大中型水轮发电机冷却方式的探讨

[发电机]特大型水轮发电机冷却方式研究(1)2010-07-26 10:03:04 作者：阎永忠来源：人民长江【文章转载请注明出处】特大型水轮发电机冷却方式的选择对发电机长期安全可靠运行和电机的使用寿命有着重要的影响。

其冷却方式有全空气冷却方式（全空冷）、定子绕组水内冷方式（半水冷）和蒸发冷却方式，以及不常用的空调冷却方式。

分析了几种常用冷却方式的优缺点，着重探讨了空调冷却方式的特点、冷却效果及冷风机设备布置，提出将这一冷却方式作为特大型水轮发电机冷却方式，以满足其电机散热的要求。

关键字：冷却方式[3篇]空调冷却[1篇]方案比较[1篇]水轮发电机[28篇]特大型水轮发电机，其冷却方式的选择对发电机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，国内外较大容量机组常用的冷却方式有全空冷，半水冷和蒸发冷却方式3种，空调冷却方式是极少使用的、尚处在控研阶段的一种冷却方式。

随着大型水坝和发电机制造业新技术的发展，水轮机的单机容量正向巨型迈进，目前已超过800MW，呈现出进一步增长的趋势，进入特大型巨型机的行列，采用传统的空气冷却方式已不能满足电机散热的要求。

1 水轮发电机组几种常用的冷却方式1.1 全空冷方式水轮发电机所采用的传统冷却方式一般都是空冷。

发电机的额定容量可由下式计算：式中Sn为额定容量，kVA;K为常数，对于大容量的水轮发电机，K取1.35×10-12;As 为定子线负荷，A/cm;Bδ为空载气隙磁通密度，Gs;Di为定子内径，cm;li为定子铁芯有效长度，cm;nN为转子额定转速，r/min。

对应于飞逸转速nr时的发电机转子圆周速度为：式中kr为飞逸系数，kr=nf/nN;nf为转子飞逸转速，r/min。

从容量计算式可以看出，空冷水轮发电机的极限容量由电磁负荷、材料强度和定子铁芯长度决定。

Bδ值受铁芯材料饱和的限制不宜高于8000Gs。

线负荷As的取值与采用的绝缘等级以及冷却方式有关。

大型水轮发电机冷却方式杨颖张强摘要：随着当前社会经济的快速发展，人们对各类能源的需求量也快速增加，其中，电能为主要的应用能源之一。

电能的应用促进了人类社会的进步，并提升了能源的多元化应用。

在当前的发展中，水力发电为主要的类型之一。

水力发电中的水轮发电机作为主要的生产设备，其运行状态与最终的电能生产量以及电能生产的稳定性关系重大。

文章对大型水轮发电机冷却方式进行了研究分析，以供参考。

关键词：水轮发电机；冷却方式；综合控制策略1 前言大型水轮发电机大多采用静态励磁系统，励磁系统输出励磁电流至碳刷，碳刷与发电机集电环摩擦接触，从而将励磁电流送至发电机转子回路中。

