（水利水电工程专业论文）公伯峡水电站节能采暖的分析研究.pdf

摘要在我国严寒的北方地区，水电站传统的通风采暖系统主要依靠电采暖器和集中送热风采暖的方式来解决。这些采暖方式存在着运行成本高、耗费电能、设备不易布置及影响电站美观的缺点。本文通过对公伯峡电站的采暖系统进行分析，研究了发电机的放热风进行采暖的方案，从而达到实现节约工程投资、节约电能和电站运行成本的目的。通常，水轮发电机在运行的过程中，其产生的各种损耗以热的形式表现出来，通过空气冷却器的热交换将热量排至厂房外，白白损失了热能。将发电机的热量用于电站厂房的采暖，可以节约能源，减少电站厂房的采暖设施。但是，这一措施必须以满足不对发电机冷却效率产生影响为前提。因此，在不影响发电机冷却效率的情况下，改造发电机通风系统，增加采暖通风设施是一个值得研究的问题。本文的主要工作如下：1 、本文通过运用网络计算的方法，对发电机内部冷却空气在不同工况时的流场分布进行了计算和分析，以确定发电机放热风对发电机冷却效率的影响。2 、运用有限元的方法分析了发电机在不同运行工况下，发电机放热风在厂房的温度场分布，以确定采用发电机放热风为电站采暖，哪种运行方式是最优采暖方案。3 、分析了电站采暖负荷的构成，并对传统的运用电采暖器采暖方式与发电机放热风采暖方案进行了经济比较。通过以上的计算和综合分析，公伯峡水电站采用发电机放热风进行采暖的方案是合理可行的，是一种减少投资、降低成本、节约能源的采暖方案，具有极其重要的现实意义。关键词：发电机通风采暖节能网络法温度场a b s t r a c ti nt h en o r t hc o l dr e g i o no fo u rc o u n t r y , t h et r a d i t i o n a lv e n t i l a t i o na n dh e m i n gs y s t e mo ft h eh y d r o p o w e rs t a t i o nm o s t l yd e p e n d so ne l e c t r i cc e n t r a lh e a t i n ga n dt h em e t h o do ft r a n s m i t t i n gs i r o c c oc e n t r a l l y h o w e v e r , 血a te x i t ss o m ei n e v i t a b l ed i s a d v a n t a g e ss u c ha sh i g hr u m f i n g - c o s tm a dp o w e rc o n s u m p t i o n ，d i f f i c u l ta r r a n g e m e n tf o re q u i p m e n t sa n dt h en e g a t i v ee f f e c tf o r t h ea p p e a r a n c eo fh y d r o p o w e rs t a t i o n 1 1 1 ep a p e rp r e s e n t sar a t i o n a lh e a t i n gs c h e m ef o ru s i n gs i r o c c op r o d u c e db yh y d r o g e n e r a t o r st h r o u g ha n a l y z i n gt h ev e n t i l a t i o na n dh e a t i n gs y s t e mo ft h eg o n g b o x i ah y d r o p o w e rs t a t i o n t h ep u r p o s eo ft h es t u d yi st oe c o n o m i z et h ei n v e s t m e n to f t h ep r o j e c t ，s a v ee n e r g ya n dt h er u n n i n g - c o s to f t h ep o w e rs t a t i o n i nt h er u n n i n gp r o c e s so ft h eh y d r o g e n e r a t o r s ，t h eu l l a g er e p r e s e n t a t i o no fh y d r o g e n e r a t o r si se x p r e s s e db yt h eq u a n t i t yo fh e a t t h eq u a n t i t yo fh e a ti sr e l e a s e do u to ft h ew o r k s h o pt h r o u g ht h et h e r m a ld i f f u s i o ne f f e c to fa t m o s p h e r ec o o l e rs ot h a th e a te n e r g yi sw a s t e du t t e r l y u s i n gt h eq u a n t i t yo fh e