张兴明，吴 涛，张 宏，禹越美，邢志江
（华能澜沧江水电股份有限公司，云南省昆明市 650000）
水轮发电机组冷却器根据冷却的热源主要分为两大类[1]：空气冷却器和油冷却器。其中空气冷却器主要使用在对发电机的冷却；
油冷却器主要有各轴承冷却器和主变冷却器。两类冷却器都是使用水作为冷却源，而且根据冷却器作用的原理都是金属间壁式冷却器，即冷却过程中，两种冷热流体换热不允许混合，热流体的热量通过冷却器管壁传给冷流体[2]。
发电机空气冷却器通过发电机转动时形成密闭自循环气流，热风通过空冷器变成冷风，冷风再进入风洞冷却发电机。主变冷却器是冷却水对主变绝缘油的冷却，最终由油对主变压器铁芯和线圈进行冷却，主变冷却器基本上为外循环冷却器，即主变绝缘油循环经过外部冷却器进行冷却。各轴承冷却器是冷却水对轴承油槽内的润滑油冷却，最终由油对轴瓦进行冷却，主要分为内置式和外循环式，内置式即冷却器布置在油槽内，油是固定的。不论是何种冷却器，都是两种冷热流体通过冷却管直接进行热量的交换。
对流换热是指流体流经固体时流体与固体表面之间的热量传递现象，对流换热系数表示流体与固体表面对流换热的强弱，换热过程对流换热系数与流体和换热表面的物性、状态等与诸多因素有关[3]。在工程传热计算中，主要的任务是计算换热系数，计算换热系数的方法主要有实验求解法、数学分析解法和数值分析解法[4]，这些方法很难应用到实际工程中，因此在实际运用中提出一种简便、可行的换热系数计算方法尤为重要。
冷却器在使用过程中，通常会受到使用的介质、冷却器材料、间距等各种因素影响而降低其冷却效率。对于一台已投入运行的冷却器，影响其冷却效率的因素主要包含以下几个方面[5]：
（1）冷却水的流量。在一定温度范围内，水流量越大，流动性越好，传热效果越好，换热系数就越大。
（2）冷却器材质。冷却器材质不一样，换热系数也不同，导电性较好的，换热系数也较大。
（3）冷却管表面光洁度。冷却管表面的附着物将影响热量的交换，表面越粗糙，越容易产生附着物，换热系数就会降低。
（4）冷却器进水温度。相同条件下，冷却器的进水温度越低，冷却效率越好。
因冷却器本身的材质、表面积、冷却管布置等因素在冷却器出厂后已决定，对投入运行的冷却器本身的冷却效率分析无影响，本文就不再介绍。
对数平均温差是指冷却器进出口冷热两种流体的温差对数平均值[6]，其计算公式为：
公式计算分为逆流和顺流两种方式，水电厂实际的大多数冷却器冷却方式均采用逆流。其中Δt1表示两种热流体温差，即冷却器进口热油温度T1与出水温度之差t2，Δt2表示两种冷流体温差，即冷却器出口冷油温度T2与进水温度t1之差[7]，示意图见图1。
图1 逆流冷却器示意图Figure 1 Schematic diagram of countercurrent cooler
根据冷却器两种流体换热基本方程[8]：
式中：Q——传热速率，表示单位时间内通过传热面传递的热量；
K——总换热系数，由冷却器出厂材质决定；
A——换热器面积是固定的；
Δtm——两种流体的对数平均温差。
换热系数定义是指在稳定传热条件下，冷却器两侧温差为1℃时，1小时内通过1m2面积传递的热量。
当水轮发电机组运行一定时间后，冷却器正常时，其热量交换处于稳定状态，即设备温度不会再升高。根据换热基本方程，一台表面积固定的冷却器，当换热量一定时，平均温差越小，换热系数越大，表明冷却器效果越好；
平均温差越大，换热系数越小，表明冷却器效果越差[9]。
实际冷却器长期运行中，冷却器带走的热量是一个动态过程，因此单纯采用平均温差大小来判断冷却器效果，与实际运行有较大的差异。根据上文换热系数定义，对于运行的冷却器，实际换热系数越大，传热过程进行得越为强烈，带走的热量越多，冷却效果越好。换热系数是一个过程量，其大小取决于壁面两侧流体的物性、流速以及管壁材料、管壁表面的形状等因素。越接近设计的换热系数，表明冷却器冷却效率越好。
为此引入冷却器实际运行换热系数K来作为冷却器冷却效率的判断条件。对于金属冷却管壁冷却器，冷却器设计的总换热系数K值计算公式为[2]：
其中k1和k2分别为冷却器管壁表面两种流体的对流换热系数，在实际中，k1和k2测定非常复杂，如上文提到的实验求解法、数学分析解法和数值分析解法，对于工程应用无太大实际意义，因此如何快速获得设备实际运行换热系数尤为重要。
