水轮发电机定子绕组的强迫循环蒸发冷却装置.pdf

本发明属于电机冷却技术。提供一种水轮发电机定子绕组的强迫循环蒸发冷却装置，联接管道将定子绕组、冷凝器、压力循环泵、电液分离接头等联接成蒸发冷却回路，回路中注入蒸发冷却介质。回路中有强迫蒸发冷却介质循环的压力循环泵，定子绕组中由空心导线和实心导线组合而成的每一线棒组中包含奇数N根串联的线棒，线棒组的两引出端分别通过电液分离接头联接上绝缘引管和下绝缘引管，几个线棒组与一台冷凝器联接成一个独立的蒸发冷却支回路。本发明设计方案使电液分离接头数减少到现有技术的1/N个，不仅节约了制造成本，使安装和维护量大大减少，而且提高了系统的安全可靠性，使本发明技术更易实用化。

1.  一种水轮发电机定子绕组的强迫循环蒸发冷却装置，其主要部件和构件包括发电机定子绕组、冷凝器、压力循环泵、电液分离接头、联接管道，联接管道将定子绕组、冷凝器、压力循环泵、电液分离接头联接成蒸发冷却回路，回路中注入蒸发冷却介质，其特征是回路中有强迫蒸发冷却介质循环的压力循环泵，定子绕组中由空心导线和实心导线组合而成的每一线棒组中包含奇数N根串联的线棒，线棒组的两引出端分别通过电液分离接头联接上绝缘引管和下绝缘引管，几个线棒组与一台冷凝器联接成一个独立的蒸发冷却支回路。

2.  根据权利要求1所述的水轮发电机定子绕组的强迫循环蒸发冷却装置，其特征是压力循环泵的入口与外集液管相联，出口通过内集液管与下绝缘引管相联；上绝缘引管通过集气管与冷凝器的冷却空间相联；回液管的上端与冷凝器的冷却空间相联，回液管的下端与外集液管相联，通过上环管把整台发电机所需要的多台冷凝器并联，通过外集液管使多根回液管并联，通过内集液管使多组由N根定子线棒串联组成的线棒组并联。

3.  根据权利要求1所述的水轮发电机定子绕组的强迫循环蒸发冷却装置，其特征是所述的冷凝器是由金属罐体和装在罐内的多层密封金属管束构成，罐体与密封管束之间有冷却空间；多层密封金属管束被分成上下两部分，上部分是冷却汽相冷却介质的上层密封管束，下部分是冷却液相冷却介质的下层密封管束。

4.  根据权利要求3所述的水轮发电机定子绕组的强迫循环蒸发冷却装置，其特征是上层密封管束是螺旋形管，下层密封管束是蛇行管。

5.  根据权利要求1或2所述的水轮发电机定子绕组的强迫循环蒸发冷却装置，其特征是压力循环泵的压力P_pump设定为大于或等于串联定子线棒的入口压力P_in，其公式为：P_pump≥P_in，P_pump取略大于P_in的整数值；串联定子线棒的入口压力P_in由下式确定：
                       P_in＝ΔP_O+ΔP_TP+∑ρgh，式中：ΔP_O为未蒸发段单相流动阻力；
ΔP_TP为线棒组中空心导线内蒸发两相段的两相压力降；
∑ρgh为线棒组中空心导线未蒸发段的重位压降的代数和。

6.  根据权利要求1或3所述的水轮发电机定子绕组的强迫循环蒸发冷却装置，其特征是冷凝器金属罐体上安装有压力传感器，压力开关，减压电磁阀，二次冷却水泄漏检测和报警仪的检测电极。

