注冊名:

密碼:

個人注冊

企業注冊

商務申請

商務管理平臺

企業管理平臺

個人管理平臺

我的工控博客

中國工控網www.kiwev.com

首頁 | 新聞中心 | 工控論壇 | 經驗視點 | 工控商務 | 電氣手冊 | 工控博客 | 招聘求職 | 網上調查 | 企業中心 | 供求信息 | 資料中心 | 工控書店

所在位置:工控博客苑 -- 潘學禮 -- 大型發電機冷卻方式的發展及特點

中國工控網搜索:

潘學禮工控博客

潘先生

     學歷:中專
     職稱:工程師
     年齡:34歲
       新聞信息(19/32)
       工作圖片(0)
       技術論文(1/1)
       交流論壇(205/287)
       留言信箱(18)
       瀏覽人次:14174
發表人:偶爾路過 發表時間:2009-8-8 7:59:00

 

發表新論題

 本欄論題: 大型發電機冷卻方式的發展及特點   [4207]
    一、概述 大型發電機是電網的主要設備之一,是電能的直接生產者。大型電機的發展在整個國民經濟 的發展中占有重要地位。從電力生產,電網運行、管理的經濟性和供電質量來看,電網中主 力機組的單機容量應與電網總容量維持一定的比例,例如6~8%。單機容量越大,則單位容 量成本下降,材料消耗降低,其經濟性能就越好。電機容量的提高主要通過增大電機的線性 尺寸和增加電磁負荷兩種途徑實現。然而增大線性尺寸同時會增大損耗(因為電機的損耗是 與線性尺寸的三次方成正比),造成電機效率下降。而增加磁負荷,由于受到磁路飽和的限 制也很難實現。所以提高單機容量的主要措施就在于增加線負荷了。但增加線負荷就同時會 增加線棒銅損,線圈的溫度將增加,可能達到無法容許的程度。這時就必須采用強化冷卻技 術,以提高散熱強度,從而將電機各部分的溫升控制在允許范圍內,才能保證電機安全可靠 地運行。所以冷卻技術的進步是電機向大容量發展的保證。電機的冷卻方式分為氣冷和液冷 兩大類。氣冷的冷卻介質包括空氣和氫氣。液冷的介質有水、油及蒸發冷卻所使用的氟里 昂類介質及新型無污染化合物類氟碳介質。汽輪發電機所采用的冷卻方式較為豐富,包括空 冷、氫冷、水冷、油冷及蒸發冷。 二、汽輪發電機的冷卻方式 汽輪發電機的冷卻方式經歷了豐富的發展變化過程。從最早的空氣冷卻發展到氫氣冷卻 ,再到液體冷卻,繼而到目前研究的熱點—蒸發冷卻。每一種冷卻方式都各有其優缺點。 1空氣冷卻 20世紀30年代末期以前,汽輪發電機基本上處于單一的空氣冷卻階段?諝饫鋮s在結構上最 簡單, 費用最低廉,維護最方便,這些顯著的優點使得空氣冷卻首先得到了應用和發展。隨著電網 容量的增大,要求提高汽輪發電機的容量。為了提高容量,需要增加電磁負荷,導致電磁損 耗增大,從而引起電機發熱量的增加,要強化冷卻就必須加大通風量,這必然引起通風損耗 的增大,而通風損耗(含風摩耗)占總損耗的40%,這就使得電機的效率降低。另外,空氣 冷卻的定轉子繞組的溫升也較高,影響絕緣的壽命。 2氫氣冷卻 當電機的單機容量達到一定水平時,空冷技術在效率和溫升等方面逐漸暴露出不足,為了尋 求更加有效的冷卻方式,人們發展了氫冷技術。從20世紀30年代末,容量大于50MW的汽輪發 電機逐 步過渡到氫氣冷卻。氫氣的比重小,純氫的密度僅為空氣的1/14,導熱系數為空氣的7倍, 在同一溫度和流速下,放熱系數為空氣的14~15倍。由于密度小,因此,在相同氣壓下 ,氫氣冷卻的通風損耗、風摩耗均為空氣的1/10,而且通風噪聲亦可減小。氫冷電機的效率 提高了,而且溫升明顯下降。由于電機內氫氣必須維持規定純度,為此必須額外設置一套供 氫裝置,給設計和安裝帶來了困難。另外,密封防爆問題始終是氫氣冷卻電機安全運行的一 個隱患。 3液冷 早在1917年,匈牙利岡次茨工廠就曾用變壓器油作牽引電機的冷卻介質。30年代后,又曾從 事水外冷的研究,但長期以來沒有取得重大進展。 1956年,英國開始采用凈化水冷卻電機定子繞組。