从目前运行实践表明，700兆瓦全空冷巨型水轮发电机实现了总风量适宜、风量分配合理、风速均匀、冷却效果良好的总体目标，并且机组运行稳定，振动、摆度及温升等性能指标达到优良标准，标志着空冷技术的重大突破。龙滩和三峡700兆瓦全空冷机组的运行，打破了目前在500兆瓦级以上的大型水轮发电机中多采用半水冷的格局。

　　单机容量大、结构尺寸大、推力负荷大

　　在2010年1月份的国家科技奖励大会上，由哈尔滨电机厂有限责任公司完成的“巨型全空冷水轮发电机组关键技术突破及工程应用”获得了国家科学技术进步奖二等奖。

　　时间再往前推两年多，2007年9月，中国电器工业协会、中国电机工程学会和中国电工技术学会组织国内发电行业的众多资深专家汇聚北京，就刚刚研制成功的上单机容量大的700兆瓦全空冷巨型水轮发电机成功并网发电进行研讨和交流。

　　会上，国内发电行业的专家们经过对大量数据的分析，专家们一致认为上单机容量大、结构尺寸大、推力负荷大的700兆瓦级巨型全空冷水轮发电机的制造技术达到了水平，这无疑开创了上单机容量大的全空冷水轮发电机组运行的新时代。

　　新闻背景

　　“半水冷”回归到“空冷”

　　水力资源属清洁的可再生能源，是发电设备的资源。随着经济的发展与能源需求的增加，建设大型水力发电厂仍是一个时期内的主要方向。大型凸极水轮发电机作为水力发电的主要设备，也经历了长期不断的技术进步和发展。

　　目前，中国55—75万千瓦水轮发电机机组有100多台，70万千瓦以上容量的机组60多台，从2005年到2020年,每年新增水电装机达1000万千瓦以上，是以往5倍的规模。

　　对大容量水轮发电机，冷却技术是设计中的关键问题。大型水轮发电机的冷却方式主要有全空冷、半水冷和蒸发冷却3种。

　　空气冷却方式在电机内部只采用空气作为冷却介质，通过空气的流通实现电机整体的降温冷却。此时，所需要的辅助设备为空水冷却器。半水冷冷却方式定子线棒要采用部分内部通水的空心股线导体，借助于水的流动带走定子的一部分损耗。辅助设备除常规的空水冷却器外，尚需要一套复杂的水处理及循环系统，以降低冷却水的导电性并驱动水的运动。蒸发冷却方式采用类似于水冷的定子线棒建立一套冷却介质的蒸发冷却系统以带走定子的部分热量。蒸发冷却系统的介质不导电，同时无需借助泵类设备驱动介质的循环。

　　其中，全空冷方式采用不需要任何成本投入的空气作为介质，同时具有结构简单、安装简便、维护方便、可靠性高、事故率低、启停机方便快速等特点。但该种冷却方式一直只能在单机容量400兆瓦以下的水轮发电机中使用，而对于600兆瓦以上的大型水轮发电机，国际上普遍认为使用全空冷存在很多技术障碍。随着发电机的容量越做越大，电机界逐渐用半水冷的冷却方式替代了空气冷却。

　　但随着时间的推移，采用半水冷的水轮发电机又暴露出很多的弊病，如接头漏水容易将电机烧毁等。

　　通过对多家采用水冷却的电站进行跟踪，哈电的研究人员认为半水冷的冷却方式不是好的。于是哈电的专家们开始考虑，如何将结构简单、便于维护的空气冷却系统应用到大容量的机组上。

　　从上个世纪70年代刘家峡的建设，到岩滩机组的投运，哈电对300兆瓦以内的全空冷机组进行了比较深入细致的研究。但那时哈电在通风冷却系统的设计方面还沿袭了前苏联的模式，认为风量越大越好，在很小的机组中也加有很多的风扇，用以降温。但机组制造出来后，存在着通风损耗大、效率低、风量不均匀等缺点。上个世纪70年代后期，该公司与先进的电机制造公司进行合作和交流时发现，他们在设计全空冷机组时，不是片面地追求大风量，而是追求合理适宜的总风量，并且风量分配和风速都要均匀。这时，哈电人对空冷水轮发电机的设计理念渐渐改变了。