7.  根据权利要求2所述的水轮发电机定子绕组的强迫循环蒸发冷却装置，其特征是所述多根回液管中的一根与磁性浮子液位计相连通，磁性浮子液位计的下端装有压力传感器。

水轮发电机定子绕组的强迫循环蒸发冷却装置
技术领域：
本发明属于水轮发电机的冷却技术，提供一种水轮发电机定子绕组的强迫循环蒸发冷却装置。
背景技术：
水轮发电机传统的冷却方法主要有两种：空气冷却和水冷却。空气冷却机组是一种外冷模式，它通过在绕组外部吹风冷却，主要是靠空气的比热吸热带走热量，所以冷却效果差。同时由于有极限容量的限制，所以这种冷却方式限制了水轮发电机向更大容量的发展。水内冷机组是通过水泵加压使水在绕组空心导线内流动从而带走热量，由于水的比热较大而且粘性小，因而它的冷却效果好。但是由于大型水轮发电机的水泵压力高，一般在6kg/cm²以上，所以在水电分离接头处容易造成漏水而引起短路。同时在空心导线内，由水和铜长期作用所产生的氧化物造成循环通路的堵塞，这些地方容易产生局部过热点而烧坏绝缘。这些事故的发生将迫使机组停机检修，造成重大的经济损失。此外制造庞大的水处理系统也给机组增加了成本。
我国自主研究开发的蒸发冷却技术也是一种内冷模式，它在继承了水内冷优点的同时完全避免了水内冷堵和漏的本质缺点。专利申请号为01131399.4的发明专利申请公开了一种水轮发电机定子绕组蒸发冷却装置，这种装置是内部充有冷却介质的全封闭自循环系统。这种自循环蒸发冷却装置的特点是利用水轮发电机的立式结构特点实现冷却系统的无泵自循环。由于无泵，系统的循环压力很低，所以每一个循环支路的长度不能过长。实际上是每一根定子线棒与联接管一起构成一个独立的循环支路。当水轮发电机定子有m根线棒，就需要有4m个电液分离接头来联通蒸发冷却回路。例如某水电站的一台水轮发电机采用了自循环蒸发冷却装置，该机组共有792个定子线棒，就需要有3168个电液分离接头。这么多的接头使机组的制造、安装、和维护都有很大的工作量，增加了机组的制造成本。还降低了机组运行的可靠性。
这里要说明的是，发电机的定子绕组是发电机的重要组成部件，而在本发明装置中，又是构成蒸发冷却回路的部件。为叙述简便起见，本申请文件将发电机定子绕组作为本发明装置的组成部件一并叙述。
发明内容
本发明的目的是提供一种水轮发电机定子绕组的强迫循环蒸发冷却装置，该装置具有水内冷的各项优点而其循环压力远低于水冷系统，由于利用高绝缘介质作为冷却介质从而避免了冷却介质的泄漏造成线棒绝缘损坏或造成相间短路的重大事故。该装置采用了N根定子线棒串联构成一个独立的蒸发冷却支回路的结构，可以使电液分离接头数减少到现有技术的1/N个，使系统的安装和维护检修量大大减小，缩短了安装工期，节约了制造成本，并且提高了安全可靠性和运行的可维护性。
本发明水轮发电机定子绕组的强迫循环蒸发冷却装置，其主要部件和构件包括发电机定子绕组、冷凝器、压力循环泵、电液分离接头、联接管道，联接管道将定子绕组、冷凝器、压力循环泵、电液分离接头联接成蒸发冷却回路，回路中注入蒸发冷却介质，其特征是回路中有强迫蒸发冷却介质循环的压力循环泵，定子绕组中由空心导线和实心导线组合而成的每一线棒组中包含奇数N根串联的线棒，线棒组的两引出端分别通过电液分离接头联接上绝缘引管和下绝缘引管，几个线棒组与一台冷凝器联接成一个独立的蒸发冷却支回路。压力循环泵的入口与外集液管相联，出口通过内集液管与下绝缘引管相联；上绝缘引管通过集气管与冷凝器的冷却空间相联；回液管的上端与冷凝器的冷却空间相联，回液管的下端与外集液管相联，通过上环管把整台发电机所需要的多台冷凝器并联，通过外集液管使多根回液管并联；通过内集液管使多组由N根定子线棒串联组成的线棒组并联。
本发明装置中，冷凝器由金属罐体和装在罐内的多层密封金属管束构成，罐体与密封管束之间有冷却空间；多层密封金属管束被分成上下两部分，上部分是冷却汽相冷却介质的上层密封管束，下部分是冷却液相冷却介质的下层密封管束。冷凝器的金属罐体上安装有压力传感器，压力开关，减压电磁阀，二次冷却水泄漏检测和报警仪的检测电极。
