風(fēng)力發(fā)電機(jī)變流器水冷系統(tǒng)故障原因分析及優(yōu)化

冷明全，張彬

(廣州高瀾節(jié)能技術(shù)股份有限公司，廣東 廣州 510663)

0 引言

由于發(fā)電機(jī)組變流器中的大功率電器元件在工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量熱量，需要及時(shí)對(duì)其進(jìn)行熱交換冷卻，以保證設(shè)備的可靠性。因此，散熱能力決定發(fā)電能力，配套穩(wěn)定、可靠及安全的冷卻系統(tǒng)，是該裝置穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)。

本文對(duì)1．5MW系列風(fēng)力發(fā)電機(jī)組水冷系統(tǒng)反饋頻率較高、影響較大的若干故障進(jìn)行分析并提出設(shè)備優(yōu)化建議，以保證水冷系統(tǒng)運(yùn)行于良好狀態(tài)，保障發(fā)電機(jī)組的安全、穩(wěn)定運(yùn)行。

1 水冷系統(tǒng)工作原理

恒定壓力和流速的冷卻介質(zhì)源源不斷地流經(jīng)變流器帶走熱量，溫升介質(zhì)由高壓循環(huán)泵的進(jìn)口經(jīng)室外空氣散熱器與冷空氣進(jìn)行熱交換，空氣散熱器將冷卻介質(zhì)帶出的熱量交換出去，散熱后冷卻介質(zhì)再循環(huán)進(jìn)入變流器。在水冷系統(tǒng)柜內(nèi)管路和柜外管路之間設(shè)置電動(dòng)三通閥，主控系統(tǒng)根據(jù)當(dāng)前冷卻水溫度值自動(dòng)控制電動(dòng)三通閥閥位，從而調(diào)節(jié)循環(huán)冷卻水進(jìn)入空氣散熱器進(jìn)行換熱的流量，實(shí)現(xiàn)精確調(diào)節(jié)溫度的功能，通過(guò)電加熱器對(duì)冷卻水溫度進(jìn)行強(qiáng)制補(bǔ)償［1－3］。

在主循環(huán)泵入口加有壓縮空氣穩(wěn)壓?jiǎn)卧摲€(wěn)壓?jiǎn)卧膳蛎浌蕖獗眉半姶砰y等組成，可以保持系統(tǒng)恒壓并能吸收系統(tǒng)中冷卻介質(zhì)的體積變化，從而保證整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。膨脹罐的底部充有穩(wěn)定壓力的壓縮空氣，當(dāng)系統(tǒng)壓力損失時(shí)，壓縮空氣自動(dòng)擴(kuò)張，把冷卻水壓入循環(huán)管路系統(tǒng)，以保持管路的壓力恒定和冷卻水充滿。當(dāng)系統(tǒng)壓力小于設(shè)定壓力時(shí)，氣泵自動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)氣增壓來(lái)補(bǔ)償壓力的損失;當(dāng)壓力較高時(shí)，由電磁閥排放由于溫度變化而產(chǎn)生的多余氣體［4－7］。

2 故障分析

圖1 隔膜式膨脹罐及其隔膜

反饋頻率較高、影響較大的水冷系統(tǒng)故障有電加熱器燒壞、系統(tǒng)壓力報(bào)警、氣囊破裂及電控邏輯異常。

2．1 電加熱器燒壞分析

為防止電加熱器在加熱罐體內(nèi)無(wú)水或水不流動(dòng)的情況下啟動(dòng)而干燒損壞，在電加熱器罐上設(shè)有軟管連至膨脹罐，頂端安裝有自動(dòng)排氣閥，在水泵運(yùn)行過(guò)程中，加熱器不會(huì)燒壞。為判斷電加熱器在缺水嚴(yán)重或水泵停運(yùn)時(shí)是否繼續(xù)運(yùn)行，需將電加熱器啟動(dòng)與主泵運(yùn)行狀態(tài)及壓力關(guān)聯(lián)，壓力低及水泵停運(yùn)時(shí)，電加熱器停止運(yùn)行，主泵運(yùn)行及不報(bào)出閥壓力低時(shí)電加熱器才投運(yùn)。

2．2 系統(tǒng)壓力報(bào)警、氣囊破裂分析

2．2．1 穩(wěn)壓?jiǎn)卧榻B

1．5MW系列風(fēng)力發(fā)電機(jī)組水冷系統(tǒng)穩(wěn)壓?jiǎn)卧膳蛎浌蕖獗眉半姶砰y等組成，采用氣囊式膨脹罐。膨脹罐也叫氣壓罐、壓力罐、緩沖罐等，膨脹罐的結(jié)構(gòu)可分為隔膜式和氣囊式2種，如圖1、圖2所示。

