350?MW超臨界發電機組斷水保護系統的可靠性分析與改進

肖永亮

摘 要：為了保證發電機的安全運行，其定子繞組配置了一套冷卻水系統—— 發電機定子冷卻水系統。該系統的功能是正常運行中通過內冷水泵提供冷卻水，及時攜帶走因發電機在能量轉換過程中產生的熱量，來維持發電機線圈的溫度在允許的范圍，從而達到確保安全、穩定發電的目的。水內冷發電機的斷水保護，是發電機的重要保護之一，若斷水時電機仍在較長時間內運行，電機就會發熱，當發熱量大于散熱量時，電機溫度就會劇升而危及發電機安全，此時必須降低發電機負荷，應盡快解列停機，這就需要對發電機斷水保護動作的可靠性及保護動作設置的合理性進行分析與探討。

關鍵詞：冷卻水 斷水保護 差壓開關 控制邏輯

中圖分類號：TK264.2 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）03（b）-0078-02

筆者公司發電機為汽輪機驅動的三項隱極式同步發電機，其型號為QFSN-350-2，發電機采用水氫氫冷卻方式：定子繞組（包括定子線圈、連接線、主引線和出線瓷套端子、中性點聯接母線板）水內冷、定子鐵心及端部結構件氫氣表面冷卻、轉子繞組為氣隙取氣、徑向斜流式氫內冷。

發電機在斷水情況下的保護設置：當定冷水短時間內突然中斷，可以通過啟動備用定冷泵的措施來恢復供水，如在設定的短暫時間內冷卻水不能正常恢復，發電機應該立即解列停機。定冷水流量低和流量低低報警信號可以表征冷卻水流量不正常想象，流量低低將危及發電機的安全運行。

發電機定子冷卻水保護配置：當定子冷卻水流量升至額定流量的105%時，將發出定子線圈水流量高報警信號；當定子冷卻水流量降至額定流量的80%時，將發出定子線圈水流量低報警信號；當定子線圈水流量進一步低至額定流量的70%時，將發出定子線圈水流量低低報警信號。定子線圈流量低至44 t/h時報警，低低至39.5 t/h時保護動作，按斷水延時時間立即跳閘解列發電機，來保護定子線圈不應冷卻水流量過低而引起燒毀事故。正常運行時定冷水流量為55 t/h。

1 對比分析

定冷水斷水保護信號是由定冷水進出水差壓開關來判斷的，定冷水流量低和流量低低信由差壓開關發出，差壓開關正負壓測取樣管分別取自定子線圈總進、出水管上引出的信號管上。兩臺機組定子冷卻水差壓開關采用UE400系列差壓開關，差壓開關一共5臺，其中一臺差壓開關輸出用作報警，一臺差壓開關輸出用作連鎖啟動信號（同時作報警），另外3臺則是斷水保護信號輸出。斷水保護采用開關量三取二進行判斷，結構簡單，易理解掌握。

下面對兩臺機組定子冷卻水斷水保護參數進行對比。

斷水保護差壓開關保護定值主要是根據人工調節實際定冷水流量，使流量計顯示至39.5 t/h時差壓變送器送器測量的實際值來確定保護和報警定值。筆者工廠基建時安裝的定冷水泵，由于振動大和檢修不方便等原因，將定冷水泵進行了升級更換，重新布置了安裝位置，改造后使定冷水泵提供要求的壓力下流量計顯示流量為39.5 t/h時，定子冷卻水進出水差壓值和檢修前比較有所變化（67 kPa降至63 kPa），因此保護定值需要重新調整。

對測量儀表可靠性進行分析如下。

（1）兩臺機組定冷水差壓開關均采用UE400系列的差壓開關，差壓開關承壓部件為膜片，單側受壓大容易破損泄露，會造成差壓開關誤報警。

（2）兩臺機組定冷水流量計是國外某品牌的渦街流量計，在機組正常運行過程中出現過跳變現象，這種不穩定的測量會給機組安全運行帶來隱患。

（3）現場5個差壓開關的取樣管都是取自一根總管，當單根管道出現阻塞現象時，總管末端壓力波動會造成壓力開關誤動作，并且取樣管總管只有一次門，差壓開關處沒有二次門，不利于現場檢修和校準。