a tp r o d u c e db yh y d r o - g e n e r a t o r sa st h eh e a t i n gs y s t e me a r ls a v et h ee n e r g yt oag r e a te x t e n ta n dr e d u c et h eh e a 廿n ge q u i p m e n t si nt h ew o r k s h o p h o w e v e r , t h i sm e t h o di sn o tu n c o n d i t i o n e db e c a u s ei tm u s tn o ta f f e c tt h ec o o l i n ge f f i c i e n c yo fh y d r o - g e n e r a t o r s t h e r e f o r e ，t h eq u e s t i o na b o u tc h a n g i n gt h ev e n t i l a t i o ns y s t e mo fh y d r o g e n e r a t o r sa n da d d i n gh e a t i n ge q u i p m e n t sd e s e r v e sd i s c u s s i n g t h es t u d yo f t h i sp a p e ri st h ef o l l o w i n g ：1 t h i sp a p e r , t h r o u g ha p p l y i n gt h em e t h o do fn e t w o r kc a l c u l a t i o n ，s t r i c t l ya n a l y s e sa n dc a l c u l a t e st h ef l u i df i e l do fc o o l i n ga t m o s p h e r ei nt h eh y d r o - g e n e r a t o r su n d e rd i f f e r e n tw o r k i n gc o n d i t i o n st od e t e r m i n et h ei n f l u e n c eo fs i r o c c oh y d r o g e n e r a t o rp r o d u c e do nt h ec o o l i n ge f f i c i e n c yo f t h eh y d r o g e n e r a t o r s 2 t l l i sp a p e r , t h r o u 曲a p p l y i n gt h em e t h o do ft h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o d e m ) ，s t r i c t l ya n a l y s e sa n dc a l c u l a t e st h et e m p e r a t u r ef i e l do ft h es i r o c c oi nt h ew o r k s h o pt od e t e r m i n ew h i c hr u n n i n g s c h e m ei st h em o s to p t i m a lo n e 3 t h i sp a p e ra n a l y s e st h ec o n s t r u c t i o no fh e a t i n gl o a da n dc o m p a r e st h ec o s tc o n s m n p t i o nb e t w e e nt h et r a d i t i o n a le l e c t r i cc e n t r a lh e a t i n ga n dt h es c h e m ea b o u tu s i n gs i r o c c oh y d r o g e n e r a t o r sp r o d u c e d t h r o u g ha b o v ep r e c i s ec a l c u l a t i o na n dc o m p r e h e n s i v ea n a l y s i s ，w ek n o wt h a tt h i ss c h e m eo fu t i l i z i n gs i r o c c oh y d r o - g e n e r a t o r sp r o d u c e da sah e a t i n gs y s t e mi sf e a s i b l ei ng o n g b o x i ah y d r o p o w e rs t a t i o na n dt h a ti tc a nr e d u c ei n v e s t m e n t ，e c o n o m i z ec o s ta n ds a v ee n e r g yg r e