发电机励磁碳刷过热是发电机运行过程中的常见故障，若不及时消除，可导致被迫停机或烧毁碳刷和集电环，直接威胁发电机安全运行。

发电机励磁系统中碳刷的运行和维护技术属于传统技术，多年来始终被沿袭和使用。

鉴于此，为确保碳刷安全、稳定、经济运行，应深入研究其过热原因，结合现场运行条件，采取可靠的技术措施排除故障。

2 大型水轮发电机冷却方式简介2.1全风冷冷却的原理在特大型水轮发电机中，转子和定子铁心、定子线棒全部采用空气冷却的方式称为全风冷冷却。

冷风经过转子磁轭和磁极的风道进入冷却器进行热交换，通过冷却水冷却热风将热量带走，冷却后的冷风再一次进入发电机定转子风道形成封闭式循环系统。

在机组运行中，需要对定子线棒、定子铁心、齿压板、转子绕组等部位的温度进行监测，以保证水轮发电机组的安全运行。

2.2半水冷冷却的原理转子和定子铁心采用风冷，其结构与全空冷方式的结构基本相同，风道的设计略有不同。

定子线棒采用纯水冷却称为半水冷，定子线棒由导电的实心导线和通水的多股空心股线组成，空心股线存在的目的是为了带走实心股线产生的热量。

空心股线中通入经过离子交换器处理过的纯水，吸收热量后的纯水进入冷却器与二次水进行热交换；经过冷却的纯水经过处理后再次进入空心股线进行冷却形成封闭的水冷循环。

探究大型水轮发电机冷却方式高园林摘要：水轮发电机是以水轮机为动力，将水能转变为电能的一种发电机，在我国发电行业已经得到了广泛应用。

作为大型发电设备的发型水轮发电机，能够为发电站正常运转提供可靠保障，在水工工程投产中使用率最高，而其发电机冷却方式也逐渐成为了学者研究的重点。

本文将以大型水轮发电机冷却要求分析为切入点，对发电机冷却方式展开深度探究，旨在提升发电机运行水平，提升大型水电站电能生产水平。

关键词：水温；水轮发电机；发电站；冷却方式现代社会对于电量的需求量一直处于增长状态，电力系统为应对这一改变，开始对系统容量进行了拓展，整体发电系统电机容量得到了切实优化，但电机冷却等新型问题却逐渐暴露了出来。

为保证大型水轮发电机运行质量，避免其因发热程度过高而阻碍容量增加，相关人员都开始对各项电机冷却方式展开了分析与研究。

为实现这一点，相关人员首先应对大型水轮发电机冷却要素进行明确。

1、大型水轮发电机冷却要点1.1定子端接头水接头的设置，切实增加了定子端的连接难度，整体设计也存在着一定缺陷，很有可能在电机运行过程中，出现定子端运行受损的问题【1】。

例如，如果定子端发生漏磁，就会造成该部位部分金属物质出现热度过高的情况，如果不能及时进行处理，变得导致发电机设备出现故障，需要引起相关人员的注意。

1.2水温方面一方面如果水温过低，就会对绕组绝缘效果以及绝缘性能有着直接关联，当冷却装置吸入水温较低，则会延长机组启动整体时长，长此以往，会导致机组设备出现受损问题；另一方面，发电机定子端外层为绝缘保护层，其在温度作用之下，会出现凝露现象，致使绝缘层绝缘性能打折折扣，定子稳定性也受到了影响，开始出现弯折以及松动问题。

而在25℃左右的理想水温中，机组内部运转较为稳定，整体运行状态极为理想，所以水温也是冷却系统运行的重要因素。

1.3用电方面水冷却系统需要足够的电能进行维持，这也直接说明了电能对于系统运行的重要作用。

如果水内冷机组数量较少，用电问题对于整体系统的运行状态影响相对较小；但如果水冷机组数量相对较多，则用电问题就会变得格外突出，相关人员需要对用电情况进行详细考虑，以保证整体系统运行状态。

水轮发电机推力轴承强迫内循环冷却现在大中型水轮发电机推力轴承基本都采用电动油泵（少数为镜板泵）外循环冷却方式，优点是油槽小方便结构布置和抽瓦检查，冷却器热交换效率高油温低(这是采用外循环的最重要的原因)，并且节水，冷却器放置在机坑外方便检修，缺点是油槽内转动部件粘滞泵等循环动力没有被利用，仅成为搅拌摩擦损耗，冷却器占用外部空间较大，电动油泵需增加一套备用。

推力轴承内循环冷却的循环动力有以下三个方面（水轮发电机设计与计算，机械工业出版社，白延年主编）：第一，粘滞泵的作用。

润滑油具有一定的粘性，可以附着在浸入油内的旋转件表面（例如镜板和推力头），当旋转件达到一定转速时，润滑油被甩出形成油流，是主要循环动力。

第二，在镜板旋转作用下摩擦面的部分热油膜被甩出，虽然这部分油流的动力和流量不大，但温度很高，占轴承机械损耗的大部。

第三，由冷却器引起的冷热油对流。

油槽表层热油经过冷却后密度增加自然下沉。

轴承内循环随意性很强，边界条件非常复杂，还不可能建立准确数学模型定量计算，人们只有在结构上下工夫，一是减少不必要的压头损失，如在旋转件外围装设弧形导流板，减少油流撞击损耗。

二是减少油流循环阻力，如利用挡油板隔挡将油流经过各处截面尽可能一致以减少局部阻力系数等，尽管采取不少措施，油流总还是流经流阻最小处，所以比较简单的导流、隔挡的内循环热交换效率仍然不高。

轴承冷却器热交换效率很重要，效率高意味油温低瓦温低，夏天不必因瓦温限制机组出力，节水可减小净水池容积。

轴承的普通内循环就是自然循环，利用轴承自身的循环动力无需外力，总损耗小，没有外循环油泵事故之忧。

由哈尔滨银河电机制造有限公司提出新理念，采用内循环油的循环动力和外循环冷却器的密封循环原理，推出推力轴承强迫内循环全新结构，见图一水轮发电机推力轴承强迫内循环冷却。

