CN102969838A - 水轮发电机定子汇流排的强迫循环蒸发冷却装置 - Google Patents

Abstract

一种水轮发电机定子汇流排的强迫循环蒸发冷却装置，由定子汇流排（12），冷凝器（21），储液罐（30），冷却器（32），泵（1），稳压罐（2），流量计（6），分液管（8）、集气管（16）、供液主管（3）、出气管（18）、回液主管（27）、总回液管（37）、旁通管（4）、电液分离接头连接构成蒸发冷却循环回路。由泵驱动回路中蒸发冷却介质循环。定子汇流排含有一个或多个汇流排支路，每个并联汇流排支路的进口、出口分别通过电液分离接头和绝缘引管等同分液管、集气管相连，汇流排支路之间并联连接，定子汇流排与泵、冷凝器、冷却器等相连接成一个独立的蒸发冷却循环回路。本发明可将多个汇流排组合成统一并联管路，建立独立蒸发冷却循环回路。

Description

水轮发电机定子汇流排的强迫循环蒸发冷却装置

技术领域

本发明涉及一种水轮发电机定子汇流排的蒸发冷却装置。

背景技术

从2010年我国开始逐步开工建设配套单机容量为百万千瓦级的水力发电站。由电机设计的基本规律可知，单机容量越大，越需要依靠安全高效的冷却技术。百万千瓦机组容量的发展趋势使得电机的冷却问题更加突出。在发电机中，定子汇流排是极其重要的组成部件，其冷却效果同电机的安全运行息息相关。定子汇流排的传统冷却方式有空冷、水冷两种，这两种冷却方式都较难同时满足汇流排更加突出的冷却和可靠性要求，主要是因为空冷的冷却效率不高，水冷存在冷却管路堵漏导致的局部过热烧毁绝缘的隐患。

蒸发冷却技术是我国自主研发的一种新型电机冷却技术，它采用高绝缘、不燃烧的氟碳化合物液体作为冷却介质，利用介质的气化潜热带走电机热损耗实现冷却，具有安全可靠、环保、高效等特点，并有内冷式、浸润式等多种应用方式。中国专利200510011490.6公开了一种应于水轮发电机定子汇流排等的自循环蒸发冷却装置，该装置利用水轮发电机定子汇流排的实际结构实现冷却装置中蒸发冷却介质的自驱循环流动。受汇流排实际结构的影响，循环自驱力较小，运行压力较低，如果汇流排过长，可能会导致汇流排内介质的过热现象。如果汇流排形态较为复杂，则不利于建立稳定的蒸发冷却自循环。实际水轮发电机中汇流排管路数量众多，而且实际汇流排结构在长度、形态和高度上呈现复杂多样性的特点，因此针对数量较多，长度过长或者形态较为复杂的汇流排建立统一自循环蒸发冷却循环回路具有一定的难度，介质的循环流量会受到管长、管形等因素的影响而降低，从而影响电机冷却效果。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的循环动力小，针对大量长度过长或形态较复杂的汇流排不易建立统一自循环蒸发冷却循环回路的缺点，提供一种水轮发电机定子汇流排的强迫循环蒸发冷却装置。该装置采用内冷式蒸发冷却技术，选用高绝缘介质作为冷却介质，具有水内冷的高效、环保等优点，同时取消了水内冷所必需的纯水处理系统，避免了水内冷因泄露造成重大电气事故的隐患。相对于汇流排的自循环蒸发冷却方式，由于强迫循环蒸发冷却装置的驱动力来自于泵，动力有大幅度提升且持续而稳定，从而实现了更大的循环流量，因此可针对形态更复杂、管长更长以及数量更多的汇流排，建立统一的独立蒸发冷却循环回路，减少了独立循环回路的数量，同时取消了汇流排的自循环蒸发冷却方式中的气液分离装置，简化了整体冷却装置结构，节约了制造成本，降低了安装和维护检修量，提高了运行稳定性。