a t l y k e y w o r d s ：h y d r o - g e n e r a t o rv e n t i l a t i o nh e a t i n ge n e r g ys a v i n gn e t w o r km e t h o dt e m p e r a t u r ef i e l d独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得鑫鲞盘堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名：李笨文目目签字日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解墨洼盘堂有关保留、使用学位论文的规定。特授权叁鲞盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明)学位论文作者签名：替轰明导师签名抑丝签字目期：年月日签字日期：叼；年7 月厂日第一章绪论1 1选题背景第一章绪论众所周知，我国是水电资源大国，除台湾省外，我国水能总蕴藏量为6 8 亿千瓦，折合年发电量5 9 万亿千瓦时，居世界第一位，而全国水电平均开发率按电量折算仅为9 1 2 ，位居世界第八位，排在很多发展中国家之后，与中国是最大的发展中国家的位置极不相称。且我国东西部水电发展极不平衡，其中东部地区水电开发率己达7 0 以上，而西部地区的开发率仅为7 5 。根据国家电力发展的“优先发展水电”方针，到2 0 1 0 年我国的水电装机将达到1 4 5 亿千瓦左右。新世纪伊始，我国的水电建设迎来了进一步发展的机遇。在国家西部大开发战略性政策的带动下，加快了西部地区能源、水电等基础设施的建设。我国水能资源相对集中的西北、西南地区，随着国家“十五”规划三大重点工程之一的“西电东送”工程的逐步展开实施，更是“大力发展水电”的良好契机。西北黄河上游青海龙羊峡至宁夏青铜峡河段，是全国著名的水电“富矿”，全长9 18 公里，落差13 2 4 米，规划大中型水电站2 5 座，装机l8 2 4 万千瓦，年发电量5 9 8 亿千瓦时。加快黄河上游水电开发，对于优化话北电力结构，实现资源优化配置，将资源优势转化为经济优势，促进西北地区的经济发展，都具有十分重要的意义。水电的开发建设是一项投资大、周期长的大型工程。随着电力企业改革的逐步深入，水电项目的投资逐步由单一的国家资本投入机制变为多种资本结构并存的投入机制。投资主体的多元化使投资者都追求以最小的投资获取最大的效益。水电工程造价直接影响到电站建成运营后的效益和市场竞争力，这就要求电站在建设期采取各种行之有效的手段控制投资，并加大科技投入，加快科技创新步伐，大力推广新工艺、新材料、新技术的应用，以提高效率，降低工程造价。电力市场改革逐步实行“厂网分开、竞价上网”政策，只有工程投资低、第章绪论保证电能高、运行费用低，其上网电价才具有较强的市场竞争力，同时提高电力企业的经济效益和电力市场竞争力。随着我国经济的快速发展，对于电力的需求也日益高涨。电力工业的发展滞后于经济的发展，这就要求我们一方面加快电力工业的建设，做经济的排头兵；另一方面，我国的能源资源相对还比较匮乏，在努力开发能源和电源建设的同时，必须实行节能节电，使每一份能源发挥最大的效益。节能已成为一个企业降低成本，提高经济效益的重要途径。最近几年，缺电现象日益严重，并出现大面积的拉闸限电情况，严重影响了国民经济的发展。节约能源，有效的降低企业生产成本，已成为国家和企业非常关注的问题，也是一重大课题。水电站厂房是电站运行者的工作及电站设备的运行场所，为了使电站工作人员及设备有一个适宜的环境，则电站厂房需保持适宜的温度。在我国北方地区，冬季时间长、其平均气温低( 一般都在零摄氏度以下) ，为保持适宜的温度，在水电站厂房中都设置有通风采暖设施。在以往的水电工程设计过程中，主厂房冬季采暖问题主要由电采暖器和集中送热风采暖的方式来解决。为保持电站厂房中的温度，则必须布置足够数量的电采暖设施进行供暖。这些电采暖设备在运行的过程中，不仅消耗大量的电能，同时大大提高采暖用电的设备容量及厂用电负荷，增加了水电站的设备投资及运行成本，是一种不经济和耗能的通风采暖方式。是否能找到一种既经济又节能的采暖方式呢?水轮发电机本身就是一个热源。发电机转子在旋转过程中，其磁极产生强大的磁通密度，这些磁通穿过发电机定子的线棒，产生电流。由于励磁电流、负载电流流过的绕组电阻存在，产生励磁损耗和铜损耗。这些损耗以热的形式表现，并通过空气冷却器进行热交换，将热量排至厂房外。那能否有效的利用发电机作为电站采暖的热源点呢?受当时设计技术水平和设备制造水平的制约，发电机热风量的利用率很低，一般只占发电机冷却循环风量的3 5 。如果能够充分利用发电机放热风用于采暖，也就是说提高发电机组放出的热风量，降低电采暖在整个采暖中所占的比例，以达到降低工程投资和电站运行成本第一章绪论的目的。目前，大型混流式水轮发电机组都采用密闭自循环无风扇空气冷却系统。发电机运行时，由于发电机转子旋转所产生的巨大扇风作用，驱使空气在电机内不停地进行循环，吹拂发电机发热部分，冷却空气将发电机内的热量带到空气冷却器内与水进行热交换后由冷却水将热量带出发电机外。