国建鸿 顾国彪 傅德平 黄德书

（1.中国科学院电工研究所 北京 100080 2.上海汽轮发电机有限公司 上海 200240）

1 引言

随着电网的容量愈来愈大，发电设备逐步迈向巨型化，如汽轮发电机已达到百万千瓦级，发电设备传统的冷却技术受到严峻的挑战，人们在优化设计、提高工艺的同时，通过尝试各种冷却组合，改变冷却介质形成各式各样的冷却方式。可以说发电机单机容量的增加，电机冷却技术的提高是关键技术之一。汽轮发电机所采用的冷却方式包括空冷、氢冷、水冷、油冷及蒸发冷却[1-4]。空冷、氢冷、水冷技术均为早期国外引进技术后优化设计，是很成熟技术，为解决水内冷、氢冷存在的安全隐患问题，同时继承液冷方式有效带走热能的优点，美、日、俄等国相继开展了将相变原理应用于大型发电设备中的研究，并取得了一定的理论成果，但至今没有成熟的运行产品。

中科院电工所20世纪50年代开始蒸发冷却技术研究，已经成功研制多台蒸发冷却水轮发电机，最大单机容量为三峡840MW机组，通过72小时试运行，50MW蒸发冷却汽轮发电机组运行了十年，证明了蒸发冷却电机运行的安全可靠性[5-7]。本文依据两相流与传热理论，采用有限元方法对 330MW级蒸发冷却汽轮发电机对定子三维温度场进行数值计算，给出了在发电机温度场求解域中的温度分布规律。将计算结果与样机出厂型式试验结果进行对比分析，表明了本文仿真分析方法的准确性和适用性，同时分析了大型蒸发冷却汽轮发电机的性能及特点。

2 蒸发冷却技术特点

蒸发冷却技术基于沸腾换热机理，实现对发热部件的冷却，本文从下面两点说明其与传统冷却方式不同。

2.1 冷却原理

蒸发冷却发电机与目前汽轮发电机常规的冷却方式，如空气、水、氢气冷却最关键的不同之一就是冷却介质的不同，进而冷却介质实现冷却的原理稍有不同，除了利用冷却介质的物质热性质比热容来实现热量交换，蒸发冷却技术更主要的是利用相变传热原理[8,9]实现热量交换的，即液体吸收发热体热量，由液态变为气态，气化过程中分子内能发生变化而吸收发热元件产生的热量，因此在含有相变的热交换过程中，混合流体具有很大的表观比热，可明显增大传热流体与流道管壁面间的传热能力[10]。空气、氢气等介质，是以显热的方式进行热交换，其传热的效率比蒸发冷却低，见表1。

表1 几种冷却介质性能比较Tab.1 Comparisons on different cooling technologies

2.2 冷却结构

冷却介质是依赖特定的冷却循环回路对电机发热体实现冷却，其介质循环结构有管内强迫循环和全浸式自循环两种[11,12]。全浸式自循环冷却结构与空冷结构相似，体积小于空冷，其特点是结构简单、运行维护量少，系统基本处于零压力运行状态，安全可靠性高，重点研究电机绕组温升是否能达到冷却技术要求。全浸式冷却自循环原理结构如图1所示。

图1 300MW汽轮发电机全浸式蒸发冷却自循环结构Fig.1 300MW evaporative cooling turbine generator structure

管内强迫循环结构类似汽轮发电机定子绕组水内冷式结构，是定子铁心采用全浸式结构，定子绕组管内冷，这是因为内冷式是冷却介质直接与定子绕组导线发热面接触，是目前大容量机组普遍采用的一种更高效的冷却方式，而全浸式是绕组导线的热传导要经过绝缘层再与冷却介质进行热交换，热阻较大，因此内冷冷却效果比全浸式冷却效果更上一台阶，但结构要比全浸式的结构复杂些[13,14]。

