風(fēng)冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其在汽輪發(fā)電機(jī)上的應(yīng)用研究

陳斌

摘要：本文主要針對(duì)汽輪發(fā)電機(jī)的風(fēng)冷系統(tǒng)進(jìn)行研究和分析，本文主要針對(duì)汽輪發(fā)電機(jī)的風(fēng)冷系統(tǒng)進(jìn)行研究，在分析風(fēng)冷主要方式的基礎(chǔ)上，提出風(fēng)冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方式，并指出其在汽輪發(fā)電機(jī)上的具體應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：汽輪發(fā)電機(jī);風(fēng)冷系統(tǒng);結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

汽輪發(fā)電機(jī)的溫升關(guān)系直接決定著汽輪發(fā)電機(jī)的運(yùn)行質(zhì)量，影響運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性。升溫關(guān)系不合理不僅可能影響汽輪發(fā)電機(jī)的正常運(yùn)行和工作，還可能會(huì)影響內(nèi)部絕緣材料的使用壽命。因此在汽輪發(fā)電機(jī)的運(yùn)行過(guò)程中，必須關(guān)注溫升關(guān)系以及發(fā)熱和冷卻問(wèn)題，為解決這些問(wèn)題應(yīng)該著力從兩個(gè)角度入手：第一個(gè)從絕緣材料角度入手，盡可能選擇耐溫較高的絕緣材料;第二個(gè)是合理選擇優(yōu)化冷卻方式，以此提升汽輪發(fā)電機(jī)的冷卻效率和質(zhì)量。

1.風(fēng)冷汽輪發(fā)電機(jī)組的工作原理

汽輪發(fā)電機(jī)內(nèi)部的轉(zhuǎn)子繞組、鐵心以及定子均可能存在溫升的問(wèn)題，一般依靠?jī)?nèi)部空氣冷卻來(lái)解決溫升問(wèn)題。然而這些空氣會(huì)和外界隔絕，在密閉空間內(nèi)進(jìn)行循環(huán)。汽輪發(fā)電機(jī)端蓋上部一般預(yù)設(shè)帶有濾網(wǎng)的呼吸器，空氣進(jìn)行進(jìn)出，以此平衡汽輪發(fā)電機(jī)內(nèi)部和外部的空氣壓力。因此，汽輪發(fā)電機(jī)及其周圍環(huán)境、空氣必須具備良好流動(dòng)性，以保障較好的換熱能力。汽輪發(fā)電機(jī)內(nèi)部主要依靠旋槳式風(fēng)扇進(jìn)行冷空氣輸送和傳遞，保障空氣流動(dòng)性。冷空氣進(jìn)入汽輪發(fā)電機(jī)后能夠分為兩路，一路進(jìn)入氣隙，在鐵心徑向流動(dòng)以冷卻鐵心，另一路進(jìn)行線圈端部進(jìn)行冷卻。最終完成了冷卻任務(wù)之后的冷空氣會(huì)在機(jī)座下方的出風(fēng)口處進(jìn)行匯集，變熱的空氣熱量既能夠冷卻水循環(huán)處理之后進(jìn)行降溫，帶走熱量，以此循環(huán)，實(shí)現(xiàn)冷卻功能。

2 汽輪機(jī)冷卻裝置的分類

2.1 蒸汽冷卻方法

蒸汽冷卻方法主要是依靠低溫低壓蒸汽，其來(lái)源于汽輪機(jī)鍋爐啟動(dòng)來(lái)汽等，如果汽輪發(fā)電機(jī)中蒸汽過(guò)熱度超過(guò)50℃就能夠進(jìn)行蒸汽冷卻，在研究和實(shí)際實(shí)踐中還發(fā)現(xiàn)蒸汽冷卻還可以依靠鍋爐余熱實(shí)現(xiàn)。但蒸汽輪卻方式在實(shí)際汽輪發(fā)電機(jī)鍋爐冷卻中存在很大問(wèn)題，尤其是壓力控制難度較大，蒸汽溫度存在波動(dòng)，極易引發(fā)氣缸上下溫差超標(biāo)問(wèn)題，可能影響汽輪機(jī)安全運(yùn)行。雖然蒸汽輪卻方式對(duì)提升設(shè)備檢修率有極大優(yōu)勢(shì)，但用電率增強(qiáng)切操作難度較大也限制了應(yīng)用。

