【摘要】本文回顾了二滩书店站水轮发电机冷却方式的选择；论述了近年来对水轮发电机全空冷方式新的认识：“能全空冷就不要水内冷”；介绍了龙滩、小湾和拉西瓦水电站水轮发电机全空冷方案的确定历程及所采取的相应措施；提出：“要水冷，不如上蒸发冷却”。

    【关键词】    水轮发电机  冷却方式  全空冷  水内冷  蒸发冷却

　　大型发电机的冷却技术，关系到水轮发电机参数选择、结构设计、重量和造价，是保证发电机的绝缘寿命、提高效率，保持长期安全稳定运行的关键技术之一，也是突破发电机容量极限的关键。

　　1 二滩发电机冷却方式选择空冷的回顾

　　在20世纪90年代初期，作者在成都勘测设计院主持了二滩水电站水轮发电机招标文件的编制工作当时主要从以下方面对二滩水电站发电机采用空冷方案进行了分析论证。

　　1.1定子全空冷和水内冷方式各有利弊

　　世界上单机容量500~800MvA的大型水电发电机既有采用水内冷方式也有采用全空冷方式。
发电机采用全空冷方式，其电气参数较好，而定点的效率略高；结构、布置简单；安装、运行、维护简便；运行成本低，可靠性高，对电站经济效益的回报较为有利。全空冷方式的主要问题是定子线棒轴向温度分布均匀度略差写，由热引起的机械应力、定子铁芯膨胀及“瓢曲”等问题较液体内冷发电机严重些。应当看到，从20实际70年代起，世界各主要制造厂家研究并开发了圆盘式转子、浮动式定子机座，斜支臂弹性支撑、上机架八卦形支撑、径向通风系统、F级线圈绝缘和固定系统等，在解决空冷机组冷却、耐热性能、变形控制和现场叠片等关键技术难题上取得了较大的进步，发电机的空冷制造界限已有大的提高。

　　定子睡内冷方式的定子线棒温度较低，温度分布较均匀，有利于改善热应力，减小铁芯翘曲及延长绝缘寿命；在满足规定GD²条件下，水内冷方式可以适当降低铁芯高度、缩小梯级、减轻重量；尽管一些厂家已掌握发电机定子水内冷技术，也有成功运行经验，但定子线棒水接头结构和水处理设备的可靠性较低，故水内冷方式的致命缺点是一旦水泄漏危机发电机绝缘和安全运行的风险较大；安装、试验、运行管理和检修的难度及工作量较大；机组启动时间较长对电站调频调峰不利；增加了地下厂房设备布置的难度。同时，水处理设备及监控系统的制造、安装、维护成本较高。

　　1.2 从发电机的利用系数和每极容量分析

　　发电机的利用系数以往一般不超过8(大古力为7．31，  我国白山和龙羊峡水电站分别为7•76和7．8)，古里Ⅱ和丘吉尔瀑布水电站已分别达到8．8和10．17，比过去已有较大提高。从发电机每极容量看，由GE公司制造、于1971年投运的邱吉尔瀑布水电站机组每极容量己达16.67MVA；  由SIEMENS、东芝、日立日和三菱公司联合制造并于1983年投运的古里Ⅱ水电站单击容量805WVA，每极容量为15．1MVA。二滩水电站发电机每极容量为14.75WVA，  各主要厂商均表示没有困难。二滩水电站发电机采用全空冷方式，利用系数为10左右，既达到世界先进水平，也是当时发电机全空冷技术力所能及的。空冷发电机的可利用系数95％～95％，水冷仅为90％～95％。

　　1．3 n￡mm《"for》*

　　根据当时对外技术变流资料，由Ⅱ章大GE公司初步估算认为，二滩水电站发电机定水内冷的价格比空冷贵15%；阿尔斯通公司则表示要贵9%；东芝公司认为二滩水电站发电机采用半水内冷，水内冷线圈工艺复杂；价格明显昂贵。另外，二天水电站为地下厂房，睡到不笨Lv较大，调保计算要求发电机的GD²不得小于95000t•㎡，古发电机的重量不可能因采用水内冷而有较大的减轻，这样失去了水内冷机组重量较轻、价格可略低的主要优点，相仿水内冷发电机的总价格将不空冷的要高。

