汽轮发电机定子绕组内部蒸发冷却循环装置

摘要

本发明汽轮发电机定子绕组内部蒸发冷却循环装置,由定子绕组线圈的内冷通道出口,压力平衡器、冷却器、循环磁力泵、汇水环、至线圈内冷通道进口顺序相联构成蒸发冷却循环回路,并注入高绝缘低沸点物化性能稳定的液体冷却介质。压力平衡器包括汇液通道和冷凝器,使压力平衡并控制液体在绕组内吸热汽化点的位置,冷却器则控制冷却液体的温度,从而保障本装置安全稳定可靠地运行,并在大型全液冷汽轮发电机中有广阔的应用前景。

说明书

本发明涉及一种用高绝缘低沸点液体介质循环冷却大型汽轮发电机定子绕组内部的装置。

现有技术中，汽轮发电机定子绕组内部的冷却，通常采用水作为冷却介质。水由机座的一端(励磁机端)经汇水环流进绕组内部，从另一端(汽轮机端)流出，出口水温控制在90℃以下。这种冷却方式是利用流动的液体介质的“比热”带走绕组内部铜耗所产生的热量。由于水在一个大气压下的沸点为100℃，因此，水介质在绕组内部不会产生汽化和汽滞现象。但是水是一种导电率高和物化性能不稳定的介质，一旦从绕组内部向外泄漏，就会发生破坏绕组绝缘或相间短路的重大事故。这种事故在运行时间较长的水内冷机组中尤为频繁和严重。

由于水冷却介质是导致重大事故的隐患，所以寻找新的冷却介质，研究新的冷却技术，提高电机运行可靠性的要求变得越来越迫切。目前国内外许多电机制造厂家都在进行新型冷却技术的研究开发。途径之一是，采用不燃烧、不导电、无毒的液体或气体来替换水冷介质。如俄罗斯、日本、瑞士和加拿大等国，将在300-500MW以上等级容量发电机上采用不燃爆的液体或气体来冷却。

在大型电机新型冷却技术方面，我国自主研究开发的蒸发冷却技术独树一帜。所谓蒸发冷却，是利用液体冷却介质汽化吸热的原理来冷却电机，选用的冷却介质具有高绝缘、低沸点、安全、稳定的特性，如氟利昂-113及其替代品新氟碳化合物。将新型冷却介质用于汽轮发电机定子绕组内部蒸发冷却，目前尚无报道。以高绝缘低沸点介质替代定子绕组水内冷介质，除了保持了水内冷的所有优点外，还具有以下的特点：(1)温度分布更为均匀；(2)低沸点介质(氟利昂-113及其替代品新氟碳化合物)的绝缘性能高，物化性能好，不会有类似水内冷因泄漏而损害绝缘的故障，也没有氧化物堵塞的问题；(3)没有水处理系统；(4)冷却液体密闭在包括绕组在内的循环装置内，一次性灌入量少。

但是，由于大型汽轮发电机定子绕组铜耗大，约占机组容量的0.25％～0.5％左右，组成绕组的许多线圈内冷通道长而窄，并联支路多并且以不同的角度分布嵌入铁芯中，端部直径大，各支路分布很不均匀的特点，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，必须要解决以下关键技术问题：①必须使冷却液体的循环装置与绕组各内冷通道相匹配，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。

本发明的目的是针对汽轮发电机定子绕组构造的特点和使用水内冷介质存在的问题，在定子绕组内冷结构更改不大的情况下，提供一种蒸发冷却循环装置，该装置采用高绝缘低沸点和物化性能稳定的冷却介质，在汽轮发电机定子绕组内部实施蒸发冷却，并保障其安全可靠地运行。

要说明的是，汽轮发电机定子绕组及其连接管道是本发明装置运行中的一个环节，而不属于本发明内容。为叙述方便起见，在申请文件中作为本发明装置的组成部分一并叙述。定子绕组是构成定子电路的导体的组合，由许多线圈组成。

本发明汽轮发电机定子绕组内部蒸发冷却循环装置(简称循环装置)，包括汽轮发电机的定子绕组，联接绕组线圈的管道，机座两端即汽轮机端和励磁机端的压圈，和其中一端如励磁机端的汇水环，进而，本发明装置包括一个具有多个冷凝单元的压力平衡器，一个冷却器，回路中灌入的高绝缘低沸点冷却液体，以及一个使冷却液体循环运动的循环磁力泵，所述压力平衡器的进液端与定子绕组各个线圈的内冷通道出液口对应联接，所述压力平衡器的出液口与所述冷却器的进液口联通，所述冷却器的出液口联接所述循环磁力泵的输入端，该循环磁力泵的输出端与安装在机座另一端如励磁机端压圈上的汇水环的进液口联通，所述汇水环的出水口与所述定子绕组线圈的各内冷通道的进液口联接。