2.2 抽真空冷卻方法

抽真空冷卻主要應(yīng)用于比較特殊的環(huán)境，在汽輪發(fā)電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，抽氣器、過(guò)熱器以及鍋爐防腐閥門能夠吸入低溫空氣，經(jīng)高壓缸以及中壓缸之后低溫空氣能夠進(jìn)入凝汽器，以順流冷卻的方式實(shí)現(xiàn)汽輪發(fā)電機(jī)的快速冷卻。實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)該方法存在一定應(yīng)用局限性，其可能會(huì)嚴(yán)重?fù)p耗汽輪參數(shù)較低的汽輪發(fā)電機(jī)使用壽命。

2.3 壓縮空氣冷卻方法

壓縮空氣冷卻方法的應(yīng)用實(shí)際主要依靠空氣流量實(shí)現(xiàn)汽輪發(fā)電機(jī)的快速冷卻，因此影響其冷卻速度的主要因素是熱應(yīng)力水平。壓縮空氣冷卻方法主要包括逆流和順流兩種介質(zhì)流向;順流冷卻的冷卻速度可控性較好，但是熱沖擊危險(xiǎn)比較大;雖然逆流冷卻方式的冷卻均勻性稍微遜色于順流冷卻。但是其熱沖擊風(fēng)險(xiǎn)要更小，冷卻效果較好。

對(duì)比三種快速冷卻方式能夠發(fā)現(xiàn)，壓縮空氣冷卻方式相較具備很好的效果和更好的應(yīng)用價(jià)值，尤其是在安全系數(shù)方式具有優(yōu)越性。

3.新型汽輪發(fā)電機(jī)風(fēng)冷系統(tǒng)裝置設(shè)計(jì)分析

3.1 總體結(jié)構(gòu)

本文提出的汽輪發(fā)電機(jī)風(fēng)冷系統(tǒng)裝置，包括空氣過(guò)濾設(shè)備、通風(fēng)管道、控制系統(tǒng)、出口噴管裝置等組成。所達(dá)到的目的是，改變了發(fā)電機(jī)冷卻效果差，能有效提高發(fā)電機(jī)換熱性能，改善發(fā)電廠重要設(shè)備的運(yùn)行條件。構(gòu)造簡(jiǎn)潔，操作使用方便，適用范圍廣。

3.2 新型汽輪發(fā)電機(jī)風(fēng)冷系統(tǒng)裝置具體設(shè)計(jì)

為有效提升汽輪發(fā)電機(jī)風(fēng)冷系統(tǒng)裝置的冷卻效果，具體設(shè)計(jì)如下：

（1）將發(fā)電機(jī)定子轉(zhuǎn)子出來(lái)的部分熱空氣通過(guò)風(fēng)道引出至機(jī)房外。風(fēng)道根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況進(jìn)行配置支吊架，出口配不銹鋼網(wǎng)。

（2）進(jìn)出風(fēng)道規(guī)格900*900mm，材質(zhì)為Q235，厚度為5mm。

（3）按總風(fēng)量的33%，風(fēng)機(jī)選型：SWF系列混流式（斜流式）風(fēng)機(jī)，流量23044m3/h，風(fēng)機(jī)全壓832pa，電機(jī)功率7.5KW，電機(jī)是防爆型電機(jī)。選型如下表：

（4）加裝一路冷風(fēng)管，通過(guò)空氣過(guò)濾裝置過(guò)濾后，由管道風(fēng)機(jī)鼓入發(fā)電機(jī)出風(fēng)區(qū)域底部（在空冷器上方）。如下表：

（5）布置進(jìn)風(fēng)系統(tǒng)，原則是盡量布風(fēng)均勻，一共6組空冷器上均分布有出風(fēng)口。

（6）改造布置圖如下：

改造后的初級(jí)空氣過(guò)濾器入口主要呈水平方向，并且采用防爆型鼓風(fēng)機(jī)，其最終的流量23044 m/h，布置在機(jī)房?jī)?nèi)，風(fēng)機(jī)后設(shè)置膨脹節(jié)及防護(hù)網(wǎng)，風(fēng)機(jī)及風(fēng)管（900*900mm）底下做鋼結(jié)構(gòu)，設(shè)置有操作平臺(tái)。采用熱排風(fēng)管（900*900mm）將熱風(fēng)引至機(jī)房外墻外。

（7）為保證空氣的清潔度和干燥度，風(fēng)機(jī)前設(shè)置初級(jí)過(guò)濾（30目不銹鋼濾網(wǎng)，能過(guò)濾較粗顆?；蛎扌?，且便于清洗，降低使用成本）。風(fēng)機(jī)后設(shè)置中級(jí)過(guò)濾器（能滿足過(guò)濾要求和風(fēng)量的配套性）。根據(jù)風(fēng)道規(guī)格的匹配性和風(fēng)量選型，必須滿足總風(fēng)量23044m3/h要求，故將過(guò)濾器外殼尺寸設(shè)計(jì)為：1000*1500mm。以便裝下兩個(gè)足夠面積的中級(jí)濾器（濾網(wǎng)外尺寸為500*1500mm，額定風(fēng)量為13500m3/h，兩個(gè)濾網(wǎng)總風(fēng)量大于設(shè)計(jì)要求）。