目前定子繞組采用水冷已相當普遍。液體 的比熱,導熱系數比氣體大,所以液冷的散熱能力較氣冷大為提高。水是很 好的冷卻介質,它具有很大的比熱和導熱系數,價廉無毒,不助燃,無爆炸危險。通水冷卻 的部件冷卻效果極為顯著,允許承受的電磁負荷比空冷、氫冷高,提高了材料的利用率。 但是,由于水垢的產生及空心銅線被水中的氧離子氧化產生的氧化銅和氧化亞銅等沉積造成 水路堵塞,繼而產生繞組局部過熱而燒毀。同時,水接頭及各個密封點處由于承受水壓漏水 的問題將造成短路和漏電危險。近些年,各地的水內冷機組都發生了一種新的漏水現象,被 稱為水力鉆孔。這是由于水中的微小顆粒在空心導線的轉彎或粗糙點慢慢沉積下來,由于受 到水流的沖擊而以顆粒與空心線的接觸處為支點旋轉起來,日積月累就會將這一點鉆穿。這 種現象造成繞組漏水漏電,燒毀絕緣的危險。因此,水冷電機的堵和漏成為困擾水冷電機發 展的致命弱點。 全液冷電機的研制同樣受到了各國的重視。全液冷主要以油冷為主。這種電機的定子浸在油 中,絕緣大為簡化。電機槽滿率高,材料消耗少,效率高于同容量的其他冷卻方式的電機。 但維護不方便,要考慮防火防爆問題,結構較復雜。 4蒸發冷卻 近年來,美、日、英、俄、加等國相繼開展了將相變原理應用于大型發電設備中的研究,并 取得了一定的成果,但至今沒有成熟產品生產。我國從解放初期就開始研究蒸發冷卻,中國 科學院電工所從1958年開始研究電機的蒸發冷卻技術,目前在研制的各個方面均處于世界領 先水平,并且已有數臺機組投入運行,運行情況良好。蒸發冷卻是利用冷卻介質液體汽化吸 熱的原理來冷卻電機的。蒸發冷卻從原理上說是一種高效的冷卻方式,汽化熱大,所需流量 小 ,繞組各部分之間溫差小,因此成為目前冷卻技術研究的新方向。蒸發冷卻的研究經歷了從 低溫蒸發冷卻到常溫蒸發冷卻再到常溫自循環蒸發冷卻的過程。低溫蒸發冷卻技術使用沸點 較低的介質,汽化后的飽和蒸汽溫度低于二次冷卻介質溫度,必須經過壓縮,使其飽和蒸汽 溫度高于二次冷卻介質溫度,才能進行熱交換,冷凝為液體。在電機的允許溫升范圍內,冷 卻介質沸點太低沒有必要。而且,溫度低也容易造成熱量逆流,外部熱量往電機內部傳遞。 因此考慮用常溫蒸發冷卻技術,去掉壓縮機,用泵來替換,提供壓頭克服各種阻力損失。以 上兩種均屬于強迫循環方式。后來的研究發現,利用電機結構的特點(例如:立式水輪發電 機的定子繞組),以及液體汽化后密度發生變化而引起壓差變化,可以形成自然循環。蒸發 冷卻方式應用于汽輪發電機的顯著優勢是介質具有極強的電絕緣性,與其他冷卻方式配合時 能夠揚長避短,特別是采用浸泡式蒸發冷卻后加強了端部的冷卻效果,改善了電暈和電磁屏 蔽問題,使電機運行安全可靠,因此是一種極具發展前途的冷卻方式。 三、水輪發電機的冷卻方式 水輪發電機的冷卻方式不象汽輪發電機那么繁多,主要有空冷、水冷和蒸發冷。雖然冷卻方 式對水輪發電機的技術經濟性能具有密切的關系,但還不能算是限制容量的決定因素。另外 ,當電力系統發生故障,水輪發電機突然和電網解列(即甩負荷)時,由于水輪機導水機構 關閉需要一定的時間,在這段時間內,機組的轉速將升高。為了防止轉速上升過多而飛逸, 所以要求設計水輪機的轉動慣量GD2要足夠大。它直接影響到發電機 在甩負荷時的速度上升率和系統負荷突變時發電機的 運行穩定性。因此強化冷卻減小尺寸的要求由于GD2的限制而顯得并不迫切。另一方面,G D2越大,則機組轉速變化率越小,電力系統運行穩定性越高;但是GD2過大,使發電機 重量增加,一方面導致成本提高,一方面將加大推力軸承的負荷。推力軸承要承受立式水輪 發電機的全部軸向負荷,所以要具有較高的剛度和強度。根據水輪發電機運行的故障統計我 們知道,有50%的故障源于推力軸承的缺陷。如果水輪發電機的轉子尺寸過大,重量也相應 較大,那么推力軸承的推力負荷就很大,若軸承強度不夠,軸承的結構部件就會發生變形, 造成機組運行振動等不穩定現象。若將空冷改為內冷,可適當減小轉子尺寸及重量,緩解 推力軸承的負擔(也有些制造廠設計在相同的GD2限制的情況下,增大D從而減小G來緩解 推力軸承的負荷)。