根据能量守恒定律，在不考虑热量损失，单位时间内热流体释放的热量Qh应等于冷流体吸收的热量Qc，还等于单位时间内通过冷却器换热面积传递的热量。根据牛顿冷却定律[1]：冷却器两种流体无相变化温差法的热量计算公式：
热流体释放的热量[10]：Qh=WhCph（T1-T2）；
冷流体吸收的热量：Qc=WcCpc（t1-t2）；
单位时间内通过传热面的热量：Q=K×A×Δtm。
其中，W表示流体的质量流量，kg/h；
C表示流体的平均比热容，kJ/（kg·℃）；
T和t分别为两种流体热量交换前后温度；
Δtm是两种流体的对数平均温差。
根据能量守恒定律：Q=Qh=Qc；
则实际冷却器运行的换热系数可推导为：
即冷却器实际运行的换热系数K值与冷却器冷却水流量、冷却水比热容、冷却器面积、冷却水和被冷却流体的前后温度有关，实际应用中，通过采集相关参数，即可估算出冷却器实际运行换热系数。
目前水电厂SCADA系统（数据采集与监视控制，Supervisory Control And Data Acquisition，简称SCADA）均采集了较全面的主、辅设备监视数据，可通过采集的数据，由计算机辅助运算，实时在线分析实际运行换热系数K，与估算值进行比较，监视换热系数，判断冷却器冷却效率劣化发展趋势，及时进行冷却器异常检查处理。
4.1 详细计算结果分析方法
通过某水电厂推力油盆1号冷却器为例进行分析，水电厂SCADA系统采集某一时刻的相关数据见表1。
表1 推力油盆1号冷却器相关监测数据Table 1 Relevant monitoring data of No.1 cooler in thrust oil basin
根据上文推导的冷却器实际运行换热系数计算公式计算：
平均温差值为：
实际换热系数为：
通过数据库查询导出1、2号冷却器相关数据，运用Excel表格编辑计算公式，可进行一段时间冷却器效率运行趋势分析。图2是2019年某水电厂推力油盆1、2号冷却器实际换热系数运行趋势。
根据实际换热系数运行趋势可知，2019年1、2号推力冷却器冷却效率总体平稳，但略有下降的趋势，因为随着冷却器长时间运行，冷却器材质、表面附着物等或多或少会降低冷却器的冷却效果，这也表明本分析方法符合冷却器实际运行效果。
4.2 粗劣计算趋势分析
在实际运行中，若只关注冷却器冷却效率趋势，简化计算过程，冷却器换热面积A和水的比热容C可视为固定值，可将公式简化为：
比热容和换热器面积比值可用一个常系数k代替，根据机组冷却器冷却水的流量、冷却水和油进出口温度可分析冷却器换热系数发展趋势来判断冷却效率。图3是简化计算的冷却器换热系数发展趋势。
图3 推力冷却器实际换热系数趋势（粗略计算）Figure 3 Trend of actual heat transfer coefficient of thrust cooler（rough calculation）
通过对比发现，图2与图3运行趋势一致，因此可根据实际需要，粗略计算冷却器实际的换热系数运行趋势进行分析。
4.3 内置冷却器分析方法
水电厂大部分上导、下导、水导轴承油盆都是内置式冷却器，即没有进出油流，也就没有进出口的油温，仅对油槽温度进行测量采集。因冷却器最终是通过油对轴瓦冷却，即目标是将瓦温冷却至油温，因此热流体的温差可使用瓦温与油温差值替代，亦可以使用上述推导的公式进行冷却器实际换热系数计算来判断冷却器的冷却效率。
水电厂均安装大量的冷却器而且位置较为隐蔽，尤其是轴承冷却器，大都内置在油盆里，日常巡检很难发现其缺陷，且目前水电厂尚未具备针对冷却器冷却效率有效的监测和分析方法[11]。本文创造性地提出冷却器实际运行换热系数计算方法，进行评价冷却器的冷却效率，实现对冷却水流量[12]、冷却水进出水温、进出油（瓦）温度进行综合分析，减少运行人员对多个量的同时监视，提升运行值班人员的监盘效率。本方法适用于水电厂空气冷却器、轴承油冷却器、主变冷却器等各类冷却器的分析判断。
在水电机组由计划检修逐步过渡到状态检修[13]的时期，如何通过数据分析挖掘设备潜力，评估设备状态是行业内亟待解决的问题[14]，本方法给出了通过数据分析评估水电厂冷却器状态的应用方法。通过本分析方法完全可以基于计算机技术，获取实时数据，进行在线实时分析，实时监视冷却器效率运行趋势，及时掌握设备状态，在行业内具有很好的推广意义。
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