我国 300MW汽轮发电机的冷却方式主要是有双水冷型、全氢冷型和水氢冷型，由于定子绕组发热较严重，基本上均采用内冷方式，而 300MW量级蒸发冷却汽轮发电机为国内首次设计，对于蒸发冷却管内冷和全浸泡式结构进行了对比计算和试验后，经过多方专家论证，认为 300MW量级蒸发冷却汽轮发电机采用全浸式自循环式蒸发冷却方式能满足电机冷却技术要求，结构简单无需采用定子绕组管内强迫循环冷却方式。因此，本文重点分析全浸式蒸发冷却结构下的定子绕组两相流传热性能。由于 300MW量级蒸发冷却汽轮发电机样机是针对平顶山姚孟电厂2号发电机进行增容改造，平顶山姚孟电厂原2号机组为运行了30多年的300MW双水内冷机组，方案设计时考虑转子仍采用原来的水冷转子，因此根据姚孟电厂原2号机组参数设计了新型蒸发冷却系统的发电机定子结构。

3 蒸发冷却发电机设计

3.1 主要技术参数

（1）额定容量：为适应整个电站改造增容的要求，与汽轮机匹配容量确定为330MW。

（2）额定电压：为节约资金电厂改造不更换变压器，所以发电机额定电压仍采用18kV。

（3）发电机的设计原则为：利用原来的转子、轴承、励磁系统，保持机座的安装尺寸不变。这样电厂的厂房基础设计可以不做太大的变化。

（4）主要技术参数见表2。

表2 主要参数Tab.2 Main parameters

3.2 样机结构设计

在吸取水氢氢 300MW 优化设计和新 300MW双水内冷发电机设计技术的基础上，对 330MW蒸发冷却发电机整体部件的结构等进行了全新的设计。

定子铁心两端部各有6个阶梯，定子铁心共有108个通液道，能够保证冷却液及冷却蒸汽流动通道的畅通，从而使冷却蒸汽顺利地上升到冷却器，起到了良好的冷却作用。冷却液在铁心内既能沿径向流动又能沿轴向流动，改善了铁心的冷却效果。

发电机铁心采用无磁性铸钢压圈，压圈外设有铜屏蔽，它们之间保持一定间隙，能保证冷却液进入它们之间的区域进行冷却，而且在金属支架固定螺钉位置衬有铜垫块，表面镀银，与压圈和铜屏蔽保持良好接触。

蒸发冷却表面冷却的定子线圈全部采用实心铜线，线圈的设计为上下层不同截面，上下层沿宽度方向为两排。定子线圈槽内固定设计中充分考虑了线圈和冷却介质的热传递，楔下和层间固定垫条的结构做了精细的布置使冷却介质在槽内部分有流动的空隙以加强定子线圈散热效果。定子线圈端部固定为了考虑端部线圈的散热和制造多方面原因，采用绑扎结构。

4 发电机定子绕组温度场仿真分析

4.1 计算模型

电机正常稳态运行时，内部磁场近似为正弦交变磁场，在电机轴向横截面相同半径的圆周上，各处平均损耗近似相等，所以可以认为其中的温度不随时间变化，近似为稳态场。根据傅立叶热传导定律以及电机内的热交换情况，汽轮发电机稳定运行时定子铁心和绕组温度在直角坐标系下定解问题为

式中 λx, λy, λz—— x,y,z方向的导热系数 (W/(m·K));

Q——热源密度(W/m3);

λn——边界面外法线方向的导热系数;

α——散热系数(W/(m2·K)；

Tf——流体的温度；

S1，S2——绝热面；

S3, S4, S5, S6, S7, S8——散热面；

n——边界面外法线方向。

4.2 计算区域、基本假设及边界条件

全浸式蒸发冷却定子是将整个定子及铁心密封在腔体内，被其内充放的液态蒸发冷却介质完全浸式，电机腔内的流体热交换可以视为池内沸腾传热，定子的端部、铁心表面与蒸发冷却介质充分接触，沸腾区内大量气泡的形成、跃力和运动，构成了加热面与流体之间的强烈对流传热，热量很快被带走，由于定子槽内的绕组发热最严重，并且与冷却介质的有效接触面较小，所以定子最热段应位于直线部分中心定子槽内的绕组中。据此，由电机定子结构的对称性，温度场求解域确定为半个铁心段，周向半个齿距的范围如图2所示。发电机在稳定运行过程中内部两相流场不会发生变化，即可将其视为泡和沸腾，产生气泡的活动点数密度与所传递的热流密度值关系密切，因此，依据电工所多年的研究成果及泡和沸腾传热计算相应的公式计算出不同区域表面的散热系数[14-16]。

