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前言
      汽轮发电机定子绕组内部蒸发冷却,是一种新型的冷却方式,其特征在于定子绕组内部冷却液体在绕组内先比热吸热后再沸腾传热而带出热量。选用的介质具有绝缘性好、耐电压强度高、沸点温度低、安全、无毒、不助燃、稳定的特性,如氟利昂113及其替代品新氟碳化合物。这种冷却方式不仅具有水内冷的所有优点,而且完全杜绝了类似水内冷介质因泄漏而损害绝缘的故障,省去了水处理系统,也没有氧化物堵塞的问题,并且因为冷却液体密闭,蒸发冷却循环运行,一次性灌入量少。
        本文结合我所蒸发冷却技术应用于电机冷却的研究开发,以上海超高压输变电公司一台50MW蒸发冷却汽轮发电机组的研制和运行经验为基础,针对该机组定子绕组内冷循环系统进行了分析与研究,提出了新的冷却方案。根据汽轮发电机定子绕组内冷通道的结构特点,低沸点介质在众多的长而窄的绕组内冷通道内吸热汽化后流动的规律,提出在循环系统回路中加设压力平衡器的技术方案。设计的循环系统与以200MW汽轮发电机定子绕组尺寸建立的实验模型组装一起,分别进行了模拟绕组和200MW汽轮发电机定子绕组线棒的加电流传热试验,取得理想的实验结果,较好地解决了绕组内冷通道与循环系统之间匹配的难题。为今后研制开发更大容量等级的蒸发冷却汽轮发电机组,以及替代电机定子绕组水内冷介质冷却的机组,设计新的内冷循环系统结构提供依据。
1  工作原理及循环系统设计
图1    定子绕组内部蒸发冷却工作原理
        图1示汽轮发电机定子绕组内部蒸发冷却工作原理,它主要由绕组、绝缘引流管、汇流环、循环泵、冷却器和压力平衡器组成。当绕组有电流通过时,绕组内部的冷却液体吸热沸腾汽化带着热量流出,并呈汽态和液态混合状态进入压力平衡器,这些混合物首先由压力平衡器内部的冷凝管冷凝成液体,然后进入压力平衡器内部设置的汇液通道并从其出液口流出进入冷却器,液体经冷却器第二次冷却后进入循环泵,冷却液体经循环泵加压后注入汇流环,最后流进绕组内部,如此就形成了一个周而复始的循环运行系统。
        1.1  定子绕组
        汽轮发电机由于转速高、体积小、发出的功率大,单位体积内的损耗也大。一般大型汽轮发电机定子绕组铜耗约占机组容量的0.25％～0.5％,组成绕组的许多线棒内冷通道长而窄,并联支路多,并以不同的角度分布嵌入铁心中,端部直径大,各支路长度及空间上下分布很不均匀,所以当定子绕组内部采用蒸发冷却,以新型冷却介质替代水内冷介质时,要保障发电机组安全可靠地运行,须解决以下关键的技术问题：①必须使冷却液体的循环系统与绕组各线棒的内冷通道相匹配,使定子绕组出液口各支路的压力均衡;②必须控制冷却液体在导体中的吸热汽化点的位置;③必须控制定子绕组的温升不允许超过45K,应符合汽轮发电机的冷却技术要求。
        1.2  循环系统
        由于大型汽轮发电机定子绕组的分布很不均匀,灌入冷却回路中的冷却液体本身在其中产生了约0.045MPa的压力差,于是造成在众多的定子绕组中,冷却液体分布不等,容积大小不均,致使定子绕组各线棒内部的冷却液体,沿轴向长度汽化点的前后位置不一致。如果冷却液体介质在绕组内部汽化点的位置靠进液端太近,导体内部就会产生汽滞现象,导致绕组局部过热,以至影响电机整体的冷却水平。因此,为了使高绝缘低沸点介质,在汽轮发电机定子绕组内部实施蒸发冷却,并能保障其安全、可靠地运行,对循环系统结构的设计与布置作如下考虑：
        1.2.1  压力平衡器
        电机定子绕组内部冷却采用低沸点介质蒸发冷却,由于定子绕组分布不均匀等因素,因此,灌入回路中的冷却液体在绕组内部分布差异性很大。当机组带负载运行定子绕组向电网输出电流时,因铜耗使导体发热,进入绕组内冷却通道中的冷却液体吸收铜耗产生的热量,温度逐渐升高,当其温度达到饱和压力所对应的温度时,就改变物理状态沸腾汽化成蒸汽。此时,由于电机定子绕组的内冷通道长度都在8.5m以上,通道等效直径只有13.05mm,热流密度Q均大于0.62W/cm²。如果有个别绕组内的液体吸热后沸腾汽化点的位置离进液端太近,沸腾汽化点过早出现,会造成液体的流速降低,在导体内停留时间延长,于是便产生了更多的蒸汽增加了混合物的空隙率,最终导致二相流混合物膨胀而增压,迫使液体向两端方向运动,这时会使临界热流迅速下降而导致绕组局部过热。由此可见,控制导体内液体吸热汽化点的位置,是低沸点介质用于定子绕组内部蒸发冷却要解决的一个关键技术。图1中的压力平衡器内部结构是由一个环形冷凝器和一个汇液通道组成,其中环形冷凝器由N个冷凝单元串联构成,每个冷凝单元设有一个进液接头,并与定子绕组的内冷却通道出液口对应联通,这样进入循环冷却回路中的冷却液体在绕组各内冷通道出液口的压力差,被压力平衡器均匀等分,每个通道内冷却液体产生的压力也基本相等,因此,进入定子绕组各线棒内的冷却液体的流量和流动阻力也基本相等。当机组运行时,绕组内部的冷却液体吸热后带着热量流出,并与呈气态和液态混合状态的混合物一起进入压力平衡器,这些混合物首先由压力平衡器中的冷凝器冷凝成液体,然后进入内部的汇液通道。在这里,只要调节压力平衡器的冷凝器的二次冷却水的流量和工作压力,就能有效地控制绕组内部冷却液体吸热后的沸腾汽化点的位置,即高绝缘低沸点冷却介质用于并实现其汽轮发电机定子绕组内部蒸发冷却的第一控制点的控制。
