风冷系统结构设计及其在汽轮发电机上的应用研究

陈斌

摘要：本文主要针对汽轮发电机的风冷系统进行研究和分析，本文主要针对汽轮发电机的风冷系统进行研究，在分析风冷主要方式的基础上，提出风冷系统结构设计方式，并指出其在汽轮发电机上的具体应用。

关键词：汽轮发电机;风冷系统;结构设计

汽轮发电机的温升关系直接决定着汽轮发电机的运行质量，影响运行的安全性和稳定性。升温关系不合理不仅可能影响汽轮发电机的正常运行和工作，还可能会影响内部绝缘材料的使用寿命。因此在汽轮发电机的运行过程中，必须关注温升关系以及发热和冷却问题，为解决这些问题应该着力从两个角度入手：第一个从绝缘材料角度入手，尽可能选择耐温较高的绝缘材料;第二个是合理选择优化冷却方式，以此提升汽轮发电机的冷却效率和质量。

1.风冷汽轮发电机组的工作原理

汽轮发电机内部的转子绕组、铁心以及定子均可能存在温升的问题，一般依靠内部空气冷却来解决温升问题。然而这些空气会和外界隔绝，在密闭空间内进行循环。汽轮发电机端盖上部一般预设带有滤网的呼吸器，空气进行进出，以此平衡汽轮发电机内部和外部的空气压力。因此，汽轮发电机及其周围环境、空气必须具备良好流动性，以保障较好的换热能力。汽轮发电机内部主要依靠旋桨式风扇进行冷空气输送和传递，保障空气流动性。冷空气进入汽轮发电机后能够分为两路，一路进入气隙，在铁心径向流动以冷却铁心，另一路进行线圈端部进行冷却。最终完成了冷却任务之后的冷空气会在机座下方的出风口处进行汇集，变热的空气热量既能够冷却水循环处理之后进行降温，带走热量，以此循环，实现冷却功能。

2 汽轮机冷却装置的分类

2.1 蒸汽冷却方法

蒸汽冷却方法主要是依靠低温低压蒸汽，其来源于汽轮机锅炉启动来汽等，如果汽轮发电机中蒸汽过热度超过50℃就能够进行蒸汽冷却，在研究和实际实践中还发现蒸汽冷却还可以依靠锅炉余热实现。但蒸汽轮却方式在实际汽轮发电机锅炉冷却中存在很大问题，尤其是压力控制难度较大，蒸汽温度存在波动，极易引发气缸上下温差超标问题，可能影响汽轮机安全运行。虽然蒸汽轮却方式对提升设备检修率有极大优势，但用电率增强切操作难度较大也限制了应用。

2.2 抽真空冷却方法

抽真空冷却主要应用于比较特殊的环境，在汽轮发电机运行过程中，抽气器、过热器以及锅炉防腐阀门能够吸入低温空气，经高压缸以及中压缸之后低温空气能够进入凝汽器，以顺流冷却的方式实现汽轮发电机的快速冷却。实际应用中发现该方法存在一定应用局限性，其可能会严重损耗汽轮参数较低的汽轮发电机使用寿命。

2.3 压缩空气冷却方法

压缩空气冷却方法的应用实际主要依靠空气流量实现汽轮发电机的快速冷却，因此影响其冷却速度的主要因素是热应力水平。压缩空气冷却方法主要包括逆流和顺流两种介质流向;顺流冷却的冷却速度可控性较好，但是热冲击危险比较大;虽然逆流冷却方式的冷却均匀性稍微逊色于顺流冷却。但是其热冲击风险要更小，冷却效果较好。

对比三种快速冷却方式能够发现，压缩空气冷却方式相较具备很好的效果和更好的应用价值，尤其是在安全系数方式具有优越性。

3.新型汽轮发电机风冷系统装置设计分析

3.1 总体结构

本文提出的汽轮发电机风冷系统装置，包括空气过滤设备、通风管道、控制系统、出口喷管装置等组成。所达到的目的是，改变了发电机冷却效果差，能有效提高发电机换热性能，改善发电厂重要设备的运行条件。构造简洁，操作使用方便，适用范围广。

3.2 新型汽轮发电机风冷系统装置具体设计

为有效提升汽轮发电机风冷系统装置的冷却效果，具体设计如下：

（1）将发电机定子转子出来的部分热空气通过风道引出至机房外。风道根据现场实际情况进行配置支吊架，出口配不锈钢网。

（2）进出风道规格900*900mm，材质为Q235，厚度为5mm。

（3）按总风量的33%，风机选型：SWF系列混流式（斜流式）风机，流量23044m³/h，风机全压832pa，电机功率7.5KW，电机是防爆型电机。选型如下表：

（4）加装一路冷风管，通过空气过滤装置过滤后，由管道风机鼓入发电机出风区域底部（在空冷器上方）。如下表：

（5）布置進风系统，原则是尽量布风均匀，一共6组空冷器上均分布有出风口。

（6）改造布置图如下：

改造后的初级空气过滤器入口主要呈水平方向，并且采用防爆型鼓风机，其最终的流量23044 m/h，布置在机房内，风机后设置膨胀节及防护网，风机及风管（900*900mm）底下做钢结构，设置有操作平台。采用热排风管（900*900mm）将热风引至机房外墙外。