　　1.4 从效率分析

　　水内冷和全空冷发电机两者效率相当。水内冷发电机需要的风量小，相应的风损小、空载损耗小，低于额定容量运行时的效率略高。按阿尔斯通公司提供的资料，二滩水电站发电机全空冷最高效率为98.65％，而水内冷最高效率为98.58％。

　　1.5 从系统稳定分析

　　近期内四川500kV网架还较为单薄，不希望Xd’大。而二滩水电站水内冷发电机的Xd’在0.36及以上，难以满足电力系统不大于0.33的要求。

　　综上所述，我们根据当时国内外厂家的制造水平和二滩水电站的具体条件分析，认为全空冷发电机的优点较多，推荐采用全空冷方式。

　　2近年来对水轮发电机全空冷方式新的认识

　　冷却方式已经不受每极容量的限制

　　参照国内外制造厂家、特别是哈点有关技术资料，随着通风冷却技术的改进和完善、绝缘技术进步以及防止铁芯膨胀翘曲设计技术的进步和发展，国内外全空冷发电机组已得到泛应用，其容量、槽电流及电负荷有不断增大的趋势。采用全空冷的常规水轮发电机，特别是抽水蓄能电站的发电电动机已完全突破每极容量的限制，其值可高达25~40MVA。普遍认为，发电机的冷却方式已不受每极容量的限制，而更注重对机组的转速、发电机额定电压、定子绕组支路数与槽电流的合理匹配及热流密度的分析计算。为保证全空冷水轮发电机（发电电动机）安全稳定可靠运行，必须严格控制其槽电流、电负荷及热负荷值在一个比较核实的范围内，即对大容量全空冷发电机的槽电流值宜取5500~7300A；热负荷值宜控制在2000~2700A²/（㎝•㎜²）的范围内。

　　注重关键部位梯级损耗密度和热流密度的合理取值

　　进行电磁设计时，通过多方案的分析优化，最终选择的发电机主要尺寸（定子铁芯内径和高度等）及电磁负荷要综合满足对效率、主要电抗参数、温升、GD²、刚强度和总体布置的要求，并对主要发热部件产生的损耗与其相应结构尺寸进行匹配计算，以获得核实的梯级损耗密度和热流密度，确保全空冷发电机的通风冷却系统安全、可靠、经济。

　　哈电在分析国内白山、岩滩、天生桥（一、二级）、隔河岩、小浪底、水口、二滩、五强溪、水布垭水电站，以及广州（一、二级）、天荒坪抽水蓄能电站等典型空冷大容量水轮发电机等大量统计数据猴指出，目前对空冷发电机定子绕组梯级损耗密度的取值范围为0.15~0.45W/㎝³。定子铁芯梯级损耗密度取值范围为0.025~0.04W/cm³；对500WM级及以上发电机，此值宜控制在0.024~0.034W/㎝³。由铁芯损耗产生的热流密度（比热负荷），对大容量全空冷水电发电机，其合理取值范围为1.15~1.35W/㎝²。由定子绕组损耗产生的热流密度取值范围为0.5~0.77W/㎝²，大容量全空冷发电机可取上限值。
目前700MW级的龙滩、小湾、拉西瓦和三峡右岸水电站发电机，其定子绕组体积损耗密度、定子铁芯体积损耗密度等取值范围均处于水电站我国20世纪90年代后设计、制造和投运的隔河岩、二滩、天生桥一级、水布垭等水电站大容量空冷发电机正常设计制造经验范围内，并有一定裕度。其中除定子铁损梯级密度值岁电机容量的提高而适当减小外（通过适当降低温升,以减小热变形和热应力、防止铁芯翘曲等），其余的梯级损耗密度和热流密度值均随电机设计制造技术的先进性和容量的提高而增大。

