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【摘 要】 随着社会的发展，水电建设步伐不断加快，水轮发电机的质量、工作寿命也是越来越受到人们的关注，因此加强对水轮发电机的相关研究是非常有必要的，对此本文对全空冷、水冷、蒸发冷却等不同冷却方式的经济性进行了对比。
【关键词】 大型水轮发电机；冷却方式；经济性
引言：
大型水轮发电机，其冷却方式的选择对发电机长期安全可靠运行和电机的使用寿命有着重要的影响。目前，在国内外较大容量的机组，常用的冷却方式有全空气冷却方式（全空冷）、水内冷发电机和蒸发冷却方式三种。
1、大型水轮发电机冷却方式介绍
现在我国投入运行的大型水轮发电机主要有三种冷却方式，全空冷发电机、水内冷发电机以及蒸发冷却发电机。
水内冷冷却是指定子绕组为水内冷，定子铁芯和转子为空冷。绕组采用水内冷具有承载容量大、温升低、绝缘寿命长、机组热应力小等优点，绕组水内冷系统包括一套纯水处理设备和冷却水路，相同容量的机组可以大大减小机组的设计制造尺寸。发电机定子绕组水冷技术，在世界上已有较为成功的运行经验，在三峡水电站700MW机组上也已安全稳定运行超过10年。但定子绕组水冷方式受定子结构热变形和机组振动的影响，对定子线棒内部的冷却水管、水接头和水处理设备的可靠性要求较高，如果定子绕组冷却水出现泄漏就会危及发电机绝缘，给发电机的安全运行带来风险。
全空冷是指定子铁心、定子绕组、汇流铜环、转子绕组、转子铁心均为空气冷却。大型水轮发电全空冷冷却方式多为无风扇双路径径向密闭、端部回风自循环空气冷却系统。空气通过转子的风扇作用，产生动力循环，并通过布置在定子机座外侧周围的空气冷却器进行冷却，再由电站技术供水系统冷却空冷器并把热量带走。这种通风冷却方式损耗小、风量分配均匀，上下路径对称；并且便于检修。
蒸发冷却是指定子绕组蒸发冷却方式，定子铁芯和转子为空冷方式。蒸发冷却技术是应用了绝缘性能好、沸点合适的液体替代水作为冷却介质，充入电机定子线棒的空心导线内部，利用液体沸腾吸收潜热来冷却发电机，冷却液沸点一般在60℃左右，蒸汽不必压缩即可由冷凝器在常温条件下经二次冷却水散出。吸热而沸腾后的流体改变了它的密度，利用吸热量及流体密度的变化，形成了自循环动力。不需要外加动力，就可使流体介质在全密封的冷却系统内循环，实现发电机的自行冷却目标。
2、不同冷却方式的经济性比较
因三种冷却方式各有其特点，发电机采购成本及后期运行维护成本等方面也各有不同。现通过对比三种不同水轮发电机冷却方式来对其经济性做一个评价。
2.1冷却系统结构、安装及维护比较
冷却系统结构是指不同的冷却方式为实现冷却目标所采用的冷却循环系统的组合结构。
（1）全空冷方式
空气冷却在水轮发电机中是最简单的方式，其设计制造都较水冷容易，电气参数也容易满足要求。但单机容量的增大也使单位体积的损耗增大，从而使散热困难。理论上，空冷机组是有一个极限容量的。
采用水内冷方式，绕组的热量直接由水带走，水的体积热容量为空气的3500倍，导热系数为空气的23倍，因此水冷却的效果是不言而喻的。显然，水内冷发电机有效部分的发热不是限制容量的主要因素，其极限容量主要是由电气参数来确定，如短路比、直轴瞬变电抗及限制定、转子铜耗，使满载时的效率不低于空冷发电机等。水内冷机组的极限容量可达空冷机组的1.5～2倍。全空冷的发电机尺寸比同容量的水冷发电机要大25%左右。