本发明水轮发电机定子绕组强迫循环蒸发冷却装置，其密封循环系统中的回液管其中一根通过联接管与磁性浮子液位计相联。液位计下端装有压力传感器。
本发明水轮发电机定子绕组强迫循环蒸发冷却装置，其密封循环系统中的每个冷凝器上都装有二次冷却水泄漏检测和报警仪。其检测电极是插入到冷凝器金属罐体内部冷却空间的底部，并用密封接头引出罐外，与外部电路连接。
本发明水轮发电机定子绕组的强迫循环蒸发冷却装置中，安装在外集液管和内集液管之间地压力循环泵的工作压力，按下列方法计算确定：
首先在本发明所述水轮发电机定子绕组的强迫循环蒸发冷却装置中，确定蒸发冷却系统的循环流量G如下：
                          G＝Q/(C*ΔT)
式中：Q为N根串联定子线棒组中空心导线未蒸发段的热负荷，单位为W，
      C是未蒸发段的液体冷却介质的平均定压比热，单位为W/kg.℃，
      ΔT是蒸发点温度与空心导线入口处温度的差，单位是℃，
      G是蒸发冷却系统的的循环流量，单位是kg/s。
由计算出的流量值及下述单相流阻的计算式可以计算出未蒸发段单相流动阻力ΔP₀：
Δ P 0 = λ l d ρ 2 ω 2 ]]>
其中： ω = G ρ&Agr; ]]>
式中：λ为沿程阻力系数，
      l是定子线棒组中空心导线未蒸发段的长度，单位为cm，
      d是定子线棒组中空心导线的水力直径，单位是cm，
      ρ是未蒸发段液体冷却介质的平均密度，单位是kg/cm³，
      A为空心导线的截面积，单位是cm²，
      ω是定子线棒组中空心导线未蒸发段液体冷却介质的流速，单位是cm/s。
定子线棒组中空心导线内蒸发两相段的两相压力降，即总压力降ΔP_TP的计算：
                        ΔP_TP＝KΔP_TP0
式中：ΔP_TP0为定子线棒组中空心导线蒸发两相段的全液相流动阻力，单位为MPa，
       K为放大倍数。
N根串联定子线棒的空心导线的入口压力P_in由下式确定：
P_in＝ΔP₀+ΔP_TP+∑ρgh
式中：∑ρgh为N根串联的定子线棒中空心导线未蒸发段的重位压降的代数和，单位为MPa。
压力循环泵的压力由下式确定：
P_pump≥P_in，泵的压力取略大于P_in的整数值
式中：P_pump是压力循环泵的压力值，单位是MPa。
本发明的水轮发电机定子绕组强迫循环蒸发冷却装置，与现有技术的水内冷机组和自循环蒸发冷却装置相比，具有下列显著的特点和效果：
(1)由于本发明强迫循环蒸发冷却系统内的冷却介质具有高绝缘性能，并且系统的工作压力较低，所以既避免了水内冷机组那种因定子绕组内水泄漏发生短路事故的危险，又杜绝了定子绕组空心导线内铜离子与水中氧离子的化合物造成的通路堵塞。从而极大地提高了运行可靠性。
(2)本发明装置采用了N根定子线棒串联的结构，使电液分离接头减少到现有技术的1/N个，使系统的安装和维护检修量大大减小，缩短了安装工期，节约了制造成本，并且提高了安全可靠性和运行的可维护性。
(3)装置中压力循环泵的压力值固定，负荷大小的变化将改变蒸发点的位置，使绕组的温升基本保持恒定，从而减小了负荷变更时绕组铜导体和绝缘之间的相对运动和摩擦，以至大大延长了绝缘的使用寿命，也就减少了线圈的更换量，节约了维护费用，创造了经济利益。
(4)采用水轮发电机蒸发冷却不需要水内冷所需的水处理系统，节省了投资和运行费用。
(5)冷凝器上安装的二次冷却水泄漏检测和报警仪确保本装置安全可靠运行，当冷凝器中的冷却管束发生二次冷却水微量泄漏时，检测仪会报警提示运行维护人员及时进行处理。
附图说明：
图1是水轮发电机定子绕组强迫循环蒸发冷却装置原理图
具体实施方式：