本发明循环装置中的压力平衡器为环状，由两个金属的半环壳体组合而成，其径向剖面为矩形，其内部用金属轴向隔板沿轴向分隔成相邻的一个半环状的汇液通道和一个冷凝腔体，所述的冷凝腔体再用带孔的金属径向隔板沿圆周将冷凝腔体等分成N/2个冷凝单元(N等于定子槽数)，多根金属冷凝管顺序贯穿所述冷凝单元间金属隔板上的孔，每个冷凝单元的外侧面板的下方都设有一个进液接头，每个冷凝单元与汇液通道间的轴向隔板上有孔使二者相通，如此构成半环状串联式的冷凝器，然后用两个三通构件把两个半环壳体对接联成一体，所述的两个三通构件分别作为冷凝器的二次冷却水的进水口和出水口，两个半环状的汇液通道各有一个出液口。

本发明循环装置为分体式结构，所述压力平衡器安装在机座的一端如汽轮机端的压圈上，或安装在机座的边段上，冷却器和循环磁力泵安装在机座外部边缘附近。

本发明循环装置中，压力平衡器的进液端为多个进液接头，它们与定子绕组线圈的各内冷通道的出液口用绝缘管道相联接。所述汇水环的出液口与定子绕组线圈的各内冷通道的进液口用绝缘管道联接。所述压力平衡器的出液口与所述冷却器的进液口用金属管道联通。

本发明循环装置中的循环磁力，其进液口用法兰与冷却器的输出口固定联通，其出液口用金属管道与安装在机座另一端如励磁机端压圈上的汇水环的进液口联通。

本发明循环装置其蒸发冷却回路中注入高绝缘低沸点介质，如氟利昂-113及其替代品新氟碳化合物，循环磁力泵使冷却液体在回路中循环运动。定子绕组内部为常温(40℃至90℃)蒸发冷却方式，对绕组内部的冷却液体吸热后而流出的部分液体与气体的混合物分二级进行冷却，并且有二个控制点：一是本装置平衡与控制定子绕组内部的冷却液体吸热后沸腾汽化点位置的第一控制点，该点位于定子绕组各线圈的内冷通道出液口与压力平衡器各个进液接头的联接处；二是本装置调节与控制供给定子绕组内部的冷却液体温度的第二控制点，该点位于冷却器的出液口与循环磁力泵的联接处。

本发明蒸发冷却循环装置工作时，启动循环磁力泵，循环回路中的冷却液体经加压流入汇水环，再经绝缘管道流进绕组各线圈的内冷通道。汽轮发电机的定子绕组有电流通过时，因铜耗使导体发热，进入绕组线圈内冷通道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气体。

将高绝缘低沸点的液体冷却介质用于定子绕组内部的蒸发冷却时，欲取得有效、稳定、可靠的冷却效果，必须控制绕组各线圈内部冷却介质吸热后沸腾汽化的汽化点位置，这是本发明装置设计要解决的关键技术之一，本发明装置中的压力平衡器就是为此而设计的。众所周知，大型汽轮发电机定子绕组线圈的分布很不均匀，灌入循环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线圈中，冷却液体分布不等，容积大小不均，致使定子绕组各线圈内部的冷却液体，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线圈内部汽化点的位置离进液端太近，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和效果。

在设有压力平衡器的本发明循环装置中，循环冷却回路中冷却液体产生的压力差，被压力平衡器中的N个冷凝单元等分，每个冷凝单元中冷却液体产生的压力基本相等，因此，进入定子绕组各线圈内的冷却液体的流量和流动阻力也基本相等。循环装置运行时，绕组线圈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冷却液体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，然后通过轴向隔板上方的孔进入汇液通道。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线圈内部冷却液体吸热后的沸腾汽化点的位置，这就是第一控制点的控制。而后，从压力平衡器的汇液通道出口流出的冷却液体，经过管道进入冷却器中进行第二级冷却，进入第二控制点的控制，即调节冷却器的二次冷却水的流量，控制冷却液体的温度在40℃左右，然后送进循环磁力泵，冷却液体经循环磁力泵加压后进入汇水环，最后进入绕组线圈内部，如此就形成了一个周而复始的循环运行。

图1是本发明汽轮发电机定子绕组内部蒸发冷却循环装置及其联接示意图。

图2是本发明装置的压力平衡器结构图。

图3是图2中的压力平衡器局部I结构放大图。

图4是对模拟绕组内部泵入高绝缘低沸点介质加电流发热试验时测得的沿导体长度的温度分布曲线图。

图5是对200MW汽轮发电机定子绕组水内冷线棒，泵入高绝缘低沸点介质，加电流发热试验测得的沿导体长度的温度分布曲线图。

下面结合附图所示实施例，对本发明内容进一步详细说明。

首先请参见图1。本发明蒸发冷却循环装置包括汽轮发电机的定子绕组60，它由许多线圈组成，线圈的进液管50和出液管70均采用绝缘管；一压力平衡器10、一冷却器20、一循环磁力泵30用金属管道顺序相联，循环磁力泵30的输出端与汇水环40的进液口联通，汇水环40的许多出液口与定子绕组许多线圈的内冷通道的进液口联接。整个循环装置为分体式结构，压力平衡器10安装在机座的一端汽轮机端的压圈上或安装在机座的边段上(图上未表示)，所述冷却器和循环磁力泵安装在机座外部边缘附近(图上未表示)。