（7）为保证空气的清洁度和干燥度，风机前设置初级过滤（30目不锈钢滤网，能过滤较粗颗粒或棉絮，且便于清洗，降低使用成本）。风机后设置中级过滤器（能满足过滤要求和风量的配套性）。根据风道规格的匹配性和风量选型，必须满足总风量23044m³/h要求，故将过滤器外壳尺寸设计为：1000*1500mm。以便装下两个足够面积的中级滤器（滤网外尺寸为500*1500mm，额定风量为13500m³/h，两个滤网总风量大于设计要求）。

采用HWN可洗式尼龙过滤网，其具备如下特点：

（1）进口聚酰氨单丝纤维编织游料，耐磨强度高，使用寿命长，综合使用效果好

（2）聚尘率高，初阻力低，防尘性能强，可反复清洗使用

（3）超薄形铝合金型材框，可制成带拉手互连成组型，更换简便安全

本文设计中常用规格如表2所示：

3.2 新型汽轮发电机风冷系统装置具体应用

汽轮发电机运行中由于铁损和铜损的存在，会导致线圈和铁芯在运行中出现温度逐渐升高的情况。为有效解决温升问题、提高汽轮发电机的发电效率，必须进行冷却处理，降低线圈老化速度、控制线圈温度，延长寿命。通过科学的快速冷却方式及时、有效地带走铁芯和线圈热量，维持线圈绝缘温度在可控合理范围内。

就目前汽轮发电机中的小机组设备而言，主要采用空冷系统。汽轮发电机运行和转子运动过程中，两端的叶片会旋转并产生动能，在动能能带动下叶片两端的冷空气会带动进入汽轮发电机内部进行流动，将汽轮发电机转子和定子产生的热量带走，进入密闭的空冷器内部执行热交换，同时热空气中的热量会通过水循环带走。

4 汽轮机风冷系统的应用及运维策略

4.1 加强人员培训，降低误动发生几率

为保证汽轮风冷系统在汽轮发电机中的科学有效应用，必须和实际配备的汽轮发电机相匹配，这也要求相关工作人员具有较高专业素养。加强对相关工作人员的培训，不仅涵盖基础理论还应该包括实践操作，让工作人员能够高质量的执行汽轮机风冷系统的操作和运维工作。汽轮机风冷系统一般结构复杂、操作也相对复杂，如果操作失误可能影响其冷却甚至引发事故。对相关工作人员科学培训，保证其能够按照规程及标准进行装置操作，有效降低冷却操作误动，确保汽轮发电机温度运行。

4.2 清洗风冷系统进口滤网

汽轮发电机风冷系统的应用和运维中，应该尤为加强进口滤网清洗工作，避免外部杂质进入影响冷却效果，也避免了外部杂质可能对设备造成的损伤，以此保障汽轮风冷系统应用效果和运行安全性。

4.3 合理分配高、中压缸进气量

汽轮机组风冷系统应用过程中发现压力缸缸体结构和运行参数会对冷却效果产生影响，尤其是中压缸和高压缸直接存在明显差异。一般高压缸的冷却速度要略低于中压缸的冷却速度，因此在实际冷却系统应用中必须根据压力缸压力的差异进行进气量的有效调节，结合实际经验和运行情况进行优化和调节，确保在最短时间内实现对汽轮发电机的冷却，满足电厂对汽轮电机冷却温度的要求。

4.4 依据实际情况控制进气温度

风冷系统在汽轮发电机中的应用还必须要对进气温度进行控制，以保障最佳的冷却效果。针对不同的汽轮发电机和设备还具有差异，这就需要工作人员进行实际情况的调查和监测，若发现冷却效果不佳或存在问题，需要结合换热系数以及温降情况进行进气温度的调整，保障相关系数能够在标准要求范围内，有效规避热应力过大可能对汽轮机使用性能产生的不良影响。

4.5 适当改进中压缸进气位置和进口滤网

为最大程度的发挥汽轮机风冷系统的应用效果，需要结合汽轮机温升关系的实际情况对进口滤网和进气位置进行调整与改进，保证冷却效率最大化。比如中压缸原有的冷却系统一般比较繁琐并且具有繁杂的操作步骤，误动极易引发压缩空气泄漏，进而影响冷却效率。针对这种情况对汽门输水管道进行调整和优化，能够有效改善冷却效果，同时保障风冷系统安全性。原有部分进口滤网冷却效果因通流面积的影响而较差，甚至可能引发堵塞，根據这种情况将滤网优化为双筒滤网，增加通气量以提升冷却效率。

结论

社会发展和工业进步进一步提高了对电力的需求，汽轮机作为电力行业发展中的关键设备，其运行水平直接关系到电力系统运行质量。而汽轮冷却装置应用效果也直接决定了汽轮机运行的安全性，也影响着汽轮机热效率。在实际汽轮机风冷系统中，因为设备自身因素以及环境因素等，冷却效果可能较差，为此必须不断加强冷却系统优化以提升冷却效率。本文针对汽轮机快速冷却方式进行了探索，并指出了当前风冷系统中存在的问题，提出了一种新型的汽轮风冷系统设计方案，希望能够为汽轮机快速冷却提供新思路。

参考文献

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