CN111628429B - 带压力钢管小型水电站新型冷却系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于水电站冷却技术领域，公开了一种带压力钢管小型水电站新型冷却系统、方法及应用，将两个半圆热管对合焊接在压力钢管上，制作好的热管与压力钢管间形成密封空间，介质水从冷却水补水口加入灌满热管及冷却水技术供水系统；运行过程中压力钢管中大量的温度低的发电用水从压力管道中流过，压力管道外表面与在热管内介质流体高温水进行热交换，失去热量的介质流体比重加大而下沉经冷却水总进水阀进入机组冷却系统，机组冷却系统内介质流体循环来带走油和定子冷却器中热量使各轴承和定子降低温度保持稳定运行。本发明提高了可靠性，降低供水造价及运行成本；不再有冷却水排除机组外部，有利于消除水电站冷却水系统对河道水环境污染。

Description

带压力钢管小型水电站新型冷却系统

技术领域

本发明属于水电站冷却技术领域，尤其涉及一种带压力钢管小型水电站新型冷却系统、方法及应用。

背景技术

目前，发电机运行过程中定子绕组因通过电流而发热，定子铁芯因磁滞涡流损耗而发热，采用固定于定子机座上的发电机水冷却器带走热量，即在定子机座上装设水冷式空气冷却器，让空气先经冷却器冷却后再通过发电机抽风进入定转子的绕组和铁芯达到较好的冷却效果，而冷却器的冷却仍然是靠在冷却器管道中通入冷却水来进行；发电机上导轴承，下导轴承，水导轴承因摩擦力而发热，传统的办法是在油盆中装一圈螺旋状的紫铜管，管中通入冷却水，让水冷却管，管冷却油、油润滑和冷却瓦。上述各导轴承冷却器，发电机定子水冷却器由发电机主机生产厂供货，现场连接安装后从冷却水总进（出）水口引进（出）冷却水。主机生产厂应在主机技术条件中表明机组冷却水用量及要求，如对3000KW的立式水轮发电机冷却水要求为：30m³/h，冷却水进口压力为0.2Kg/cm²，冷却水进口温度为不高于25℃。由外部水井、约35m高50m³水塔、水塔提水泵、滤水器、阀门、冷却水自动化元件及冷却水管路等构成外部冷却水技术供水系统，水电站冷却水技术供水系统是水电站中最重要的辅助系统，也是水电站诸多辅助系统中最容易受到外部干扰的系统。技术供水系统不能正常工作，则水轮发电机组数分钟内只能马上停机。运行过程中需要监视冷却水管中的水是否流动、监视冷却水管路进出口压力、监视冷却对象的温度等，运行规程规定一旦冷却水系统故障则轴承温升高达到65⁰C立即启动报警，达到75⁰C立即启动事故停机。

当厂房所在地无地下水资源时改为由压力前池取水或者由压力钢管中部减压过滤供冷却水，当低水头电站前池压力不足则改为从尾水抽水经滤水器后供水。在运行中水这种流体通过空气这种介质带走热量，当达到相对平衡状态时，系统处于稳定的状态，反映出来就是定、转子绕组、定子铁芯温度相对恒定。一旦冷却水中断，则必然导致发电机定转子绕组、铁芯温度升高或者过高，轻则使绕组绝缘加速老化进而造成绝缘损坏，重则使绕组造成绝缘损坏甚至燃烧；定子铁芯片间绝缘损坏，导致铁芯局部损坏，很难修复。在发达国家对环保要求很高，进入机组的冷却水不管是否混入其它成分即认为是污染水，不允许直接排放到尾水河道中。打井大量抽地下水引起地下水位降低，地表塌陷，地面建筑物基础倾斜；国土资源部门会制止干涉；逐步要求抽取地下水要收费；每天24h连续大量抽水用能量消耗惊人；高水头电站从压力钢管经减压供冷却水消耗宝贵的发电用水仍然是消耗大量能量；从压力前池取水和尾水抽水一是消耗能量，二是夏季河道来水混浊、洪水期河道来水有大量漂浮垃圾，冬季高海拔地区河道来水中含大量半浮半沉的冰粒堵塞冷却水进水口和滤水器，特别是冬季经常造成将滤水器及阀门堵死并冻住致使发电机因无冷却水不能运行且很难排除故障。

