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   從目前運行實踐表明，700兆瓦全空冷巨型水輪發(fā)電機實現(xiàn)了總風(fēng)量適宜、風(fēng)量分配合理、風(fēng)速均勻、冷卻效果良好的總體目標(biāo)，并且機組運行穩(wěn)定，振動、擺度及溫升等性能指標(biāo)達到優(yōu)良標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)志著空冷技術(shù)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(fā)電機中多采用半水冷的格局。

　　單機容量最大、結(jié)構(gòu)尺寸最大、推力負(fù)荷最大

　　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(zé)任公司完成的“巨型全空冷水輪發(fā)電機組關(guān)鍵技術(shù)突破及工程應(yīng)用”獲得了國家科學(xué)技術(shù)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(yè)協(xié)會、中國電機工程學(xué)會和中國電工技術(shù)學(xué)會組織國內(nèi)發(fā)電行業(yè)的眾多資深專家匯聚北京，就剛剛研制成功的世界上單機容量最大的700兆瓦全空冷巨型水輪發(fā)電機成功并網(wǎng)發(fā)電進行研討和交流。

　　會上，國內(nèi)發(fā)電行業(yè)的專家們經(jīng)過對大量數(shù)據(jù)的分析，專家們一致認(rèn)為世界上單機容量最大、結(jié)構(gòu)尺寸最大、推力負(fù)荷最大的700兆瓦級巨型全空冷水輪發(fā)電機的制造技術(shù)達到了世界領(lǐng)先水平，這無疑開創(chuàng)了世界上單機容量最大的全空冷水輪發(fā)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(fā)電設(shè)備的首選資源。隨著世界經(jīng)濟的發(fā)展與能源需求的增加，建設(shè)大型水力發(fā)電廠仍是一個時期內(nèi)的主要方向。大型凸極水輪發(fā)電機作為水力發(fā)電的主要設(shè)備，也經(jīng)歷了長期不斷的技術(shù)進步和發(fā)展。

　　目前，中國55—75萬千瓦水輪發(fā)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(guī)模。

　　對大容量水輪發(fā)電機，冷卻技術(shù)是設(shè)計中的關(guān)鍵問題。大型水輪發(fā)電機的冷卻方式主要有全空冷、半水冷和蒸發(fā)冷卻3種。

　　空氣冷卻方式在電機內(nèi)部只采用空氣作為冷卻介質(zhì)，通過空氣的流通實現(xiàn)電機整體的降溫冷卻。此時，所需要的輔助設(shè)備為空水冷卻器。半水冷冷卻方式定子線棒要采用部分內(nèi)部通水的空心股線導(dǎo)體，借助于水的流動帶走定子的一部分損耗。輔助設(shè)備除常規(guī)的空水冷卻器外，尚需要一套復(fù)雜的水處理及循環(huán)系統(tǒng)，以降低冷卻水的導(dǎo)電性并驅(qū)動水的運動。蒸發(fā)冷卻方式采用類似于水冷的定子線棒建立一套冷卻介質(zhì)的蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)以帶走定子的部分熱量。蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)的介質(zhì)不導(dǎo)電，同時無需借助泵類設(shè)備驅(qū)動介質(zhì)的循環(huán)。

　　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(zhì)，同時具有結(jié)構(gòu)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(fā)電機中使用，而對于600兆瓦以上的大型水輪發(fā)電機，國際上普遍認(rèn)為使用全空冷存在很多技術(shù)障礙。隨著發(fā)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(fā)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(rèn)為半水冷的冷卻方式不是最好的。于是哈電的專家們開始考慮，如何將結(jié)構(gòu)簡單、便于維護的空氣冷卻系統(tǒng)應(yīng)用到大容量的機組上。

　　從上個世紀(jì)70年代劉家峽的建設(shè)，到巖灘機組的投運，哈電對300兆瓦以內(nèi)的全空冷機組進行了比較深入細(xì)致的研究。但那時哈電在通風(fēng)冷卻系統(tǒng)的設(shè)計方面還沿襲了前蘇聯(lián)的模式，認(rèn)為風(fēng)量越大越好，在很小的機組中也加有很多的風(fēng)扇，用以降溫。但機組制造出來后，存在著通風(fēng)損耗大、效率低、風(fēng)量不均勻等缺點。上個世紀(jì)70年代后期，該公司與世界先進的電機制造公司進行合作和交流時發(fā)現(xiàn)，他們在設(shè)計全空冷機組時，不是片面地追求大風(fēng)量，而是追求合理適宜的總風(fēng)量，并且風(fēng)量分配和風(fēng)速都要均勻。這時，哈電人對空冷水輪發(fā)電機的設(shè)計理念漸漸改變了。