在推力头和镜板油浸部分外圆装密封腔体，与推力头接触为接触式密封，在镜板外圆下端部安装叶轮泵，叶轮泵下边缘和镜板下边缘平齐，不影响检修抽瓦，叶轮泵将镜板与推力瓦摩擦产生的热油甩出时吸入密封腔，加上推力头和镜板油浸部分粘滞泵离心作用，密封腔形成内圆为负压外圆为正压离心泵腔体，压力油通过管路进入密封的冷却器上端，油流经过两道或多道折流板被冷却，冷油从冷却器下端经管路排入挡油管，再进入推力瓦间，构成清晰完整冷却循环系统。

大中型水轮发电机组空气冷却器技术方案刘洪树摘要：大中型水轮发电机是发电机通风冷却系统的重要组成部分，发电机组的安全运行和技术支持都离不开空气冷却器，文章将通过空气冷却器技术和特点，对大中型水轮发电机组空气冷却器的技术方案进行探讨。

关键词：大型水轮发电机组；空气冷却器；技术方案长期以来，水轮发电机空气冷却器采用传统的绕簧式结构，该空气冷却器制造工艺复杂、散热性差、散热管刚度弱、体积大、检修维护不方便等弱点，在总结国内外各类水轮发电机空气冷却器的设计、制造、安装、运行经验的基础上，借鉴当前汽车制造行业冷却器的特点，自行研发、制造出节能型水轮发电机空气冷却器。

本文将真水轮发电机空气冷却改造和新电站空气冷却器的选用探索出了一条新路。

1、空气冷却器技术特点换热片采用东方型高效穿片式换热元件，换热面积大，风阻低，换热效率高。

螺栓采用高强度 8.8 强度等级并镀锌处理。

采用高精度模具和专用换热片高速数控冲制加工中心制造换热元件，保证换热元件的加工精度。

冷却管与换热片之间的胀接采用专业管片推胀机，胀接后形成整体芯组，刚性好；在空气冷却器芯组中部设支撑，该支撑与支持壁通过螺栓连接，形成框架，保证了冷却器的刚性和稳定性。

该结构在东方电机的大型水轮发电机空气冷却器中广泛应用，安全可靠。

密封形式采用平面密封；密封材料采用丁腈橡胶板，该材料在东方电机的大型水轮发电机空气冷却器中广泛应用，密封性能可靠。

水箱顶部设置自动排气阀，既可确保水箱内气体随时排除，又可避免水溢出。

上水箱上设有便于吊装的吊耳。

2、东方型高效穿片式冷却器技术简介2.1 换热元件介绍随着强化传热技术的发展、相关理论研究的深入、计算机技术的应用，使得我们在先进的强化传热理论指导下用 CFD 软件对换热器进行流动及传热数值模拟分析，开发更先进的换热元件成为可能，2008 年东方电机开始了基于第二代扇形圆弧和矩形条缝换热元件的再优化开发。

圆弧型翅片的扇形开缝对翅片间流体进行了导流，使得流体的速度分布更为均匀。

大型水轮发电机冷却技术特点综述（哈尔滨理工大学电气与电子工程学院）摘要：本着节能减排、可持续发展的原则，清洁无污染的水力发电会越来越被人们所重视，本文介绍了大型水轮发电机三种冷却方式：空冷，水冷，蒸发冷却。

首先分别介绍了三种冷却方式的工作原理、特点、造价、适用范围，和当前各种冷却方式的发展现状，对于冷却原理和运行过程中的注意问题给出了详细的说明。

之后通过查阅数据，从经济性、实用性、运行维护和电机结构等角度对三种不同的冷却方式进行了比较，给出了合理的意见。

关键词：大型水轮发电机；冷却方式；发展现状；运行性能The Cooling TechnologySummary for Large Hydro-generators (College of Electrical and Electronic Engineering ,Harbin University of ScienceandTechnology )Abstract: Based on the principle of energy saving and emission reduction and sustainable development, more and more people will pay attention to clean and non polluted hydroelectric power. This paper introduces three kinds of cooling methods for large hydro-generators, including air cooling, water cooling, and evaporation cooling. First of all, the paper introduces the working principle, characteristics, cost and scope of application, and the current developing status of three kinds of cooling methods. A detailed description of the cooling principle and the problem in process of operation is given. By looking up data, the three different cooling methods are compared and the reasonable suggestions are given from the point of economy, practicality, operation maintenance and motor structure.Key words: large hydro-generators; cooling mode; development status; operating performance1 引言我国幅员辽阔，蕴藏的可开发水资源量巨大，在当今可持续发展的理念要求下，利用清洁的可再生的水资源发电，可以减少火力发电燃烧煤炭所产生的有害气体对环境的污染，对于改善全球气候变暖具有重要作用，大力开发水电，对全人类都具有重要意义。

