水轮发电机蒸发冷却历史进展

世界各国进行蒸发冷却研究始于20世纪60年代初期，前苏联、日本、美国、英国不断发表有关研究成果的文献。中国开展蒸发冷却研究始于1958年，1983年投运了两台11.8 MV·A定子绕组蒸发冷却水轮发电机，1991年投运了1台60MV·A定子绕组蒸发冷却水轮发电机，单机容量为444 MV·A大容量定子绕组蒸发冷却水轮发电机已于1999年在李家峡电站投人运行。

液态冷却介质从位于上机架附近的冷凝器引出，由定子绕组底部进入导体内部，吸热后气化产生气泡，形成液、气两相混合的流体，其比重小于未气化液体的比重，故在流动压头作用下沿导体向上流动，从定子绕组顶端引出至冷凝器，经二次冷却水冷凝为液体循环使用。对于转子，由于存在离心力的作用，使自循环冷却效果更为显著。

蒸发冷却的特点是：①由于冷却介质蒸发时的导热能力比空气和水高几倍多，因此在相同条件下，采用蒸发冷却可以减小机组尺寸，减轻机组重量。②蒸发量随负荷大小变化，具有明显的自调节能力，绕组温度分布均匀，延长了绝缘寿命。③充分利用冷却介质在液态及气态条件下的重力差或离心力(前者适用定子，后者适用于转子)作为循环动力，实现了自循环冷却过程。④冷却介质具有良好的绝缘性能和化学惰性，还具有不燃、不爆、稳定、无毒、无腐蚀、气化温度低等优点。

将液态介质通入水轮发电机导体内部进行蒸发冷却的方式。

水轮发电机蒸发冷却简介

水轮发电机由水轮机驱动。它的转子短粗，机组的起动、并网所需时间较短，运行调度灵活，除一般发电外，特别宜于作为调峰机组和事故备用机组。水轮发电机组的最大容量已达80万千瓦。

柴油发电机由内燃机驱动。它起动迅速，操作方便，但发电成本高，主要用作应急备用电源，或在大电网没有达到的地区和流动电站使用。容量多在几千瓦至几千千瓦之间。柴油机轴上输出的转矩呈周期性脉动，须防止共振和断轴事故。

水轮发电机的转速将决定发出的交流电的频率，为保证这个频率的稳定，就必须稳定转子的转速。为了稳定转速，可采用闭环控制的方式对原动机（水轮机）转速进行控制，即将发出的交流电的频率信号采样，并将其反馈到控制水轮机导叶开合角度的控制系统中，去控制水轮机的输出功率，通过反馈控制原理，就可以让发电机的转速稳定了。

水轮发电机蒸发冷却沿革

世界第一座水电站于1878年建于法国。美洲第一座水电站于1882年建在美国威斯康星州，采用直流发电机。1889年后,开始使用三相交流发电机。此后,单机容量增长很快，1890年仅1.5万kW,至1955年已能生产10.5万kW的发电机。中国在1949年以前自制的水轮发电机单机容量不超过200kW,1949年以后电机工业获得了蓬勃的发展，1958年已能生产7.25万kW单机，1972年已制造出30万kW双水内冷水轮发电机。位于世界前列的大容量水轮发电机为大古力水电站的 71.8万kVA定子水冷半伞式水轮发电机、伊泰普水电站73.7万kVA定子水冷半伞式水轮发电机和古里水电站70.0万kVA空冷伞式水轮发电机以及向家坝80.0万KW水轮发电机等。

水轮发电机蒸发冷却分类

水轮发电机按轴线位置可分为立式与卧式两类。大中型机组一般采用立式布置，卧式布置通常用于小型机组和贯流式机组。立式水轮发电机按导轴承支持方式又分为悬式和伞式两种。伞式水轮发电机按导轴承位于上下机架的不同位置又分为普通伞式、半伞式和全伞式。悬式水轮发电机的稳定性比伞式好，推力轴承小，损耗小，安装维护方便，但钢材耗量多。伞式机组总高度低，可降低水电站厂房高度。卧式水轮发电机一般用于转速大于375r/min的情况，以及一些小容量电站。

对于水轮发电机的容量和转速等级划分,世界各国尚无统一的标准。根据我国的情况,大致上可以按下表划分其容量和转速等级：

水轮发电机蒸发冷却结构

水轮发电机由转子、定子、机架、推力轴承、导轴承、冷却器、制动器等主要部件组成（见图）。定子主要由机座、铁芯和绕组等部件组成。定子铁芯用冷轧硅钢片叠成，按制造和运输条件可做成整体和分瓣结构。水轮发电机冷却方式一般采用密闭循环空气冷却。特大容量机组倾向于以水作为冷却介质，直接冷却定子。如同时冷却定子和转子则为双水内冷水轮发电机组。