　　創(chuàng)新點

　　提出全新設(shè)計思想

　　全空冷巨型水輪發(fā)電機主要技術(shù)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(dǎo)致的結(jié)構(gòu)部件熱脹變形，以及由于冷卻效果差引發(fā)的溫升超標(biāo)，這是世界性的難題。為了解決這一難題，必須對全空冷電機的電磁計算、結(jié)構(gòu)、通風(fēng)冷卻系統(tǒng)及絕緣系統(tǒng)等進行整體協(xié)調(diào)設(shè)計和優(yōu)化創(chuàng)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(shè)計的技術(shù)界限，提出了全新設(shè)計思想：無論是水冷、空冷，最根本的是要控制機組溫度。

　　研究人員認(rèn)為， “每極容量”不能全面地反映電機內(nèi)部熱交換的機理，其概念相對模糊，在設(shè)計時，應(yīng)更注重對電機的電壓、定子繞組支路數(shù)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(fā)電機采用了密閉自循環(huán)徑向雙路端部回風(fēng)的無風(fēng)扇通風(fēng)系統(tǒng)，這種通風(fēng)系統(tǒng)沒有風(fēng)扇。沒有風(fēng)扇的通風(fēng)系統(tǒng)冷卻效果更好，定子線棒全部測點的最高溫度與最低溫度之差約為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℃，而鐵心最高溫度與最低溫度之差不大于2℃，溫度分布非常均勻。這些指標(biāo)絕不亞于半水冷卻技術(shù)。

　　通過多年的自主研發(fā)和技術(shù)引進，哈電還形成了一套自己的通風(fēng)設(shè)計及計算方法，對長鐵心大容量水輪發(fā)電機極間流場、鐵心表面散熱系數(shù)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精確計算。

　　為了掌握第一手技術(shù)數(shù)據(jù)，哈電還設(shè)計制造了三峽水輪發(fā)電機真機通風(fēng)模型，并進行了模擬試驗，根據(jù)模型試驗結(jié)果對真機的通風(fēng)結(jié)構(gòu)進行了完善和優(yōu)化。

　　過程

　　“全空冷”與“半水冷”的博弈

　　在三峽和龍灘的電站建設(shè)中，應(yīng)用空氣冷卻系統(tǒng)并不是一帆風(fēng)順的。

　　三峽的左岸為國際招標(biāo)，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(fā)電機組的腳步卻從未停下。

　　龍灘700兆瓦機組在國內(nèi)招標(biāo)，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最終得到認(rèn)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(nèi)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(fēng)模型，進行模擬試驗。模型的運轉(zhuǎn)證明了哈電的實力，國外的專家非常認(rèn)可其通風(fēng)冷卻模型，認(rèn)為該技術(shù)已經(jīng)達到了世界先進水平。

　　在三峽右岸12臺機組投標(biāo)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(rèn)可水冷卻，一部分專家贊成空氣冷卻。最終，三峽總公司選定哈電在三峽右岸4臺840兆伏安發(fā)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(fā)電機和ALSTOM公司承制的4臺水輪發(fā)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(jīng)典試驗最能說明機組卓越的性能。長江三峽工程開發(fā)總公司副總經(jīng)理楊清曾將一個硬幣立在發(fā)電機的蓋板上，機組滿負(fù)荷運行時，硬幣能夠站住，不但如此，機組甩負(fù)荷的時候，轉(zhuǎn)速上升，硬幣仍然能站住，這說明機組的穩(wěn)定性很好，機組在滿負(fù)荷運行時振動非常小。三峽機組是世界上容量、尺寸最大的水輪發(fā)電機組，整個機組的重量達到5500噸，上下高度超過50米，相當(dāng)于一座10多層樓的高度。如此巨大的設(shè)備不停運轉(zhuǎn)，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(zhuǎn)輪的水力穩(wěn)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(fā)電機組，大部分在運行時水輪機轉(zhuǎn)輪出現(xiàn)振動，嚴(yán)重的導(dǎo)致轉(zhuǎn)輪產(chǎn)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(zhuǎn)輪在運行范圍內(nèi)存在振動帶，不能滿足合同的要求。哈電機通過設(shè)計理論創(chuàng)新和多輪優(yōu)化設(shè)計與試驗，開發(fā)出了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的“混流式L型葉片轉(zhuǎn)輪”，完全消除了運行范圍內(nèi)存在振動帶的問題，成為三峽工程中穩(wěn)定性最好的機組。