　　通风冷却已不仅关注Lt/τ指标

　　此外，考虑到铁芯长度与极距的比值（Lt/τ）是衡量空冷发电机通风冷却的主要弹性数据，过大的Lt/τ 将直接影响冷却和安全运行。小湾的Lt/τ为3.87，龙滩为3.92，拉西瓦为3.90、三峡右岸为4.34，均处于已运行大容量全空冷发电机设计、制造和运行的经验范围内（如Foz do Areia为4.70、Serra Dames为4.58、Xingo为5.01，古里5.67、李家峡4.17、葛洲坝4.12、二滩3.27等）。实际上，随着通风冷却技术的进步与发展，对采用双路径向密封自循环空冷方式的中、低速大容量水轮发电机及高速大容量发电电动机，其通风冷却已不仅仅关注Lt/τ指标的限制，而更注重考虑运行的安全可靠（如取消风扇等辅助部件）、总风量的控制、风量和风俗的均匀分布以及预期达到的冷却（温升）效果。这些，均克通过发电机封路系统的优化设计、通风冷却系统日益精确的数值计算并辅之以通风模型试验的验证莱予以保证。

　　3 龙滩、小湾和拉西瓦水电站谁理论发电机空冷方案的确定及相应措施

　　近年来，受业主的委托，作者代表水电水利规划设计总院主持了龙滩、小湾等水轮发电机组招标文件的审查，考虑到业主的意愿，根据设计局、特别是哈电、东电等国内外主机制造厂家的技术交流资料和分析论证报告，同意龙滩、小湾等水电站水轮发电机有原水冷方式改为全空冷方式。

　　3.1 龙滩水电站水轮发电机冷却方式的确定
在2001年10月龙滩水电站机组技术专题咨询会上，作者对龙滩水电站水轮发电机冷却方式的书面咨询意见如下：

　　⑴水内冷方案对机组调峰运行时控制绕组绝缘冷热循环温差的热变形较为有利（特别是在定子铁芯高度较高时，龙滩水电站机组已达3.6m）。但水内冷方案的接头多，又有一套水处理装置，相对全空冷方案的可靠性要差一点。每台机一套水处理装置占地约5×7m²，对龙滩水电站地下厂房的布置是较为困难的。

　　⑵目前看来，全空冷方案应是技术上成熟的方案；龙滩水电站发电机也属空冷每极容量的正常设计范围；全空冷方案设计的当也可确保定、转子通风均匀冷却。通过二滩水电站空冷技术的引进，国内东方厂已掌握GE公司的通风技术专利，且进来通过几次对外投标，尝到勒甜头，古里水电站机组最大容量805MVA，定子铁芯长度已达3.8m，每极容量达15.1MVA。现又经过了二三十年，世界上发电机通风冷却技术已有较大发展，国内两大制造厂家已有二滩水电站的经验（每极容量已达14.6MVA），龙滩水电站没几容量14.4MVA（按700MW考虑），与二滩水电站水平相当，，技术上应是有把握的。

　　⑶鉴于龙滩水电站为地下厂房，水内冷方案在布置上有一定难度；加上电站调保计算又对机组GD²有一定要求，建议能全冷就尽量不要水内冷（反正是建立在与外商联合设计的基础上）。招标文件宜尽量少一些比较方案为好。吸取我国天荒坪抽水许能电站机组（每极容量高达30MVA）等工程的成功经验，建议表述技术规范中规定要求厂家提交发电机通过设计计算书并进行通风模型试验，机组的通风设计方案应提交业主批准猴实施。

　　随后，作者主持的龙滩水电站水轮发电机组招标文件评审会审查意见同意优先采用全空冷方案，并明确“建设取消定子水内冷方案”，指出：“水轮发电机技术条款中最重要的部分应是与发电机采用全空冷方式有关的规定和要求，应重点研究和补充说明”。