而发电机放热风就是将带有热量的冷却空气不经过空气冷却器冷却，直接引热风至发电机上盖板，通过开设在上盖板的风口送入主厂房发电机层用于采暖，以保持电站厂房的温度。采取发电机放热风方式进行采暖，就要解决如下问题：1 、在满足一定进出风量的条件下，发电机空气循环冷却系统会发生怎样的变化? 是否会对发电机冷却系统带来不利影响?2 、当从发电机中取出热风时，能否满足电站主厂房采暖的要求，其温度场如何分布? 何种运行工况是最优采暖方案?1 2 国内外研究现状1 2 1 发电机通风系统现状随着现代发电机制造工业的发展，水轮发电机的设计及制造水平越来越高，并且向着大容量方向发展。单机容量越大，其经济性就越好，而单机容量的扩大主要依靠制冷技术的改进。我国水轮发电机与国际先进水平还存在很大的差距，而这些差距主要是效率和利用系数。大型发电机的各种损耗是发电机发热的内在因素。其损耗可以分为：铁损耗、铜损耗、励磁损耗和机械损耗。这些损耗是影响发电机效率的主要因素，同时造成发电机发热。“发电机效率低和发热的一个重要原因是通风系统设计不够合理，造成发电机通风损耗过大，影响发电机的效率；另一个原因是通风及温升的计算准确性不高，被迫增大发电机温升裕量。大型电机的通风冷却计算是电机设计中非常重要的工作，关键是合理设计通风系统，第一章绪论降低通风损耗，提高发电机效率。另外，要提高实用通风温升计算的精度和准确性，适当提高电机电磁负荷，提高发电机利用系数。水轮发电机通风系统的设计是整个发电机设计的重要组成部分，应合理地分配发电机的冷却气体以满足定子、转子散热的需要。目前，国内外大型水轮发电机都是利用空气作为冷却介质对定、转子绕组以及定子铁心表面进行冷却。冷却方式一般有1 根据发电机容量，产生的损耗值以及转子的压头，水轮发电机的通风系统有开启式通风、管道式通风和具有空气冷却器的闭路循环空气冷却系统三种。2 按冷却空气的流动方向，可分为径向、轴向及复合通风方式。3 根据建立风压的方法，可分为自通风和强迫通风方式。在发电机的这几种通风方式中，开启式通风和管道式通风由于受环境影响较大，主要用于小容量机组中，一般电机容量在一万千瓦以下。闭路自循环通风冷却系统的特点是利用空气冷却器进行热交换，冷风稳定，温度低，空气清洁干燥，有利于电机绝缘寿命。这种通风冷却系统被广泛应用于大型发电机中。闭路自循环通风冷却系统按其风路特点可分为以下几类：1 密闭双路径向通风冷却系统；2 双路径轴向通风冷却系统；3 双路径向无风扇通风冷却系统；4 单路径向通风冷却系统；5 单路轴向通风冷却系统。闭路自循环通风冷却系统，是由发电机机坑壁、发电机上盖板及下机架组成一个相对密闭的空间，利用密闭空间内的空气作为发电机的冷却介质。沿发电机定子机座外壁均匀分布若干空气冷却器，发电机运行时，由于发电机转子旋转所产生的巨大扇风作用，驱使空气在电机内不停地进行循环，从空气冷却器出来的冷空气首先流过定子绕组端部流道，冷却定子绕组端部后，进入发电机上下风道，流到发电机转子机架的上下部，沿转子磁轭径向通风沟，经磁极极间流道径向第一章绪论进入气隙。气隙内的冷却空气被转子综合压力压入定子铁心径向通风沟，冷却定子铁心及定子绕组直线段后进入背部风室，汇集到空气冷却器，与空气冷却器进行热交换散去热量，从而保证定子温升在允许的范围之内，使发电机正常运行。对于闭路自循环通风冷却系统的研究，主要是研究发电机在这种通风冷却系统运行下，怎样使通风损耗最小，从而达到提高发电机效率的作用。其研究的主要是发电机的通风结构、通风风量和风流场对发电机效率的影响。”1 2 2 电站采暖的现状水电站厂房采暖方式主要有电辐射采暖和集中送热风采暖两种方式。水电站厂房采暖热气流组织尤为重要。采用集中送热风方式，就需要布置风管及集中送热风系统。这种方式在送热风过程中，由于浮力的作用使热空气上升、冷空气下沉，形成顶部温度高，室内温度梯度大，热损失明显增加，甚至热风无法到达下部工作区域的缺点。对高大空间送热风而言，底部送风的气流组织形式相对最佳，最节能，这就要求厂房底部要布置送风管道或送风口，一般不易实现；通常做法采用中下部侧送风方式，沿外墙风管道布鼍在3 0 6 o m 范围，并且采用高速侧送风较为合适，而距厂房地面3 o 4 0 米的范围内又是设备、管道的布置较多的区域，由于风管截面较大，占据的空间也非常大，故采暖设施布置较困难，增加了采暖系统的投资。同时这种加热空气采暖方式的热源使用是电能，必然会增加电能的消耗。电采暖装置采暖方式具有采暖启动快、热情性小、容易提高围护结构和设备表面温度、减少人体辐射散热、增加运行人员舒适感的特点被广泛地应用于大中型水电站。但电采暖器采暖方式存在着设各投资相对较高、运行成本大、并消耗大量的电能以及产品质量不稳定的缺点，增加了电站的成本及备用产品的数量和维护的工作量，给电站的运行带来极大的不便。4 “5 “6 第一章绪论1 2 3 流体网络理论的研究状况流体网络理论是由流体力学和网络理论结合而发展起来的一门应用科学。它主要用来研究发生在流体管路系统中流体功率及信息的传输过程和各种流体瞬变现象。早在十九世纪初，18 0 8 年英国物理学家托马斯从研究血液流动出发，提出了充满理想流体的弹性管内波传播速度的公式。18 5 0 年纳维( n a v i e r ) 和斯托克斯( s t o k e s ) 发展了流体力学的基本方程，对可压缩流体的研究起了重大的作用。