【摘要】本文回顧了二灘書店站水輪發電機冷卻方式的選擇；論述了近年來對水輪發電機全空冷方式新的認識：“能全空冷就不要水內冷”；介紹了龍灘、小灣和拉西瓦水電站水輪發電機全空冷方案的確定曆程及所采取的相應措施；提出：“要水冷，不如上蒸發冷卻”。

【關鍵詞】 水輪發電機 冷卻方式 全空冷 水內冷 蒸發冷卻

　　大型發電機的冷卻技術，關係到水輪發電機參數選擇、結構設計、重量和造價，是保證發電機的絕緣壽命、提高效率，保持長期安全穩定運行的關鍵技術之一，也是突破發電機容量極限的關鍵。

　　1 二灘發電機冷卻方式選擇空冷的回顧

　　在20世紀90年代初期，作者在成都勘測設計院主持了二灘水電站水輪發電機招標文件的編製工作當時主要從以下方麵對二灘水電站發電機采用空冷方案進行了分析論證。

　　1.1定子全空冷和水內冷方式各有利弊

　　世界上單機容量500~800MvA的大型水電發電機既有采用水內冷方式也有采用全空冷方式。
發電機采用全空冷方式，其電氣參數較好，而定點的效率略高；結構、布置簡單；安裝、運行、維護簡便；運行成本低，可靠性高，對電站經濟效益的回報較為有利。全空冷方式的主要問題是定子線棒軸向溫度分布均勻度略差寫，由熱引起的機械應力、定子鐵芯膨脹及“瓢曲”等問題較液體內冷發電機嚴重些。應當看到，從20實際70年代起，世界各主要製造廠家研究並開發了圓盤式轉子、浮動式定子機座，斜支臂彈性支撐、上機架八卦形支撐、徑向通風係統、F級線圈絕緣和固定係統等，在解決空冷機組冷卻、耐熱性能、變形控製和現場疊片等關鍵技術難題上取得了較大的進步，發電機的空冷製造界限已有大的提高。

　　定子睡內冷方式的定子線棒溫度較低，溫度分布較均勻，有利於改善熱應力，減小鐵芯翹曲及延長絕緣壽命；在滿足規定GD²條件下，水內冷方式可以適當降低鐵芯高度、縮小梯級、減輕重量；盡管一些廠家已掌握發電機定子水內冷技術，也有成功運行經驗，但定子線棒水接頭結構和水處理設備的可靠性較低，故水內冷方式的致命缺點是一旦水泄漏危機發電機絕緣和安全運行的風險較大；安裝、試驗、運行管理和檢修的難度及工作量較大；機組啟動時間較長對電站調頻調峰不利；增加了地下廠房設備布置的難度。同時，水處理設備及監控係統的製造、安裝、維護成本較高。

　　1.2 從發電機的利用係數和每極容量分析

　　發電機的利用係數以往一般不超過8(大古力為7．31， 我國白山和龍羊峽水電站分別為7•76和7．8)，古裏Ⅱ和丘吉爾瀑布水電站已分別達到8．8和10．17，比過去已有較大提高。從發電機每極容量看，由GE公司製造、於1971年投運的邱吉爾瀑布水電站機組每極容量己達16.67MVA； 由SIEMENS、東芝、日立日和三菱公司聯合製造並於1983年投運的古裏Ⅱ水電站單擊容量805WVA，每極容量為15．1MVA。二灘水電站發電機每極容量為14.75WVA， 各主要廠商均表示沒有困難。二灘水電站發電機采用全空冷方式，利用係數為10左右，既達到世界先進水平，也是當時發電機全空冷技術力所能及的。空冷發電機的可利用係數95％～95％，水冷僅為90％～95％。

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　　根據當時對外技術變流資料，由Ⅱ章大GE公司初步估算認為，二灘水電站發電機定水內冷的價格比空冷貴15%；阿爾斯通公司則表示要貴9%；東芝公司認為二灘水電站發電機采用半水內冷，水內冷線圈工藝複雜；價格明顯昂貴。另外，二天水電站為地下廠房，睡到不笨Lv較大，調保計算要求發電機的GD²不得小於95000t•㎡，古發電機的重量不可能因采用水內冷而有較大的減輕，這樣失去了水內冷機組重量較輕、價格可略低的主要優點，相仿水內冷發電機的總價格將不空冷的要高。