采用HWN可洗式尼龍過(guò)濾網(wǎng)，其具備如下特點(diǎn)：

（1）進(jìn)口聚酰氨單絲纖維編織游料，耐磨強(qiáng)度高，使用壽命長(zhǎng)，綜合使用效果好

（2）聚塵率高，初阻力低，防塵性能強(qiáng)，可反復(fù)清洗使用

（3）超薄形鋁合金型材框，可制成帶拉手互連成組型，更換簡(jiǎn)便安全

本文設(shè)計(jì)中常用規(guī)格如表2所示：

3.2 新型汽輪發(fā)電機(jī)風(fēng)冷系統(tǒng)裝置具體應(yīng)用

汽輪發(fā)電機(jī)運(yùn)行中由于鐵損和銅損的存在，會(huì)導(dǎo)致線圈和鐵芯在運(yùn)行中出現(xiàn)溫度逐漸升高的情況。為有效解決溫升問(wèn)題、提高汽輪發(fā)電機(jī)的發(fā)電效率，必須進(jìn)行冷卻處理，降低線圈老化速度、控制線圈溫度，延長(zhǎng)壽命。通過(guò)科學(xué)的快速冷卻方式及時(shí)、有效地帶走鐵芯和線圈熱量，維持線圈絕緣溫度在可控合理范圍內(nèi)。

就目前汽輪發(fā)電機(jī)中的小機(jī)組設(shè)備而言，主要采用空冷系統(tǒng)。汽輪發(fā)電機(jī)運(yùn)行和轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，兩端的葉片會(huì)旋轉(zhuǎn)并產(chǎn)生動(dòng)能，在動(dòng)能能帶動(dòng)下葉片兩端的冷空氣會(huì)帶動(dòng)進(jìn)入汽輪發(fā)電機(jī)內(nèi)部進(jìn)行流動(dòng)，將汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子和定子產(chǎn)生的熱量帶走，進(jìn)入密閉的空冷器內(nèi)部執(zhí)行熱交換，同時(shí)熱空氣中的熱量會(huì)通過(guò)水循環(huán)帶走。

4 汽輪機(jī)風(fēng)冷系統(tǒng)的應(yīng)用及運(yùn)維策略

4.1 加強(qiáng)人員培訓(xùn)，降低誤動(dòng)發(fā)生幾率

為保證汽輪風(fēng)冷系統(tǒng)在汽輪發(fā)電機(jī)中的科學(xué)有效應(yīng)用，必須和實(shí)際配備的汽輪發(fā)電機(jī)相匹配，這也要求相關(guān)工作人員具有較高專業(yè)素養(yǎng)。加強(qiáng)對(duì)相關(guān)工作人員的培訓(xùn)，不僅涵蓋基礎(chǔ)理論還應(yīng)該包括實(shí)踐操作，讓工作人員能夠高質(zhì)量的執(zhí)行汽輪機(jī)風(fēng)冷系統(tǒng)的操作和運(yùn)維工作。汽輪機(jī)風(fēng)冷系統(tǒng)一般結(jié)構(gòu)復(fù)雜、操作也相對(duì)復(fù)雜，如果操作失誤可能影響其冷卻甚至引發(fā)事故。對(duì)相關(guān)工作人員科學(xué)培訓(xùn)，保證其能夠按照規(guī)程及標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行裝置操作，有效降低冷卻操作誤動(dòng)，確保汽輪發(fā)電機(jī)溫度運(yùn)行。

4.2 清洗風(fēng)冷系統(tǒng)進(jìn)口濾網(wǎng)

汽輪發(fā)電機(jī)風(fēng)冷系統(tǒng)的應(yīng)用和運(yùn)維中，應(yīng)該尤為加強(qiáng)進(jìn)口濾網(wǎng)清洗工作，避免外部雜質(zhì)進(jìn)入影響冷卻效果，也避免了外部雜質(zhì)可能對(duì)設(shè)備造成的損傷，以此保障汽輪風(fēng)冷系統(tǒng)應(yīng)用效果和運(yùn)行安全性。