到了十九世纪末，由于当时水利工程中设计水网分配系统的需要，对于流体传输和瞬变的研究进一步提高。1 9 0 3 年阿里维( a l l i e v i ) 开始应用图解分析方法去研究水击现象，1 9 2 7 年奎克( q u i c k ) 最早在理论上对水击现象进行概括。到三十年代后期，由研究水击现象发展起来的图解分析方法已开始用于其它一些流体瞬变的问题中。从事流体传输和瞬变研究的学者，开始研究如何正确建立流体管路的数学模型。直到二十世纪初，流体管路模型理论还只是停留在理想流体无损管路一维波动方程的初级模型基础上。1 9 5 0 年伊伯勒f i b e r a l l ) 利用水击理论和不可压缩流体力学等方面的研究成果，得出了管路中包含粘性摩擦和热传导两个因素下流体管路第一个完整的模型，它表示成特性阻抗和传播常数的动态形式，成为那时期以来研究工作的重要理论基础。但由于该结果十分复杂，不便于在实际工程问题的应用。1 9 5 7 年由鲁尔曼( r o h m a n ) 和格罗根( g r o g a n ) 对伊伯勒所提出模型的解直接和电传输线的结果相比拟，由于采用线性化的分析方法，使流体参数对应于电学参数，从而使解答具有更加简洁的形式。并在1 9 6 2 年由尼科尔( n i c h o l s ) 在频域中导出了伊伯勒的解，并将它化为等值电路的形式，从而为利用电网络传输线理论去研究流体管路传输和瞬变问题提供了重要的理论根据。把不同的流体系统归纳为类似于电气网络等值回路的问题来研究，从而形成了流体网络理论。这样就可以不依赖流体力学的复杂计算，而按照电气线路方法设计流体系统。第一章绪论流体网络理论是由研究管内流体传输与瞬变而发展起来的一门应用科学，流体的传输和状态都发生在特定形状和尺寸的元件与管路中，形成管路内部的复杂流动。它具有如下特点：1 、流体管路中流体的流动参数( 速度、压力等) 是沿管路横截面求平均值的。2 、流体的流动参数( 压力、速度或流量) 不仅随位置变化而变化，而且还与时间有关。3 、流源压力( 或扰动压力) 的波形可以是正弦波、矩形波，也可以是按一定函数规律变化的规则与不规则波形。4 、流体传输与瞬变不仅在简单的单管路中进行，在许多情况下往往是以网络形式出现的管系中进行的。这个管系既包括含有许多分布参数的主管路和分叉管路，又包含有许多集中参数的流体元件。“”水轮发电机内的冷却空气流动状态十分复杂，是一种有很多涡流、二次流和高紊流的低速三元流体场，目前还无法精确求解这样的流体场。发电机的通风计算，经历了估算、相似比拟和图解法，直到现在的等效风路网络。等效风路网络是基于一元流动理论，用等效管道、管道风阻及风压头等来描述电机内的主气流流动状态。这种计算方法具有较高的计算精度，己被广泛地应用于发电机通风系统的计算中。1 3 本文研究的主要内容及其意义在我国严寒的北方地区，水电站的通风采暖系统主要采用电采暖器采暖和集中送热风采暖两种方式。这两种采暖方式大大提高采暖用电的设备容量及厂用电负荷，增加了电站的投资及运行成本，并消耗大量的电能。降低工程投资及运行成本，提高电力企业的竞争力，是水电投资者所关注的问题。随着我国经济的快速发展，水电工程必将以其综合效益高的特点同样得到飞速发展。而水电工程建设投资直接影响到电站建成运营后的效益和市场竞争力。这就要求电站在建设期采取各种行之有效的手第一章绪论段控制投资，推广新工艺、新材料、新技术的应用，以提高效率，达到降低工程造价的目的。同时提高电力企业的经济效益和电力市场竞争力。通常，水轮发电机在运行的过程中，其产生的损耗以热的形式表现出来，通过空气冷却器的热交换将热量排至厂房外，白白损失了热能。将发电机的热量用于电站厂房的采暖，可以节约能源、减少电站厂房的采暖设施。但是，这一方案必须以满足不对发电机冷却效果产生影响为前提。因此，在不影响发电机运行的情况下，改造发电机通风系统、增加采暖设施是一个值得研究的问题。本文的主要工作有：i 、本文通过运用网络矩阵的方法，对发电机内部冷却空气在不同运行工况时的流场分布进行分析，结合发电机的结构和电站的现场条件，以确定发电机放热风的利用率有多少。在此种情况下能否满足发电机冷却的需要。是否是一种可行的方案。2 、有限元的方法进行分析了水电站在不同工况下运行，其放热风的温度场如何分布。采用发电机放热风为电站采暖，是否能够满足电站冬季采暖的需要。并分析在不同工况时，运行哪几台机组是最优采暖方案。3 、分析电站采暖负荷的构成，并对传统的运用电采暖器采暖方式与发电机放热风采暖方案进行经济比较。确定发电机放热风采暖的经济性和节能效果。本文通过发电机放热风采暖对发电机冷却效果的影响、电站冬季采暖温度场的分布及采暖的经济性进行综合的分析，以寻求一种减少投资、降低成本、节约能源的采暖方案，具有极其重要的现实意义。第二章公伯峡水电站通风采暖系统第二章公伯峡水电站通风采暖系统2 1 公伯峡水电站通风采暖系统2 1 1 公伯峡水电站概况公伯峡水电站位于青海省化隆，循化两县交界处的黄河干流上。是黄河干流上游龙羊峡至青铜峡河段中第四座大型梯级电站。电站坝高l3 9 m ，坝长4 2 9 m 。水库正常蓄水位2 0 0 5 m ，为日调节水库。主厂房内安装5 台水轮发电机组及附属设备，单机容量3 0 0 m w ，电站总装机容量1 5 0 0 m w ，年发电量5 1 4 亿k w h 。