本发明压力平衡器10为金属焊接结构，如图2和图3所示。它由两个金属的半环壳体组合而成，其径向剖面为矩形，半环状壳体用金属板141、142、143、144拼合焊接而成，其内腔沿其轴向用金属轴向隔板17分隔成一个汇液通道16和一个冷凝腔体15。该冷凝腔体15再被带孔的金属径向隔板11等分隔成N个冷凝单元13，多根(图上所示为5根)金属冷凝管12顺序贯穿冷凝单元间径向隔板11上的孔；每个冷凝单元13的外侧板144的下方均装有一个进液接头18，每个冷凝单元与汇液通道间的轴向隔板17的上方均有一个孔19使二者联通，如此构成半环状串联式的冷凝器13，用两个三通式构件101和103把两个半环状壳体联接成一个环状的压力平衡器，101和103分别作为冷凝器的二次冷却水的进水口和出水口，用绝缘管把定子绕组各个线圈的内冷通道出液口与压力平衡器10上的各个进液接头18对应联接，102与104分别是压力平衡器中的左右汇液通道的出液口。冷却器20选用的是普通的热交换冷却器。循环磁力泵型号为32CQ-15型。

以下的两个定子绕组发热模型实验及沿导体长度各点测得的温度分布曲线(图4和图5)说明了本发明循环装置的特点和效果。

定子绕组发热模型实验1

依照200MW汽轮发电机定子铁芯、绕组线圈尺寸，建立了定子绕组实验发热模型。模拟绕组由36根长度为8.5米，直径为6毫米，壁厚为1毫米的紫铜管构成的36个模拟绕组线圈(60)组成，以定子铁芯内径尺寸沿圆周方向每相隔10°安置一个绕组线圈(60)，绕组线圈(60)两头用绝缘管(50)和(70)分别与汇水环(40)和压力平衡器(10)连接成图1所示的回路。绕组线圈(60)内部的冷却液体选用氟利昂-113。向定子绕组线圈(60)通电流加热，同时启动循环磁力泵(30)，电流分档为0.8I_H1、0.9I_H1、1.0I_H1、1.05I_H1、1.10I_H1(I_H1为260安)。每加一个档次的电流时，通电一小时，待图1中的压力平衡器(10)工作压力稳定，和冷却器出液温度读数稳定在40℃左右后，由多参数巡回检测仪测取各点温度读数。图4所示为其中一个绕组线圈(60)在不同电流时沿导体长度各点温度分布曲线图。从曲线图可知，绕组线圈内部冷却采用蒸发冷却后，两端的温差均在40K以内，符合汽轮发电机的冷却技术要求。

定子绕组发热模型实验2

依照200MW汽轮发电机定子铁芯、绕组尺寸，建立了定子绕组实验发热模型。绕组线圈(60)采用某电机厂提供的6根200MW汽轮发电机定子水内冷线棒，以定子铁芯内径尺寸沿圆周方向等分安置，绕组线圈(60)两头分别用绝缘管(50)和(70)与汇水环(40)和压力平衡器(10)连接成图1所示的回路。绕组线圈(60)内的冷却液体选用氟利昂-113，向定子绕组线圈(60)通电流发热，同时启动循环磁力泵(30)，电流分档为1.0I_H2、1.10I_H2、1.20I_H2(I_H2为4300安)，每加一个档次的电流时，通电一小时，待图1中的压力平衡器(10)工作压力和冷却器出液温度读数稳定后，由多参数巡回检测仪测取各点温度读数。图5为其中一个绕组线圈(60)在不同电流时沿导体长度各点温度分布曲线图。该曲线图表明，绕组内部冷却采用蒸发冷却后，绕组线圈两端的温差均在40K以内，符合汽轮发电机的冷却技术要求。

本发明汽轮发电机定子绕组内部蒸发冷却循环装置，不仅具有水内冷的所有优点，而且因采用低沸点、高绝缘性、物化性能好的氟利昂-113及其替代品新氟碳化合物作为冷却介质，完全杜绝了类似水内冷因泄漏而损害绝缘的故障的发生，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，运行成本低。特别是本发明循环装置中的压力平衡器使发电机的汽轮机端定子绕组各线圈支路出液口的压力保持均衡，从绕组内流出呈气液状态的混合物冷凝，再通过调节冷凝器的二次冷却水流量和工作压力，从而实现了定子绕组线圈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。

本发明循环装置，在今后研制开发的大型全液冷汽轮发电机，特别是1000MW以上容量等级的巨型汽轮发电机，以及电机定子绕组要求内冷的机组，都具有广阔的应用前景。