　　1.4 從效率分析

　　水內冷和全空冷發電機兩者效率相當。水內冷發電機需要的風量小，相應的風損小、空載損耗小，低於額定容量運行時的效率略高。按阿爾斯通公司提供的資料，二灘水電站發電機全空冷最高效率為98.65％，而水內冷最高效率為98.58％。

　　1.5 從係統穩定分析

　　近期內四川500kV網架還較為單薄，不希望Xd’大。而二灘水電站水內冷發電機的Xd’在0.36及以上，難以滿足電力係統不大於0.33的要求。

　　綜上所述，我們根據當時國內外廠家的製造水平和二灘水電站的具體條件分析，認為全空冷發電機的優點較多，推薦采用全空冷方式。

　　2近年來對水輪發電機全空冷方式新的認識

　　冷卻方式已經不受每極容量的限製

　　參照國內外製造廠家、特別是哈點有關技術資料，隨著通風冷卻技術的改進和完善、絕緣技術進步以及防止鐵芯膨脹翹曲設計技術的進步和發展，國內外全空冷發電機組已得到泛應用，其容量、槽電流及電負荷有不斷增大的趨勢。采用全空冷的常規水輪發電機，特別是抽水蓄能電站的發電電動機已完全突破每極容量的限製，其值可高達25~40MVA。普遍認為，發電機的冷卻方式已不受每極容量的限製，而更注重對機組的轉速、發電機額定電壓、定子繞組支路數與槽電流的合理匹配及熱流密度的分析計算。為保證全空冷水輪發電機（發電電動機）安全穩定可靠運行，必須嚴格控製其槽電流、電負荷及熱負荷值在一個比較核實的範圍內，即對大容量全空冷發電機的槽電流值宜取5500~7300A；熱負荷值宜控製在2000~2700A²/（㎝•㎜²）的範圍內。

　　注重關鍵部位梯級損耗密度和熱流密度的合理取值

　　進行電磁設計時，通過多方案的分析優化，最終選擇的發電機主要尺寸（定子鐵芯內徑和高度等）及電磁負荷要綜合滿足對效率、主要電抗參數、溫升、GD²、剛強度和總體布置的要求，並對主要發熱部件產生的損耗與其相應結構尺寸進行匹配計算，以獲得核實的梯級損耗密度和熱流密度，確保全空冷發電機的通風冷卻係統安全、可靠、經濟。

　　哈電在分析國內白山、岩灘、天生橋（一、二級）、隔河岩、小浪底、水口、二灘、五強溪、水布埡水電站，以及廣州（一、二級）、天荒坪抽水蓄能電站等典型空冷大容量水輪發電機等大量統計數據猴指出，目前對空冷發電機定子繞組梯級損耗密度的取值範圍為0.15~0.45W/㎝³。定子鐵芯梯級損耗密度取值範圍為0.025~0.04W/cm³；對500WM級及以上發電機，此值宜控製在0.024~0.034W/㎝³。由鐵芯損耗產生的熱流密度（比熱負荷），對大容量全空冷水電發電機，其合理取值範圍為1.15~1.35W/㎝²。由定子繞組損耗產生的熱流密度取值範圍為0.5~0.77W/㎝²，大容量全空冷發電機可取上限值。
目前700MW級的龍灘、小灣、拉西瓦和三峽右岸水電站發電機，其定子繞組體積損耗密度、定子鐵芯體積損耗密度等取值範圍均處於水電站我國20世紀90年代後設計、製造和投運的隔河岩、二灘、天生橋一級、水布埡等水電站大容量空冷發電機正常設計製造經驗範圍內，並有一定裕度。其中除定子鐵損梯級密度值歲電機容量的提高而適當減小外（通過適當降低溫升,以減小熱變形和熱應力、防止鐵芯翹曲等），其餘的梯級損耗密度和熱流密度值均隨電機設計製造技術的先進性和容量的提高而增大。

