混流式水轮发电机(大型水轮发电机冷却方式的经济性比较)

对于大型水轮发电机来说，冷却方式的选择对对发电机的长期安全可靠运行和电机的使用寿命有着重要的影响。目前，国内外大容量机组常用的冷却方式有三种：全空气冷却(全空气冷却)、水冷发电机和蒸发冷却。

1.大型水轮发电机冷却方式介绍我国投入运行的大型水轮发电机主要有三种冷却方式，即全空冷发电机、水冷发电机和蒸发冷却发电机。

水中冷却意味着定子绕组在水中冷却，定子铁核心和转子在空气中冷却。绕组水内冷具有承载能力大、温升低、绝缘寿命长、机组热应力小的优点。绕组水内冷系统包括一套纯水处理设备和冷却水路，同等容量机组的设计和制造尺寸可以大大减小。定子绕组发电机水冷技术已在国际上成功运行，并在三峡水电站700MW机组上安全稳定运行了10多年。然而，定子绕组的水冷模式受到定子结构热变形和机组振动的影响。对定子线酒吧内的冷却水管、水接头和水处理设备的可靠性很高。如果定子绕组的冷却水泄漏，将危及发电机的绝缘，给发电机的安全运行带来风险。全空气冷却意味着定子铁铁芯、定子绕组， 汇流铜环， 转子绕组和转子铁芯都是空气冷却的。大型水力发电的全空气冷却方式大多是无风机、双路径向密封和端部回风自循环空气冷却系统。空气由转子的风扇驱动产生动力循环，动力循环由设置在定子框架外侧周围的空气冷却器冷却，然后由电站的技术供水系统冷却以带走热量。这种通风降温方式损失小，风量分布均匀，上下路径均为对；维护方便。

蒸发冷却是指定子绕组蒸发冷却模式，定子铁芯和转子是空气冷却模式。蒸发冷却技术是用绝缘性能好、沸点合适的液体代替水作为冷却介质，充入电机定子线棒的空心导体中，利用液体沸腾吸收潜热来冷却发电机。冷却液的沸点一般在60左右，蒸汽可以在常温下通过二次冷却水从冷凝器中排出，无需压缩。流体吸热沸腾后密度发生变化，通过吸热和流体密度的变化形成自循环动力。在没有外部动力的情况下，流体介质可以在全密封冷却系统中循环，从而实现发电机的自冷却目标。2.不同冷却方式的经济比较

由于三种冷却方式各有特点，发电机的采购成本和后期运行维护成本也不同。通过比较对三种不同的水轮发电机冷却方式，对对的经济性进行了评价。2.1冷却系统结构、安装和维护的比较

冷却系统结构是指不同冷却方式为达到冷却目的而采用的冷却循环系统的组合结构。(1)全空气冷却模式

空冷是水轮发电机最简单的方式，比水冷更容易设计和制造，电气参数也很容易满足要求。然而，随着单机容量的增加，单位体积的损耗增加，这使得散热变得困难。理论上，风冷机组的容量是有限的。采用水冷，绕组的热量直接被水带走。水的体积热容量是空气的3500倍，导热系数是空气的23倍，所以水冷的效果不言而喻。显然，水冷式发电机有效部分的发热不是限制容量的主要因素，其限制容量主要由电气参数决定，如短路比、直轴瞬时电抗和极限、ht

由于水电站的自然条件和工作条件不同，水轮发电机的容量和转速相差很大，水轮发电机的额定容量是通过考虑水电站的有效利用、机组制造的可能性和经济性、机组实际运行的可行性以及电站的维护和布置来确定的。主要参数的选择非常重要。发电机的参数与发电机的整体结构密不可分，冷却模式的选择限制了参数水平(见表1)。(2)水内冷模式

转子和定子铁采用空气冷却，其结构与全空气冷却基本相同。水冷式定子线棒通常为一股中空四股实心的结构，出口端由水和电连接器引出，水和电连接器与上下纯水回路相连。汇流铜环采用水冷空心圆导体。经线棒加热后的循环纯水通过出水回路引入发电机坑外的纯水处理装置，与冷却器进行热交换。热量被冷却器的冷却循环水带走，冷却后的纯水由泵加压至0.8 ~ 0.9兆帕，然后进入发电机坑内的水循环水管，形成一个封闭的循环系统。除了空冷监测项目外，还需要监测对纯水系统中纯水的进出口压差和温度、纯水的流量，电导率、流量和流量，纯水系统中冷却器冷却水的进出口温度等。(3)蒸发冷却法转子，定子铁、汇流环，采用空气冷却，其结构与全空气冷却基本相同。蒸发冷却定子线棒通常采用四股实心空心线，出口端分别由蒸发介质和电连接器引出。加热后蒸发介质进入进入，的集汽管，然后进入进入的冷凝器进行换热，热量被冷却循环水带走，冷却后的蒸发介质变成液体进入，进入下部集液管，然后进入定子线棒形成闭环系统。一般情况下，冷凝器沿圆周布置在发电机上盖板下方的混凝土牛腿环形平台上。发电机坑内增加了定子线棒下集液体回路、定子线棒上集蒸汽回路、凝汽器排气均压回路、凝汽器二次冷却水供排水回路，此外还有垂直布置的回液管，每根母线的上下端部均设有电气接头和介质密封接头。为了减少坑内管道布置的拥挤，可在发电机坑外的机罩壁上布置凝汽器冷却水的循环管。除了空冷监测项目外，还需要增加机组启动、运行和停止工况下对蒸发冷却系统静态液位的监测；排气管、冷凝器进出口管、冷却水总管等部件的压力监测；冷凝器进出口水温、集液管和集汽管介质温度；凝汽器冷却水量和漏水量的监测；氧气含量监测应设置在发电机罩的适当高度。

全空气冷却方式的冷却系统结构简单，运行中监测项目少，安装工作量比对，少，比内冷方式直线工期短15天以上，操作维护简单。目前，内部冷却模式基本上是由空气冷却和内部冷却共享的内部冷却模式。半水冷却需要增加一个纯水循环冷却系统，蒸发冷却需要增加一个蒸发冷却系统。