图2 定子三维温度场的求解场域Fig.2 3D temperature distribution calculation region for stator

以 330MW蒸发冷却汽轮发电机参数为依据，对定子三维温度场进行数值计算，鉴于结构的复杂性，作如下假设：

（1）位于同一定子槽中的上、下层绕组是同相的，在同一时间内流过相同的电流。

（2）考虑定子绕组铜耗时，涡流效应对每根股线的影响相同，即取其平均值。

（3）槽楔近似当作与槽同宽，槽内的所有绝缘(股线绝缘、层间绝缘)其热性能与主绝缘相同。

（4）铁心齿部和轭部的表面、槽楔表面、轭背部及部分定子绕组与冷却介质接触面的散热系数分别取其分区域平均值。齿中心截面和槽中心截面为绝热面。

以上分析表明: 在所讨论的温度场的求解问题中，其边界条件只有绝热边界和对流换热边界。铁心轭背部S3、轭表面S4、径向通液沟中铁心齿表面S5、定子铁心齿端面 S6、径向通液沟中绕组散热面S7以及槽楔与绕组之间夹有开槽垫条及波纹板，因此该处有部分绕组与介质接触，形成对流换热面S8与蒸发冷却介质接触的面为沸热换热面，按传热学中的第三类边界条件处理，蒸发冷却介质区域面按等温边界条件处理。由于电机周向结构的对称性，槽中心面S1及齿中心面S2都是绝热面，即为绝热边界条件。

4.3 发电机定子温度场仿真结果

根据上述汽轮发电机内温度场的数学模型，采用有限元分析软件Ansys 对姚孟330MW汽轮发电机在额定工况运行条件下的温度场进行了分析与计算，如图3、图4所示。

图3 求解域内温度分布Fig.3 Solved region of temperature distribution

图4 求解域内定子槽内绕组及铁心的温度分布Fig.4 Temperature distribution of stator and core

从图3可知，铁心整体的温度是很均匀的，而且铁心表面温度与介质温度接近（约 50℃左右）。说明沸腾换热过程中，冷却液体快速由液态转化为气态带走热量，使得发热表面温度保持在沸腾温度范围内，利用气化潜热可以有效带有铁心的热损耗，达到良好的冷却效果，使得铁心温升远低于采用空冷、氢冷方式时的20K以上。

图4显示的是求解域内定子铁心齿、槽以及槽内的各个绝缘、各根铜线等的总体温度分布情况，其中最下端出现的水平彩带是温度场的标尺，按照其上颜色由蓝到红的变化依次代表温度由低到高的分布变化，标尺上的数字是温度值，单位是℃。从图中可看出，定子绕组最高温升约81K，平均温升约65K，由于绕组的集肤效应，定子槽内的热量集中在上层绕组内，致使该处成为整个定子侧的最热点，符合电机运行时的实际发热状况。下层线棒总的温度分布情况要明显低于上层线棒，主绝缘内也存在一定的温度梯度，槽内的层间绝缘与上下层线棒紧贴，温升为 40～60K。由于在上层绕组垫条设计中采用了开槽和加波纹板结构，增加槽内液体流通通路，即增加了与冷却介质的换热面，因此，贴近槽楔部位的绕组温度下对比较低，说明了该种设计结构设计合理，可以发挥蒸发冷却技术的两相流动换热特性。