（4）發電機進水壓力測點取樣口安裝在汽機房6.3 m層進水母管上，而壓力變送器安裝在汽機房0 m層，與12.6 m層發電機線圈位置處的進水壓力要求（0.15～0.20 MPa之間）存在測量偏差。

總體結論表明：原先設計的邏輯和現場儀表選型及安裝位置均不合理，無法滿足發電機斷水保護的可靠性配置要求。

2 改進方案設計

2.1 設備重新選型

取消原斷水保護及報警用的所有差壓開關，增加一套定冷水流量計，采用可靠性更高的節流孔板加差壓變送器測量方式取得信號（穩定的模擬量信號）低限值來替代原來的開關量信號，并在在邏輯組態中增加壞值切除邏輯，原來的渦街流量計和差壓變送器測量值只用作DCS畫面監視。

2.2 位置不合理儀表重新布局

將兩臺號機組的定冷水進水壓力測點取樣口位置從6.3 m層進水母管處移至12.6 m層定子線圈進水匯水管底部放水門前管道處，定冷水進水壓力變送器從0 m層移至6.3 m層定冷水進水壓力測點取樣口附近，確保定冷水進水壓力測量準確，符合反措要求。

2.3 修改發電機斷水保護邏輯

邏輯改為用定冷水流量孔板差壓變送器測量的模擬量流量信號三取中低于44 t/h發報警信號，并延時1s聯鎖啟動備用定冷水泵，低于39.5 t/h時三取二動作發斷水保護信號。斷水延時時間由發電機定子電流比值經一個折現函數得出，負荷不同斷水延時時間不同（高負荷斷水延時時間短），限幅5～120 s。

3 改進方案實施

3.1 取消原有的定冷水差壓開關

拆除汽機0 m層現有定冷水進出口5臺差壓開關及其取樣管路，只保留進出口壓力表、差壓變送器，渦街流量變送器，切除管路并做好切口焊接封堵，拆除差壓開關至定冷水接線端子箱的接線，拆除接線箱差壓開關信號去DCS的接線做好標記用絕緣膠布包好盤入線槽。

3.2 加裝定冷水節流孔板流量計

在汽機房0 m層定冷水進水母管上安裝焊接式節流孔板一套（均勻分布三組差壓取樣口），并敷設取樣管及安裝一、二次取樣門、排污門等到差壓變送器的高、低壓側取樣口。差壓變送器安裝在靠墻邊，重新敷設就地儀表至DCS的信號控制電纜。

3.3 定冷水進水壓力變送器移位

將原來定冷水進水壓力取樣一次門關閉，并將取樣管從一次門后或接頭處切斷，在12.6 m層定子線圈進水匯水管底部放水門前管道處重新開口取樣并重新敷設取樣管，增加取樣一次門、二次門，同時敷設4×1.5的控制電纜至DCS間。

3.4 重新審視、修改發電機斷水保護邏輯

邏輯改為用節流孔板顯示（3個流量模擬量三取中）低于44 t/h時發報警信號；定冷水流量（3個流量模擬量三取二）低于39.5 t/h時發斷水保護信號，增加斷水延時時間（斷水延時5～120 s），保留渦街流量測量在DCS畫面監視功能。邏輯如圖1所示。

4 實施效果和注意事項

方案實施完成后，機組已經運行一段時間。對1號機發電機定冷水斷水保護系統進行跟蹤觀察，到目前為止，現場設備運行正常，暫時沒有發現缺陷。

需要注意的是定子繞組出現斷水情況時，允許發電機短時運行（按斷水延時時間），備用泵需在斷水延時時間內投入正常運行，如果備用泵在斷水延時時間內不能正常運行，發電機必須停機或者2 min內以每分鐘50%的速率將定子電流自動降至額定電流的15%，同時應將定子冷卻水的電導率控制在1.5 μs/cm以內。低負荷下，斷水超過2 min，發電機絕緣便會損壞，所以要將斷水延時時間控制在5～120 s內。

5 結語

通過改進發電機定冷水斷水保護系統，采用了更可靠的設備，重新設計了更可靠的斷水保護邏輯，消除了發電機斷水保護拒動和誤動的風險，消除了停機的隱患，大大提高了機組安全穩定運行的可靠性。

參考文獻

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