电站总投资6 2 5 7 亿元。公伯峡水电站处于我国北方地区，冬季时间长( 十一月至次年三月) ，气温低，多年平均气温为8 6 。电站的冬季各月气温如表2 一l ：表2 - 1电站冬季各月气温项目名称十一月十二月一月二月三月全年多年各月平均气温( )2 13 65 01 24 38 6多年各月平均最高气温( )1 0 04 33 06 31 2 115 7多年各月平均最低气温( )一4 49 81 1 67 31 32 3由于冬季时间长，气温严寒，电站在设计时冬季的室外温度按一8 进行考虑。电站为右岸引水式地面厂房，电站厂房布置主要数据为：( 1 ) 电站主厂房全长1 8 4 0 5 m ，主厂房分为安装间和机组段，其中安装间尺寸为5 5 7x2 9 2 5 6 m ，机组段为1 2 8 35 2 9 2 5 6 m ( 长宽x 高) 。水电站的中控楼布置在安装间的下游侧。机组间距2 4 8 5 m ，机组中心至尾水管出口约3 1 4 m 。( 2 ) 安装场地面高程1 9 0 9 2 m( 3 ) 发电机层地面高程19 0 9 2 m( 4 ) 母线及调速器层高程19 0 3 1 mq第二章公伯峡水电站通风采暖系统( 5 ) 水轮机层地面高程2 1 2 公伯峡水电站通风采暖系统为了满足电站工作和设备运行的要求，公伯峡水电站全厂共9 个排风系统，3 个送风系统。主厂房以自然通风方式为主，尾水付厂房各层主要以自然进风、机械排风方式为主，在各层均设有两个通风机房，尾水付厂房的各层排风主要通过分设在左、右岸两端的排风竖井排出室外。主厂房共有六层，分别从上至下为发电机层、母线层、水轮机层、水轮机室管路廊道层、蜗壳层以及操作廊道层。其中发电机层位于地面以上( 19 0 9 2 0 平面) ，而其余五层在地面以下。所以对上述各层面，根据其不同的室内环境的温、湿度要求，采取不同的通风方式，以达到室内工作区的环境要求。对主厂房发电机层，它属地面明厂房，上、下游墙开有高窗，而公伯峡水电站所处地带，夏季气候凉爽，温度不高，所以发电机层可利用上、下游窗户以及安装间的大门形成的通道，利用自然通风，即可达到室内设计温度要求。母线层位于地面下以下，其通风主要利用开设在发电机层的吊物孔以及楼梯间，从主厂房发电机层进风。而排风则利用开设在主厂房下游墙的通风洞进入尾水付厂房的厂用开关室，然后再由分设在厂用开关室的排风机分别排入左、右岸排风竖井排至室外。水轮机层主要是由除余湿量来确定其通风量大小。利用吊物孔及楼梯间作为进风通道，而排风则排入下游侧的电缆层，再由电缆层两侧的排风机排出室外。水轮机室管路廊道层的通风采用机械送风、自然排风的通风方式，其进风主要利用位于水轮机层的送风机，从水轮机进风，而排风则通过主厂房下游的楼梯间排入高、低压贮气罐室，再由此层的排风机排入两端排风竖井至室外。蜗壳层以及操作廊道层则利用位于水轮机层的送风机，机械送风，排风则采用自然排风方式。公伯峡水电站厂房冬季采暖主要利用发电机放热风采暖，辅之以电第二章公伯峡水电站通风采暖系统热采暖相结合的采暖方式。冬季采暖期，打开熟风口及补风 e l ，将发电机热风送到各采暖部位；夏季关闭风口。厂房采暖部位主要有主厂房发电机层、主厂房水轮机层、尾水付厂房供水设备室、尾水付厂房阀门室。在冬季采暖期，电站各部位的采暖要求见表2 2表2 2电站各部位的采暖要求季节夏季冬季室内设计温度相对湿度工作区温度( )参数( )( )正常运行停机或检修生产场所发电机层2 97 01 0 5水轮机层2 78 010 5计算机室2 56 02 010办公室2 5 一 二二 一 二二 j 一 = 一- -合流阻力沿程阻力形状阻力风扇压头图3 1各种阻力损失和压力升高综合起来得到如下二次三项式：日女2 一日，+ 彳l q + 爿2 q 2( 3 2 )其中：h f 为风扇工作压头，a 1 ，a 2 为风阻系数，这些都通过试验确定。根据克希霍夫定律，m 个支路，n 个节点形成的网络可以写出l 个回路方程，这时有：l = m n + 1( 3 - 3 )这样m 个支路上的未知量q 1 ，q 2 ，q m ，由l 个回路方程和n 一1个节点方程确定唯一解。对各节点有：q ，= 0 ( a = 1 , 2 ，3 ，+ 1 )l ec o( 3 - 4 )c 。是向节点a 的支路。流入为正，流出为负。对于各回路有：埘。= o ( p = 1 , 2 ，4 )”“o( 3 - 5 )h 。是形成b 回路的支路，压力下降为正，压力上升为负。支路流向与回路流向一致则取正，否则取负。综合压力元件与阻力元件的支路特性，可将支路压差表达成如下的二次三项式：m - ，= 爿o + 4 q 。+ 爿2 q ：( 3 - 6 )第三章发电机放热风对发电机冷却的影响分析对这样网路方程只能用近似解法。一般解非线性方程组的方法中牛顿法收敛快，但收敛条件与系数和初值选取有关。收敛条件不易判定。从数学上看，回路的选取是任意的，它不会影响解题的结果。但从加快牛顿法的收敛看，回路的选取应尽可能符合风路系统的气流分布规律。否则将使计算难以收敛，甚至发散。若流动方向反向，即气流逆支路所设方向流动，则各常数改变数值，分别对应为b o ，b 1 ，b 2 。