5 发电机型式试验结果

发电机定子和转子装配完成后进行了型式试验。为全面了解电机温度分布情况，埋设了较多的测温元件，热电阻测温元件埋设位置为：在定子铁心的两端和中间挡，水平位置的齿部和轭部各埋置4个共12个（其中6个备用）；在发电机A、B、C每个相带6个槽的层间，埋置两个共12个（其中6个备用）；在汽励端铜屏蔽埋置4个。短路试验和空载试验情况如图5～图7所示。

图5 1.0IN短路温升试验Fig.5 Short-circuit temperature rise test

图6 1.0IN短路和1.1UN空载试验时铁心温升Fig.6 Shows the core temperature rise, the 1.0IN short circuit and 1.1UN no-load test

图7 1.0IN短路和1.1UN空载试验时铜屏蔽温升Fig.7 Shows the copper shielding temperature rise, the 1.0IN short circuit and 1.1UN no-load test

发电机性能试验测得电阻、电抗、时间常数等绝大部分参数均在允许范围内，短路比0.466。发电机效率损耗试验值中，损耗与设计值相当或稍小，因此发电机的试验效率 98.90%略高于设计值98.89%（包括了励磁机损耗）。经过型式试验及仿真计算结果分析表明：

（1）如图5所示，330MW蒸发冷却发电机在1.0IN额定短路定子线圈层间的最高温升约39K，而且，铁心段内的绕组层间温度（见图51、3、5点）高于通液沟段的绕组层间温度（见图 5的 2、4、6点），这是因为通液沟内绕组接触冷却介质的散热面更多，因此温升只有20K左右，这符合蒸发冷却换热原理，由此也说明，在兼顾绕组机械强度的同时，可以尽量增加铁心段内绕组的散热面积，使液体渗入其中达到更好的冷却效果。另外根据GB4071—2005标准规定，电机绕组平均温升可以采用电阻法测量热态电阻，再根据公式推倒出绕组平均温升。以电阻法测量得绕组内导体平均温度约107℃，温升约59K。与仿真结果相对误差9%（见图4），表明理论分析方法的正确性。

（2）在短路试验时，线圈中的热损耗向铁心传递，所以铁心齿部热流密度高于轭部相应其温度应高于轭部的，由图6可见，铁心齿部测量点（1，3，5）测得的温度高于轭部测量点（2，4，6），这符合传热原理。根据短路温升和空载试验，可计算出发电机铁心最高温升约15K。通过三次的短路试验和空载试验，其重复性较好，测量是准确的。也说明设计时尽量使绕组能直接接触蒸发冷却介质，会起到更好的冷却效果。电机设计时在下层绕组和槽楔之间采用了波纹板，以增加散热面积，由图4可见，上层绕组得到了较好的冷却效果。

（3）从图7可见，短路温升试验时铜屏蔽最高温升36K，在1.1UN空载试验时，定子铁心的最高温升约 8K，铜屏蔽最高温升 17K。这是由于铜屏蔽完全浸式在介质中，与介质直接进行沸腾换热，因此达到比较理想的冷却效果，可以满足电机进行运行要求。

6 结论

在吸取水氢氢 300MW 优化设计和新 300MW双水内冷发电机设计技术的基础上，结合目前电力系统对新技术的需求和目前蒸发冷却技术的创新发展，对 330MW蒸发冷却发电机从电磁设计和整体部件的结构等进行了全新的设计。蒸发冷却发电机具有以下优点：

（1）定子铁心和线圈全部浸入在蒸发冷却介质后，使定子铁心无过热点、温度均匀，同时也降低了端部结构件因涡流损耗引起的温升；可以满足发电机进相运行

（2）同容量高级发电机中，全浸式蒸发冷却汽轮发电机结构最简单，省去了氢冷机组的制氢设备，比水内冷结构简单。

（3）铁心及绕组温度分布均匀，不会因热变形带来安全隐患。

（4）由于定子部分全密封结构，无尘，清洁，定转子间有套筒防止转子漏水影响定子绕组和铁心，提高了发电机运行的可靠性，而且减少了运行维护量。

蒸发冷却技术以特有的绝缘介质以及相变换热特点，使得电机定子温度分布均匀，安全性提高，具有较好的应用前景。300MW量级蒸发冷汽轮发电机样机的制造完成，标志着蒸发冷却技术在电机领域的应用上了一个新台阶，为向更大容量电机发展奠定了坚实基础。

[1]倪天军.大型发电机主要冷却方式及特点[J].东方电气评论,2007,20(1): 31-37.Ni Tianjun.Major cooling methods and features of large gengerator[J].Dongfang Electric Review,2007,20(1): 31-37.