现有的采用的技术供水系统能耗高，故障率高，检修排除故障困难，消耗大量人力。物力、财力但仍不彻底能解决技术供水系统的可靠性低的问题；不能解决冷却水是污染水的环保问题。现代水力发电厂技术供水系统是严重影响电站发电可靠性和河道水体污染的一个薄弱环节。

综上所述，现有技术存在的问题是：现有的采用的技术供水系统能耗高，故障率高，检修排除故障困难，消耗大量人力，并且物力、财力，供水系统可靠性低的问题。

解决上述技术问题的难度：本发明很好的解决了上述问题，从理论上利用发电流道中低温水经过热管交换能量来冷却各轴承及定子空冷器所使用的能量为发电用水的温度差的内能，属能量使用的拓展；不对水力发电的势能（反击式机组）或者动能（冲击式机组）有任何影响。技术上改造后的新型热管形成的冷却系统仍然是使用原有机组冷却水总进水阀进水，使用原有总排水阀出水，不改变原机组内部冷却系统任何结构；并且进入机组总进水口的水质大大优于原有水井和河道抽水的泥沙磨损机组冷却铜管的工况，甚至可以基本消除原来机组冷却器铜管被泥沙磨穿而引起的诸多事故；制造上一个简单的做成两半的热交换器现场直接对焊扣在原压力钢管上，其自重和管道内水及钢管的重量都经过筋板传递到地表，采用一个简单的基础就能解决，不影响原有压力钢管的强度、刚度；本发明理论上就是一个能量守恒，不影响并优于原系统工作状态，制造安装都能够顺利解决且成本低廉，没有什么大的技术难度问题。

解决上述技术问题的意义：一是简化了水电站技术供水系统，提高了技术供水系统的可靠性，彻底解决了除抽地下水以外的外部水源水体杂质、泥沙、冰凌干扰技术供水系统可靠工作的外部原因，可大大减少优于技术供水系统故障而导致的事故停机时间和组织紧急抢修的人力物力；大大降低了原有技术供水系统的造价，不再购置大容量水泵，不再修建水塔和复杂的管路阀门系统，节省大量投资；大大降低了原有技术供水系统运行成本，以我国目前平原地区最好的抽地下水无水体垃圾污染的电站来计算，一般需要两台15KW的水泵，每天24h不停抽水才能满足运行要求，仅电量消耗即达：15×2×24×365=262800KWh,即使按0.4元/KWh,计算，每年仅电费支出就高达十万元以上，还不包含设备购置费用和维护管理费用；环保上彻底解决了机组向河道水体排放冷却水问题，特别是地处下游是一级水源地保护地区的水电站现在根本不允许向河道排放冷却水，冷却水外排问题不解决就相当于宣布了这种水电站必须关停。从节能减排的角度本发明专利是挖掘系统内部能量，不消耗发电能量，不用新注入其他能量，完全符合国家节能减排环保高效的能源政策的优先发展方向，是值得大力推广的。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种带压力钢管小型水电站新型冷却系统、方法及应用。

本发明是这样实现的，一种带压力钢管小型水电站新型冷却方法，具体包括以下步骤：

步骤一，在工厂直接加工热管套装在靠近机组的压力管道直段上，对改造机组冷却水系统时，制作两个半圆形热管运输到现场，将两个半圆热管对合焊接在压力钢管上；

步骤二，制作好的热管与压力钢管间形成沿压力钢管外壁与热管内壁间约15～20cm的密封空间，介质水从冷却水补水口加入灌满热管及冷却水技术供水系统；

步骤三，在热管下端与冷却水进水总阀间的管道上安装与输水管同口径管道泵，管道泵利用三相交流电供电，并在开机前用机组LCU控制启动，停机后停止；

步骤四，运行过程中压力钢管中大量的温度低的发电用水从压力管道中流过，大量的主流道温度很低的发电用水经压力管道输送过程中，压力管道外表面与在热管内介质流体高温水进行热交换，失去热量的介质流体比重加大而下沉经冷却水总进水阀进入机组冷却系统，机组冷却系统内介质流体循环来带走油和定子冷却器中热量使各轴承和定子降低温度保持稳定运行；