本发明水轮发电机定子汇流排的强迫循环蒸发冷却装置，其主要部件及构件包括定子汇流排，分液管，集气管，冷凝器，冷却器，储液罐，稳压罐，泵，供液主管，回液主管，出气管，总回液管，电液分离接头，流量计，旁通管，绝缘引管和密封接头等。

所述的定子汇流排既是水轮发电机的重要组成部件，又是本发明装置构成部件。

所述的供液主管将泵的出口、稳压罐和流量计串联连接并连接至第一密封接头，第一密封接头与分液管相连，分液管顺序经第二密封接头、进口绝缘引管、进口电液分离接头、定子汇流排、出口电液分离接头、出口绝缘引管和第三密封接头连接至集气管，集气管与第四密封接头相连，第四密封接头通过出气管与冷凝器相连，冷凝器通过回液主管连接至储液罐，储液罐与冷却器相连，冷却器通过总回液管连接至泵的入口，以上管路连接构成了蒸发冷却循环主回路；所述的泵的出口通过旁通管连接至储液罐，构成旁通支路，旁通管上安装有电动调节阀。蒸发冷却循环主回路和旁通支路构成蒸发冷却循环回路。蒸发冷却循环回路中注入蒸发冷却介质。蒸发冷却循环回路中安装的泵为冷却介质的循环流动提供驱动力。蒸发冷却循环主回路中的供液主管上安装有流量计。冷凝器的外壳顶部安装有第一压力传感器、压力开关、第一电磁阀，以及二次冷却水泄漏检测和报警仪的第一检测电极。冷却器的外壳顶部装有第三压力传感器、第二电磁阀和二次冷却水泄漏检测和报警仪的第二检测电极。冷凝器和冷却器的内部均安装有密封金属管束，密封金属管束中均流通二次冷却水。旁通管上安置了电动调节阀，可通过调节阀的开度，控制旁通流量。

所述的定子汇流排包含一个或多个汇流排支路，每个汇流排支路的入口通过进口电液分离接头、进口绝缘引管以及第二密封接头与分液管相连，每个汇流排支路的出口通过出口电液分离接头、出口绝缘引管以及第三密封接头与集气管相连。若定子汇流排包含多个汇流排支路，则多个汇流排支路的连接方式为并联。每个汇流排支路由一个或多个单根汇流排组成，各单根汇流排在长度，形态和高度上相同或具有差异。

所述的冷凝器主要用于冷凝蒸发冷却循环回路中的气相或气液两相冷却介质。冷凝器内部装有金属密封冷却管束，管束中流通二次冷却水，管束外部流通气相或气液两相冷却介质，以实现蒸发冷却循环回路与外部环境进行热交换的目的。冷凝器的外壳上装有连通至冷凝器内部空间的压力传感器，压力开关以及电磁阀。冷凝器装备有二次冷却水泄漏检测和报警仪的检测电极，检测电极插入至冷凝器腔体内的底部，并用密封接头引出壳体外，与外部电路连接。

所述的冷却器主要用于冷却蒸发冷却循环回路中的高温液相冷却介质，使其达到一定过冷度，这样一方面有利于强化汇流排的冷却效果，另一方面有利于泵的散热，确保泵的正常运转。冷却器内部装有金属密封冷却管束，管束中流通二次冷却水，管束外部流通液态冷却介质，以实现蒸发冷却循环回路与外部环境进行热交换的目的。冷却器的外壳上装有电磁阀和压力传感器。冷却器装备有二次冷却水泄漏检测和报警仪的检测电极，检测电极插入至冷却器腔体内的底部，并用密封接头引出壳体外，与外部电路连接。

所述的储液罐的容积为蒸发冷却循环回路运行约1~10分钟所需的介质的总体积，当蒸发冷却循环回路中的管路发生泄漏时，在一定时间内保证仍能对汇流排实现有效冷却，同时预留了一定时间以便对故障状态进行判断和采取相应处理措施。储液罐通过连接短管与磁性浮子液位计相连，实现储液罐内部液位的检测。液位计的下端装有压力传感器，实现储液罐压力的监测。

