大型发电机用冷却器设计与计算

２００２№６太电利Ｌ技术大型发电机用冷却器设计与计算李广德，李净，安志华，刘双（哈尔滨大电机研究所，黑龙江哈尔滨１５００４０）

［摘要】本文给出了实际运行中的大型发电机用冷却器裕度实用判别法——冷风温度判别法，同时给出了准确的冷邱器非正常工况的汁算法…一工作点计算法，井给出了与原有计算法的对比计算。［荚键词］发电机：冷却器；裕度；非正常运行工况ｆ中图分类号］ＴＭ３１［文献标识码］Ｂ［文章编号］１０００—３９８３（２００２）０６－０００ｌ一０４

ＴｈｅＤｅｓｉｇｎａｎｄＣａｌｃｕｌａｔｉｏｎｏｆＣｏｏｌｅｒｓｉｎＬａｒｇｅＧｅｎｅｒａｔｏｒｓＩｉＧｕａｎｇ—ｄｅ，１ＪＪｉｓｓ，ＡＮＺｈｉ—ｈｕａ，ＬＩＵＳｈ“ｇ

（ＨａｒｂｉｎＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＬａｒｇｅＥｌｅｃｍｅＭａｃｈｉｎｅｒｙ，Ｈａｒｂｉｎ１５００４０，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓｐａｐｅｒｇｉｖｅ８ｏｕｔ

ｎｅｗｍｅｔｈｏｄｔｏｉｕｄｇｅｔｈｅｃｏｏｌｅｒ’８ｌｌｌａｌ西ｎ，ｉ．ｅ．ｔｈｅｍｅｔｈｏｄｏｆｃｏｏｌｅｒ’ｓ

ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｏｆｃｏｏｌｅｒｗｉｎｄ．Ｔｈｉｓｐ８ｐｅｒａｌｓｏｇｉｖ，＊ａｐｒｅｃｉｓｅｃｏｏｌｅｒｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｍｅｄａｏｄｆｏｒａｂｎｏｒｍａｌｏｐｅｒａ—

ｔｉｏｎｃｏｎｄｉｔｉｏｎ，ｉ．ｅ．山ｅｃｏｏｌｅｒ’ｓｏｐｅｒａｔｉｏｎｐｏｉｎｔｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ，ａｎｄｇｈ‘ｅｓａｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ

ｂｅｔｗｅｅｎｏｌｄａｎｄｆｌｅｗ

ｍｅｔｈｏｄ∞１ｃＬｌｌａｔｉｏｎ．Ｋ印ＷＯｌｄＳ：ｇｅｎｅｒａｔｏｒ；ｃｏｏｌｅｒ；ｍａｒｇｉｎ；ａｂｎｏｒｍａｌｏｐｅｒａｔｉｏｎ

ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ

ｌ前言大型发电机用冷却器是采用密闭循环冷却方式的电机内用于散去其热损耗、降低电机温升、保证电机安全可靠运行的冷却器件。由于在电机中一般都采用水一空或水．氡冷却器，因此其空侧或氢侧的散热能力是制约冷却器性能的关键。为此，一般空侧皆采用肋片结构，如绕簧虱、绕片式．＃｝‘刺式、穿片式等。通常冷却器设计是给出需带走的损耗，通过的气体流量，冷却水量，水温及允许的气体最大冷风温度，设计出冷却器的具体结构尺寸，同时给冷却器留有一定的冷却裕量。这时的冷却器实际上的』＝怍点并没有给出。在非正常工况下，ＥＵ一－单元冷却器退出时，汽轮发电机能带８０％额定负倚，或满足某种特殊负荷；水轮发电机能带１００％负荷。在非正常工况下的汽轮发电机用冷却器计算沿用的足美国两屋公司给出的汁算公式，而此公式实质上给出的是按散热面积换算的新的对数温差。如在两组并联的冷却器（每组由两或多个冷却单元串联）中，其中一组冷却器巾某一单元退出运行，按此种计算就不很适合，不能反映冷却器的真实运行情况。在非正常工况下的水轮发电机用冷却器计算是把事故状态下的冷却器去掉，由其它的冷却器完成热交换任务。而此种算法只能说是估算，与实际情况也不符合。因此需找出一种全新的计算方法，首先让冷却器设汁中的裕度让人能看明白，尤其是让运行中的机组能自我显示出来。其次要把冷却器的真正运行点计算出来，并找出一种令人信服的非正常工况下的冷却器性能计算方法。本文在此方面进行了探讨，提出以冷却器出风温度来代表冷却器的裕度，并给出了冷却温度与冷却器裕度的关系曲线。对于用户来说，冷却器随着运行时阔的增长．其裕度会降低，这时可以通过运行温度来监视冷却器的裕度。同时给出了对应于冷却器真正运行状态的冷却器非正常工况下的计算方法。此计算方法能真正反映冷却器的运行状态。本文可用于指导冷却器的设计，避免了汽轮发电机盲目加大冷却器裕度所造成的浪费。尤其是对于运行单位可通过监视冷却器的出风温度随时知道冷却器的裕度，避免因冷却器的问题造成生产事故。