圖2 氣囊式膨脹罐及其氣囊

膨脹罐的工作原理:由其結(jié)構(gòu)可知，當(dāng)膨脹罐用于系統(tǒng)中時(shí)，由于系統(tǒng)壓力比預(yù)充氣體的壓力大，所以會(huì)有一部分工作介質(zhì)進(jìn)入氣囊內(nèi)(對(duì)隔膜式膨脹罐來(lái)講是進(jìn)入罐體內(nèi))，直到達(dá)到新的平衡。當(dāng)系統(tǒng)壓力再度升高且系統(tǒng)壓力再次大于預(yù)充氣體的壓力時(shí)，又會(huì)有一部分介質(zhì)進(jìn)入囊內(nèi)，壓縮囊和罐體間的氣體被壓縮后壓力升高，當(dāng)升高到與系統(tǒng)壓力一致時(shí)，介質(zhì)停止進(jìn)入;反之，當(dāng)系統(tǒng)壓力下降，系統(tǒng)內(nèi)介質(zhì)壓力低于囊和罐體間的氣體壓力時(shí)，氣囊內(nèi)的水會(huì)被氣體擠出補(bǔ)充到系統(tǒng)內(nèi)，使系統(tǒng)壓力升高，直到系統(tǒng)工作介質(zhì)壓力與囊和罐體間的氣體壓力相等，維持動(dòng)態(tài)的平衡。

膨脹罐的主要作用:膨脹罐被廣泛地應(yīng)用于中央空調(diào)、鍋爐、熱水器、變頻及恒壓供水設(shè)備中，能夠緩沖系統(tǒng)壓力波動(dòng)，消除水錘，起到穩(wěn)壓卸荷的作用;在系統(tǒng)內(nèi)水壓發(fā)生輕微變化時(shí)，膨脹罐氣囊的自動(dòng)膨脹收縮會(huì)對(duì)水壓的變化有一定緩沖作用，能保證系統(tǒng)的水壓穩(wěn)定，水泵不會(huì)因壓力的改變而頻繁開(kāi)啟。

1．5MW系列風(fēng)力發(fā)電機(jī)組水冷系統(tǒng)膨脹罐內(nèi)腔頂部裝有氣囊，通過(guò)頂部軟管與循環(huán)冷卻管路連接，內(nèi)腔底部連接補(bǔ)氣泵和排氣閥。氣囊儲(chǔ)液用于補(bǔ)償正常運(yùn)行時(shí)少量滲漏和電解揮發(fā)的水，氣囊占膨脹罐內(nèi)腔容積的1/2～3/4，氣囊外的罐內(nèi)腔空間填充壓縮空氣，膨脹罐內(nèi)氣、水不直接接觸，通過(guò)氣囊的膨脹和收縮來(lái)傳遞壓力。當(dāng)水冷系統(tǒng)運(yùn)行溫度上升時(shí)，冷卻液受熱體積膨脹，氣囊被囊內(nèi)水充滿而膨脹，當(dāng)進(jìn)、出閥壓力上升至排氣電磁閥開(kāi)啟壓力定值時(shí)，排氣電磁閥啟動(dòng)，降低膨脹罐氣壓，使水冷管路的水流入氣囊內(nèi)，保持系統(tǒng)運(yùn)行壓力處于正常范圍，不產(chǎn)生壓力高報(bào)警;當(dāng)水冷系統(tǒng)運(yùn)行溫度下降時(shí)，冷卻液遇冷體積收縮，氣囊被囊外的氣體壓縮，當(dāng)進(jìn)、出閥壓力下降至空氣壓縮泵開(kāi)啟壓力定值時(shí)，空氣壓縮泵啟動(dòng)補(bǔ)氣，提升膨脹罐氣壓，將氣囊內(nèi)的水壓入水冷管路，保持系統(tǒng)運(yùn)行壓力處于正常范圍，不產(chǎn)生壓力報(bào)警。

水冷系統(tǒng)依靠壓力來(lái)判斷系統(tǒng)內(nèi)的水是否充滿:當(dāng)進(jìn)閥壓力降至補(bǔ)氣泵啟動(dòng)壓力時(shí)，補(bǔ)氣泵啟動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)氣，將儲(chǔ)存于膨脹罐氣囊內(nèi)的水壓縮進(jìn)水冷系統(tǒng)內(nèi)，對(duì)系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)微量滲漏和電解揮發(fā)的水進(jìn)行補(bǔ)償，保持水冷系統(tǒng)水的充滿及運(yùn)行壓力要求;當(dāng)進(jìn)閥壓力降至補(bǔ)氣泵啟動(dòng)壓力時(shí)，補(bǔ)氣泵啟動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)氣，將氣囊內(nèi)儲(chǔ)水壓縮至水冷系統(tǒng)內(nèi)，但系統(tǒng)內(nèi)水仍不能完全充滿，補(bǔ)氣泵持續(xù)補(bǔ)氣已不起作用，不能補(bǔ)償系統(tǒng)水量和提高系統(tǒng)壓力，同時(shí)還會(huì)導(dǎo)致氣囊被完全壓縮而損壞及補(bǔ)氣泵過(guò)載運(yùn)行而燒壞。