再者,是出于要提高電機的效率,增加電機可靠性的考慮,需要改進水 輪發電機的冷卻方式,繼而出現了對水冷及蒸發冷的研究應用。 水輪發電機所采用的傳統冷卻方式一般都是空冷。近年來,隨著大型水壩和發電機制造業新 技術的發展,水輪機的單機容量正向巨型邁進,目前已超過80萬kW,預計還要進一步增長。 采用傳統的空氣冷卻方式不僅不能滿足電機散熱的要求,而且還限制了容量的增長。發電機 的額定容量可由下式計算 SN=KABδD2iltnN(kVA) 對于大容量的水輪發電機,K取135×10-12。對應于飛逸轉速nr時的發 電機轉子周邊速度為 vmax=KrπDinN6000(m/s ) 式中 Kr——是飛逸系數。 Kr=nrnN nr——轉子飛逸速度; nN——轉子額定轉速。 從容量計算式可以看出,空冷水輪發電機的極限容量是由電磁負荷、材料強度和定子鐵心長 度決定。Bδ值受鐵心材料飽和的限制不宜取高于8000Gs。線負荷A的取值與采用 的絕緣等級以及冷卻方式有關。對于空冷效果較好的大容量水輪發電機,定子線圈采用F級 絕緣,A的取值可為800A/cm。疊片鐵軛的最大周邊速度可取到160m/s。對于在水電站進行機 座裝焊、定子鐵心整圓疊裝和下線的水發電機,lt的值可取4m。在以上各量的極限取 值下,空冷水輪發電機的極限容量由下式計算 Smax=3227×1081Ky2nN(kVA) 當額定轉速由水輪發電機的轉輪形式等因素確定后,空冷電機的極限容量也就確定了。當空 冷電機的單機容量不能滿足要求時,為了提高電機容量便出現了更有效的其他冷卻方式。例 如:當采用水內冷時,由于冷卻效果增強了,水發的線負荷可提高到1200A/cm。氣隙磁密可 取8000~9000Gs,其利用效率約為空冷發電機的15倍,極限容量約為空冷發電機的15~ 2倍。 另外,水輪發電機采用空氣冷卻存在著一些不利于運行可靠性的問題?绽潆姍C因為熱量及 溫度分布不均勻,定子線棒溫度高,鐵心與機座的熱應力大,所以硅鋼片可能引起拱曲,內 膛產生非圓形變形;甩負荷時,轉子的應變增大,即直徑比正常運行時大,容易發生“掃膛 ”(即定轉子相撞)的事故,例如美國大古力電站就曾發生過由于熱變形而造成的定轉子 相撞事故。對于負荷變化大,頻繁起停的調峰機組,定子線棒在運行的過程中會發生熱變形 ,由于銅導體和外包絕緣的溫度熱膨脹系數不同而造成的疲勞,引起絕緣脫殼,會造成絕緣 老化,產生內部電暈,破壞絕緣,西門子公司委托加拿大多倫多大學進行的千次熱循環試驗 ,證明國外各名牌廠家的線棒均發生了脫殼現象。由于線棒與鐵心在長度方向上的熱膨脹差 別,會造成絕緣與鐵心接觸面磨損。發電機端部,沿圓周通風及損耗分布不均,造成溫升差 別大,按照絕緣的8~10℃法則,溫度每升高8~10℃,絕緣的壽命就減半,這種情況說明了 故障多發于端部的原因。 不完全統計,近30~40年,水冷成了大型水輪發電機的主要冷卻方式。水內冷技術的使 用,改善了上述空冷機組存在的問題。首先內冷技術的采用降低了繞組溫升,特別是能有效 減小繞組線棒的溫差,使整個發電機定子繞組溫度分布均勻,可延長絕緣壽命;由于使用內 冷方式,發電機定子繞組損耗的發散不再需要定子鐵心負擔,定子鐵心的溫升由其自身損耗 產生,其溫升較之空冷方式有很大幅度的降低。因此內冷電機由于鐵心與機座溫差相對較小 ,鐵心熱應力較易控制;內冷技術的應用將大大減小導體與絕緣之間的熱應力,可避免絕緣 脫殼和內部電暈;定子繞組內冷后,發電機的電磁負荷可提高,結構尺寸可有一定程度的減 小,特別是轉子重量的減小,可降低推力負荷和轉子機械應力。但水內冷技術使用水作為循 環冷卻介質,雖然具有內冷方式的各種優點,但卻存在著不可避免的弊端:除了需要在水電 站安裝一套凈水系統外,還存在著堵、漏及水力鉆孔的致命弱點。另外,據國際大電網會議 組織調查,水冷的運行可靠性較空冷低約4~5%,這是用戶難以接受水冷的關鍵。 為了解決水內冷電機其水系統故障問題,同時繼承內冷方式的優點,中國科學院電工所開展 了以蒸發介質代替水內冷的研究工作,稱為蒸發冷卻技術。