蒸发冷却式水轮发电机是指利用低沸点的液体作为冷却介质，在定子绕组的空心线棒中吸热蒸发汽化达到冷却，形成密闭无泵自循环系统的水轮发电机 。

李家峡水电站4号蒸发冷却式水轮发电机组单机容量为400 MW,于1999年12月投人运行，是世界上最大的该类型机组 。2100433B

水轮发电机定子蒸发冷却联合循环装置专利目的

《水轮发电机定子蒸发冷却联合循环装置》在于提供了一种水轮发电机定子蒸发冷却联合循环装置，充分利用定子绕组和汇流环的蒸发冷却特点，将两套冷却系统接入同一套冷凝器系统实现蒸发介质的自循环运行 。

水轮发电机定子蒸发冷却联合循环装置技术方案

一种水轮发电机定子蒸发冷却联合循环装置，包括浸有蒸发介质的定子绕组发热体和与冷却介质蒸汽进行热交换的冷凝器系统，其特征在于还包括浸有蒸发介质的定子汇流环发热体，所述定子绕组发热体的一端通过第一总集液管、第一回液管与冷凝器底部连通，其另一端与第一总集汽管连通，第一总集汽管再通过第一集汽管与冷凝器的上部连通；所述定子汇流环发热体的一端通过第二总集液管、第二回液管与冷凝器底部连通，其另一端与第二总集汽管连通，第二总集汽管再通过第二集汽管与冷凝器的上部连通。

所述冷凝器系统包括两个或两个以上的冷凝器，且在冷凝器之间设置有使各个冷凝器相互连通的均压环管。

所述定子绕组发热体呈立式结构，所述定子汇流环发热体呈卧式结构。所述第一、第二回液管设置为高低回液管，第二回液管底部高于第一回液管底部，第二回液管顶部低于第一回液管的顶部。

所述第二总集液管低于汇流环底部。

所述第一、第二总集液管和第一、第二总集汽管均可以设置成与定子圆周同心的环状结构。

《水轮发电机定子蒸发冷却联合循环装置》充分利用定子绕组和汇流环的蒸发冷却特点，将两套冷却系统接入同一套冷凝器实现蒸发介质的自循环运行。采用该装置后，结构简单，循环可靠、节约空间，且成本低廉。由于定子绕组发热体为立式结构，在保证蒸发介质有一定液位的条件下就可以实现自循环运行，而汇流环为水平放置，其内部必须在蒸发介质全浸条件下才能实现自循环运行，采用联合循环方式就必须同时满足以上两个条件。同时冷凝器采用了高低两个回液管，高回液管供定子绕组蒸发冷却系统用，低回液管供汇流环蒸发冷却系统用，由于汇流环蒸发冷却系统的回液管低，冷凝器内的蒸发介质总是优先供给汇流环，汇流环灌满后，再供给定子绕组蒸发冷却系统，这样就同时满足了两套系统的需求，而在运行时，无论定子绕组的液位怎样变化，汇流环也总是处于全浸的状态。冷凝器系统设置有均压环管，使各冷凝器之间相互连通，实现整个蒸发冷却系统的压力均匀，使定子和汇流环对应的冷却并联支路运行状况一致，各冷凝器带走的热量更均匀，即保证了发电机定子绕组沿轴向和周向温度分布更均匀 。

水轮发电机定子蒸发冷却联合循环装置改善效果

《水轮发电机定子蒸发冷却联合循环装置》的优点：1、采用联合循环方式，解决了立式的定子绕组发热体和呈卧式的定子汇流环发热体两种不同布置方式部件的蒸发冷却问题；2、冷凝器布置高低回液管，保证两套蒸发冷却的自循环运行；3、设置集液管，实现了呈卧式布置的定子汇流环发热体蒸发冷却自循环系统；4、在冷凝器系统上布置的均压环管，使各冷凝器之间相互连通。实现整个蒸发联合循环系统的压力均匀，使定子绕组发热体和定子汇流环发热体对应的冷却并联支路运行状况一致，各冷凝器带走的热量更均匀，即保证了发电机定子绕组、汇流环沿轴向和周向温度分布更均匀 。