[2]颜正辉, 王拯元.赵昌宗.汽轮发电机设计回顾与展望[J].东方电机,2008(3-4): 55-68.

[3]关达生, 曹文.空冷 200MW 汽轮发电机与氢冷200MW汽轮发电机的比较[J].黑龙江电力,2010(1):3-5.Guan Dasheng, Cao Wen.Compare 200MW aircooled turbo-generator with 200MW hydrogen-cooled turbo-generator[J].Heilongjiang Electric Power,2010(1): 3-5.

[4]杨俊东.南汽 350MW 空冷汽轮发电机[J].科技资讯,2009(5): 155-156.

[5]廖毅刚, 侯小全, 周光厚, 三峡地下电厂水轮发电机蒸发冷却模拟试验研究[J].上海大中型电机,2010(1): 59-6 2.

[6]傅德平, 朱荣建.50MW 蒸发冷却汽轮发电机运行情况[J].电力设备,2001,2(3): 32-34.Fu Deping, Zhu Rongjian.Operation of 50 MW turbo generator with evaporative cooling[J].Electrical Equipment,2001,2(3): 32-34.

[7]汪耕, 黄德书.60MW 定子氟利昂蒸发冷却转子水内冷汽轮发电机的研制[J].科技情报, 1992(2).

[8]丁舜年.大型电机的发热与冷却[M].北京: 科学出版社, 199 2.

[9]林瑞泰.沸腾换热[M].北京: 科学出版社, 1988.

[10]徐济鋆.沸腾传热和汽液两相流[M].北京: 原子能出版社,2001.

[11]栾茹, 傅德平, 唐龙尧.新型全浸式蒸发冷却汽轮发电机定子三维温度场的研究[J].中国电机工程学报,2004,24(8): 205-209.Luan Ru, Fu Deping, Tang Longyao.Study on 3D temperature distribution in new evaporative cooling asynchronous generator[J].Proceedings of the CSEE,2004,24(8)；205-209.

[12]温志伟, 顾国彪, 王海峰.浸润式与强迫内冷结合的蒸发冷却汽轮发电机定子三维温度场计算[J].中国电机工程学报,2006, 12(23): 133-138.Wen Zhiwei, Gu Guobiao, Wang Haifeng.Calculation of 3D thermal field in the stator of turbo generator with immersion evaporative-cooling system and forced inner-cooling[J].Proceedings of the CSEE,2006, 12(23): 133-138.

[13]刘伟.大型电机定子绕组内部蒸发冷却的数值模拟[D].保定: 华北电力大学,2009.

[14]国建鸿, 傅德平.300MW汽轮发电机强迫循环蒸发冷却定子绕组温升计算[J].中国电机工程学报,2008,28(26): 92-97.Guo Jianhong, Fu Deping.Calculation of temperature distribution of larger evaporative cooling turbo-generator with forced inner cooling system[J].Proceedings of the CSEE,2008,28(26): 92-97.

[15]刘隆波, 金家善.电机定子蒸发冷却温度场研究[J].船海工程,2009(2).Liu Longbo, Jin Jiashan.On the temperature field of evaporation cooling electromotor stator[J].Ship &Ocean Engineering,2009(2).

[16]国建鸿, 傅德平, 李振国, 等.大型蒸发冷却汽轮发电机定子绕组温度计算[J].电机与控制学报,2008, 12(5): 509-51 3.Guo Jianhong, Fu Deping, Li Zhenguo, et al.Calculation of temperature distribution in the stator of larger evaporative cooling turbo-generator[J].Electric Machines and Control,2008, 12(5): 509-51 3.