所述的稳压罐安装于供液主管上，稳压罐的进口与泵的出口相连，稳压罐的出口连接至流量计。稳压罐的内部结构为下进上出，即由泵输出的冷却介质，经供液主管输送至稳压罐，由稳压罐下方的入口进入罐内，然后由上方的出口排出，这样经过稳压罐的缓冲，消除了泵输送冷却介质流量的强烈脉动现象，保证了介质流动的平稳性。

所述的供液主管上安装的流量计用于实时监测蒸发冷却循环主回路的流量状态，可为介质循环流动状态判断提供辅助依据。

本发明装置中使用的蒸发冷却介质是高绝缘性能，低沸点，物理化学性能稳定，达到环保要求的介质，如VxF4310等。

本发明的水轮发电机定子汇流排强迫循环蒸发冷却装置，与现有的水内冷技术相比，具有以下几个特点和优势：

1）安全性更高。由于水轮发电机定子汇流排强迫循环蒸发冷却装置采用了高绝缘的冷却介质，杜绝了水内冷机组因水泄漏造成短路事故的发生，同时避免了水内冷机组中汇流排内部铜离子与水中氧离子的化合物造成流路堵塞的隐患。

2）初投资与运行费用更低。水轮发电机定子汇流排强迫循环蒸发冷却装置取消了水内冷机组所需的水处理系统，简化了装置结构。

本发明的水轮发电机定子汇流排强迫循环蒸发冷却装置，与现有的自循环蒸发冷却技术相比，具有以下几个特点和优势：

1）循环驱动力更强。自循环蒸发冷却技术利用实际电机结构形成自驱动力，受汇流排实际结构影响，实际驱动力较小，而水轮发电机定子汇流排强迫循环蒸发冷却装置采用泵为蒸发冷却介质的循环流动提供驱动力，可根据实际需求配备扬程更高的泵，驱动力得以较大提升，同时可在不影响冷却效果的前提下，在蒸发冷却循环主回路中安装流量计，便于流量的实时监测。

2）制造安装成本更低。由于水轮发电机定子汇流排强迫循环蒸发冷却装置的循环驱动力较高，可针对数量更多的不同形态的汇流排，建立含有支路长度更长、数量更多的汇流排支路的统一蒸发冷却循环回路，因而大大简化了整体冷却装置结构，节约了制造和安装成本。

3）蒸发冷却介质的循环流动更稳定。自循环蒸发冷却装置中的自驱动力对其循环回路的自身影响较为敏感，因而流量总是处于自驱动力和总阻力的匹配过程中，流量会出现一定波动，而水轮发电机定子汇流排强迫循环蒸发冷却装置中的泵的驱动力较为稳定，因而流量输出更加稳定，变化幅度更小，从而使得温度波动减小。

附图说明

图1为本发明原理图。图中，1泵，2稳压罐，3供液主管，4旁通管，5电动调节阀，6流量计，7第一密封接头，8分液管，9第二密封接头，10进口绝缘引管，11进口电液分离接头，12定子汇流排，13出口电液分离接头，14出口绝缘引管，15第三密封接头，16集气管，17第四密封接头，18出气管，19中间绝缘连接管，20中间电液分离接头，21冷凝器，22第一密封金属管束，23二次冷却水泄漏检测和温度报警仪的第一检测电极，24压力开关，25第一电磁阀，26第一压力传感器，27回液主管，28磁性浮子液位计，29第二压力传感器，30储液罐，31连接短管，32冷却器，33第二密封金属管束，34第二电磁阀，35第三压力传感器，36二次冷却水泄漏检测和温度报警仪的第二检测电极；37总回液管；