由于水电站的自然条件和工作状况各不相同，因此，水轮发电机的容量和转速的变化范围很大，而水轮发电机的额定容量是综合考虑了电站水能的有效利用、机组制造的可能性和经济性、机组实际运行可行性、电站的检修和布置等条件来确定的。其中主要参数的选择是很重要的，发电机的参数与发电机的整体结构是分不开的，冷却方式的选择则限定了参数水平（见表1）。
（2）水内冷方式
转子和定子铁心采用空冷，其结构与全空冷方式的结构基本一样。水冷定子线棒通常用一根空心股线带4根实心股线的结构，出线端采用水、电接头分别引出，与上下的纯水环管相连接。汇流铜环采用水冷空心圆导体。经线棒被加热的循环纯水通过出水环管引至发电机机坑外的纯水处理装置，与冷却器进行热交换，热量被冷却器的冷却循环水带走，被冷却后的纯水用泵加压到0.8～0.9MPa，再进入机坑内的进水循环水管，形成封闭的循环系统。在运行中除配置空冷的监测项目外，还需对纯水系统纯水的进出压差和温度、流量、纯水电导率、泄流量及纯水系统冷却器冷却水的进出温度、流量等进行监测。
（3）蒸发冷却方式转子、定子铁心和汇流环采用空冷，其结构与全空冷方式的结构基本一样。蒸发冷却定子线棒通常用一根空心股线带4根实心股线的结构，出线端采用蒸发介质、电接头分别引出。被加热后蒸发介质进入上集汽管，再进入冷凝器，在冷凝器中进行热交换，热量被冷却循环水带走，被冷却后的蒸发介质变成液态进入下集液管，再进入定子线棒形成密闭的环循系统。通常冷凝器沿圆周布置在发电机上盖板下方的混凝土牛腿环形平台上。发电机坑内增加了定子线棒下集液环管、定子线棒上集汽环管、冷凝器排气均压环管、冷凝器二次冷却水供水和排水环管，另外还有垂直布置的回液管，每根线棒上、下端部都有电接头和介质密封接头等部件。为了减少机坑内的管路布置拥挤，可考虑将冷凝器冷却水的环管布置在发电机机坑外的风罩墙上。在運行中除配置空冷的监测项目外，还需增加对蒸发冷却系统在机组起动、运行、停机工况下，静态液位的监测；排气管、冷凝器进出水管、冷却水总管等部位压力监测；冷凝器进出水温、集液管和集汽管中介质温度；冷凝器冷却水量和漏水的监测；在发电机风罩内适当的高度设置含氧量监视等。
全空冷方式的冷却系统结构简单，运行中监测项目少，安装工作量相对减少，一般直线工期比内冷方式可缩短15天以上，运行维护简单。目前采用的内冷方式，其实质是空冷和内冷共用的内冷方式，半水冷需增加一套纯水循环冷却系统，蒸发冷却增加一套蒸发冷却系统。 2.2不同冷却方式造价比较
通过对比三种不同冷却方式的国产700MW水轮发电机价格，三种冷却方式发电机总体价格差异不大。单独对比发电机冷却系统的造价发现，蒸发冷却系统因为其使用冷却介质的特殊性及密封性的高要求，其造价最高，而全空冷冷却系统主要依靠自循环空气冷却，其造价也相对最低；水冷冷却系统价格居中。因水轮发电机冷却方式不同决定了发电机定、转子尺寸、线棒结构等各个方面也不相同，因此单独比较冷却系统造价并不能完全说明其经济性优劣。建议应以发电机及其辅助系统的整体价格来评估不同冷却方式的经济性。
2.3运行角度选择冷却方式比较
发电机的冷却方式是发电机型式选择中颇为关键的一项，这对火电机组几乎不成问题，但对水电机组却至关重要，它关系到厂房设计、机组造价和机组投运后的可靠性、运行维护费用等。