这时支路风压降为：a h = 鼠+ 丑l q + b 2 023 - 7 、大多数情况下，b o 与a o ，b l 与a 】，b 2 与a 2 不相同。”“”3 1 3 阻力系数等值风路中的阻力系数，主要包括流道局部变形阻力系数、分流及合流阻力系数、沿程摩擦阻力系数。阻力系数的计算是通风计算的关键，是通过大量的试验数据总结而来。3 1 4 压源等值风路中的压源，是指由于转子旋转而引起的压力升高作用。对于常规立式水轮发电机，转动部分的径向流道可近似看作径向离心风扇，其计算公式由相对运动的伯努力方程决定。旷圭p 慨) 2 + ；p 2 = b 一圭p 慨) 2 + 三棚( 8 - 8 )可知s = j 1p w 2 略一砰) + 圭p 孵一昭)( 3 9 )其中：p 一一冷却空气密度。r 。一一流道内缘半径；r 。一一流道外缘半径；。一一旋转角速度；w 。一一入口处相对风速：w ：一一出口处相对风速。笫三章发电机放热风对发电机冷却的影响分析3 1 5 网络方程1 、基本关系、( 1 ) 节点流量守恒根据物质不灭定律，在通风系统内，流入和流出同一流道的冷却气体，流量相等。于是对应于通风计算网络的每个节点i 均应有：q ，= 0( q ：流入或流出节点i 的流量)( 3 1 0 )( 2 ) 压力平衡根据畿量守恒定律及流体伯努力方程，对于通风计算网络中任意闭合回路，都应有冷却流体的流动压力变化总和为零，即：6 p 。= 0( ap 。：闭合回路中支路k 的压差)( 3 1 1 )2 、网络特性的线性化处理由上面基本关系可以看出，通风计算网络遵循基尔霍夫两个基本定律，于是就可以利用电路的基本原理对通风网络进行分析求解。由欧拉准则可知，网络中支路两端的压差ap 。与支路流量q ( k ) 具有如下关系：卸。= f q 噼) 2 s ( x )( 1 ：支路固有的阻力特性)( 3 - 1 2 )由式( 3 1 0 ) 可以看出，通风计算网络特性呈非线性，利用泰勒公式展开，略去高次项得：q ( 世) = 舡瓦i 而+ ( 蛾一峨。) ( 2 舡瓦了嘶)( 3 - 1 3 )这样通风计算网络中的支路流量就可以用式( 3 - 1 3 ) 表示。3 、网络方程组由式( 3 - 1 0 ) 和( 3 - 13 ) ，列出每个节点的流量方程，得如下方程组c ( 1 ，1 p ( 1 ) + + + + c ( 1 ，p ( ) = c ( 1 ，n + 1 )( 3 - 1 4 )l c ( n ，1 ) p ( 1 ) + + + + c ( ，) 尸o v ) = c ( ，n + i )4 、通风计算流程( 1 ) 确定节点支路关联矩阵a第三章发电机放热风对发电机冷却的影响分析fl ， ，( 2 ) 确定阻力系数，给定支路几何参数及支路流量，根据阻力系数计算公式确定各个支路阻力系数。( 3 ) 解联立方程，建立式( 3 - 1 4 ) 的系数矩阵c ，利用高斯主元素法求解方程组( 3 1 4 ) ，解出通风网络的节点压力p ( i ) 及利用式( 3 1 2 )求出支路流量q ( l ) 。( 4 ) 根据已求出的支路流量，计算每个节点的相对残余流量蝶，如果q ：小于事先给定的迭代标准占，则所求节点压力及支路流量即为所要得到的解。反之则令：e o ( 1 ) = 一脚p ( ，) + ( + 国l r o )( 3 - 1 6 )重新建立方程系数矩阵，求解方程组。“”2 “”3 2 发电机的等效风路3 2 1 发电机通风系统公伯峡水轮发电机采用密闭自循环无风扇空气冷却系统。发电机运行时，由于发电机转子旋转所产生的巨大扇风作用，驱使空气在电机内不停地进行循环，吹拂发电机发热部分，冷却空气将发电机内的热量带到空气冷却器内与水进行热交换后由冷却水将热量带出发电机外。发电机内空气与水如此不停地进行循环，保证发电机部件的温度在允许的范围之内，确保发电机的安全稳定运行。发电机通风结构选用“端部回风”结构，这是一种广泛应用并相当成熟的通风结构，也称为“无风扇端部回风固定园盘风路系统”，与其它通风结构相比，该结构有其明显的优势。公伯峡水电站水轮发电机通风系统中，以空气冷却器出来的发电机坑作起点，则发电机内冷却空气沿以下路径流动：第三章发电机放热风对发电机冷却的影响分析空气冷却器一上下机座一上下端部线圈一上下转子支架进风口一转子磁轭通风沟及轭叠片环隙一极间( 冷却励磁线圈) 一定子风沟( 冷却定子线棒及铁心) 一机座一空气冷却器( 与冷却水进行热交换并带走热量) 。其通风系统支路如图3 2 。发电机内的冷却空气在封闭的发电机机坑内按照上述路径流动，这时，冷却空气是不随时间变化的定常流动，整个通风系统基本处于稳定不变的状态。系统中各点的压力和流量完全由各支路的风阻特性来决定，与系统中的流容和流感无关。为近似的计算发电机内冷却空气的流场，根据发电机通风的特点，做如下接近实际的基本假设。1 、电机在稳定状态下工作，电机通风系统冷却空气处于连续、稳定的循环流动状态，它只受到来自通风系统内部的扰动。2 、由于空气在系统内的温升变化不大，不考虑温度变化对介质密度的影响。3 、由于冷却空气所受的驱动压力不大，故假设冷却空气在电机内循环中流动中不发生体积的变化。实际上用流场的积分形式，用总流伯努利方程和连续性方程表达系统中各风路的参量关系，也能近似的反映系统中流动的物理现象。