图2为水轮发电机定子汇流排的横剖面示意图。图中，1为定子汇流排，2为外包绝缘。

具体实施方式

图1所示为水轮发电机定子汇流排的强迫循环蒸发冷却装置。

本发明包括水轮发电机定子汇流排12，分液管8，集气管16，冷凝器21，冷却器32，储液罐30，稳压罐2，泵1，流量计6，旁通管4，供液主管3，出气管18，回液主管27，总回液管37，电液分离接头，绝缘引管和密封接头等。

所述的泵1的出口通过供液主管4，经稳压罐2连接至流量计6，流量计6连接至第一密封接头7，第一密封接头7与分液管8相连，分液管8顺序经第二密封接头9、进口绝缘引管10、进口电液分离接头11、定子汇流排12、出口电液分离接头13、出口绝缘引管14和第三密封接头15连接至集气管16，集气管16与第四密封接头17相连，第四密封接头17通过出气管18与冷凝器21相连，冷凝器21通过回液主管27连接至储液罐30，储液罐30与冷却器32相连，冷却器32通过总回液管37连接至泵1的入口。以上管路连接构成了蒸发冷却循环主回路。

所述的泵1的出口通过旁通管4连接至储液罐30，从而构成了旁通支路。旁通管4上安置了电动调节阀5。

所述的蒸发冷却循环主回路中供液主管3上安装有流量计6；蒸发冷却循环回路中注入蒸发冷却介质；蒸发冷却循环回路中安装的泵1为蒸发冷却介质的循环流动提供驱动力；冷凝器21的外壳顶部安装有第一压力传感器26，压力开关24，第一电磁阀25，以及二次冷却水泄漏检测和报警仪的第一检测电极23；冷却器32的外壳顶部装有第三压力传感器35，第二电磁阀34以及二次冷却水泄漏检测和报警仪的第二检测电极36；冷凝器21和冷却器32的内部均安装有密封金属管束，密封金属管束中均流通二次冷却水。

所述的水轮发电机定子汇流排12包含多个汇流排支路，每个汇流排支路的进口、出口分别通过电液分离接头和绝缘引管，与分液管8、集气管16相连，所有汇流排支路之间采用并联连接。每个汇流排支路由一个或多个单根汇流排组成。

为叙述简明，以包含三个并联的汇流排支路的定子汇流排12为例对本发明作示意说明。

所述的泵1的出口分别连接至旁通管路4和供液主管3。旁通管路4上安装有电动调节阀5，旁通管路4的出口连接至储液罐30的上端的进口。

所述的供液主管3上依次安装有稳压罐2和流量计6，并通过第一密封接头7，连接至分液管8。定子汇流排12中含有四个单根汇流排即12a，12b，12c，12d，它们在长度、形态以及高度上具有一定差异，定子汇流排12呈水平放置。四个单根汇流排即12a，12b，12c，12d，通过组合连接形成了三个汇流排支路，其中单根汇流排12a与12b通过中间绝缘连接管19和中间电液分离接头20进行串联后，构成了一个汇流排支路12a-b，而汇流排12c和12d分别单独构成另外两个汇流排支路。每个汇流排支路的入口经过进口电液分离接头11、进口绝缘引管10和第二密封接头9连接至分液管8。每个汇流排支路的出口经过出口电液分离接头13、出口绝缘引管14和第三密封接头15连接至集气管16。集气管16连接至第四密封接头17。第四密封接头17由出气管18连接至冷凝器21的冷却空间。冷凝器21的下端出口与回液主管27相连。回液主管27与储液罐30上端的进口相连，储液罐30通过连接短管31与磁性浮子液位计28相连，磁性浮子液位计28的下端安装第二压力传感器29。储液罐30的下端的出口连接至冷却器32的入口，冷却器32的出口通过总回液管37连接至泵1的入口。

冷凝器21外壳顶部安装有压力开关24，第一电磁阀25，第一压力传感器26和二次冷却水泄漏检测和报警仪的第一检测电极23，电极23伸入冷凝器内部冷却空间的底部。冷凝器21内部安装有第一密封金属管束22，密封金属管束22的进出口经密封引出冷凝器21壳体外，密封金属管束22的内部流通二次冷却水。