1）转子故障大大高于定子故障。各厂水冷机的故障大多数都是发生在转子上，定子故障很少。故障现象主要是接头漏水，主要部位在塑料管接头的连接处；另一漏水部位是复合管被管夹压住的位置，因离心力和风的作用使管夹摩擦，塑料管破裂而漏水。现在，复合管外的保护层已改为不锈钢丝的纺织网，这一问题已经得到解决。定子水电接头漏水发生得不多，主要是银焊未焊透而产生渗水。以上漏水都属于制造质量问题。
2）机组刚投产时问题较多，故障逐年减少。各厂的基本情况都是在刚投产时问题较多，随着运行时间的延长，故障机率逐渐降低，这主要是因为各厂采取了一些不同的措施：对于容易发生漏水的部位在制造厂的协助下经过逐年的不断改进，漏水的可能性也在逐年降低。
针对以上情况，对三种发电机冷却形式的年运行损耗费用、年检修维护费用进行模糊统计，统计结果如表2所示。因发电机前期运行的不稳定性所造成的技改和维护量不会在以后的长期的维护中体现，表2数据只统计了冷却系统趋于稳定运行后的损耗量及维护量。
表1数据统计未将人工成本计入在内，但从平时缺陷数量及检修情况来看，人工成本同样是纯水冷却系统最高，全空冷系统最低。根据某大型水电站发变输电设备日常缺陷的统计，纯水系统的缺陷数量最多，占缺陷总数的57%，这极大增加了纯水系统的人工的维护成本，人工成本在水冷机组冷却系统经济性比较中不容忽视。
3、结束语
大型发电机冷却方式经济性比较是要从各个方面发进行的，随着时代的发展，新技术的应用，电机制造水平的提高，对这个问题的认识和选择也许会进入一个新的阶段，相信以后的大型水轮发电机冷却技术会不断的提高，从而使得企业能够获得更大的经济效益。
参考文献：
[1]袁达夫，梁波.大型水轮发电机冷却方式[J].大电机技術，2008，01：1-6.
[2]李定中.论巨型水轮发电机冷却方式的选择[A].大型水轮发电机组技术论文集[C]. 2008：5.
[3]阎永忠.特大型水轮发电机冷却方式研究[J].人民长江，2009，02：37-40.
【关键词】 大型水轮发电机；冷却方式；经济性
引言：
大型水轮发电机，其冷却方式的选择对发电机长期安全可靠运行和电机的使用寿命有着重要的影响。目前，在国内外较大容量的机组，常用的冷却方式有全空气冷却方式（全空冷）、水内冷发电机和蒸发冷却方式三种。
1、大型水轮发电机冷却方式介绍
现在我国投入运行的大型水轮发电机主要有三种冷却方式，全空冷发电机、水内冷发电机以及蒸发冷却发电机。
水内冷冷却是指定子绕组为水内冷，定子铁芯和转子为空冷。绕组采用水内冷具有承载容量大、温升低、绝缘寿命长、机组热应力小等优点，绕组水内冷系统包括一套纯水处理设备和冷却水路，相同容量的机组可以大大减小机组的设计制造尺寸。发电机定子绕组水冷技术，在世界上已有较为成功的运行经验，在三峡水电站700MW机组上也已安全稳定运行超过10年。但定子绕组水冷方式受定子结构热变形和机组振动的影响，对定子线棒内部的冷却水管、水接头和水处理设备的可靠性要求较高，如果定子绕组冷却水出现泄漏就会危及发电机绝缘，给发电机的安全运行带来风险。
全空冷是指定子铁心、定子绕组、汇流铜环、转子绕组、转子铁心均为空气冷却。大型水轮发电全空冷冷却方式多为无风扇双路径径向密闭、端部回风自循环空气冷却系统。空气通过转子的风扇作用，产生动力循环，并通过布置在定子机座外侧周围的空气冷却器进行冷却，再由电站技术供水系统冷却空冷器并把热量带走。这种通风冷却方式损耗小、风量分配均匀，上下路径对称；并且便于检修。