图1所示为立式水轮发电机定子绕组的强迫循环蒸发冷却装置。为叙述简明，以三根定子线棒串联的线棒组为例示意说明。三根定子线棒首尾相联通过并头套2焊接联接构成串联的定子线棒组1。定子线棒组1的上端通过电液分离接头3和上绝缘引管4相联。电液分离接头是一种使绝缘引管和定子线棒密封联接的固定件。上绝缘引管4通过密封接头5与集气管6相联。集气管6再和冷凝器7的冷却空间相连。冷凝器7的冷却空间与回液管8相联。回液管8通过联接管与磁性浮子液位计9相联。液位计下端装有一只压力传感器10。回液管8的下端联接外集液管11，外集液管11通过密封接头12联接压力循环泵13的入口，压力循环泵13的出口通过密封接头14与内集液管15相联。内集液管15通过密封接头16联接下绝缘引管17。下绝缘引管17与下电液分离接头18相联，下电液分离接头18与定子线棒组1的下端相联。冷凝器7罐体外上部安装上压力传感器19、压力开关20、减压电磁阀21、以及二次冷却水泄漏检测和报警仪的电极22，(该电极插入冷凝器冷却空间的底部)。冷凝器7的内部装有上层密封金属管束23和下层密封金属管束24。上层密封管束23是螺旋形管，下层密封管束24是半圆弧形的蛇行管。管束23和24的进出口经密封引出罐外，其中流通二次冷却水。上环管25使发电机的多个冷凝器并联。串联线棒组1中的空心导体，回液管8及与其联通的部件中注入冷却介质。在本实施例中，选用的冷却介质具有高绝缘、低沸点、安全、无毒、稳定的特性，如氟利昂113或其替代品新型环保的氟碳化合物。
图1所示实施例子中的设计数据参数、规格型号等如下：
二次冷却水泄漏检测和报警仪可以使用中国发明专利01131399.4中所述的机构和外围报警电路；
蒸发冷却介质采用CFC113；
针对400-500MW蒸发冷却水轮发电机，定子线棒总数取为792根；
电液分离接头数为1056个；
定子绕组的额定铜损耗为1650-2000kW；
每一根定子线棒内部采用8根空心导线带32根实心导线的结构；
该示例装置采用三根定子线棒串联，其中的空心导线的线规为2.5×9.6mm²，每根线棒长度为5000mm；
定子线棒组的额定热负荷取值为6-9kW；
定子线棒组中每一根串联空心导线的热负荷取值为800-1100W；
蒸发点温度与空心导线入口处温度的差ΔT取30-35℃；
定子线棒组中空心导线未蒸发段的长度l取设计值为1350-1450cm，
放大倍数K的取值范围是20-50，
根据以上取值范围，可以确定该示例装置的压力循环泵的压力值P_pump为0.3MPa。
本发明装置的运行工作过程是：当绕组内空心导体中的冷却介质吸收导体铜损耗所发散的热量而逐渐升温，当温度达到当地压力所对应的饱和温度时，冷却介质开始汽化形成气相和液相的混合物。由于冷却介质在串联的定子线棒组中的空心导线中的流动路程较长，单相液体流动阻力较大，所以压力循环泵13提供系统循环动力的同时克服介质在回路中的流动阻力。冷却介质的气相和液相混合的两相流体流向冷凝器的冷却空间，并与冷凝器内部密封的两层管束中流动的二次冷却水进行热交换。冷却液气体被冷凝成液体，冷却液液体和气体冷却后的液体共同被下层密封管束中的二次冷却水冷却，降低温度后重新流回到回液管中。压力循环泵13的输出压力是固定值，循环过程随着负荷的变化自行调整蒸发点的位置。负荷高，则蒸发点靠前即气液两相段较长；负荷低，气液两相段较短，甚至不出现气液两相段而变成全液相冷却。冷凝器7上安装的压力传感器19反映冷凝器冷却空间的压力，用它可以控制减压电磁阀21以调节冷却介质的蒸发温度。压力开关20检测冷凝器冷却空间的极限涉及压力，它直接控制减压电磁阀21降低冷凝器冷却空间的压力，确保系统安全运行。与回液管8联接的磁性浮子液位计9能直观显示系统中冷却介质的灌液高度。液位计9下端安装的压力传感器10与冷凝器7上安装的压力传感器19共同把液位的电信号远程传送给中控室。安装在冷凝器7上的二次冷却水泄漏检测和报警仪的检测电极22将漏水的电信号远程传送给中控室，由中控室发出指令对系统进行漏水处理。