　　通風冷卻已不僅關注Lt/τ指標

　　此外，考慮到鐵芯長度與極距的比值（Lt/τ）是衡量空冷發電機通風冷卻的主要彈性數據，過大的Lt/τ 將直接影響冷卻和安全運行。小灣的Lt/τ為3.87，龍灘為3.92，拉西瓦為3.90、三峽右岸為4.34，均處於已運行大容量全空冷發電機設計、製造和運行的經驗範圍內（如Foz do Areia為4.70、Serra Dames為4.58、Xingo為5.01，古裏5.67、李家峽4.17、葛洲壩4.12、二灘3.27等）。實際上，隨著通風冷卻技術的進步與發展，對采用雙路徑向密封自循環空冷方式的中、低速大容量水輪發電機及高速大容量發電電動機，其通風冷卻已不僅僅關注Lt/τ指標的限製，而更注重考慮運行的安全可靠（如取消風扇等輔助部件）、總風量的控製、風量和風俗的均勻分布以及預期達到的冷卻（溫升）效果。這些，均克通過發電機封路係統的優化設計、通風冷卻係統日益精確的數值計算並輔之以通風模型試驗的驗證萊予以保證。

　　3 龍灘、小灣和拉西瓦水電站誰理論發電機空冷方案的確定及相應措施

　　近年來，受業主的委托，作者代表水電水利規劃設計總院主持了龍灘、小灣等水輪發電機組招標文件的審查，考慮到業主的意願，根據設計局、特別是哈電、東電等國內外主機製造廠家的技術交流資料和分析論證報告，同意龍灘、小灣等水電站水輪發電機有原水冷方式改為全空冷方式。

　　3.1 龍灘水電站水輪發電機冷卻方式的確定
在2001年10月龍灘水電站機組技術專題谘詢會上，作者對龍灘水電站水輪發電機冷卻方式的書麵谘詢意見如下：

　　⑴水內冷方案對機組調峰運行時控製繞組絕緣冷熱循環溫差的熱變形較為有利（特別是在定子鐵芯高度較高時，龍灘水電站機組已達3.6m）。但水內冷方案的接頭多，又有一套水處理裝置，相對全空冷方案的可靠性要差一點。每台機一套水處理裝置占地約5×7m²，對龍灘水電站地下廠房的布置是較為困難的。

　　⑵目前看來，全空冷方案應是技術上成熟的方案；龍灘水電站發電機也屬空冷每極容量的正常設計範圍；全空冷方案設計的當也可確保定、轉子通風均勻冷卻。通過二灘水電站空冷技術的引進，國內東方廠已掌握GE公司的通風技術專利，且進來通過幾次對外投標，嚐到勒甜頭，古裏水電站機組最大容量805MVA，定子鐵芯長度已達3.8m，每極容量達15.1MVA。現又經過了二三十年，世界上發電機通風冷卻技術已有較大發展，國內兩大製造廠家已有二灘水電站的經驗（每極容量已達14.6MVA），龍灘水電站沒幾容量14.4MVA（按700MW考慮），與二灘水電站水平相當，，技術上應是有把握的。

　　⑶鑒於龍灘水電站為地下廠房，水內冷方案在布置上有一定難度；加上電站調保計算又對機組GD²有一定要求，建議能全冷就盡量不要水內冷（反正是建立在與外商聯合設計的基礎上）。招標文件宜盡量少一些比較方案為好。吸取我國天荒坪抽水許能電站機組（每極容量高達30MVA）等工程的成功經驗，建議表述技術規範中規定要求廠家提交發電機通過設計計算書並進行通風模型試驗，機組的通風設計方案應提交業主批準猴實施。

　　隨後，作者主持的龍灘水電站水輪發電機組招標文件評審會審查意見同意優先采用全空冷方案，並明確“建設取消定子水內冷方案”，指出：“水輪發電機技術條款中最重要的部分應是與發電機采用全空冷方式有關的規定和要求，應重點研究和補充說明”。

