2.5　1200kV·A全浸式自循環蒸發冷卻汽輪發電機的研制及運行

2.5.1　引言

在2.4節中的研究結論基礎上，北京電力設備總廠和中國科學院電工研究所于1974—1975年承擔了蒸發冷卻汽輪發電機試制樣機的研制工作。當時該任務被列為北京市重點科研項目和國家級科研項目。

從1974年1月到1975年8月15日，僅僅一年零八個月時間就完成了定子、轉子單件發熱試驗以及空載、短路、斷水振動等試驗，完成了樣機模型試驗、設計、試制、總裝及整機試車，于1975年12月23日正式并入電網做滿負荷及超負荷150%的試運行，性能良好。標志著研制成功我國也是世界上第一臺1200kV·A F-113自循環蒸發冷卻汽輪發電機，為探索電機冷卻新途徑，邁出了新的一步。

這臺電機采用了與常規電機差別較大的結構，解決了適應蒸發冷卻特點的定子、轉子密封、槽內冷卻等問題，創造了新的結構和工藝，所有不成熟的部件都經過了嚴格的模型試驗，保證了整機試驗一次成功。

該機于1975年2月至1976年3月以及1985年3月、1990年，在北京電力設備總廠內進行了分階段運行考驗，并進行了全面的測量，證明了此冷卻方式原理的正確性、機組設計的合理以及工藝結構的可靠性。它的定子與轉子各自成一個獨立的冷卻系統，也可以與其他冷卻方式組合，它既是新冷卻方式的大型汽輪發電機的雛形機組，也為其他用途的大中型異步感應電動機提供了體積小、重量輕、運行可靠的實用機型。

2.5.2　1200kV·A全F-113自循環蒸發冷卻汽輪發電機介紹

（1） 蒸發冷卻介質的選擇

考慮了絕緣材料的耐熱及壽命，二次冷卻水的年平均進水溫度是30.5℃以及正常運行的壓力要適當，最好選擇50～70℃左右的蒸發溫度。介質還應具備穩定的物理化學性能、高絕緣性能、好的傳熱性與流動性。綜合這些因素后該電機確定選用了F-113，當時使用的是上海曙光化工廠的產品，其特性見表2-4。

在了解了上述特性的基礎上，又專門對蒸發冷卻介質進行了絕緣性能的測試。用筒形容器來盛裝液體介質，用2.5mm標準間隙油杯進行耐壓試驗，發現有些筒內含水，耐壓強度自2.0～44kV之間變化，但經兩層濾紙過濾后液體介質的耐壓強度可以達到55kV左右，高出特性表2-4中所列的絕緣擊穿電壓。

（2） 電機結構的特點

這臺電機是將定子、轉子分別做成兩個單獨的冷卻系統，完全密封起來，結構方案完全是創新設計的。為了保證穩妥可靠，對于不成熟的部件結構、設計數據，科研人員進行了若干次模擬試驗，包括定子冷卻模擬、定子導體包毛細材料傳熱模擬、轉子冷卻低速模擬。經過模擬試驗，確定的定、轉子結構分別介紹如下：

a.定子腔的密封及定子繞組　在鐵芯腔內圓側裝入一個玻璃鋼補筒，兩端與端蓋固緊并密封，構成一個封閉性定子側空間，包括鐵芯、繞組等所有結構部件全部密封其中。單體裝備后，經2kgf/cm²（1kgf=9.80665N，下同）壓力的F-113抗壓氣密試驗，并經真空保持檢查，密封相當可靠，端蓋及機座側面開八個觀察孔，以便觀察內部蒸發情況，冷凝器裝在頂部。

因為采用了全浸式冷卻結構，定子繞組不必用空心導線，全部采用實心線，取消了原來的主絕緣，代之以綢帶，F-113既是冷卻介質又起絕緣作用。定子內九個部位埋設了測溫電阻，五個部位埋設了熱電偶測液體溫度。

b.轉子腔體密封及槽內導體　轉子腔體密封件也是采用了玻璃鋼筒，套裝在轉子本體外圓上，兩端與護環連接并密封，護環與心環、心環與水箱等均需密封。單體裝配后，用冷卻介質F-113做2kgf/mm²表壓的密封試驗，然后將液態F-113充入轉子密封腔體內做3600r/min的超速試驗。

轉子槽底各放一根帶散熱片的空心銅管，作為冷凝管，兩端與進出水箱聯結，構成一個旋轉冷凝器，槽內導體與對地絕緣間留出冷卻道，導體與冷凝管間還要留出少許冷凝空間。

設計完成后電機的主要數據列于表2-5中。

2.5.3　發電機的試驗及運行

為了保證整機試驗順利進行并積累經驗，在組裝前分別對定子和轉子進行了運行狀態的單件發熱試驗。組裝后再進行空載短路試驗、轉子斷水等試驗，并做長期并網運行。以下著重介紹定子側的研究性試驗及機組整體的運行情況。