2．2．2 故障分析

對(duì)已破裂氣囊進(jìn)行檢查分析(如圖3所示)，氣囊破裂點(diǎn)都在離氣囊口4～5 cm處，裂口長(zhǎng)度均為8 mm左右，破裂特征相似，判斷氣囊可能是由同一個(gè)原因引起破裂的。如圖4所示，氣囊破裂點(diǎn)內(nèi)表面的共同點(diǎn)是破裂點(diǎn)的四周均有環(huán)形壓痕，而內(nèi)表面離氣囊口距離超過(guò)8 cm的地方?jīng)]有類似環(huán)形壓痕。

結(jié)合環(huán)形壓痕和膨脹罐結(jié)構(gòu)，初步判斷可能是在水冷系統(tǒng)補(bǔ)氣時(shí)，氣囊被壓縮至膨脹罐進(jìn)水孔，進(jìn)一步壓縮而導(dǎo)致氣囊破裂。

模擬水冷系統(tǒng)補(bǔ)氣時(shí)的狀態(tài)，氣囊被空氣壓縮在法蘭部件進(jìn)水孔區(qū)域(如圖5所示)，氣囊在孔口處受壓后就會(huì)在內(nèi)表面留下環(huán)形痕跡，隨著氣壓的升高就會(huì)使氣囊在進(jìn)水孔位置出現(xiàn)破裂(如圖6所示)。

另外還發(fā)現(xiàn)有些已破裂的膨脹罐氣囊體積異常變大，破裂處呈現(xiàn)六角形(如圖7所示)，與膨脹罐底部的氣路接頭組件螺母的形狀相似(如圖8所示)。判斷為系統(tǒng)補(bǔ)液過(guò)多且排氣電磁閥排氣，導(dǎo)致氣囊儲(chǔ)液過(guò)多，脹滿整個(gè)膨脹罐內(nèi)腔，氣囊在膨脹罐內(nèi)部與氣路接頭組件螺母接觸擠壓，導(dǎo)致壓損破裂。

對(duì)已破裂氣囊進(jìn)行檢查分析，判斷氣囊破裂原因?yàn)?

(1)膨脹罐氣囊由于承受異常高壓而發(fā)生破裂。

(2)水冷操作維護(hù)人員沒(méi)有按規(guī)范進(jìn)行水冷裝置的補(bǔ)水、補(bǔ)氣操作及日常維護(hù)，間接導(dǎo)致氣囊破裂。

2．3 電控邏輯分析

2．3．1 空氣壓縮泵控制邏輯

開(kāi)，出閥壓力降至50 kPa;關(guān)，出閥壓力升至70 kPa。

發(fā)現(xiàn)問(wèn)題:可能會(huì)出現(xiàn)出閥壓力偏低的現(xiàn)象。

2．3．2 進(jìn)閥壓力低、超低告警

進(jìn)閥壓力低告警:進(jìn)閥壓力＜30 kPa;進(jìn)閥壓力超低告警:進(jìn)閥壓力＜10 kPa。

發(fā)現(xiàn)問(wèn)題:定值不合理，不能有效保護(hù)水冷設(shè)備及組件，可能會(huì)導(dǎo)致電加熱器因缺水運(yùn)行而干燒損壞。

2．3．3 出水閥壓力超低告警

出閥壓力超低告警:出閥壓力＜1 kPa。

發(fā)現(xiàn)問(wèn)題:定值太小，不能正確動(dòng)作，導(dǎo)致該告警和保護(hù)功能失效。

2．3．4 電控平臺(tái)操作頁(yè)面

發(fā)現(xiàn)問(wèn)題:發(fā)電機(jī)組電控平臺(tái)的水冷系統(tǒng)調(diào)試維護(hù)頁(yè)面里沒(méi)有空氣壓縮泵、排氣電磁閥的手動(dòng)操作按鍵;維護(hù)人員調(diào)試時(shí)，氣壓低時(shí)無(wú)法進(jìn)行手動(dòng)補(bǔ)氣，氣壓高時(shí)無(wú)法進(jìn)行手動(dòng)排氣。

