摘要：主要從設計、制造、安裝、試驗等一系列重要環(huán)節進(jìn)行分析，論證了李家峽水電站大型水輪發(fā)電機組在保留原有空冷基礎，保持機組基本結構尺寸不變的情況下，初次在400MW水輪發(fā)電機組中進(jìn)行蒸發(fā)冷卻技術(shù)的可行性，并結合李家峽4＃機組近兩年的運行情況，對蒸發(fā)冷卻技術(shù)在水電站大型機組的設計與應用方面提出了一些設想。

　　關(guān)鍵詞：水電站 機組 蒸發(fā)冷卻 設計 應用

　　1、水輪發(fā)電機冷卻技術(shù)的發(fā)展

　　水輪發(fā)電機的冷卻方式有全空冷、定子水內冷、轉子空冷、以及定轉子水冷等方式。全空冷的水輪發(fā)電機具有結構和系統簡(jiǎn)單、運行維護簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)，向大型化發(fā)展時(shí)，電負荷大造成溫升高而影響絕緣壽命，限制了制造容量的提高�？諝饫鋮s的特點(diǎn)是定子繞組絕緣內導體的發(fā)熱量必須經(jīng)過(guò)絕緣外表向空氣散熱，或者再經(jīng)過(guò)鐵芯傳導后向空氣散熱的冷卻方式它必然導致導體溫升高。當機組立體性尺寸增大，繞組的高溫升還會(huì )引起定子鐵芯的熱變形，以及過(guò)大的熱應力。電機起停過(guò)程時(shí)的冷熱循環(huán)造成繞組伸縮而使絕緣疲勞脫殼，以及與定子槽的相對滑動(dòng)等，這已經(jīng)成為大型發(fā)電機的重要問(wèn)題而影響電機的可靠性。此外，轉子重量大，機械應力、以及軸承載負大等均增加了制造的難度。水內冷技術(shù)雖然突破了上述的限制，但又帶來(lái)了下列問(wèn)題，①水的泵循環(huán)及水的去離子凈化系統；②水的凈化不夠時(shí)的結垢以及氧化物的堵塞問(wèn)題；③水一旦泄漏會(huì )引發(fā)絕緣故障。蒸發(fā)冷卻技術(shù)正是為了繼承冷的優(yōu)點(diǎn)而克服它的缺點(diǎn)，不斷在穩步發(fā)展。在10MW和50MW水輪發(fā)電機工業(yè)機組研制成功和長(cháng)期可靠運行的基礎上，將李家峽4＃機組定子繞組由空冷改為蒸發(fā)冷卻，一方面可以改善原來(lái)機組的性能，另一方面可以通過(guò)實(shí)驗為更大型的機組取得研制與運行的經(jīng)驗。

　　2、4＃水輪發(fā)電機組蒸發(fā)冷卻的設計

　　2.1設計原則

　　李家峽4＃機組是在3臺空冷機組已經(jīng)投產(chǎn)，且本機組肘管部分安裝已經(jīng)完成的情況下才改用蒸發(fā)冷卻的。因為李家峽水電站為雙排機布置，改變冷卻形式對結構改變的工程量較大，所以在改用蒸發(fā)冷卻時(shí)要求4＃機的發(fā)電機總體結構布置、控制尺寸和定、轉子高程不變，且盡可能與已投運的三臺空冷機組保持一致。即采取優(yōu)化發(fā)電機定子槽數定子空燉實(shí)心導線(xiàn)的線(xiàn)規及空燉實(shí)比選擇，兼顧考慮蒸發(fā)冷卻系統正常工作和萬(wàn)一系統出現故障退出電機處在全空冷狀態(tài)運行下可能的最大出力、定子線(xiàn)棒截面電流密度的優(yōu)選，從結構設計、制造工藝、安裝維護等多方面對氣、電接頭的結構做深入的研究。