蒸发冷却是指定子绕组蒸发冷却方式，定子铁芯和转子为空冷方式。蒸发冷却技术是应用了绝缘性能好、沸点合适的液体替代水作为冷却介质，充入电机定子线棒的空心导线内部，利用液体沸腾吸收潜热来冷却发电机，冷却液沸点一般在60℃左右，蒸汽不必压缩即可由冷凝器在常温条件下经二次冷却水散出。吸热而沸腾后的流体改变了它的密度，利用吸热量及流体密度的变化，形成了自循环动力。不需要外加动力，就可使流体介质在全密封的冷却系统内循环，实现发电机的自行冷却目标。
2、不同冷却方式的经济性比较
因三种冷却方式各有其特点，发电机采购成本及后期运行维护成本等方面也各有不同。现通过对比三种不同水轮发电机冷却方式来对其经济性做一个评价。
2.1冷却系统结构、安装及维护比较
冷却系统结构是指不同的冷却方式为实现冷却目标所采用的冷却循环系统的组合结构。
（1）全空冷方式
空气冷却在水轮发电机中是最简单的方式，其设计制造都较水冷容易，电气参数也容易满足要求。但单机容量的增大也使单位体积的损耗增大，从而使散热困难。理论上，空冷机组是有一个极限容量的。
采用水内冷方式，绕组的热量直接由水带走，水的体积热容量为空气的3500倍，导热系数为空气的23倍，因此水冷却的效果是不言而喻的。显然，水内冷发电机有效部分的发热不是限制容量的主要因素，其极限容量主要是由电气参数来确定，如短路比、直轴瞬变电抗及限制定、转子铜耗，使满载时的效率不低于空冷发电机等。水内冷机组的极限容量可达空冷机组的1.5～2倍。全空冷的发电机尺寸比同容量的水冷发电机要大25%左右。
由于水电站的自然条件和工作状况各不相同，因此，水轮发电机的容量和转速的变化范围很大，而水轮发电机的额定容量是综合考虑了电站水能的有效利用、机组制造的可能性和经济性、机组实际运行可行性、电站的检修和布置等条件来确定的。其中主要参数的选择是很重要的，发电机的参数与发电机的整体结构是分不开的，冷却方式的选择则限定了参数水平（见表1）。
（2）水内冷方式
转子和定子铁心采用空冷，其结构与全空冷方式的结构基本一样。水冷定子线棒通常用一根空心股线带4根实心股线的结构，出线端采用水、电接头分别引出，与上下的纯水环管相连接。汇流铜环采用水冷空心圆导体。经线棒被加热的循环纯水通过出水环管引至发电机机坑外的纯水处理装置，与冷却器进行热交换，热量被冷却器的冷却循环水带走，被冷却后的纯水用泵加压到0.8～0.9MPa，再进入机坑内的进水循环水管，形成封闭的循环系统。在运行中除配置空冷的监测项目外，还需对纯水系统纯水的进出压差和温度、流量、纯水电导率、泄流量及纯水系统冷却器冷却水的进出温度、流量等进行监测。
（3）蒸发冷却方式转子、定子铁心和汇流环采用空冷，其结构与全空冷方式的结构基本一样。蒸发冷却定子线棒通常用一根空心股线带4根实心股线的结构，出线端采用蒸发介质、电接头分别引出。被加热后蒸发介质进入上集汽管，再进入冷凝器，在冷凝器中进行热交换，热量被冷却循环水带走，被冷却后的蒸发介质变成液态进入下集液管，再进入定子线棒形成密闭的环循系统。通常冷凝器沿圆周布置在发电机上盖板下方的混凝土牛腿环形平台上。发电机坑内增加了定子线棒下集液环管、定子线棒上集汽环管、冷凝器排气均压环管、冷凝器二次冷却水供水和排水环管，另外还有垂直布置的回液管，每根线棒上、下端部都有电接头和介质密封接头等部件。为了减少机坑内的管路布置拥挤，可考虑将冷凝器冷却水的环管布置在发电机机坑外的风罩墙上。在運行中除配置空冷的监测项目外，还需增加对蒸发冷却系统在机组起动、运行、停机工况下，静态液位的监测；排气管、冷凝器进出水管、冷却水总管等部位压力监测；冷凝器进出水温、集液管和集汽管中介质温度；冷凝器冷却水量和漏水的监测；在发电机风罩内适当的高度设置含氧量监视等。