3 優(yōu)化建議

綜合以上分析可知，1．5MW系列水冷系統(tǒng)出現(xiàn)頻率較高、影響較大的若干故障(如壓力報(bào)警、電加熱器燒壞、氣囊破裂等)，是由水冷系統(tǒng)冷卻液不足或過(guò)多及電控保護(hù)功能不完善引起的。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)交流，發(fā)現(xiàn)風(fēng)電場(chǎng)的維護(hù)人員對(duì)水冷系統(tǒng)認(rèn)識(shí)不足，不能規(guī)范、有效地對(duì)水冷系統(tǒng)進(jìn)行操作和日常維護(hù)。因此，更新設(shè)備使用手冊(cè)、加強(qiáng)對(duì)維護(hù)人員的培訓(xùn)、通過(guò)技術(shù)改造優(yōu)化水冷系統(tǒng)電控程序功能、更換存在安全隱患的設(shè)備組件，是降低水冷系統(tǒng)故障率、保障水冷系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的必要措施。

(1)修改更新《水冷系統(tǒng)設(shè)備說(shuō)明書(shū)》，并對(duì)維護(hù)人員進(jìn)行水冷系統(tǒng)知識(shí)培訓(xùn)，指導(dǎo)維護(hù)人員規(guī)范進(jìn)行水冷設(shè)備的操作與維護(hù)，保障水冷系統(tǒng)的正常、穩(wěn)定運(yùn)行［8］。

(2)加強(qiáng)操作人員的培訓(xùn)及日常巡檢，建議通過(guò)技術(shù)改造優(yōu)化設(shè)備組件，消除安全隱患，如采用帶防護(hù)墊膨脹罐的進(jìn)水法蘭部件、對(duì)膨脹罐氣路接頭組件螺母邊角進(jìn)行倒圓角處理等。

(3)電控程序優(yōu)化建議［9］。

1)空氣壓縮泵控制邏輯。為避免出閥壓力偏低，建議將控制邏輯更改為:開(kāi)，出閥壓力降至80 kPa;關(guān)，出閥壓力升至100 kPa。

2)進(jìn)閥壓力低、超低告警。建議更改為:進(jìn)閥壓力低告警，進(jìn)閥壓力＜120 kPa;進(jìn)閥壓力超低告警，進(jìn)閥壓力＜90 kPa。

3)出水閥壓力超低告警。建議更改為:出閥壓力超低告警，出閥壓力＜10 kPa;復(fù)位值，20 kPa。

4)電加熱器保護(hù)。建議增加出閥壓力低告警(出閥壓力＜20 kPa)，出閥壓力低告警時(shí)停止電加熱器，防止電加熱器干燒;電加熱器啟動(dòng)須與主泵及壓力關(guān)聯(lián)，水泵停運(yùn)或出閥壓力低時(shí)，電加熱器應(yīng)停止運(yùn)行。只有主泵運(yùn)行及出閥壓力不低于設(shè)定值時(shí)，才允許投運(yùn)電加熱器。

5)電控平臺(tái)操作頁(yè)面。建議在電控平臺(tái)的水冷系統(tǒng)調(diào)試維護(hù)操作頁(yè)面增加空氣壓縮泵、排氣電磁閥的手動(dòng)操作按鍵，方便調(diào)試、維護(hù)及手動(dòng)操作。

［1］元偉偉，蔣彥龍．風(fēng)力發(fā)電冷卻技術(shù)［J］．世界科技研究與發(fā)展，2007(2):80－85．

［2］張希良．風(fēng)能開(kāi)發(fā)利用［M］．北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2005:24－26．

［3］王承煦，張?jiān)矗L(fēng)力發(fā)電［M］．北京:中國(guó)電力出版社，2002．

［4］尹煉，劉文洲．風(fēng)力發(fā)電［M］．北京:中國(guó)電力出版社，2002．

［5］倪受元．風(fēng)力發(fā)電講座第一講:風(fēng)力機(jī)的類型與結(jié)構(gòu)［J］．太陽(yáng)能，2000，21(2):6 －10．

［6］倪受元．風(fēng)力發(fā)電講座第二講:風(fēng)力機(jī)的工作原理和氣動(dòng)力特性［J］．太陽(yáng)能，2000，21(3):12 －16．

［7］李俊峰．風(fēng)力12在中國(guó)［M］．北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2005:93．

［8］蔣彥龍，元偉偉，張秋，等．兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)水冷系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］．南京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，40(2):199－204．

［9］吳書(shū)泉，邵建強(qiáng)．負(fù)載換流式變頻器水冷系統(tǒng)及其故障處理［J］．華電技術(shù)，2008，30(9):21 －23．