第三章发电机放热风对发电机冷却的影响分析图3 2 发电机通风系统支路、节点示意图第三章发电机放热风对发电机冷却的影响分析3 2 2 发电机通风系统等效网络根据公伯峡水电站发电机通风系统的特点，在冷却空气流动的过程为定常流动，只有各支路的风阻特性起作用。当增加暖风窗口时，冷却空气同样为定常流动，故当发电机平稳运行时，其风路支路等效网络如图3 3 所示。公伯峡发电机通风系统等效网络图( 带暖风窗结构)图3 - 3 公伯峡电站发电机通风系统等效网络图图中“0 ，及编号为节点，“一，为支路风阻及编号。3 2 3 公伯峡水电站发电机数据公伯峡水电站发电机数据见表3 1 。2 3；i、|dtt ，ner 皑i号彘罨毛p q醴旧水蒜躔蚓c糕j幅e-岛幽增匿窿匠魍剧乌嚣毛脚越水出l取鼎e魁彘惴斗0雹匠蟠区鹾*型删l目拳i1l靼巅i型*匿彘醒彀删隧j离l昌性暴喜_垂一暨脚!l出旧备旨斌辑赵苌删鼎榴梢御誉leen号龟g牿8毛5瓮h惶v水譬积琏出旨磐l厘出一式旨一蚓样l舞掣懈剁盛目ll目“l目ll器制喧出匿霍固出瑚霹蹿旺鞋 _ ll 亘末裁m谁啦牛鲁辐鼎轻鼎糕妊糕巅晕；辎强爨岿牛“目番n睹!簦旨幂箍导ll矿恒弋鞋群幅挝鞋目g蜘簿饕匠醯啦兽担崩端匠_ 叵卺m暑馊鞋霹一样女厘糕擅加蠹州晕求售碘星嚣受暴廿攀碍匿霰糕毒1申辎斛球鼎氟垛惴皂岛匠匠盆嚣瓣琳盘七当堂上上畦旺籁糕牛j匿匿制制量l妄业出堪辅蛰但蜀l业n丝麓辍七昱g丑_龄=麓遥但i旺。堪*一豁扑籁裂2懈划垛苔盘望窘匿杀匿堪釜寸慢il堪取斗井l划器嘏氍艇恒匠旧慢碘爸遇但七n量娶释厘旧喧靶啦箍躏黑匿非心制u噻球制幂mmk蛑簿叫l -_ 【- g 秣蜷品毛h戒蚓赫垛盘匿“c三三聪氍器l 苜瞎旧龟星q=i薯t非水甙幽出出妊鼎籁幅惜僻曰瞄盘区匠匠lllil_ 陧联制童l目目e出蛆l氍舟弁咀曰霹匠*赠烈崩蹈口赫 i丑丑球嚣蟠辎制旨基匿m非靶瓤水卜叫k嚣求兽碘g帚受幂脚越靛匿幕餐霎脚糕料躲鞲赣嚣脚越督脚誉耳对h_c懈赫1 骷蛊匿鼎撩q。垛惴毛著岛岛泳水匿匿出目七h一曼葛七g !譬鞋聚gg霜譬旧憾d旧一芝嚣煞宝蘧葛“垦垦矧当翟鼎il蚓糕1 描犁辐嶷鞋籁霹赧岛 l垛 l瞄懈匿惴匿刭盟崮爱蛊葵离逝匿篷匿匿旨匮厘厦n啦n 吕聪暑“旧n鞋i昌l暑匠i喧憾聚悯暑娶鼎暑氍她型喧蹙壁糖越旧旧爨罱匿垦匿童帕蹈区鼎匿划士制盛蟮箍箍掣匿型型匠瓤瓣辑匿瓤匿k襻霹栏髓嘿u赡止匿k磐蟠制蟠蝌f 葵l匠球匿髓制鸶 封瓤制靶型球m球叫h卜驿暮蜒槭浆谨l卜啦蜷求蜃醯s吊佥幂印划靛区幕籍毫马=j越料漱第三章发电机放热风对发电机冷却的影响分析3 3发电机通风系统计算及其分析3 3 1通风系统计算工况以发电机放热风的方式为电站供暖，其目的就要最大限度的提高发电机放热风的利用率。而放热风量与发电机上盖板所开的窗口大小成正比关系，所以，本文只对最大窗口进行计算以达到放热风的利用率最高。公伯峡电站发电机的上机架采用八卦结构形式。根据上机架的结构强度及位置尺寸，其开设暖风窗的最大尺寸为1 0 0 0 4 9 0 m m ，共可以开设1 0 个这样尺寸的暖风窗。为达到热风的利用率最高，在所开设的窗口装设辅助措施提高放热风量进行计算。为了更好的进行分析，也对发电机无暖风窗的情况进行了计算。计算工况如下：l 、无暖风窗的情况；2 、开设1 0 个1 0 0 0 x4 9 0 m m 暖风窗的情况3 、在暖风窗中加装过滤装置的情况；4 、为加强热风量，加装抽风机的情况3 3 2 通风系统计算结果本文采用的是加拿大g e 公司的通风计算f l u e n t 软件，该软件是g e公司进行通风系统设计的基本软件，已有多年的应用经验，计算精度完全能够满足发电机通风系统的计算要求。运用此软件对公伯峡电站发电机通风系统在不同工况进行了计算，计算结果见表3 - 2 表3 5 。1 公伯峡电站发电机通风系统无暖风窗计算结果见表3 2表3 2发电机通风系统无暖风窗工况支路号支路位置风量m 3 s风速m si有效总风量1 1 0 1 6第三章发电机放热风对发电机冷却的影响分析l冷却器1 1 0153 3 42定子风沟1 1 0 151 9 3 23极间1 0 3 6 66 0 44磁极间轴向上端进风1 9 7 47 6 55极靴间轴向上端进风- 5 2 28 6 36气隙轴向上端进风一1 0 3 8- 9 2 77磁极间轴向下端进风1 8 5 07 178极靴间轴向下端进风一5 4 79 0 4g气隙轴向下端进风一1 0 6 79 5 31 0中部环隙8 538 1 1l l下端环隙1 4 07 8 l1 2上挡风板内4 1 30 5 71 3下挡风板内2 3 70 2 61 4转子支架1 0 3 6 62 0 91 5上转子进风口5 3 0 38 3 ll 6上端部5 7 1 50 9 71 7下转子进风口5 0 6 47 9 41 8下机架与油槽间5 0 6 31 2 31 9下端部5 3 0 02 6 42 0上喇叭口漏风4 1 36 3 62 1从转子支架进上喇叭口1 5 11 5 0 92 2下喇叭口漏风2 3 73 6 42 3从下喇叭口进入下挡风板0 0 00 0 02 4从转子支架进入下喇叭口1 4 l1 4 0 52 5转子环状风沟9 2 2 15 0 0 62 6上端环隙1 5 17 ，? 6注：输出数据及上表中的“一”号表示本支路上空气实际流动的方向与等效图中预设的流向相反。第三章发电机放热风对发电机冷却的影响分析2