巨型水輪發電機或將回歸“全空冷”時代
http://www.zouyunfu.com從目前運行實踐表明，700兆瓦全空冷巨型水輪發電機實現了總風量適宜、風量分配合理、風速均勻、冷卻效果良好的總體目標，并且機組運行穩定，振動、擺度及溫升等性能指標達到優良標準，標志著空冷技術的重大突破。龍灘和三峽700兆瓦全空冷機組的運行，打破了目前在500兆瓦級以上的大型水輪發電機中多采用半水冷的格局。
單機容量大、結構尺寸大、推力負荷大
在2010年1月份的國家科技獎勵大會上，由哈爾濱電機廠有限責任公司完成的“巨型全空冷水輪發電機組關鍵技術突破及工程應用”獲得了國家科學技術進步獎二等獎。
時間再往前推兩年多，2007年9月，中國電器工業協會、中國電機工程學會和中國電工技術學會組織國內發電行業的眾多資深專家匯聚北京，就剛剛研制成功的上單機容量大的700兆瓦全空冷巨型水輪發電機成功并網發電進行研討和交流。
會上，國內發電行業的專家們經過對大量數據的分析，專家們一致認為上單機容量大、結構尺寸大、推力負荷大的700兆瓦級巨型全空冷水輪發電機的制造技術達到了水平，這無疑開創了上單機容量大的全空冷水輪發電機組運行的新時代。
新聞背景
“半水冷”回歸到“空冷”
水力資源屬清潔的可再生能源，是發電設備的資源。隨著經濟的發展與能源需求的增加，建設大型水力發電廠仍是一個時期內的主要方向。大型凸極水輪發電機作為水力發電的主要設備，也經歷了長期不斷的技術進步和發展。
目前，中國55—75萬千瓦水輪發電機機組有100多臺，70萬千瓦以上容量的機組60多臺，從2005年到2020年,每年新增水電裝機達1000萬千瓦以上，是以往5倍的規模。
對大容量水輪發電機，冷卻技術是設計中的關鍵問題。大型水輪發電機的冷卻方式主要有全空冷、半水冷和蒸發冷卻3種。
空氣冷卻方式在電機內部只采用空氣作為冷卻介質，通過空氣的流通實現電機整體的降溫冷卻。此時，所需要的輔助設備為空水冷卻器。半水冷冷卻方式定子線棒要采用部分內部通水的空心股線導體，借助于水的流動帶走定子的一部分損耗。輔助設備除常規的空水冷卻器外，尚需要一套復雜的水處理及循環系統，以降低冷卻水的導電性并驅動水的運動。蒸發冷卻方式采用類似于水冷的定子線棒建立一套冷卻介質的蒸發冷卻系統以帶走定子的部分熱量。蒸發冷卻系統的介質不導電，同時無需借助泵類設備驅動介質的循環。
其中，全空冷方式采用不需要任何成本投入的空氣作為介質，同時具有結構簡單、安裝簡便、維護方便、可靠性高、事故率低、啟停機方便快速等特點。但該種冷卻方式一直只能在單機容量400兆瓦以下的水輪發電機中使用，而對于600兆瓦以上的大型水輪發電機，國際上普遍認為使用全空冷存在很多技術障礙。隨著發電機的容量越做越大，電機界逐漸用半水冷的冷卻方式替代了空氣冷卻。
但隨著時間的推移，采用半水冷的水輪發電機又暴露出很多的弊病，如接頭漏水容易將電機燒毀等。
通過對多家采用水冷卻的電站進行跟蹤，哈電的研究人員認為半水冷的冷卻方式不是好的。于是哈電的專家們開始考慮，如何將結構簡單、便于維護的空氣冷卻系統應用到大容量的機組上。
從上個世紀70年代劉家峽的建設，到巖灘機組的投運，哈電對300兆瓦以內的全空冷機組進行了比較深入細致的研究。但那時哈電在通風冷卻系統的設計方面還沿襲了前蘇聯的模式，認為風量越大越好，在很小的機組中也加有很多的風扇，用以降溫。但機組制造出來后，存在著通風損耗大、效率低、風量不均勻等缺點。上個世紀70年代后期，該公司與先進的電機制造公司進行合作和交流時發現，他們在設計全空冷機組時，不是片面地追求大風量，而是追求合理適宜的總風量，并且風量分配和風速都要均勻。這時，哈電人對空冷水輪發電機的設計理念漸漸改變了。
創新點
提出全新設計思想