　　3.2 小灣水電站水輪發電機冷卻方式的確定

　　作者主持的小灣水電站水輪發電機組招標文件評審會審定意見：“同意優先采用全空冷方案，也可采用定子水內冷方案。投標人可根據自己的經驗提出推薦方案，但必須報全空冷方案，由業主最終選定”

　　3.3 拉西瓦水電站水輪發電機冷卻方式的確定

　　拉西瓦水電站可行性研究報告發電機原采用水內冷方式，水電水利規劃總設計院的審查意見明確指出：“同意暫采用定子水內冷、轉子空冷的方式，下階段克進一步研究采用全空冷方式的合理性”。猴根據審查意見和業主的要求，召開了“700MW水輪發電機組研究成果彙報暨專家谘詢會”，會議紀要明確建議優先采用全空冷方案，不排除其他冷卻方案。投標人可根據自己的經驗提出推薦方案，但必須報全空冷方案，由業主最終選定。

　　3.4 對水輪發電機全空冷方案要求采取的相應措施

　　龍灘、小灣和拉西瓦水電站水輪發電機為我國近期重點開發的舉行全空冷水輪發電機，由於發電機運行時發熱量巨大，為有效控製發電機定、轉子線圈唯獨和鐵芯溫度，保證發電機的安全穩定運行，我們]應十分重視發電機通風冷卻係統的設計。由於我國哈電、東電等電及製造廠係通過引進技術、首次設計製造700Mw級特大型全空冷機組沒作者在這些電站機組設計審查、招標文件谘詢、合同談判及設計聯絡會等不同場合，特別強調了應采取如下措施。在所花代價不大的情況下。寧可適當多留點裕度，在可能的情況下將全空冷方案的風險降到最低。目的是確保發電機全空冷方案的順利實施並為今後成功投運打下較好的基礎。在機組成功投運後，將再回過頭來好好總結經驗、教訓，看看這些裕度或措施是否保守、必要和合理。

　　(1)鼓勵國內廠家與有資質的國外製造廠進行發電機冷卻方案的聯合設計，同時也要信任我國主機製造廠家近年來通過引進技術、合作生產已具備較為豐富的設計、製造、運行經驗和堅實的計算機軟件、模型試驗以及人才等技術儲備。在多次設計聯絡會上，要求業主、設計院和製造廠家共同研究和分析發電機通風冷卻結構設計的合理性。

　　(2)強調進行發電機通風模型試驗；建議明確規定在頭表情或者合同簽訂猴應進行發電機通風冷卻模型試驗，並隨投標文件提交發電機通風冷卻計算和模型試驗的分析論證報告。

　　(3)嚴格控製定子鐵芯的材質和熱源：建議招標文件明確規定定子鐵芯矽鋼片在B=1T時的單位損耗不高於1．05w／kg。

　　(4)同意發電機定、轉子繞組溫升限值分別為75K和85K， 以在啟動頻繁且出力變化較大大的情況下適當減低其熱應力並留有一定裕度。

　　(5)希望空氣冷卻暑}的設計裕度適當增大些：建議“空氣冷卻器應具備至少15%的設計裕度，當15%(且至少一台) 的空氣冷卻器退出運行時，發電機應能在額定運行工況下長期安全運行”。

　　(6)重視空氣冷卻器的選型；目前國內外冷卻器製造廠家較多，冷卻器的設計製造技術發展很快，其傳熱、風阻性能等都有很大提高。良好的通風設計應有質量一流、、具有較高熱交換率的空氣冷卻器做保證，建議選用國內外優質產品，以保證通風設計成果的實現。

　　(7)注意海拔高度對通風係統設計的影響並進行必要的修正。

　　應當指出，上述主要措施，得到了主機廠家，特別是成功中標承擔了上述電站水輪發電機設計和製造的哈電的大力支持和主動、認真實施；通過近年來不斷努力，哈點在大型全空冷水輪發電機通風冷卻係統的設計、計算和模型試驗等方麵已處於世界一流水平。