讣ｊ●“一分一口部口一机～ｍ电ｍ

　万方数据２人，蛆发电机用冷却群敬讣勺ｉ｜簧２ｆＸ）２ＩＸ０６２冷却器工作点计算及冷却器裕度的新的表示方法

在发电机冷葫ｌ器的殴计中，为保证帆组的长期安全可靠运行，必须给冷却器留有一定裕度。通常汽轮发电机用冷却器裕度不低于２０％，水轮发电机崩冷却器裕度不低于１５％。而设计中并没有明确给ｍ冷却器垂Ｅ给定工作状态下的运行数据，就连泼计人员电不很清楚。事实上由于有裕度的存在，玲却器在给定的换热容量、过流风崴、冷却水流量、冷却水温及允许的最大冷风温度的情况下，其冷风温度将小于允许的最太冷风温度。玲却器一经设计完毕，其传热系数就是已知的，在此情况下通过冷却器设汁的逆运算，这个工作点是比较容易求得的。事实上埘应于不ｌ司的裕度，此冷风温度也不相同。不同的冷风温度同时可以作为冷却器裕度的另外一种表达方式。进·步研究可知：对于具有同样裕度的不同冷却器，其冷Ｊ孔温度可能不同，即冷风温度与允许的最大冷风温度之差还与允许的最大冷风温度与冷水温度之差有关。可以事先给出裕度和冷风温度与允许的最大冷风温度之差的一族曲线（以允许的最大冷风温度与冷水温度之差为变量），在此曲线中查取冷却器裕度。经冷却器设计的逆运算，图ｌ～３给出了三根水轮发电机、汽轮发电机常用的曲线，相应于允许的最人冷风温度与冷水温度之差为４０一２８＝１２，４０一３３＝７，４６—３３＝１３。例如一组空冷１２５ＭＷ汽轮发电机用冷却器，设汁冷水温度３３℃，允许最大冷风温度４０℃，其运行时的冷风温度３６．８℃．则查４０一３３＝７的曲线表横坐标相应于３６．８—４０＝一３．２，则可知纵坐标相应于浚冷却器裕度为２２％。而实际上电厂中的冷却器运行时冷水温度经常不在设计值上，只饔发电机带满负荷，即热耗与额定值相同，这时仍可以冷风温度判别冷却器裕度。如上例，冷水温度为２８屯，而冷风温度则将为３Ｉ．８℃。这时仍按原设计查４０—３３＝７的曲线表，而此时换算的允许最大冷风温度为２８＋７＝３５，丽冷风温度与允许最大冷风温度之差为３１．８…３５３．２，冷却器裕度（指在额定工况下）仍为２２％。３退出～单元冷却器工作点计算随着列电机安全可靠性的要求越来越高，水轮发电机设计多数都要求挣一组冷却器能带满额定负荷（参数可能有些变化．如冷却水温），而汽轮发电机都要求在停一单兀冷却器的情况Ｆ带８０％的额定负衙，而不使发电机定、转子温度超过允许值。斟，盎堍昂凳斑羽习：１＋、＼【：ｒ、『Ｉ一一∑１一Ｉ、主．ｔ±一１０—８６—４—２０２４６８１０冷风温度与允许的最丈冷Ｍ温度之差（１２ｋ）ＲＩｌ冷却器裕度与冷风温度与允洱的最人冷风温度之差的关系曲线４３０。２０ｌ１：萋－一∞１０：器＼＼ｋ｝·Ｉ＼！！：、｛＼ｌ｝ｌＸ—８—６—４—２Ｄ２４６８砖风温ｌ筻与允许的最大玲风温度之整（７ｋ１图２冷却器裕度与冷风温度与允许的煨大冷风温度之差的关系曲线４３０。２０ｌ１。０墓一－。１０：翟ｌ｛Ｉ＼｝一＼：卜＼！Ｉ卜∑Ｈ—、ｏ｛Ｉ、卜、、一１０—８—６—４—２０２４６８１０冷风掘度与允许的最大冷风温度之差（１３ｋ）图３玲却器裕度与冷风温度与允许的最大冷风温度之差的关系曲线３．１水轮发电机停一单元冷却器的运行计算对１’水轮发电机来说，单台机组冷却器较多，在设计中无需考虑每组冷却器由两个或多个冷却单元串联组成，停一单元冷却器即停一组冷却器。目｜ｊｆ『使用的讣算方法是ｆ｛ｊ剩下的冷却器带走所有损耗，不计苒工作点。事实上是所剩冷却器的冷风弓事故状态冷却器的热风混合，重新进入电机内部，ｔｌｌ：，Ｈ，．ｔ的冷风温度为泄台后的温度，此温度低于４０℃，则町保证电机在额定Ｔ况下安全可靠运行。针对此种情况，以热姒温度段所带走的损耗两变量作为迭代照，对所剩冷却器选代