（1） 定子單件發熱試驗

將定子三相繞組串聯起來，以直流電源供給75%、100%、125%、150%、175%額定電流值，每種電流情況下改變五次冷卻水量。等穩定后測取各處讀數，以觀察定子帶負荷后的情況。經過連續72h試驗，試驗過程及情況如下：

①定子抽真空后，灌F-113液體至匯流環上部，開始試驗。

②在給定電流及二次水量后，經過1h，溫度穩定，記錄各個測點的數據。

③定子各處的溫度經過比較，分布比較均勻，基本上與冷凝器壓力所對應的飽和溫度相差不到6℃。

④在某一電流時改變二次冷卻水量，當水量增大時冷凝壓力減小，各處溫度也隨之下降。因此調節水量可改變內部壓力與溫度。

⑤當電流一直增大到175%額定電流時，冷凝器工作仍正常，各處溫度也正常。當繼續增大到200%額定電流時，發現溫度上升比較顯著，再增大二次冷卻水量已效果不大，說明冷凝器達到了飽和。如要繼續增大負荷，必須加大冷凝器容量。

⑥槽內及鐵芯段的流通道都比較好，在175%額定負荷前，流動情況良好，冷卻效果很好。直到200%額定負荷時冷凝器達到飽和，各處溫度普遍升高。這時橫向槽內繞組溫度升高最快，估計是橫向槽內的流動條件較差而引起。

（2） 并網運行及試驗

整機在臨時電站試運行，采用異步電動機啟動，自同期并網做調相方式運行，在滿負荷1200 kV·A下進行兩個月試運行；并在130%、159%額定負荷時，做48h以上的試驗。定子轉子溫升均很正常，試驗數據與單件試驗時相符合。因為做調相運行，轉子勵磁電流比做發電機運行時要大。

兩個月的試運行期間內，因為經常停電、機組停機，啟動并網操作頻繁，竟達20次之多，機組本身一直很正常。

2.5.4　結論

通過第一階段1200 kV·A蒸發冷卻汽輪發電機的研制與運行，已證實了“自循環蒸發冷卻技術”應用在汽輪發電機上是可以實現的。并且同其他冷卻方式比較，可以看到的主要優點是：

（1） 冷卻效果好

使用高絕緣性能的介質，采用了全浸式的冷卻結構，充分發揮了蒸發冷卻的特點，使電機內部所有分散的發熱部件都得到了充分冷卻，因此冷卻效果全面。通過試驗可以看出電機定子、轉子的平均溫度在50℃（與蒸發冷卻介質的沸點溫度相對應）左右，而且內部溫度均勻。因此，它的獨特之處在于消除了其他冷卻方式內部結構件的局部過熱點，解決了其他冷卻方式，如雙水內冷，向更大容量發展時難于解決的鐵芯冷卻問題。

（2） 損耗減少、效率高

減少鐵芯冷卻通道，提高鐵芯有效利用，縮短了定子繞組的長度，將空心銅管改為實心銅線，減少了附加損耗。取消風扇，采用光滑圓筒，減少了風摩損耗。定轉子冷凝器二次冷卻水進出水溫度可以達到15～20℃以上，而其他冷卻方式冷凝器是5℃左右，經過對比二次耗水量，按單位損耗計算可以減少到1/3～1/4。因此總效率可提高0.1%左右。

（3） 結構簡單、節省材料、維護方便

與氫冷相比省去了制氫設備與旋轉氫密封裝置，與水冷相比，在電機內部把分散的水接頭及大量的聚四氟乙烯絕緣管，改用單一集中的密封，節省了材料及工時，也不需要定期更換絕緣引水管。在電機外部省去了外部水循環及凈化系統，成為一個單一化的冷卻系統。因此類似啟動、停機等非正常運行都比氫冷、水冷簡單；運行條件相當于空冷機組，對電站自動化、運動化提供了有利條件。只要密封良好，可以長期運行而不需要檢修內部。再進一步研究定子絕緣結構，可以比較容易解決防暈問題，并有可能因使用其他可再生絕緣材料而大量節省云母絕緣，可以改善工人勞動條件。

（4） 安全運行

蒸發冷卻轉子，冷卻液柱不高，產生的離心壓力不高，不像水冷轉子，水柱造成的離心壓力超過100atm，對空心銅線、絕緣水管、水接頭密封的材料工藝要求嚴格。蒸發冷卻電機的冷卻液是一種化學物理性能、絕緣性能良好的液體，本身不燃燒、不爆炸，且具有無火、無弧的性能，這樣可以抑制發電機內部事故擴大。

蒸發冷卻技術自誕生之日起，只有在這臺樣機上，真正實現了蒸發冷卻介質既起高效的傳熱作用、又起良好絕緣作用的設想，盡管機組研制的年代距今已經久遠，當時的某些處理技術今天已經過時，但是毫無疑問該機組為以后的絕緣結構研制工作奠定了堅實的理論、實踐基礎。