高海拔大容量水轮发电机通风冷却系统计算分析摘要：当前高海拔、大容量水轮发电机组设计需求越来越大。

由此，高海拔条件下的通风冷却系统的设计研发也成了当务之急。

文章通过对某高海拔、大容量水轮发电机通风冷却系统进行计算分析，以期帮助相关工作人员解决类似通风冷却系统的设计问题。

关键词：水轮发电机；高海拔；大容量；通风冷却0. 前言通风冷却系统是水轮发电机的重要组成部分，优秀的系统设计是水轮发电机长期可靠运行的保障。

随着水轮发电机容量的不断增长，通风冷却系统的设计难度在不断增大。

高海拔的地理条件，更是对系统设计提出了更高的要求。

高海拔条件下，大气压力降低，空气密度及比热降低，相同体积空气带走损耗减少，即带走同样损耗所需风量增加。

海拔高度也同时会造成环境温度的降低，但由于合同文件中将冷风温度，即环境温度规定为40℃，因此通风冷却系统的设计仍然需要根据海拔条件进行修正。

针对高海拔、大容量水轮发电机通风冷却系统的分析研究，基于相应海拔条件下空气的热力性能参数，冷风温度为40℃，对发电机主要发热部件，如定转子、汇流排、压板、压指、定子端部线圈等进行计算分析，对冷却风量分布及有效部件温升进行综合评价。

1. 高海拔、大容量水轮发电机通风冷却系统概述该水轮发电机为高海拔、大容量机型，相关技术参数详见表1。

该发电机采用固定挡风板的端部回风结构，并针对高海拔条件，对通风冷却面积及通风冷却路径进行了优化。

表1 水轮发电机基本参数：该电站海拔高度为2500米，对应空气体积比热为0.839kJ/m3•℃。

1.1 发电机需求风量分析发电机需要冷却空气带走的损耗为3627kW。

考虑冷热风温差为30K，则理论上需要的冷却风量为144.1 m3/s。

2 发电机通风计算采用流体网络仿真软件，等效网络分布见图1：图1 发电机通风系统等效网络图通过计算，得到发电机各部位的风量、风速分布，详见表2。

表2 通风计算结果：根据上述计算结果，发电机结构产生的风量能够满足通风冷却的需求，并留有一定裕度。

大型水轮发电机冷却方式的探讨栗冬【摘要】随着城市化和工业化进程的加快，用电的需求量在逐年的攀升，国家和地方也在积极的筹建大型的发电站，供人们的生产生活使用。

大型水轮发电机就是其中一种大型的发电设备，多用于水利工程的投产使用，但是就其冷却方式还有待进一步的研究。

本文就大型水轮发电机的冷却方式做了简单的介绍，就其选择冷却的方式和运行的注意要点给予了详细的论述说明。

【期刊名称】《黑龙江科技信息》【年(卷),期】2015(000)029【总页数】1页(P89-89)【关键词】水轮发电机;冷却方式;运行选择;要点分析【作者】栗冬【作者单位】哈尔滨电机厂有限责任公司，黑龙江哈尔滨 150000【正文语种】中文大型水内冷水轮发电机普遍采用定子绕组水内冷、转子绕组和定子铁心空冷的组合冷却方式，即半水内冷。

大型蒸发冷却水轮发电机，利用冷却介质汽化温度较低的特性和水轮发电机立式结构的特点，是继目前已被广泛采用的全空冷、半水内冷方式后，我国自主研发的又一种新型冷却方式，它具有与水内冷同等的冷却效果和优点。

1 大型水轮发电机冷却方式介绍1.1 水内冷却水内冷却机组工作的原理是利用水的比热容大，吸收的热量多，对于同等条件下的热量吸收，水的吸热速度快，温度能都快速的冷却下来，所用的时间也是比较少的一个。