　　蒸發(fā)冷卻系統設計與研究是蒸發(fā)冷卻技術(shù)具體實(shí)施的結構化，它主要包括發(fā)電機電磁方案的優(yōu)化和定子線(xiàn)棒、密封接頭、氟塑料引管、集氣管、集液管、冷凝器、連接管、均壓管、排氣閥和排液閥等結構部件的優(yōu)化設計。蒸發(fā)冷卻系統的可靠性是蒸發(fā)冷卻發(fā)電機研制成功的關(guān)鍵。因此，在設計時(shí)盡可能考慮簡(jiǎn)便可靠的結構和優(yōu)化系統設計；盡可能減少可能的事故點(diǎn)；盡可能減少蒸發(fā)冷卻系統工地的現場(chǎng)焊接。

　　2.2發(fā)電機電磁方案的優(yōu)化

　　發(fā)電機電磁設計直接影響蒸發(fā)冷卻系統的實(shí)施，影響該系統的工藝性、制造難度等。發(fā)電機原設計每層576槽，分上、下兩層，由于槽數太多，線(xiàn)棒間空間太小，改為空心線(xiàn)棒后，無(wú)法滿(mǎn)足施工要求，因此，提出396槽（上、下兩層）方案，該方案是保持轉子基本不變；上、下機架完全與原空冷方案相同的定子蒸發(fā)冷卻方案。這樣，既保留了原發(fā)電機結構相同性，電站標高的一致性。又有效地減少了發(fā)電機定子槽數，使之完全能適應內冷發(fā)電機生產(chǎn)制造要求。

　　2.3定子繞組密封接頭的設計

　　對于蒸發(fā)冷卻系統，密封接頭是關(guān)鍵部件之一，李家峽采用空心導線(xiàn)抽出與密封接頭焊接的結構�？紤]密封的可靠性，密封接頭與氟塑料管的連接采用卡套結構，該卡套在制造前，進(jìn)行了嚴格的模擬泄漏試驗，以保證其密封性能良好。

　　2.4排氣管的布置

　　為使蒸發(fā)冷卻系統的安全運行，排氣管必須暢通可靠，選取兩個(gè)對稱(chēng)布置的排氣管，并在布置上使排氣管內高外低，以免冷卻介質(zhì)在管內冷凝堵塞排氣管。

　　2.5通風(fēng)系統的優(yōu)化

　　由于蒸發(fā)冷卻介質(zhì)帶走了定子繞組損耗，需要空冷帶走的損耗大副降低，經(jīng)分析計算，所需的風(fēng)量為137m³/s，又因高原空氣稀薄的因素，所需風(fēng)量為170m³/s，而原空冷風(fēng)量均為270m³/s，在保持原結構不變的情況下將風(fēng)量減少到適量的數量。

　　2.6冷卻介質(zhì)

　　蒸發(fā)冷卻系統的冷卻介質(zhì)為氟里昂R／113.它有良好的絕緣性能和防火滅弧性能，不含水時(shí)無(wú)腐蝕性，在大氣壓時(shí)的沸點(diǎn)為47.3℃，當電機冷卻系統運行在70℃以下時(shí)，壓力在0～0.02MPa表壓力，實(shí)際上一種無(wú)壓密封系統運行狀況，便于制造安裝且具有較高可靠性。

　　該電機共有792（原設計為1152根）根線(xiàn)棒，每根線(xiàn)棒一條氣支路，分為上、下兩個(gè)接口，下接口為進(jìn)液口，通過(guò)絕緣引管與集液管相連；上接口為出氣口，通過(guò)絕緣引管與集氣管相連。集氣管與集液管間通過(guò)冷凝器相連接，形成一個(gè)閉合的循環(huán)管路。定子線(xiàn)棒分為上、下兩層，集氣管與集液管也分為內外兩圈，分別與上下層線(xiàn)棒相連。    3蒸發(fā)冷卻機組的定子下線(xiàn)

　　3.1線(xiàn)棒下線(xiàn)前的準備工作

　　李家峽4＃機定子下線(xiàn)屬?lài)�家公關(guān)項目，安裝人員必需嚴格按照有關(guān)圖紙、規程、規范去完成。在蒸發(fā)冷卻發(fā)電機中，疊片工藝和空冷發(fā)電機是一樣的，在下線(xiàn)前，除對線(xiàn)棒要進(jìn)行表面檢查、測冷態(tài)時(shí)絕緣電阻值、交流耐壓試驗及起暈電壓試驗外，還要進(jìn)行氣密試驗，氣源為壓縮氮氣，壓力為1MPa，保壓時(shí)間為3min，不得泄露，從另一端放氣，以驗證單根線(xiàn)棒的流通性。