冷却器32外壳顶部安装有第二电磁阀34，第三压力传感器35和二次冷却水泄漏检测和报警仪的第二检测电极36，电极36伸入冷却器内部冷却空间的底部。冷却器32内部安装有第二密封金属管束33，密封金属管束33的进出口经密封引出冷却器32壳体外，密封金属管束33内部流通二次冷却水。

蒸发冷却循环回路中注入适量的蒸发冷却介质。

本发明装置的运行工作过程如下：当发电机工作时，蒸发冷却循环同时启动。泵1将液相冷却介质由供液主管3，经过稳压罐2，流量计6，密封接头7，分液管8，密封接头9，进口绝缘引管10和进口电液分离接头11，输送到定子汇流排12中。定子汇流排12发热产生热量，其内部的冷却介质因热传导和对流作用，吸收汇流排12的热量而温度升高。当介质温度升至当地压力所对应的饱和温度时，部分冷却介质产生了气化现象，形成气液两相流动冷却介质。两相流动冷却介质随后经过出口电液分离接头13，出口绝缘引管14，第三密封接头15，集气管16和第四密封接头17，流入到出气管18中，然后流入至冷凝器21中被冷凝成液相冷却介质。随后冷却介质流出冷凝器21，经回液主管27流入到储液罐30中。在储液罐30中，从冷凝器21回流回来的冷却介质同旁通管路4回流回来的冷却介质相混合，然后液相冷却介质流出储液罐30，进入冷却器32进行进一步冷却降温。液相冷却介质离开冷却器32后，最后回到泵1，开始下一次循环。冷却循环过程可随着汇流排热负荷的变化而相应调整汇流排内部的蒸发点的位置，负荷增大时，蒸发点前移，气液两相段增长；负荷减小时，蒸发点后移，气液两相段变短，当负荷减小至一定值，汇流排内部可能不会出现饱和沸腾现象，只存在全液相段或者全液相段与过冷沸腾段，依靠单相对流换热及过冷沸腾换热完成汇流排的冷却。

压力开关24监测冷凝器内部空间的极限涉及压力，当冷凝器21的压力超过极限时，压力开关24可以直接控制电磁阀25开启，从而降低冷凝器21的压力，保障装置安全运行。冷却器32上安装的第三压力传感器35可实时监测冷却器32内部空间的压力。冷却器32上安装电磁阀34，用于灌液时开启，以排净冷却器32内部的空气。供液主管3上安装的流量计可实时监测供液主管3的内部流量。与储液罐30相连接的磁性浮子液位计28可直观显示储液罐中的液位。液位计28下部安装的第二压力传感器29，冷凝器21顶部安装的第一压力传感器26以及冷却器顶部安装的第三压力传感器35共同把信号远程传送给中控室。安装在冷凝器21上的二次冷却水泄漏检测和报警仪的第一检测电极23与安装在冷却器32上的二次冷却水泄漏检测和报警仪的第二检测电极36，将漏水的电信号远程传送给中控室，由中控室发出指令对装置进行漏水处理。

图2所示为水轮发电机定子汇流排的横剖面示意图。水轮发电机定子汇流排1为空心铜管或铝管，截面形状为圆环形或者多边环形，其壁厚根据通过电流的大小、选用的电流密度、机械强度和空间的大小等因素确定。水轮发电机定子汇流排1的外部包有绝缘2。

Claims (7)