步骤五，机组冷却系统的介质流体吸热后比重变轻而上浮流出冷却水总出水阀，经热管上部进口进入热管后又被发电用水通过压力钢管外表面进行冷却，重复前述过程，形成介质流体自循环，维持水轮发电机组稳定运行。

进一步，所述热管的制作长度，热管与压力管道间的间距可根据机组容量大小和冷却水用量进行适当调整，特别适合数十米水头至数百米水头，有压力钢管的水电站。

进一步，所述步骤五中，可调节冷却水出口总阀开度调节管道通流量。

本发明的另一目的在于提供一种实施所述的带压力钢管小型水电站新型冷却方法的带压力钢管小型水电站新型冷却系统，所述带压力钢管小型水电站新型冷却系统设置有压力管道，压力管道套装有热管冷却器，热管冷却器通过导管与管道循环泵，管道循环泵通过导管与机组冷却水进水总阀连接；

机组冷却水进水总阀通过管道与水轮发电机组连接，水轮发电机组通过导管与机组冷却水出水总阀连接；

热管冷却器通过导管与冷却水补水阀连接，机组冷却水出水总阀通过导管与冷却水补水阀连接；

在压力管道外壁与热管冷却器内壁之间的空腔内灌入冷却介质，水轮发电机组内部设置有推力轴承冷却器、导轴承冷却器和定子水冷却器。

进一步，所述热管冷却器和压力管道之间沿压力钢管长度方向每隔1m用12mm钢板制作成半圆形筋板，筋板沿压力管道圆周上开8φ60圆孔；筋板上所开8φ60圆孔，制作好的热管与压力钢管间形成沿压力钢管外壁与热管内壁间约15～20cm的密封空间。筋板将冷却器和压力钢管及水的重量传至基础，增强了整个系统结构的稳定性；筋板上开孔的方向可两块筋板之间上下交替，这样可使得冷却介质在热管中的流动中自动不停上下换位，可消除热管中因安装位置固定而形成的介质流动死角，提高热管热交换效率，提高冷却效果。

进一步，所述管道循环泵利用三相交流电供电。

进一步，所述冷却介质可为水或者透平油、或者氟利昂。

进一步，所述热管冷却器为两个半圆热管，两个半圆热管为普通钢板焊接结构。

进一步，所述两个半圆热管的钢板厚度为12mm，卷制内径比压力管道外径大约30～40cm，热管长度约10～15m；在热管靠近压力钢管上游侧上部开φ100～φ200孔，用同直径无缝，δ5钢管经同口径手动闸阀引出。

综上所述，本发明的优点及积极效果为：本发明新型热管散热方式对水轮发电机组进行冷却，可完全代替原有冷却技术供水系统，取消水塔、水泵、滤水器、阀门、自动化元件等常规的水电站冷却系统，大大提高冷却系统可靠性，降低电站技术供水造价及运行成本，大大减少技术供水系统维修，节能降耗效果显著，而且环保效果好，无冷却污染水排放问题；还减少了制约水电站运行的重要的冷却系统的运行维护和管理。是适合小型水电站的一种新型高可靠性、高效节能环保、高度节省投资且使用极其简便且很有前景的带压力钢管小型水电站新型冷却系统。