　　3.2下線(xiàn)工藝及耐壓試驗

　　下線(xiàn)工藝及耐壓試驗和普通線(xiàn)棒是一樣的。

　　3.3氣管路的安裝

　　裝上集氣管及下集液管、連聚四氟乙烯管，先用臨時(shí)支撐裝兩節1/12上層集氣管（外環(huán)）將一節集氣管出口臨時(shí)用法蘭封堵，另一節集氣管出口用帶有檢漏嘴的法蘭封堵。裝1/6下層集液管（外環(huán)）及回液口，用臨時(shí)支撐固定，并將兩頭臨時(shí)焊接封堵。裝以上兩節管時(shí)，在圓周方向上應錯開(kāi)9根線(xiàn)棒，以便于連上聚四氟乙烯管后通過(guò)對應的下層線(xiàn)棒成一個(gè)比較密閉的系統，從而減少封堵，便于檢漏。拆掉線(xiàn)棒接頭處的堵頭，將一端塑料管加熱至150℃左右，加熱時(shí)間為1min，使管子軟化后迅速套在接頭上。套上卡套，至此一根管子的組裝結束，采用壓縮空氣進(jìn)行檢漏，氣壓為0.4MPa，120min無(wú)泄漏（使用洗滌劑檢查，并用超聲波檢漏儀配合）。還充入氮氣和適量的SF6，壓力為0.3MPa，壓4h無(wú)泄漏（使用激光檢漏裝置定向巡回檢測和鹵素檢漏儀定點(diǎn)檢測）。如接頭泄漏，應重新安裝。這樣的方法安裝所有管路。用CO2氣體保護罩進(jìn)行不銹鋼焊接，整個(gè)蒸發(fā)冷卻系統安裝完后，系統氣密試驗，充入干燥氮氣和適量的SF6，壓力為0.25MPa，進(jìn)行最后一次巡檢，（使用激光檢漏裝置定向巡回檢測和鹵素檢漏儀定點(diǎn)檢測），確認無(wú)泄漏后，在起始壓力為0.25MPa下保壓72h表計壓降不得大于3％，完全達到要求。

　　3.4氟里昂灌注

　　打開(kāi)冷凝器放氣閥，用干凈的耐壓輸液管將定子下環(huán)管放液閥與氟里昂桶連接，打開(kāi)氟里昂瓶閥，調整減壓閥使進(jìn)入儲液筒的氮氣壓力為0.02～0.05MPa，此時(shí)，氟里昂氣體流入冷卻系統。監視液位，當灌至從下環(huán)管算起約4.4m時(shí)，關(guān)閉放液閥。

　　4蒸發(fā)冷卻機組的運行試驗

　　李家峽400MW蒸發(fā)冷卻水輪發(fā)電機組于1999年12月10日正式投入了商業(yè)運行。截止2000年11月底，4＃機已累計運行5643.2h，發(fā)電量132241.89萬(wàn)kW·h，最大輸出負荷為380MW（液位：2.32m，壓力：0.05MPa，定子線(xiàn)圈最高溫度：58℃），一般所帶負荷為100～330MW，所測繞組溫度在50～58℃范圍內，壓力變化范圍為0.02～0.06MPa，均符合設計值。

　　李家峽4＃機組在發(fā)電初期曾出現一次系統泄漏，在1999年12月23日運行人員發(fā)現液位明顯下降，邊運行邊判斷，正常停機后充氮氣檢查，發(fā)現系統上環(huán)管一個(gè)法蘭螺釘松動(dòng)導致漏氣，經(jīng)處理重新加液后，運行正常。從2000年1月3日以后，系統可靠、密封良好，狀態(tài)穩定溫升低，機組運行良好。

　　5結論

　�、僬舭l(fā)冷卻應用于大型水輪機組不僅在技術(shù)上是可行的，而且效果是顯著(zhù)的。

　�、谡舭l(fā)冷卻作為一種新技術(shù)用于大型發(fā)電機組還有許多課題值得研究和探索。