機的試驗效率 98.90%略高于設(shè)計值98.89%(包括了勵磁機損耗)。經(jīng)過型式試驗及仿真計算結(jié)果分析表明:
(1)如圖5所示,330MW蒸發(fā)冷卻發(fā)電機在1.0IN額定短路定子線圈層間的最高溫升約39K,而且,鐵心段內(nèi)的繞組層間溫度(見圖51、3、5點)高于通液溝段的繞組層間溫度(見圖 5的 2、4、6點),這是因為通液溝內(nèi)繞組接觸冷卻介質(zhì)的散熱面更多,因此溫升只有20K左右,這符合蒸發(fā)冷卻換熱原理,由此也說明,在兼顧繞組機械強度的同時,可以盡量增加鐵心段內(nèi)繞組的散熱面積,使液體滲入其中達到更好的冷卻效果。另外根據(jù)GB4071—2005標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,電機繞組平均溫升可以采用電阻法測量熱態(tài)電阻,再根據(jù)公式推倒出繞組平均溫升。以電阻法測量得繞組內(nèi)導(dǎo)體平均溫度約107℃,溫升約59K。與仿真結(jié)果相對誤差9%(見圖4),表明理論分析方法的正確性。
(2)在短路試驗時,線圈中的熱損耗向鐵心傳遞,所以鐵心齒部熱流密度高于軛部相應(yīng)其溫度應(yīng)高于軛部的,由圖6可見,鐵心齒部測量點(1,3,5)測得的溫度高于軛部測量點(2,4,6),這符合傳熱原理。根據(jù)短路溫升和空載試驗,可計算出發(fā)電機鐵心最高溫升約15K。通過三次的短路試驗和空載試驗,其重復(fù)性較好,測量是準(zhǔn)確的。也說明設(shè)計時盡量使繞組能直接接觸蒸發(fā)冷卻介質(zhì),會起到更好的冷卻效果。電機設(shè)計時在下層繞組和槽楔之間采用了波紋板,以增加散熱面積,由圖4可見,上層繞組得到了較好的冷卻效果。
(3)從圖7可見,短路溫升試驗時銅屏蔽最高溫升36K,在1.1UN空載試驗時,定子鐵心的最高溫升約 8K,銅屏蔽最高溫升 17K。這是由于銅屏蔽完全浸式在介質(zhì)中,與介質(zhì)直接進行沸騰換熱,因此達到比較理想的冷卻效果,可以滿足電機進行運行要求。
在吸取水氫氫 300MW 優(yōu)化設(shè)計和新 300MW雙水內(nèi)冷發(fā)電機設(shè)計技術(shù)的基礎(chǔ)上,結(jié)合目前電力系統(tǒng)對新技術(shù)的需求和目前蒸發(fā)冷卻技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展,對 330MW蒸發(fā)冷卻發(fā)電機從電磁設(shè)計和整體部件的結(jié)構(gòu)等進行了全新的設(shè)計。蒸發(fā)冷卻發(fā)電機具有以下優(yōu)點:
(1)定子鐵心和線圈全部浸入在蒸發(fā)冷卻介質(zhì)后,使定子鐵心無過熱點、溫度均勻,同時也降低了端部結(jié)構(gòu)件因渦流損耗引起的溫升;可以滿足發(fā)電機進相運行
(2)同容量高級發(fā)電機中,全浸式蒸發(fā)冷卻汽輪發(fā)電機結(jié)構(gòu)最簡單,省去了氫冷機組的制氫設(shè)備,比水內(nèi)冷結(jié)構(gòu)簡單。
(3)鐵心及繞組溫度分布均勻,不會因熱變形帶來安全隱患。
(4)由于定子部分全密封結(jié)構(gòu),無塵,清潔,定轉(zhuǎn)子間有套筒防止轉(zhuǎn)子漏水影響定子繞組和鐵心,提高了發(fā)電機運行的可靠性,而且減少了運行維護量。
蒸發(fā)冷卻技術(shù)以特有的絕緣介質(zhì)以及相變換熱特點,使得電機定子溫度分布均勻,安全性提高,具有較好的應(yīng)用前景。300MW量級蒸發(fā)冷汽輪發(fā)電機樣機的制造完成,標(biāo)志著蒸發(fā)冷卻技術(shù)在電機領(lǐng)域的應(yīng)用上了一個新臺階,為向更大容量電機發(fā)展奠定了堅實基礎(chǔ)。
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