　　创新点

　　提出全新设计思想

　　全空冷巨型水轮发电机主要技术难点是空气对电机的冷却效果和冷却均匀性，如何避免不均匀冷却导致的结构部件热胀变形，以及由于冷却效果差引发的温升标，这是性的难题。为了解决这一难题，必须对全空冷电机的电磁计算、结构、通风冷却系统及缘系统等进行整体协调设计和优化创新。

　　在三峡、龙滩工程中，哈电首先打破过去空冷按“每极容量”设计的技术界限，提出了全新设计思想：无论是水冷、空冷，根本的是要控制机组温度。

　　研究人员认为， “每极容量”不能地反映电机内部热交换的机理，其概念相对模糊，在设计时，应更注重对电机的电压、定子绕组支路数与槽电流的匹配及热流密度分析计算和温升控制。

　　三峡右岸全空冷水轮发电机采用了密闭自循环径向双路端部回风的无风扇通风系统，这种通风系统没有风扇。没有风扇的通风系统冷却效果更好，定子线棒全部测点的高温度与低温度之差约为6℃，同

　　一高程测点的温差不大于4℃，同一根线棒轴向温差不大于3℃，而铁心高温度与低温度之差不大于2℃，温度分布非常均匀。这些指标不亚于半水冷却技术。

　　通过多年的自主研发和技术引进，哈电还形成了一套自己的通风设计及计算方法，对长铁心大容量水轮发电机极间流场、铁心表面散热系数等进行模拟试验，采用先进的计算软件对电机的轴、径向三维温度场进行分析和计算。

　　为了掌握手技术数据，哈电还设计制造了三峡水轮发电机真机通风模型，并进行了模拟试验，根据模型试验结果对真机的通风结构进行了完善和优化。

　　过程

　　“全空冷”与“半水冷”的博弈

　　在三峡和龙滩的电站建设中，应用空气冷却系统并不是一帆风顺的。

　　三峡的左岸为国际招标，冷却方式采用半水冷。通过与国外某公司的合作，哈电顺利完成了三峡左岸机组的制造，但是制造大容量等级的水轮发电机组的脚步却从未停下。

　　龙滩700兆瓦机组在国内招标，在选择冷却方式时，一部分专家支持全空冷，一部分支持采用半水冷。哈电详实的论证方案终得到认可。另外，龙滩是地下厂房，采用全空冷机组可以减少地下厂房的挖掘，而且从立足于国内制造的角度来说，采用全空冷方式较为安全可靠，因此选择了全空冷方式。

　　为了更好地验证全空冷机组的可行性，哈电做了1台和真机比例为1∶5的通风模型，进行模拟试验。模型的运转证明了哈电的实力，国外的专家非常认可其通风冷却模型，认为该技术已经达到了先进水平。

　　在三峡右岸12台机组投标过程中，专家们进行了很多论证工作，在冷却方式上依然有分歧，一部分专家认可水冷却，一部分专家赞成空气冷却。终，三峡总公司选定哈电在三峡右岸4台840兆伏安发电机上采用全空冷冷却方式，而东电公司承制的4台水轮发电机和ALSTOM公司承制的4台水轮发电机依然采用半水冷的冷却方式。

　　■ 延伸阅读

　　小硬币检验大机组

　　一个经典试验能说明机组卓越的性能。长江三峡工程开发总公司副总经理杨清曾将一个硬币立在发电机的盖板上，机组满负荷运行时，硬币能够站住，不但如此，机组甩负荷的时候，转速上升，硬币仍然能站住，这说明机组的稳定性很好，机组在满负荷运行时振动非常小。三峡机组是上容量、尺寸大的水轮发电机组，整个机组的重量达到5500吨，上下高度过50米，相当于一座10多层楼的高度。如此巨大的设备不停运转，而上面硬币居然能够站立，着实让人叹服。

　　能够做到这一点，主要得益于转轮的水力稳定性和制造精度。在三峡工程以前，我国十几个大电站引进的国外水轮发电机组，大部分在运行时水轮机转轮出现振动，严重的导致转轮产生裂纹甚至被迫停机，给电站带来巨大损失。哈机副总工陶星明说，三峡左岸引进的国外转轮在运行范围内存在振动带，不能满足合同的要求。哈电机通过设计理论创新和多轮优化设计与试验，开发出了具有自主知识产权的“混流式L型叶片转轮”，完全消除了运行范围内存在振动带的问题，成为三峡工程中稳定性好的机组。