　　3.2 小湾水电站水轮发电机冷却方式的确定 

　　作者主持的小湾水电站水轮发电机组招标文件评审会审定意见：“同意优先采用全空冷方案，也可采用定子水内冷方案。投标人可根据自己的经验提出推荐方案，但必须报全空冷方案，由业主最终选定”

　　3.3 拉西瓦水电站水轮发电机冷却方式的确定

　　拉西瓦水电站可行性研究报告发电机原采用水内冷方式，水电水利规划总设计院的审查意见明确指出：“同意暂采用定子水内冷、转子空冷的方式，下阶段克进一步研究采用全空冷方式的合理性”。猴根据审查意见和业主的要求，召开了“700MW水轮发电机组研究成果汇报暨专家咨询会”，会议纪要明确建议优先采用全空冷方案，不排除其他冷却方案。投标人可根据自己的经验提出推荐方案，但必须报全空冷方案，由业主最终选定。

　　3.4 对水轮发电机全空冷方案要求采取的相应措施

　　龙滩、小湾和拉西瓦水电站水轮发电机为我国近期重点开发的举行全空冷水轮发电机，由于发电机运行时发热量巨大，为有效控制发电机定、转子线圈唯独和铁芯温度，保证发电机的安全稳定运行，我们]应十分重视发电机通风冷却系统的设计。由于我国哈电、东电等电及制造厂系通过引进技术、首次设计制造700Mw级特大型全空冷机组没作者在这些电站机组设计审查、招标文件咨询、合同谈判及设计联络会等不同场合，特别强调了应采取如下措施。在所花代价不大的情况下。宁可适当多留点裕度，在可能的情况下将全空冷方案的风险降到最低。目的是确保发电机全空冷方案的顺利实施并为今后成功投运打下较好的基础。在机组成功投运后，将再回过头来好好总结经验、教训，看看这些裕度或措施是否保守、必要和合理。

　　(1)鼓励国内厂家与有资质的国外制造厂进行发电机冷却方案的联合设计，同时也要信任我国主机制造厂家近年来通过引进技术、合作生产已具备较为丰富的设计、制造、运行经验和坚实的计算机软件、模型试验以及人才等技术储备。在多次设计联络会上，要求业主、设计院和制造厂家共同研究和分析发电机通风冷却结构设计的合理性。

　　(2)强调进行发电机通风模型试验；建议明确规定在头表情或者合同签订猴应进行发电机通风冷却模型试验，并随投标文件提交发电机通风冷却计算和模型试验的分析论证报告。

　　(3)严格控制定子铁芯的材质和热源：建议招标文件明确规定定子铁芯硅钢片在B=1T时的单位损耗不高于1．05w／kg。

　　(4)同意发电机定、转子绕组温升限值分别为75K和85K，  以在启动频繁且出力变化较大大的情况下适当减低其热应力并留有一定裕度。

　　(5)希望空气冷却暑}的设计裕度适当增大些：建议“空气冷却器应具备至少15%的设计裕度，当15%(且至少一台)  的空气冷却器退出运行时，发电机应能在额定运行工况下长期安全运行”。

　　(6)重视空气冷却器的选型；目前国内外冷却器制造厂家较多，冷却器的设计制造技术发展很快，其传热、风阻性能等都有很大提高。良好的通风设计应有质量一流、、具有较高热交换率的空气冷却器做保证，建议选用国内外优质产品，以保证通风设计成果的实现。

　　(7)注意海拔高度对通风系统设计的影响并进行必要的修正。

　　应当指出，上述主要措施，得到了主机厂家，特别是成功中标承担了上述电站水轮发电机设计和制造的哈电的大力支持和主动、认真实施；通过近年来不断努力，哈点在大型全空冷水轮发电机通风冷却系统的设计、计算和模型试验等方面已处于世界一流水平。