經過40多年的研究,已有累計達 570MVA的運行經驗。中國科學院電工所還與東方電機股份有限公司長期合作,開發了自己獨 特的自循環蒸發冷卻技術。1983年給云南大寨水電廠研制的兩臺10MW蒸發冷卻水輪發電機組 安全運行至今;1992年給安康火石巖電廠研制的525MW蒸發冷卻水輪發電機已在運行,于1 995年12月通過鑒定,而且該機現在經常處于超發狀態運行;1999年底投入運行的李家峽440 MW蒸發冷卻水輪發電機運行已有一年,沒有出現任何問題,也將于年內通過科技部驗收鑒定 。 水輪發電機采用蒸發冷卻方式,冷卻效果顯著,不僅可以解決提高容量的問題,更重要的是 將電機運行的可靠性大大提高了,不僅高于水冷,而且還高于空冷。蒸發冷卻作為水 輪發電機的冷卻方式,不僅具有內冷電機可以提高材料利用率,降低定子繞組溫升,從而降 低繞組與鐵心間的溫差,提高運行穩定性等優點。而且蒸發冷卻方式無需龐大水處理設備, 不容易發生介質泄漏事故。采用了蒸發冷卻技術的優點具體表現在如下幾方面:其一,采用 蒸發冷技術解決了大型水輪發電機空冷定子熱變形的問題;其二,蒸發冷卻利用液體汽化時 的潛熱,由于汽化吸熱比比熱吸熱強烈,在同樣的熱交換條件下它可以比水冷具有更小的熱 交換面積。其三,利用液相和氣液雙相的比重差實現無泵自循環。蒸發冷卻的氣側壓力可以 設計為運行時接近01MPa正壓,停機時成負壓,減小泄漏的可能性,而水冷時壓力較高, 泄漏可能性大;其四,蒸發冷卻線棒,蒸發量會隨著熱量增大而相應加大,有自調節能力。 故電機繞組各部分之間溫差較小(小于10℃),所以不可能出現水冷空心導線局部高溫形成 氣堵斷水故障;其五,蒸發冷卻所采用的冷卻介質,均是經勞保部門測試為化學穩定性好、 無毒、無腐蝕性、不燃不爆的介質。其液態的絕緣性能與變壓器油相當,即使稍有泄漏,也 不會引起絕緣的損壞而引發事故。蒸發介質還具有滅火滅弧的能力,可以抑制其他電氣故障 的擴大,消除了水內冷因泄漏而引發大事故的根本性缺點。 蒸發冷卻技術所采用的冷卻介質屬于氟里昂類產品,由于氟里昂中所含的CL元素對大氣的臭 氧層有破壞作用,所以目前限制使用F11,F12,F13。為了提高冷卻效果,并出于保護環境 的考慮,新型無毒,無污染的冷卻介質正在開發研制之中,并已經通過了實際機組的使用 。 四、總結 縱觀大型發電機冷卻技術的發展歷程,每一種冷卻技術的應用都各有優缺點。但就比較而 言,蒸發冷卻技術顯示出了極大的優點和廣闊的應用前景。1999年底青海李家峽電站400MW 蒸發冷卻水輪發電機的投入運行更加顯示出蒸發冷卻技術應用于大容量機組的優勢。當然, 蒸發冷卻技術的研究本身還存在一些問題沒有完全得到解決,特別是兩相流問題的處理還缺 乏準確性。所以,對蒸發冷卻技術進行深入研究是非常必要的,也是蒸發冷卻技術進一 步向 前發展的基礎
   
 

以下是關于《 大型發電機冷卻方式的發展及特點 》論題的回復(共1篇)

回復人:wly1984

 回復時間:2015-2-2 11:04:00

    good

如果要回復本欄論題,請首先登陸網站

·如果你已經是中國工控網www.kiwev.com成員,請直接登錄。

·如果你還不是中國工控網www.kiwev.com成員,請首先注冊,注冊為免費!

注冊名:

密  碼:

           注冊中國工控網www.kiwev.com
           忘記密碼
 
     相關技術論壇:
     相關技術論文:

    ·主板規格淺析

關于我們     免責聲明     服務項目     廣告聯系     友情鏈接     聯系方式     意見反饋     設為首頁     加入收藏

 ©2019-2020 中國工控網(www.kiwev.com) 版權所有 豫ICP備17046657號

管理員信箱:chinakong98@163.com  服務熱線:13525974529

洛陽博德工控自動化技術有限公司

中國    洛陽

北京赛车pk拾开奖网站