　　3．三峽水電站水輪發電機的冷卻方式

　　三峽左岸電站14台700Mw機組采用了水內冷方式，這對我國引進國外已行之有效的水內冷技術是有益的。根據本文的上述觀點，特別是在每極容量}巳達14．57MVA的二灘水電站全空冷發電機成功運行之後，對於每極容量僅為10MVA的三峽水電站機組，是在沒有多大必要采用水內冷方式。感到欣慰的是三峽右岸電站已有4台發電機采用了全空冷方式，目前已有一台全空冷發電機成功投運，這十分有利於通過對比運行進一步總結兩種冷卻方式的經驗、教訓。

　　4 要水內冷，不如上蒸發冷卻

　　蒸發冷卻技術應用於水輪發電機是繼目前已廣泛采用的全空玲、定子水內冷方式後，在20世紀80年代開發的具有我國自主隻是產權的新型冷卻方式。

　　蒸發冷卻技術具有與水內冷技術相當的冷卻效果，其放電機定子繞組溫升低且分布均勻，有利於降低發電機熱應力和提高絕緣壽命，對機組的安全穩定運行較為有理。與水內冷方式比較，蒸發冷卻方式有如下優勢：空心導線無氧化堵塞問題；無采用不鏽鋼空心線特殊材料要求；取消了價格昂貴的純水處理係統（進口ABB和SIEMENS設備價格分別為108萬美元和220萬美元，使發電機總成本增加2.5％~5％，且布置尺寸增加）；蒸發冷卻介質無毒、安全、化學穩定性好，為具有高絕緣、防火和滅弧性的環保型冷卻介質，從根本上杜絕了泄漏引起的絕緣故障的問題，因而克服了水內冷方式的致命缺點；相應循環係統的管路密封較易解決，在容器和管路中不結垢；不像水內冷為運行壓力高（0.6Mpa）的高壓純水強迫循環係統，而且無壓(僅0.03Mpa及以下，相當於水內冷的1/12)的無泵自循環係統；運行簡單，維護方便、可靠性較高；施工安全和工期較短。

　　中科院電機研究所和東電合作 研發、製造，額定容量10MW、額定轉速1000r/min的蒸發冷卻水輪發電機於1983年在雲南大宅水電站投入運行；額定容量50MW，額定轉速214.3r/min的蒸發冷卻水輪發電機於1992年在陝西安康水電站投入運行；額定容量400MW ，額定轉速為125r/min的大型蒸發冷卻水輪發電機於1999年在青海李家峽水電站投入運行。通過上述水電站成功的工業試驗，驗證了蒸發冷卻技術的科研成果是可信的，具有工程應用的值價。

　　近幾年萊在中國長江三峽工程開發總公司的大力支持和積極推動下，中科院電工研究所和東電、哈電等有關設計、科研、製造單位通力合作，將蒸發冷卻技術應用到700Mw級水輪發電機上，進行了局部計算機模擬試驗和數值仿真計算，解決了蒸發冷卻技術在大型水輪發電機上工業化應用的一係列技術難題，通過專家評審，中國長江三峽工程開發總公司準備采用，目前正在實施中。 ┃

　　當然 ，蒸發冷卻的技術性能和有點能否有效發揮、與其他冷卻方式相比的優劣和經濟性等尚需經過工業運行實踐的檢驗。

　　結束語

　　作者希望國內廠家通過您年來陸續投運的龍灘、三峽、拉西瓦、小灣等大型全空冷機組的運行和全麵測試，並與計算程序和模型試驗結果相互印證，進一步總結經驗、教訓，使我國水輪發電機的空冷技術更加成熟和完善；與此同時，也要加速840MVA及以上級水輪發電機組采用蒸發冷卻技術產業化的進程；特別是要通過對水輪機水利設計、大型鑄鍛件製造加工和發電機通風冷卻、推力軸承、24kV及以上電壓級高壓定子繞組等關鍵技術的攻關和創新，勇攀世界水輪發電機設計製造的頂峰，Wie今後設計製造1000MW級巨型水輪發電機的冷卻方式積累經驗，以利於我國西部水電大開發和西電東送的總體戰略的實施。