　　3．三峡水电站水轮发电机的冷却方式

　　三峡左岸电站14台700Mw机组采用了水内冷方式，这对我国引进国外已行之有效的水内冷技术是有益的。根据本文的上述观点，特别是在每极容量}巳达14．57MVA的二滩水电站全空冷发电机成功运行之后，对于每极容量仅为10MVA的三峡水电站机组，是在没有多大必要采用水内冷方式。感到欣慰的是三峡右岸电站已有4台发电机采用了全空冷方式，目前已有一台全空冷发电机成功投运，这十分有利于通过对比运行进一步总结两种冷却方式的经验、教训。

　　4 要水内冷，不如上蒸发冷却

　　蒸发冷却技术应用于水轮发电机是继目前已广泛采用的全空玲、定子水内冷方式后，在20世纪80年代开发的具有我国自主只是产权的新型冷却方式。

　　蒸发冷却技术具有与水内冷技术相当的冷却效果，其放电机定子绕组温升低且分布均匀，有利于降低发电机热应力和提高绝缘寿命，对机组的安全稳定运行较为有理。与水内冷方式比较，蒸发冷却方式有如下优势：空心导线无氧化堵塞问题；无采用不锈钢空心线特殊材料要求；取消了价格昂贵的纯水处理系统（进口ABB和SIEMENS设备价格分别为108万美元和220万美元，使发电机总成本增加2.5％~5％，且布置尺寸增加）；蒸发冷却介质无毒、安全、化学稳定性好，为具有高绝缘、防火和灭弧性的环保型冷却介质，从根本上杜绝了泄漏引起的绝缘故障的问题，因而克服了水内冷方式的致命缺点；相应循环系统的管路密封较易解决，在容器和管路中不结垢；不像水内冷为运行压力高（0.6Mpa）的高压纯水强迫循环系统，而且无压(仅0.03Mpa及以下，相当于水内冷的1/12)的无泵自循环系统；运行简单，维护方便、可靠性较高；施工安全和工期较短。

　　中科院电机研究所和东电合作 研发、制造，额定容量10MW、额定转速1000r/min的蒸发冷却水轮发电机于1983年在云南大宅水电站投入运行；额定容量50MW，额定转速214.3r/min的蒸发冷却水轮发电机于1992年在陕西安康水电站投入运行；额定容量400MW ，额定转速为125r/min的大型蒸发冷却水轮发电机于1999年在青海李家峡水电站投入运行。通过上述水电站成功的工业试验，验证了蒸发冷却技术的科研成果是可信的，具有工程应用的值价。                                                        

　　近几年莱在中国长江三峡工程开发总公司的大力支持和积极推动下，中科院电工研究所和东电、哈电等有关设计、科研、制造单位通力合作，将蒸发冷却技术应用到700Mw级水轮发电机上，进行了局部计算机模拟试验和数值仿真计算，解决了蒸发冷却技术在大型水轮发电机上工业化应用的一系列技术难题，通过专家评审，中国长江三峡工程开发总公司准备采用，目前正在实施中。                     ┃

　　当然 ，蒸发冷却的技术性能和有点能否有效发挥、与其他冷却方式相比的优劣和经济性等尚需经过工业运行实践的检验。

　　结束语 
    
　　作者希望国内厂家通过您年来陆续投运的龙滩、三峡、拉西瓦、小湾等大型全空冷机组的运行和全面测试，并与计算程序和模型试验结果相互印证，进一步总结经验、教训，使我国水轮发电机的空冷技术更加成熟和完善；与此同时，也要加速840MVA及以上级水轮发电机组采用蒸发冷却技术产业化的进程；特别是要通过对水轮机水利设计、大型铸锻件制造加工和发电机通风冷却、推力轴承、24kV及以上电压级高压定子绕组等关键技术的攻关和创新，勇攀世界水轮发电机设计制造的顶峰，Wie今后设计制造1000MW级巨型水轮发电机的冷却方式积累经验，以利于我国西部水电大开发和西电东送的总体战略的实施。