张 玮， 秦光宇， 刘平安
(1.国网甘肃省电力公司刘家峡水电厂，甘肃 永靖 731600；
2.哈尔滨电机厂有限责任公司，哈尔滨 150040；
3.水力发电设备国家重点实验室 (哈尔滨大电机研究所)，哈尔滨 150040)
刘家峡水电站位于甘肃省永靖县境内黄河干流上，距兰州市100km，海拔1631m[1]。电站以发电为主，兼顾防洪、防凌、航运、灌溉和工业城镇供水等，是我国自主建造的第一座百万千瓦级大型水电站。刘家峡电站第一台机组于1969年3月投产发电，1974年5台机组全部投产发电，设计多年平均发电量为57×109kW·h。1994年刘家峡水电厂开始进行机组改造，至2002年，电厂装机容量由1225MW增至1350MW。由于改造范围小和技术的局限，改造后的发电机存在定子绕组温差大、电晕腐蚀严重、绝缘受损及端部变形等问题，为了使机组能够长期安全稳定运行，需要从根本上解决机组存在的问题，其中通风系统改造是一项重要措施[2]。
改造前，发电机为双路径轴向转子端部安装斗式风扇通风结构[3-4]。发电机下风道从水泥基础进风，上风道从上机架进风，被冷却器冷却的空气经上、下风道进入机座内。在转子旋转产生的压头驱送下，冷却空气一部分流入转子支架、磁轭风道和磁极极间，另一部分被斗式风扇压入磁极极间，同时吹拂定子绕组端部。全部冷却风量通过定子径向通风沟汇集至定子铁芯背部，携带发电机热量进入冷却器进行冷却，形成密闭自循环通风方式[5]。改造前通风系统风路如图1所示，转子端部风斗结构如图2所示。
图1 发电机改造前风路
图2 转子端部风斗结构
这种结构的问题在于定子端部、铜环及引线处于封闭空间，仅有风斗对这部分空气进行扰动从而进行冷却，端部空间气体温度高、散热系数低，部件冷却难度大，过高的温度会造成绝缘受损、绕组温度分布不均等问题，长期运行危害机组安全[6-7]。为了改善端部冷却条件，在定子端部对应机座壁开设通风道，使端部有冷却风量流过，相应的风路如图3所示。
图3 发电机加强端部冷却结构后风路
该结构下，端部冷却效果有所改善。冷却端部的空气从冷却器上、下机座壁的开孔流出，未经冷却直接回到发电机内部，其温度较冷却器的出风温度有所提高。
发电机共有12个冷却器，其中绕簧式和针刺式冷却器各6台，呈穿插布置，绕簧式冷却器冷却效果优于针刺式冷却器，出风温度相差3K左右。与穿片式冷却器相比，绕簧式和针刺式冷却器换热效果都比较差，新机组基本不再选用。
为了掌握改造前发电机通风系统的情况，对其风量、通风损耗及流场进行了测量观测。
用风速表测量冷却器出风平面的平均风速，此风速值与冷却器出风面面积及冷却器个数相乘，即得总风量。一个冷却器出风面的面积为3.2m2，冷却器数量为12，测试数据见表1。
表1 冷却器风量测试数据
由于风速仪测得的风速与实际风速存在一定偏差，其曲线校正方程为 Vs＝1.027Vz＋0.124，式中，Vs为实际风速，Vz为风速仪测试值。由此计算得实际平均风速为4.19m/s，发电机通风系统总风量为161m3/s。
对定子端部机座开孔流场的观测情况如图4所示，可见有风从发电机内部流出。
图4 定子端部机座开孔流场
通风损耗为发电机空转时各冷却器带走的损耗[8]，即:
式中，Pa为被冷却介质带走的损耗，kW；
Cp为冷却介质比热，kJ/(kg·K)；
Q为冷却介质流量，m3/s；
ρ为冷却介质密度，kg/m3；
Δt为冷却介质温升，K。
由于刘家峡电站海拔较高，因此空气密度比平原低。采用电阻网测得热风平均温度为27.95℃，冷风平均温度为19.62℃，冷热风温差为8.33K，根据公式(1)计算得通风损耗为1380kW。
据电站反馈，当发电机有功功率为255MW时，定子平均温度为75℃，最高点温度为92℃，不均匀度大，且各部分温度大多较低。电站的反馈数据说明风量余量较大，多余的风量造成了不必要的通风损耗。
根据发电机定子改造的要求，针对发电机改造前存在的问题，有针对性地给出了通风改造方案[9]。改造内容包括:
(1)更换定子机座，打开定子上、下端部对应位置；
(2)改换穿片式冷却器，冷却器最高出风温度按37℃设计，以补偿高海拔环境带来的换热能力降低，改善换热效果；
(3)更换定子铁芯和线圈，减小定子通风沟高度，增加定子通风沟个数，增加散热面积，减小风量，控制通风损耗。
定子改造前后主要数据对比见表2。
表2 定子改造前后主要数据对比
应用线性技术将发电机内冷却流体流动网络简化为线性网络，应用各种元件模拟流道流阻、流体类型及压力等，进行流体动力计算，定子改造发电机通风系统计算网络如图5所示，各部分风量分配如图6所示。
图5 定子改造发电机通风系统计算网络
图6 定子改造发电机通风系统风量分配
计算得到定子改造发电机通风系统风量为150.4m3/s，通风损耗为1226kW，真机试验测得总风量为144.0m3/s，通风损耗为1230kW。风量和通风损耗计算误差在4%以内。
通风系统风量减小至改造前的89.4%，通风损耗降低至改造前的89.1%，而经计算可知，通风系统的需要风量为129.7m3/s，风量留有裕量，可以满足发电机冷却要求。定子改造实现了减小风量、控制通风损耗的目标。
为了从根本上解决刘家峡水轮发电机的问题，整机改造需要改变通风系统风路。在定子改造的基础上，进行转子改造，形成双路径向无风扇 (风斗)端部回风密闭自循环全空气冷却结构。与改造前相比，流过定子端部的风向相反，定子端部由冷却器流出的冷风直接冷却，风量大，风温低，冷却效果好。通风系统结构简单，风路稳定，无旋涡，通风损耗小，全部冷却空气都经过冷却器冷却，无热风溢出，机坑环境得到改善[10-12]。整机改造后通风系统风路如图7所示。这种通风系统已广泛应用于三峡、拉西瓦、官地、锦屏等电站机组，并取得良好的运行效果。
图7 整机改造后发电机通风系统风路
整机改造发电机通风系统计算网络如图8所示，各部分风量分配如图9所示。
图8 整机改造发电机通风系统计算网络
图9 整机改造发电机通风系统风量分配
定子径向通风沟齿部风速分布如图10所示。
图10 定子径向通风沟齿部风速分布
刘家峡水轮发电机整机改造后计算总风量为145.2m3/s，通风损耗为1068kW，总风量和通风损耗进一步降低。由图10可以看出，定子径向通风沟风速均匀，保证了定子铁芯和绕组具有相近的冷却条件，从而使温度分布趋于均匀。
为了验证该风量下定、转子各部分温度，采用有限元法对额定260MW工况下的定、转子温度场进行了计算，其中冷风温度按37℃计算。定子温度计算结果如图11所示，定子铁芯温度计算结果如图12所示，转子磁极温度计算结果如图13所示，励磁线圈温度分布曲线如图14所示。
图11 定子温度计算结果 (单位:℃)
图12 定子铁芯温度计算结果 (单位:℃)
图13 转子磁极计算区域温度 (单位:℃)
图14 励磁线圈温度分布曲线
计算得定子铁芯最高温度为79.2℃，定子线棒层间绝缘最高温度为101.1℃，励磁线圈平均温度为103.2℃。定子轴向温度分布均匀，转子磁极迎风面温度较背风面温度略低，额定运行时的计算结果说明定、转子各部件温度都在设计经验和运行实践合理范围之内。现场有监测数据显示，当发电机有功功率为230MW时，整机改造后的定子平均温度为57℃，最高点温度为59.4℃，最大温差4.9K。整机改造效果良好，可完全确保刘家峡水轮发电机的安全可靠稳定运行。
刘家峡水轮发电机改造采用了先改定子再改转子的整机改造方式，逐渐控制风量，最终采用密封性能优异的双路径向端部回风通风冷却系统代替原机转子风斗结构，不仅提高了机组的安全可靠性，而且改善了温度分布的均匀度，提升了定子铁芯防翘曲性能及使用寿命，同时大幅降低了通风损耗，提高了发电机效率。
刘家峡水轮发电机改造是老旧机组增容改造的成功案例，可为后续机组改造提供经验。
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