附图说明

图1是本发明实施例提供的带压力钢管小型水电站新型冷却方法流程图。

图2是本发明实施例提供的带压力钢管小型水电站新型冷却系统结构示意图；

图3是本发明新型实施例提供的筋板及结构示意图；

图中：1、压力管道；2、热管冷却器；3、管道循环泵；4、机组冷却水进水总阀；5、机组冷却水出水总阀；6、冷却水补水阀；7、水轮发电机组；8、推力轴成冷却器；9、导轴承冷却器；10、定子冷却器。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种带压力钢管小型水电站新型冷却系统、方法及应用，下面结合附图对本发明作详细的描述。

如图1所示，本发明实施例提供的带压力钢管小型水电站新型冷却方法包括以下步骤：

S101；在工厂直接加工热管套装在靠近机组的压力管道直段上，对改造机组冷却水系统时，制作两个半圆形热管运输到现场，将两个半圆热管对合焊接在压力钢管上。

S102；制作好的热管与压力钢管间形成沿压力钢管外壁与热管内壁间约15～20cm的密封空间，介质水从冷却水补水口加入灌满热管及冷却水技术供水系统。

S103；在热管下端与冷却水进水总阀间的管道上安装与输水管同口径管道泵，管道泵利用三相交流电供电，并在开机前用机组LCU控制启动，停机后停止。

S104；运行过程中压力钢管中大量的温度低的发电用水从压力管道中流过，大量的主流道温度很低的发电用水经压力管道输送过程中，压力管道外表面与在热管内介质流体高温水进行热交换，失去热量的介质流体比重加大而下沉经冷却水总进水阀进入机组冷却系统，机组冷却系统内介质流体循环来带走油和定子冷却器中热量使各轴承和定子降低温度保持稳定运行。

S105；机组冷却系统的介质流体吸热后比重变轻而上浮流出冷却水总出水阀，经热管上部进口进入热管后又被发电用水通过压力钢管外表面进行冷却，重复前述过程，形成介质流体自循环，维持水轮发电机组稳定运行。

本发明提供的S101中，热管和压力管道之间沿压力钢管长度方向每隔1m加1道支持筋板，筋板支撑压力管道和热管内水及管道自身重量。

本发明提供的S101中，实用中热管的制作长度，热管与压力管道间的间距可根据机组容量大小和冷却水用量进行适当调整；特别适合数十米水头至数百米水头，有压力钢管的水电站。

本发明提供的S105中，可调节冷却水出口总阀开度调节管道通流量，增强冷却系统的调控效果提高可靠性。

本发明提供的S103中，还可装设一台很小功率，高可靠性介质泵3加强循环效果。

如图2-图3所示，本发明实施例提供的带压力钢管小型水电站新型冷却系统设置有压力管道1，压力管道1套装有热管冷却器2，热管冷却器2通过导管与管道循环泵3，管道循环泵3通过导管与机组冷却水进水总阀4连接。

机组冷却水进水总阀4通过管道与水轮发电机组7连接，水轮发电机组7通过导管与机组冷却水出水总阀5连接。

热管冷却器2通过导管与冷却水补水阀6连接，机组冷却水出水总阀5通过导管与冷却水补水阀6连接。

在压力管道1外壁与热管冷却器2内壁之间的空腔内灌入冷却介质，水轮发电机组7内部设置有推力轴承冷却器8、导轴承冷却器9和定子水冷却器10。

为保证压力管道和热管强度、刚度，热管冷却器2和压力管道1之间沿压力钢管长度方向每隔1m用12mm钢板制作成半圆形筋板，筋板沿压力管道圆周上开8φ60圆孔；筋板的作用是支撑热管重量（含内装水的重量），筋板上所开8φ60圆孔用于通过冷却水；制作好的热管与压力钢管间形成沿压力钢管外壁与热管内壁间约15～20cm的密封空间；还可使热管内介质水不由于热管安装的原因在管中流道中形成死角影响介质水与压力管道外壁交换热量，降低热交换效率，通过筋板上的开孔使介质水自然交替流动起到了在流道中的搅拌作用，使得热交换效率更高。