全空冷巨型水輪發電機主要技術難點是空氣對電機的冷卻效果和冷卻均勻性，如何避免不均勻冷卻導致的結構部件熱脹變形，以及由于冷卻效果差引發的溫升標，這是性的難題。為了解決這一難題，必須對全空冷電機的電磁計算、結構、通風冷卻系統及緣系統等進行整體協調設計和優化創新。
在三峽、龍灘工程中，哈電首先打破過去空冷按“每極容量”設計的技術界限，提出了全新設計思想：無論是水冷、空冷，根本的是要控制機組溫度。
研究人員認為， “每極容量”不能地反映電機內部熱交換的機理，其概念相對模糊，在設計時，應更注重對電機的電壓、定子繞組支路數與槽電流的匹配及熱流密度分析計算和溫升控制。
三峽右岸全空冷水輪發電機采用了密閉自循環徑向雙路端部回風的無風扇通風系統，這種通風系統沒有風扇。沒有風扇的通風系統冷卻效果更好，定子線棒全部測點的高溫度與低溫度之差約為6℃，同
一高程測點的溫差不大于4℃，同一根線棒軸向溫差不大于3℃，而鐵心高溫度與低溫度之差不大于2℃，溫度分布非常均勻。這些指標不亞于半水冷卻技術。
通過多年的自主研發和技術引進，哈電還形成了一套自己的通風設計及計算方法，對長鐵心大容量水輪發電機極間流場、鐵心表面散熱系數等進行模擬試驗，采用先進的計算軟件對電機的軸、徑向三維溫度場進行分析和計算。
為了掌握手技術數據，哈電還設計制造了三峽水輪發電機真機通風模型，并進行了模擬試驗，根據模型試驗結果對真機的通風結構進行了完善和優化。
過程
“全空冷”與“半水冷”的博弈
在三峽和龍灘的電站建設中，應用空氣冷卻系統并不是一帆風順的。
三峽的左岸為國際招標，冷卻方式采用半水冷。通過與國外某公司的合作，哈電順利完成了三峽左岸機組的制造，但是制造大容量等級的水輪發電機組的腳步卻從未停下。
龍灘700兆瓦機組在國內招標，在選擇冷卻方式時，一部分專家支持全空冷，一部分支持采用半水冷。哈電詳實的論證方案終得到認可。另外，龍灘是地下廠房，采用全空冷機組可以減少地下廠房的挖掘，而且從立足于國內制造的角度來說，采用全空冷方式較為安全可靠，因此選擇了全空冷方式。
為了更好地驗證全空冷機組的可行性，哈電做了1臺和真機比例為1∶5的通風模型，進行模擬試驗。模型的運轉證明了哈電的實力，國外的專家非常認可其通風冷卻模型，認為該技術已經達到了先進水平。
在三峽右岸12臺機組投標過程中，專家們進行了很多論證工作，在冷卻方式上依然有分歧，一部分專家認可水冷卻，一部分專家贊成空氣冷卻。終，三峽總公司選定哈電在三峽右岸4臺840兆伏安發電機上采用全空冷冷卻方式，而東電公司承制的4臺水輪發電機和ALSTOM公司承制的4臺水輪發電機依然采用半水冷的冷卻方式。
■ 延伸閱讀
小硬幣檢驗大機組
一個經典試驗能說明機組卓越的性能。長江三峽工程開發總公司副總經理楊清曾將一個硬幣立在發電機的蓋板上，機組滿負荷運行時，硬幣能夠站住，不但如此，機組甩負荷的時候，轉速上升，硬幣仍然能站住，這說明機組的穩定性很好，機組在滿負荷運行時振動非常小。三峽機組是上容量、尺寸大的水輪發電機組，整個機組的重量達到5500噸，上下高度過50米，相當于一座10多層樓的高度。如此巨大的設備不停運轉，而上面硬幣居然能夠站立，著實讓人嘆服。
能夠做到這一點，主要得益于轉輪的水力穩定性和制造精度。在三峽工程以前，我國十幾個大電站引進的國外水輪發電機組，大部分在運行時水輪機轉輪出現振動，嚴重的導致轉輪產生裂紋甚至被迫停機，給電站帶來巨大損失。哈機副總工陶星明說，三峽左岸引進的國外轉輪在運行范圍內存在振動帶，不能滿足合同的要求。哈電機通過設計理論創新和多輪優化設計與試驗，開發出了具有自主知識產權的“混流式L型葉片轉輪”，完全消除了運行范圍內存在振動帶的問題，成為三峽工程中穩定性好的機組。
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