∞∞。Ⅷ篇Ⅷ　万方数据２０ｆｆ２№６人电机技术求解出热帆温度、冷风温度，最后联合事故冷却器求混台后的温度，用４＿ｉｔＰ，Ｊ’水轮发电机冷却器非正常工况Ｐ‘的汁算框图。３．２汽轮发电机停一单元冷却器的运行计算由于汽轮发电机的冷却器比较少，凼此每组冷却器都是由二单元冷却器串联（风路串联，水路并联）组成的，要求发电机的冷却器其中一单元退出时，能够带满８０％的额定负荷，其简图如嘲５所示。如其中单元４退出运行，则单元Ｉ、２及单元３将重新分配换热容鼍，由于其非线性的特性，换热容量将不是平均分配，此时组ｌ冷却器和组２冷却器中的单元３冷却器将在同…热风温的情况下分配换热容量，而由各自的出风温度￡２１、ｔ２２混台形成新的冷风温度ｔ：。此时冷却器运行的特点是在同一热风温度值的条件下，由不同单元承担各自的散热容量，以往采用的计算公式如下。非正常运行时的对数平均温差按下式计算：Ｔｍ：Ｔｍｏ【ｌ＋１／（口一１）］

图４水轮发电机冷却器非正常工况下的计算框图

风向ｔ，ｌ

ｚ。ｌ２蛆

引５汽轮发电机用冷却器非正常工况示意简图

３

式中：ｎｍ——切断单元前的对数温差；７ｈ～一切断单元后的温差；

ｎ——冷却器组的串联单元数日（仅对风路顺序而言）。出风温度按下式汁算：

ｍ（乃一乃）一（ｎ—ｒ１）””

Ⅷｎ一乃

２·３１０９首青

式中：ｒ１，乃～进水和出水温度；／＇４＝ｘ＋△ｍ——热风温度；恐＝ｘ～一出风（冷风）温度；

△弛——气体的温升；砌——退出一个单元后的对数平均温差。这个公式是源于美国西屋公司的，从公式中可以知道，此公式只是按冷却器的散热面积进行估算的，不能真正反映冷却器的运行状态。在这里我们采取如下算法，以热风温度及所带走的损耗两变量作为迭代量，对两组冷却器进行迭代，其中所带走的损耗以两组冷却器的和与所要求的值相等为准，最后迭代求出热风温度，图６示出了汽轮发电机用冷却器非正常工况的算法框图。

４冷却器工作点的对比计算４．１水轮发电机冷却器对比计算（１）以术京电站的冷却器设计计算为例进行计算分析

电机总风量仉＝１６．２５０（ｍ３／ｓ）

需排出的损耗Ｐ＝３８０．００（ｋＷ）

冷却器数Ⅳ＝８

水路数Ｎ，＝４

冷却器进水温度Ｔｗ＝３０．０００（。ｃ）

冷却器出风温度ｒｏ＝４０．０００（℃）

总水量ＱⅣ＝１４９．６２８（ｍ３／ｈ）

传热余量肘＝３６．２５％

　万方数据