作为优选，管道循环泵3利用三相交流电供电，并在开机前用机组LCU控制启动，停机后停止。

作为优选，冷却介质可为水或者透平油、或者氟利昂（或者氟利昂替代品）；使用纯净水最简单易行、造价低，但对高海拔极端气温可能降到0⁰以下的地方可能造成水管中水被冻住，发电机组不能运行，不宜使用；采用纯净水做介质的电站在冬季寒冷季节要注意不能长时间停机，要防止水管被冻破；冷却介质采用纯净水是考虑到在热交换过程中介质会蒸发但不能结垢堵塞各轴承冷却器（一般是环状）铜管；为保证机组在开机前几分钟冷却系统因刚开始热循环循环能力不足而导致各轴瓦烧瓦，在冷却水总进水口处管道上加装一个小功率管道泵，强制将冷却水注入冷却系统，保证初始热循环。

采用氟利昂或者替代品循环交换热量效果较好（家用冰箱中就是这种能量传输交换介质）；使用透平油防冻效果好，就是粘度较高，流动性不如水好，可适当加大流通管径。

作为优选，热管冷却器2为两个半圆热管，两个半圆热管为普通钢板焊接结构；钢板厚度为12mm，卷制内径比压力管道外径大约30～40cm，热管长度约10～15m；热管两端用同材质钢板焊接封死；在热管靠近压力钢管上游侧上部开φ100～φ200孔，用同直径无缝，δ5钢管经同口径手动闸阀引出。

本发明的工作原理为：在工厂直接加工热管套装在靠近机组的压力管道直段上，对改造机组冷却水系统时，制作两个半圆形热管运输到现场；将两个半圆热管对合焊接在压力钢管上。制作好的热管与压力钢管间形成沿压力钢管外壁与热管内壁间约15～20cm的密封空间，介质水从冷却水补水口加入灌满热管及冷却水技术供水系统。

从机组冷却水进口的冷却水经机组上导轴承冷却器，下导轴承冷却器、水导轴承冷却器，发电机定子冷却器后带走上述各轴承及发电机定子运行中产生热量，这些热量使得冷却器中介质被加热后比重减小而上升，沿冷却系统管路经冷却水总出口管道流出，流出的介质经热管上部进入热管后由压力钢管外壁带走热量比重加大而下沉，再经热管下部经冷却水总进水管重新进入机组进行自循环热交换。

在热管下端与冷却水进水总阀间的管道上安装与输水管同口径管道泵，管道泵利用三相交流电供电，并在开机前用机组LCU控制启动，停机后停止。运行过程中压力钢管中大量的温度低的发电用水从压力管道中流过，大量的主流道温度很低的发电用水经压力管道输送过程中，压力管道外表面与在热管内介质流体高温水进行热交换，失去热量的介质流体比重加大而下沉经冷却水总进水阀进入机组冷却系统，机组冷却系统内介质流体循环来带走油和定子冷却器中热量使各轴承和定子降低温度保持稳定运行；机组冷却系统的介质流体吸热后比重变轻而上浮流出冷却水总出水阀，经热管上部进口进入热管后又被发电用水通过压力钢管外表面进行冷却，重复前述过程，形成介质流体自循环，维持水轮发电机组稳定运行。

一般水轮发电机组各轴承正常运行温度为约50⁰C，正常运行时发电机定子铁芯和绕组温度一般会高于80⁰C，而一般情况下天然河道来水水温在夏季时最高不超过25⁰C，冬季仅仅几⁰C，发电用水的量是很大的，发电用水与被冷却的轴承和定子铁芯、绕组的正常运行温度有30⁰C～50⁰C以上温差。水力发电的能量关系为P=9.81QΗ，在水力发电过程中仅仅利用了这段开发河道中水的势能，并没有用到水的温度差别变化所形成的能量，把水的温度变化所带来的能量称水的内能。从能量守恒的基本物理定律来看，本发明巧妙地利用了水的内能经过介质流体的循环传递做功，取代了原有水轮发电机组冷却系统的能量消耗，是合乎能量守恒定律的，是对水力发电中水的能量的深入开发利用，是非常高效的。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种带压力钢管小型水电站冷却方法，其特征在于，所述带压力钢管小型水电站冷却方法包括以下步骤：