全空冷方式的冷却系统结构简单，运行中监测项目少，安装工作量相对减少，一般直线工期比内冷方式可缩短15天以上，运行维护简单。目前采用的内冷方式，其实质是空冷和内冷共用的内冷方式，半水冷需增加一套纯水循环冷却系统，蒸发冷却增加一套蒸发冷却系统。 2.2不同冷却方式造价比较
通过对比三种不同冷却方式的国产700MW水轮发电机价格，三种冷却方式发电机总体价格差异不大。单独对比发电机冷却系统的造价发现，蒸发冷却系统因为其使用冷却介质的特殊性及密封性的高要求，其造价最高，而全空冷冷却系统主要依靠自循环空气冷却，其造价也相对最低；水冷冷却系统价格居中。因水轮发电机冷却方式不同决定了发电机定、转子尺寸、线棒结构等各个方面也不相同，因此单独比较冷却系统造价并不能完全说明其经济性优劣。建议应以发电机及其辅助系统的整体价格来评估不同冷却方式的经济性。
2.3运行角度选择冷却方式比较
发电机的冷却方式是发电机型式选择中颇为关键的一项，这对火电机组几乎不成问题，但对水电机组却至关重要，它关系到厂房设计、机组造价和机组投运后的可靠性、运行维护费用等。
1）转子故障大大高于定子故障。各厂水冷机的故障大多数都是发生在转子上，定子故障很少。故障现象主要是接头漏水，主要部位在塑料管接头的连接处；另一漏水部位是复合管被管夹压住的位置，因离心力和风的作用使管夹摩擦，塑料管破裂而漏水。现在，复合管外的保护层已改为不锈钢丝的纺织网，这一问题已经得到解决。定子水电接头漏水发生得不多，主要是银焊未焊透而产生渗水。以上漏水都属于制造质量问题。
2）机组刚投产时问题较多，故障逐年减少。各厂的基本情况都是在刚投产时问题较多，随着运行时间的延长，故障机率逐渐降低，这主要是因为各厂采取了一些不同的措施：对于容易发生漏水的部位在制造厂的协助下经过逐年的不断改进，漏水的可能性也在逐年降低。
针对以上情况，对三种发电机冷却形式的年运行损耗费用、年检修维护费用进行模糊统计，统计结果如表2所示。因发电机前期运行的不稳定性所造成的技改和维护量不会在以后的长期的维护中体现，表2数据只统计了冷却系统趋于稳定运行后的损耗量及维护量。
表1数据统计未将人工成本计入在内，但从平时缺陷数量及检修情况来看，人工成本同样是纯水冷却系统最高，全空冷系统最低。根据某大型水电站发变输电设备日常缺陷的统计，纯水系统的缺陷数量最多，占缺陷总数的57%，这极大增加了纯水系统的人工的维护成本，人工成本在水冷机组冷却系统经济性比较中不容忽视。
3、结束语
大型发电机冷却方式经济性比较是要从各个方面发进行的，随着时代的发展，新技术的应用，电机制造水平的提高，对这个问题的认识和选择也许会进入一个新的阶段，相信以后的大型水轮发电机冷却技术会不断的提高，从而使得企业能够获得更大的经济效益。
参考文献：
[1]袁达夫，梁波.大型水轮发电机冷却方式[J].大电机技術，2008，01：1-6.
[2]李定中.论巨型水轮发电机冷却方式的选择[A].大型水轮发电机组技术论文集[C]. 2008：5.
[3]阎永忠.特大型水轮发电机冷却方式研究[J].人民长江，2009，02：37-40.