4.3 合理分配高、中壓缸進(jìn)氣量

汽輪機(jī)組風(fēng)冷系統(tǒng)應(yīng)用過(guò)程中發(fā)現(xiàn)壓力缸缸體結(jié)構(gòu)和運(yùn)行參數(shù)會(huì)對(duì)冷卻效果產(chǎn)生影響，尤其是中壓缸和高壓缸直接存在明顯差異。一般高壓缸的冷卻速度要略低于中壓缸的冷卻速度，因此在實(shí)際冷卻系統(tǒng)應(yīng)用中必須根據(jù)壓力缸壓力的差異進(jìn)行進(jìn)氣量的有效調(diào)節(jié)，結(jié)合實(shí)際經(jīng)驗(yàn)和運(yùn)行情況進(jìn)行優(yōu)化和調(diào)節(jié)，確保在最短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)汽輪發(fā)電機(jī)的冷卻，滿足電廠對(duì)汽輪電機(jī)冷卻溫度的要求。

4.4 依據(jù)實(shí)際情況控制進(jìn)氣溫度

風(fēng)冷系統(tǒng)在汽輪發(fā)電機(jī)中的應(yīng)用還必須要對(duì)進(jìn)氣溫度進(jìn)行控制，以保障最佳的冷卻效果。針對(duì)不同的汽輪發(fā)電機(jī)和設(shè)備還具有差異，這就需要工作人員進(jìn)行實(shí)際情況的調(diào)查和監(jiān)測(cè)，若發(fā)現(xiàn)冷卻效果不佳或存在問(wèn)題，需要結(jié)合換熱系數(shù)以及溫降情況進(jìn)行進(jìn)氣溫度的調(diào)整，保障相關(guān)系數(shù)能夠在標(biāo)準(zhǔn)要求范圍內(nèi)，有效規(guī)避熱應(yīng)力過(guò)大可能對(duì)汽輪機(jī)使用性能產(chǎn)生的不良影響。

4.5 適當(dāng)改進(jìn)中壓缸進(jìn)氣位置和進(jìn)口濾網(wǎng)

為最大程度的發(fā)揮汽輪機(jī)風(fēng)冷系統(tǒng)的應(yīng)用效果，需要結(jié)合汽輪機(jī)溫升關(guān)系的實(shí)際情況對(duì)進(jìn)口濾網(wǎng)和進(jìn)氣位置進(jìn)行調(diào)整與改進(jìn)，保證冷卻效率最大化。比如中壓缸原有的冷卻系統(tǒng)一般比較繁瑣并且具有繁雜的操作步驟，誤動(dòng)極易引發(fā)壓縮空氣泄漏，進(jìn)而影響冷卻效率。針對(duì)這種情況對(duì)汽門輸水管道進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，能夠有效改善冷卻效果，同時(shí)保障風(fēng)冷系統(tǒng)安全性。原有部分進(jìn)口濾網(wǎng)冷卻效果因通流面積的影響而較差，甚至可能引發(fā)堵塞，根據(jù)這種情況將濾網(wǎng)優(yōu)化為雙筒濾網(wǎng)，增加通氣量以提升冷卻效率。

結(jié)論

社會(huì)發(fā)展和工業(yè)進(jìn)步進(jìn)一步提高了對(duì)電力的需求，汽輪機(jī)作為電力行業(yè)發(fā)展中的關(guān)鍵設(shè)備，其運(yùn)行水平直接關(guān)系到電力系統(tǒng)運(yùn)行質(zhì)量。而汽輪冷卻裝置應(yīng)用效果也直接決定了汽輪機(jī)運(yùn)行的安全性，也影響著汽輪機(jī)熱效率。在實(shí)際汽輪機(jī)風(fēng)冷系統(tǒng)中，因?yàn)樵O(shè)備自身因素以及環(huán)境因素等，冷卻效果可能較差，為此必須不斷加強(qiáng)冷卻系統(tǒng)優(yōu)化以提升冷卻效率。本文針對(duì)汽輪機(jī)快速冷卻方式進(jìn)行了探索，并指出了當(dāng)前風(fēng)冷系統(tǒng)中存在的問(wèn)題，提出了一種新型的汽輪風(fēng)冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，希望能夠?yàn)槠啓C(jī)快速冷卻提供新思路。

參考文獻(xiàn)

[1]楊先亮，牛帥，毛杭倩媛，時(shí)國(guó)華.基于光伏發(fā)電余熱的地源熱泵系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模擬分析[J].太陽(yáng)能學(xué)報(bào)，2021，42（10）：341-348.

[2]張洪濤，李連歡，馮曼.提高余能、余熱回收利用效率的研究與措施[J].天津冶金，2021（05）：67-69.

[3]范愛(ài)軍.基于船舶發(fā)電柴油機(jī)排煙余熱的船舶冷庫(kù)方案設(shè)計(jì)[J].內(nèi)燃機(jī)與配件，2021（19）：41-42.