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。 蒸发冷却介质具有无味、无毒、无污染、不燃烧、不腐蚀材料和沸点低的特点。一般为物理化学性能稳定的新型氟碳化合物。李家峡水电站4号水轮发电机采用的是氟利昂R—113,在标准大气压下沸点为47.8 ℃。后来逐渐采用环保型冷却介质。 定子绕组的自循环系统见图。在运行前将液态冷却介质输入定子空心线棒内。运行时,定子绕组产生热量使空心线棒内的液态介质升温,达到饱和温度后即沸腾,吸收汽化潜热使绕组进行冷却。由于沸腾状态吸热,介质保持在一定温度,一般在10 ℃左右的温差范围内。冷却液体汽化后,在空心导线内形成液体与蒸汽相混合的两相混合流体,其密度低于回液管中的液体密度。由于线棒是立式的,在重力场作用下,混合液体重力与回液管中液体的重力不同,形成压力差,产生自循环的压力头,推动蒸汽上升进入冷凝器,在冷凝器中用冷却水使其冷凝变成液体,通过回液管再进入空心线棒中,形成密闭无泵自循环系统。
定子线棒自循环蒸发冷却系统示意图
蒸发冷却式的特点: (1)冷却能力强。蒸发冷却主要靠汽化潜热传热,具有较强的传热能力。与水冷却相比,温度分布更为均匀。无过热点,从而可提高绝缘寿命,并可节省材料,减小发电机重量。 (2)自循环。借助液态介质吸热汽化而发生的两相流,形成压力差而产生动力,实现密闭无泵自循环系统,不需要任何外调节和控制设施。 (3)自调节。在冷却过程中,介质的蒸发是随负荷而自行调节,具有自调节的能力。 (4)自循环压力低。在水轮发电机额定运行时,当冷却系统运行在70 ℃以下时,具有较高的可靠性。 (5)冷却效率高。以李家峡水电站4号蒸发冷却式水轮发电机为例,额定发电机温升40 K,效率98.69%,同等的空冷水轮发电机定子温升为72.7 K,效率98.56%。 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月投入运行,是世界上最大的该类型机组。
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