这种方法具有机组热应力较小、绝热效果好、温差较小以及盛水容量大等特点，利用转子和定子铁芯形成工作的绕组，这就可以设计出一套完整的冷却设备。

定子绕组受机械震动和结构变形的影响较大，对设备的要求也很高，管路的质量以及压头的大小都有明确的规定，所以，一般应用时会特别注意一些细节问题。

1.2 全空冷却是指定子铁心、定子绕组、汇流铜环、转子绕组、转子铁心均为空气冷却。

大型水轮发电全空冷冷却方式多为无风扇双路径径向密闭、端部回风自循环空气冷却系统。

空气通过转子的风扇作用，产生动力循环，并通过布置在定子机座外侧周围的空气冷却器进行冷却，再由电站技术供水系统冷却空冷器并把热量带走。

水力发电厂冷却系统的研究与优化水力发电厂的冷却系统是保证发电机组正常运行和延长设备寿命的重要组成部分。

随着电力需求的增加和环境保护意识的提高，对水力发电厂冷却系统的研究与优化变得更加重要。

本论文将从冷却系统的设计原理、存在的问题和优化措施等方面进行详细阐述，希望能对相关从业人员和研究者提供一定的参考和指导。

一、冷却系统的设计原理水力发电机组在运行过程中产生大量的热量，如果不及时散热，将会导致设备温度过高甚至烧坏设备。

因此，冷却系统的设计非常重要。

1. 大水量降温法：利用大量的冷水对发电机组进行降温，采用泵将冷水送至发电机组，通过冷却设备进行降温后再回收利用。

2. 湖泊或河流冷却：将冷却介质直接引用自然水源，通过管道引入发电机组进行冷却，然后再排放至原水源。

3. 循环冷却法：使用封闭循环系统，通过冷却塔或冷却器冷却冷却介质，然后再经泵送至发电机组。

不同的冷却系统设计原理有各自的优缺点，需要根据实际情况进行选择和改进。

二、存在的问题尽管冷却系统在水力发电厂中起到至关重要的作用，但在实际应用中还是存在一些问题：1. 效率问题：传统的冷却系统采用大水量降温法，这种方式需要大量的水资源，而且会造成水资源的浪费。

湖泊或河流冷却方式虽然节约了水资源，但会对环境造成一定的影响。

2. 能耗问题：循环冷却法需要消耗大量的能源来维持冷却塔或冷却器的运行，增加了企业的能耗成本。

3. 水质污染问题：冷却塔或冷却器的循环水会受到微生物和气候等因素的影响，容易造成水质污染，影响设备正常运行。

三、优化措施为了解决上述问题，有必要对水力发电厂的冷却系统进行优化。

1. 节约资源：可以采用节水冷却技术，通过优化循环系统，减少对水资源的需求。

同时，可以将高温冷却水利用于其他工业生产中，以减少资源的浪费。

2. 提高能耗效率：可以采用节能循环泵和换热设备，优化冷却塔或冷却器的设计，降低能耗。

3. 加强水质管理：加强对冷却水进行定期清洗和过滤，控制微生物的繁殖，防止水质污染。

探研特大型水轮发电机的冷却方式
阎永忠
【期刊名称】《水电站机电技术》
【年(卷),期】2009(032)004
【摘要】特大型水轮发电机冷却方式的选择对发电机长期安全可靠运行和电机的使用寿命有着重要的影响.其常用的冷却方式有全空气冷却方式(全空冷)、定子绕组水内冷其它部分采用空气冷却方式(半水冷)和蒸发冷却方式,以及不常用的空调冷却方式,就大型水轮发电机几种常用的冷却方式作了深入详细的分析.并就空调冷却的优点着重提出作为特大型水轮发电机冷却方式,以满足其电机散热的要求.这一方案可作为大型水轮发电机一种可行的冷却方式供设计者参考使用.
【总页数】5页(P10-14)
【作者】阎永忠
【作者单位】长江委没计院,湖北,武汉,430010
【正文语种】中文
【中图分类】TM312
【相关文献】
1.水冷水轮发电机特殊问题及三峡水轮发电机冷却方式选择 [J], 戴庆忠
2.特大型水轮发电机冷却方式研究 [J], 阎永忠
3.低速大容量水轮发电机的冷却方式（三峡发电机冷却方式的探讨） [J], 沈维义;林雁庆
4.特大型发电机组冷却方式介绍及运行可靠性分析 [J], 郭敏;焦江明;刘先科;
5.水冷水轮发电机特殊问题及三峡水轮发电机冷却方式选择 [J], 戴庆忠
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