灯泡贯流式发电机组尾水冷却器换热能力计算研究

韩荣娜，于 涛

(哈尔滨电机厂有限责任公司，黑龙江哈尔滨 150040)

0 引言

贯流式水轮发电机组是开发低水头水力资源的良好机型。由于建立低水头水电厂，一般情况下工程较简单，工期短、见效快，因此，贯流式水电机组得到广泛的应用。

贯流式机组因受灯泡比的影响，发电机的直径要比常规机组小，Lt/τ值大，对发电机的通风冷却不利。冷却器作为中间热交换部件，其冷却水是由冷却水循环系统提供的。发电机所产生的损耗热最终要通过冷却水循环系统带走。冷却水循环系统的出水温度决定冷却器的进水温度，从而影响冷却器的出风温度。而冷却器的出风温度又直接影响发电机的散热性能。因此，冷却水循环系统设计的好坏成为通风系统设计的关键之一。

1 尾水冷却方式简介

为提高电机散热能力，降低冷却水进水温度是一个有效的办法。灯泡贯流式机组冷却水的冷却方式主要有两种，一种是冷却锥套形式，另一种是装设有尾水冷却器形式。它们主要结构特点介绍如下。

冷却锥套冷却方式是在发电机的泡头与泡体之间的过渡段装设水—水冷却锥套。携带发电机损耗热的冷却水经水泵泵入冷却锥套，通过外壁与河水热交换散去热量后，重新进入电机内冷却器形成冷却水在泡体内密闭循环系统。

尾水冷却器冷却方式是在贯流发电机泡体外单独设立一套冷却系统。携带发电机损耗热的冷却水经水泵泵入尾水冷却器。冷却水利用尾水冷却器水管与外壁流动的河水进行热交换散去热量，从而将电机的热量传递给河水。降温后的冷却水重新回到供水泵入口，形成水-水密闭循环二次冷却系统。

综上所述，外设尾水冷却器与冷却锥套相比，具有可靠和稳定的性能参数，有较高的效率和经济性;外设尾水冷却器相对独立，为电机通风系统和结构设计提供了较大的空间，方便设计;同时具有安装简单、检修方便等特点。因此，近年来受到广大业主的青睐，得到大面积的推广使用。根据外设尾水冷却器结构特点，对其散热能力进行计算分析。

2 尾水冷却器

2.1 散热计算原理

贯流式机组尾水冷却器的散热原理简单地来说就是对流换热过程。其中冷却水所携带的损耗热通过尾水冷却器外壁与河水进行对流换热，将损耗热传递到河水中去。水与壁面之间的对流换热系数是一个与流速有关的参数，是尾水冷却器散热计算的关键。同时，冷却水管的排列方式、管子间距、排数以及管径等，均是换热计算必须考虑的问题［1～3］。

尾水冷却器散热计算时，首先要进行以下两点假设:

1)由于冷却水在流道内流动状态为紊流状态，其热量传递主要为对流方式，因此忽略导热;

2)由于河水流量巨大，因此忽略河水在冷却管壁的温度差异，认为河水等温。

冷却水在尾水冷却器水管内做受迫流动，将电机损耗热传递给水管。其换热准则方程式用公式(1)表示:

传递给冷却水管的热量通过水管外壁与河水换热最终传递给河水。对于尾水冷却器水管外壁换热计算，由于水管排数较多，前排引起的流体扰动加强了后排的换热，因此各排的换热将逐渐增大。当水管排数大于20时，平均换热系数采用如下换热准则方程式，所有换热准则方程式适用范围为0.7＜Pr＜500。

水管排列方式为顺排时，当Re=103～2×105时，采用公式(2)换热准则计算。

当Re=2×105～2×106时，采用公式(3)换热准则计算。

水管排列方式为叉排时，当Re=103～2×105时，采用公式(4)换热准则计算。

式中，S1为每排管间距离;S2为相邻两排水管距离。

当Re=2×105～2×106时，采用公式(5)换热准则计算。

当水管排数低于20时，采用公式(6)换热准则计算。

表1 系数εz

2.2 尾水冷却器散热能力计算算例

根据贯流式水轮发电机尾水冷却器散热计算原理，针对某电站贯流水轮发电机尾水冷却器换热能力进行计算分析。计算所需结构尺寸及参数如表2所示。

表2 结构尺寸及相关参数

根据尾水冷却器结构特点及所处河水流域的环境条件，应用Flowmaster软件进行建模计算。网络模型包括恒流源、流体延程损失元件、散热元件以及热阻等元件，详细计算结果见图1所示。

图1 温升计算结果网络图

根据计算结果分析可知，尾水冷却器进水温度为37℃时，冷却器出水温度为34.01℃，在这种情况下尾水冷却器可以带走的损耗为1 018 kW，而每台套尾水冷却器需要散去的总损耗为539.3 kW。因此，发电机尾水冷却器换热余量为88.8%，能够满足电机冷却水散热的要求。

3 结语

灯泡贯流式机组采用外设尾水冷却器的二次水-水冷却方式满足电机冷却要求，是最近电站使用较普遍的方法。通过对尾水冷却器散热计算方法的研究，以及对算例计算分析，可以总结一种有效的计算方法，为确定尾水冷却器性能参数和保证电机冷却器进水温度达到要求提供了技术支持。

［1］章熙民，任泽霈，梅飞鸣.传热学［M］.北京:中国建筑工业出版社，1985.

［2］丁舜年.大型电机发热与冷却［M］.北京:科学出版社，1992.

［3］赖伟明.马房电站灯泡贯流式机组的发电机冷却系统［J］.水电站机电技术.2006.