        1.2.2  冷却器
        冷却器是定子绕组内部蒸发冷却电机在运行过程中起热能量交换和调节进入绕组内冷通道内的冷却液体温度,以及保障整个蒸发冷却回路的可靠稳定运行的一个核心配置,它的冷凝能力与调节效果,对定子绕组内部蒸发冷却电机的可靠运行起着决定性的作用。由于内冷定子绕组设计的温升(按照水内冷规定)不允许超过45K,以及进入绕组内的进口冷却液体要有一定的过冷度,所以冷却器内部结构与参数的选择必须要考虑以上这些因素,这样才能有效地起到提高冷却器热量交换的效率与调节效果。当从压力平衡器的汇流通道出口流出的高温冷却液体,经过管道进入冷却器进行二次冷却,此时只要调节冷却器的二次冷却水的流量,就能迅速方便地控制输出冷却液体的温度,这就是本系统中第二控制点的控制。
        1.2.3  系统结构布置
        本文在定子绕组内部蒸发冷却循环系统结构设计方案中,考虑到汽轮发电机定子绕组内部冷却的推广与应用,特别是电机定子绕组水内冷介质的更换方便,还必须考虑到电机定子机座端部空间尺寸小的局限性。冷却循环系统的配置采取分体式结构,压力平衡器安装在机座的一端(绕组内冷通道出液端)的压圈上,或安装在机座的边段上;冷却器和循环泵安装在机座外部边缘附近。由于压力平衡器只冷凝从绕组通道内流出呈汽液混合状态的部分流体冷凝成液体和控制液体在导体内的吸热汽化点的位置,在回路系统中只担负少量的热量交换。压力平衡器内部汇液通道出口流出的高温度流体,主要由外部的冷却器进行第二次冷却,输出的液体温度应符合电机定子绕组冷却的技术要求,保证液体介质在导体内部流动的稳定性。
        1.2.4  高绝缘低沸点介质
        (1)介质的介电强度,液态时б_l＞14.8kV/mm,汽态时б_g≥11.2kV/mm。(2)汽化点为45℃～80℃之间。(3)化学性能稳定。(4)不助燃、无爆炸危险。(5)无毒、无腐蚀性。可选择的绿色介质有FLA、FF31-A、FF31L等。
2  循环系统实验
        根据高绝缘低沸点液体介质,用于汽轮发电机定子绕组内部蒸发冷却的原理与要求,设计了冷却液体循环系统与依照200MW汽轮发电机定子铁心和绕组线圈尺寸,建立的如图1所示的实验模型,进行了以下实验：
        2.1  模拟线棒实验
        模拟线棒由36根加热段长为8.5m,管径为6mm,壁厚为1mm的紫铜管组成,分别沿圆周方向等分固定于装置的角钢槽内。其中以120℃对称固定的3根线棒,沿铜管长度方向分别每隔0.5m埋设一个"铜-康铜"测温元件,并包有绝热材料保温。绕组内部的冷却液体选用氟利昂113。向绕组通电流加热,同时启动循环泵,电流分档为0.80I_H、0.90I_H、1.00I_H、1.05I_H、1.10I_H(I_H为292A)。每加一个档次的电流时,通电1h,待压力平衡器工作压力稳定,冷却器输出温度读数稳定在40℃左右后,由多参数巡回检测仪测取各点温度读数。图2示其中一根模拟线棒在不同电流时沿导体长度各点的温度分布曲线。
图2    模拟线棒在不同电流时沿导体长度各点温度分布曲线
1-1.10I_H;2-1.05I_H;3-1.00I_H;4-0.90I_H;5-0.80I_H
        2.2  电机定子绕组线棒实验
        绕组线棒采用某电机厂的6根QFSN-200-2型200MW汽轮发电机定子水内冷线棒,以定子铁心内径尺寸沿圆周方向等分安置。其中一根在线棒的同一侧面中间部位沿线棒长度方向分别每隔0.5m埋设一个"铜-康铜"测温元件,并在线棒直线部位均包有25mm厚的木板保温。线棒内部的冷却液体选用氟利昂113,向线棒通电流加热,同时启动循环泵,电流分档为1.00I_H、1.10I_H、1.20I_H、1.25I_H、1.30I_H(I_H为4300A),实验方法同上。图3示线棒在不同电流时沿导体长度各点的温度分布曲线。
图3    定子线棒在不同电流时沿导体长度各点温度分布曲线
1-1.30I_H;2-1.25I_H;3-1.20I_H;4-1.10I_H;5-1.00I_H
3  结论
        本文提出的内冷介质的循环系统,在系统中加设了压力平衡器和采用分体式结构的技术方案,可用于电机定子绕组内部蒸发冷却。实验表明,线棒导体温度最低点与最高点的温差均在45K以内,符合汽轮发电机的冷却技术要求;本循环系统中的压力平衡器使从绕组内流出呈汽液状态的混合物部分冷凝,发电机定子绕组出液端各线棒支路出液口的压力保持均衡,再通过调节冷凝器的二次冷却水流量和工作压力,实现了定子绕组内部的冷却液体吸热后沸腾汽化点位置的控制,以及对冷却液体温度的控制,为高绝缘低沸点液体冷却介质用于汽轮发电机定子绕组内部蒸发冷却的安全、高效、可靠地运行提供了保障。

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