步骤一，加工热管套装在靠近机组的压力管道直段上，改造机组冷却水系统时，制作两个半圆形热管运输到现场，将两个半圆热管对合焊接在压力钢管上；

步骤二，制作好的热管与压力钢管间形成沿压力钢管外壁与热管内壁间15～20cm的密封空间，介质水从冷却水补水口加入灌满热管及冷却水技术供水系统；

步骤三，在热管下端与冷却水进水总阀间的管道上安装与输水管同口径管道泵，管道泵利用三相交流电供电，并在开机前用机组LCU控制启动，停机后停止；

步骤四，运行过程中压力钢管中大量的温度低的发电用水从压力管道中流过，大量的主流道温度很低的发电用水经压力管道输送过程中，压力管道外表面与在热管内介质流体高温水进行热交换，失去热量的介质流体比重加大而下沉经冷却水总进水阀进入机组冷却系统，机组冷却系统内介质流体循环来带走油和定子冷却器中热量使各轴承和定子降低温度保持稳定运行；

步骤五，机组冷却系统的介质流体吸热后比重变轻而上浮流出冷却水总出水阀，经热管上部进口进入热管后又被发电用水通过压力钢管外表面进行冷却，重复前述过程，形成介质流体自循环，维持水轮发电机组稳定运行。

2.如权利要求1所述的带压力钢管小型水电站冷却方法，其特征在于，所述热管的制作长度，热管与压力管道间的间距根据机组容量大小和冷却水用量调整。

3.如权利要求1所述的带压力钢管小型水电站冷却方法，其特征在于，所述步骤五中，可调节冷却水出口总阀开度调节管道通流量。

4.一种实施如权利要求1～3任意一项所述的带压力钢管小型水电站冷却方法的带压力钢管小型水电站冷却系统，其特征在于，所述带压力钢管小型水电站冷却系统设置有压力管道，压力管道套装有热管冷却器，热管冷却器通过导管与管道循环泵，管道循环泵通过导管与机组冷却水进水总阀连接；

机组冷却水进水总阀通过管道与水轮发电机组连接，水轮发电机组通过导管与机组冷却水出水总阀连接；

热管冷却器通过导管与冷却水补水阀连接，机组冷却水出水总阀通过导管与冷却水补水阀连接；

在压力管道外壁与热管冷却器内壁之间的空腔内灌入冷却介质，水轮发电机组内部设置有推力轴承冷却器、导轴承冷却器和定子水冷却器。

5.如权利要求4所述的带压力钢管小型水电站冷却系统，其特征在于，所述热管冷却器和压力管道之间沿压力钢管长度方向每隔1m用12mm钢板制作成半圆形筋板，筋板沿压力管道圆周上开

圆孔；筋板上所开

圆孔，制作好的热管与压力钢管间形成沿压力钢管外壁与热管内壁间15～20cm的密封空间。

6.如权利要求4所述的带压力钢管小型水电站冷却系统，其特征在于，所述管道循环泵利用三相交流电供电。

7.如权利要求4所述的带压力钢管小型水电站冷却系统，其特征在于，所述冷却介质可为水或者透平油、或者氟利昂。

8.如权利要求4所述的带压力钢管小型水电站冷却系统，其特征在于，所述热管冷却器为两个半圆热管，两个半圆热管为普通钢板焊接结构。

9.如权利要求8所述的带压力钢管小型水电站冷却系统，其特征在于，所述两个半圆热管的钢板厚度为12mm，卷制内径比压力管道外径大30～40cm，热管长度10～15m；在热管靠近压力钢管上游侧上部开

孔，用同直径无缝，δ5钢管经同口径手动闸阀引出。

10.一种应用权利要求1～3任意一项所述的带压力钢管小型水电站冷却方法的水电站机组控制系统。

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