1.一种水轮发电机定子汇流排强迫循环蒸发冷却装置，其特征在于所述的装置包括水轮发电机定子汇流排（12）、冷凝器（21）、冷却器（32）、储液罐（30）、稳压罐（2）、泵（1）、绝缘引管、电液分离接头、流量计（6）、分液管（8）、集气管（16）、密封接头、供液主管（3）、出气管（18）、回液主管（27）、总回液管（37）以及旁通管（4）；所述的供液主管（3）将泵（1）的出口、稳压罐（2）和流量计（6）串联连接并连接至第一密封接头（7），第一密封接头（7）与分液管（8）相连，分液管（8）顺序经第二密封接头（9）、进口绝缘引管（10）、进口电液分离接头（11）、定子汇流排（12）、出口电液分离接头（13）、出口绝缘引管（14）和第三密封接头（15）连接至集气管（16），集气管（16）与第四密封接头（17）相连，第四密封接头（17）通过出气管（18）与冷凝器（21）相连，冷凝器（21）通过回液主管（27）连接至储液罐（30），储液罐（30）与冷却器（32）相连，冷却器（32）通过总回液管（37）连接至泵（1）的入口，构成了蒸发冷却循环主回路；所述的泵（1）的出口通过旁通管（4）连接至储液罐（30），构成旁通支路（4），旁通管（4）上安装有电动调节阀（5）；

所述的蒸发冷却循环主回路以及旁通支路组成蒸发冷却循环回路；所述的供液主管（3）上安装有流量计（6）；蒸发冷却循环回路中注入蒸发冷却介质；所述的泵（1）为蒸发冷却介质的循环流动提供驱动力；冷凝器（21）的外壳顶部安装有第一压力传感器（26），压力开关（24），第一电磁阀（25），以及二次冷却水泄漏检测和报警仪的第一检测电极（23）；冷却器（32）的外壳顶部装有第三压力传感器（35），第二电磁阀（34）以及二次冷却水泄漏检测和报警仪的第二检测电极（36）；冷凝器（21）和冷却器（32）的内部均安装有密封金属管束，密封金属管束中流通二次冷却水。

2.根据权利要求1所述的水轮发电机定子汇流排强迫循环蒸发冷却装置，其特征在于所述的水轮发电机定子汇流排（12）包含一个或多个汇流排支路，所述的汇流排支路之间采用并联连接；每个汇流排支路由一个或多个单根汇流排组成。

3.根据权利要求2所述的水轮发电机定子汇流排强迫循环蒸发冷却装置，其特征在于每个所述的汇流排支路的进口经过进口电液分离接头（11）和进口绝缘引管（10）与第二密封接头（9）连接至分液管（8）；每个汇流排支路的出口经过出口电液分离接头（13）、出口绝缘引管（14）和第三密封接头（15）连接至集气管(16)，集气管（16）连接至第四密封接头（17）；第四密封接头（17）由出气管(18)连接至冷凝器(21)的冷却空间；冷凝器(21)的下端出口与回液主管（27）相连；回液主管（27）与储液罐（30）上端的进口相连。

4.根据权利要求1所述的水轮发电机定子汇流排强迫循环蒸发冷却装置，其特征在于所述的蒸发冷却循环主回路中，所述的水轮发电机定子汇流排（12）的出口与冷凝器（21）相连；冷凝器（21）的出口与储液罐（30）上端的进口相连；储液罐（30）的出口与冷却器（32）的入口相连；冷却器（32）的出口与泵(1)的入口相连；泵（1）的出口通过供液主管经过流量计（6）与稳压罐（2）的入口相连；稳压罐（2）的出口与所述的水轮发电机定子汇流排（12）的入口相连。

5.根据权利要求1所述的水轮发电机定子汇流排强迫循环蒸发冷却装置，其特征在于所述的旁通管路（4）的进口连接至泵（1）的出口，旁通管路（4）的出口连接至储液罐（30）上端的进口，旁通管路（4）上安装有电动调节阀（5）。

6.根据权利要求1或2所述的水轮发电机定子汇流排的强迫循环蒸发冷却装置，其特征在于水轮发电机定子汇流排（12）为空心铜管或铝管；水轮发电机定子汇流排的截面形状为圆环形或者多边环形；水轮发电机定子汇流排的外部包有绝缘。

7.根据权利要求1所述的水轮发电机定子汇流排强迫循环蒸发冷却装置，其特征在于所述的储液罐（30）通过连接管与磁性浮子液位计(28)相连；液位计的（28）下端装有第二压力传感器(29)。

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