關于300 MW發電機組定冷水斷水保護系統的可靠性分析

摘 要：發電機定子線圈冷卻水系統是一個組裝式的閉式循環系統，主要的系統設備和監測儀表組裝在一塊底板上。系統的主要功能是采用冷卻水通過定子線圈空心導線，將定子線圈損耗產生的熱量帶出發電機，定子線圈采用定子水冷，當出現斷水保護動作時，發電機會立即跳閘，影響機組安全運行，如在運行過程中發電機出現斷水情況，而斷水保護未動作，那么發電機線圈溫度就會上升，危及發電機安全，此時必須降低發電機負荷，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探討。

關鍵詞：發電機 差壓開關 斷水保護 壓力

中圖分類號：TM7 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）06（b）-0101-02

我廠發電機為三相隱極式同步發電機，型號為QFSN-300-2，冷卻方式為水冷加氫冷，定子線圈的冷卻水通過外部進水管進入發電機勵端定子機座內的環形總進水管，其中一路通過聚四氟乙烯絕緣水管流入定子線棒中的空心導線，然后從線圈的另一端（汽端）經絕緣引水管匯入環形出水管；另一路經絕緣引水管流入定子線圈主引線，出主引線后經絕緣引水管匯入安置在出現盒內的出水管，然后也經外管道匯入汽端環形出水管，雙路水流最后從汽端機座上部流出發電機，經總出水管返回到水箱。發電機在斷水情況下的保護設置方式：是考慮讓發電機在定子線圈冷卻水突然中斷后暫時繼續運行一個較短的時間（例如20 s），以便通過啟動備用泵等措施來恢復供水，如在設定的時間內發電機的水系統不能恢復供水，發電機將立即解列跳閘停機。定子線圈水流量低和定子線圈水流量非常低報警信號表明通過定子線圈的水流量低于正常流量、或流量過低即將危及發電機定子線圈的安全。這兩個信號由若干個差壓開關發出。這些差壓開關跨接在從定子線圈總進、出匯水管上引出的信號管上。例如我廠300 MW發電機定子冷卻水保護設置如下。

當定子線圈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降至額定流量的70%時，將發出“定子線圈水流量非常低”報警信號。定冷水流量低于44 t/h時報警，低于39 t/h時保護動作。“定子線圈流量非常低”報警信號發出后延時30 s，發電機即跳閘，以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一般為50～55 t/h。

1 分析過程

發電機定子冷卻水斷水保護信號是由發電機定子冷卻水進出水差壓開關來判斷：5機定冷水壓力開關采用SOR壓力開關，壓力開關一共有5個，其中兩個壓力開關輸出用做報警值，另外三個則是斷水保護信號輸出。當差壓≤68 kPa發斷水保護。采用差壓開關測量，三選二進行判斷。該機組定冷水系統在DCS上結構簡單，設備較少，且操作畫面描述的非常詳盡，順控逐步描述得非常清楚。運行操作人員都是經驗豐富，不會出現操作不合理的情況。

下面對兩臺發電機組定冷水斷水保護設定參數進對比：

#5、6機斷水保護對比說明：

#5機：當差壓≤68 kPa發斷水保護。采用差壓開關測量，三選二進行判斷。

#6機：當差壓≤53 kPa發斷水保護。采用差壓開關測量，三選二進行判斷。

結論表明：#5、6機斷水保護差壓開關的保護定值不同，主要是根據人工調節實際定冷水流量并當流量計顯示為39 t/h時差壓變送器測量的實際值來制定保護和報警定值。機組檢修后，流量計顯示流量為39 t/h時，定冷水進出口差壓值每次會有所變化，因此保護定值也要求要在定冷水系統檢修后重新調整。如圖2。

由邏輯圖可知，現場的三個差壓開關，三取二就直接發發電機斷水保護信號。此邏輯單一的通過定冷水進出口差壓來判斷發電機冷卻水流量過低，這樣的邏輯不夠嚴密，且現場的差壓開關可靠性還有待商榷，下面對儀表進行分析。

（1）#5機定冷水壓力開關采用SOR壓力開關，壓力開關受壓部位容易泄漏，會造成差壓開關誤報。

（2）經現場查看，#5機組定冷水流量測量采用的是國外某品牌渦街流量計。在機組運行過程中，會出現測量不穩定，且此流量計偶爾還會自動重啟，給機組運行帶來不安全因素。

#5機發電機定冷水斷水保護系統用了5個差壓開關，其中兩個開關用做報警，三個開關三取二做斷水保護動作值。現場5個開關的取樣管都是取自一根總管，總管末端壓力波動會造成壓力開關誤動；且取樣管只有總管有一次門，單個差壓開關沒有設置二次門，不利于現場檢修、實驗。其定冷水入口壓力變送器2、變送器3安裝在汽機6 m層取樣管路的高壓側管路上，與12 m層的定冷水入口壓力變送器1測量存在偏差，如圖3。

總體結論表明原先設計的邏輯和現場儀表的選型及安裝位置均不合理，無法滿足其發電機斷水保護的可靠性要求。

2 方案設計

2.1 重新審批修改發電機斷水保護邏輯

將涉及到保護的設備和邏輯修改為更可靠：增加兩個定冷水入口壓力變送器（與現有的一個入口壓力變送器測點進行選中值計算），報警定值定為≤0.15 MPa，保護定值定為≤0.1 MPa（根據將#5機組定冷水流量調低到報警和保護流量值時的出口壓力值確定的定值）。

邏輯改為用定冷水渦街流量計的流量信號顯示低于44 t/h時發報警信號，低于39 t/h時并且定冷水入口壓力≤0.1 MPa動作發斷水保護信號。

2.2 更換現場不合理、不穩定的設備型號

取消斷水保護及報警用的所有差壓開關，采用穩定的冷卻水進水壓力模擬量取低限來代替原來的開關量值。增加定冷水流量計一套，在邏輯組態中采用可靠性更高的節流孔板+差壓變送器測量方式所測得信號，原來的渦街流量計測量的信號只用作畫面監視。

2.3 對現場儀表不合理的安裝位置進行改造

安裝不合格的斷水保護及報警用的差壓開關都取消。將#5機定冷水入口壓力變送器2、變送器3（安裝在汽機6 m層取樣管路的高壓側管路上），移至12 m層的定冷水入口壓力變送器1處，保證定冷水入口壓力三個測點所得信號無測量偏差。

3 方案實施

3.1 取消原有的定冷水差壓開關

拆除汽機6 m層現有定子冷卻水進出口5個差壓開關及其取樣管路，僅保留進出口壓力表和差壓變送器，切除的管路做好封堵，拆除的開關接線用絕緣膠包好裝入線槽。

3.2 加裝節流孔板定冷水流量計

在汽機6米層定子冷卻水母管上安裝焊接式節流孔板一套（按廠家提供的設備安裝要求施工），并敷設取樣管（約16 m）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，要求制作儀表安裝架（規格：長0.6m、高1m，材料：角鐵），同時從現場接線柜敷設鋼制電纜橋架到儀表架。

3.3 入口壓力變送器移位

將兩個定冷水入口壓力變送器（與現有的一個入口壓力變送器測點進行三選中值計算），安裝在原汽機12 m層發電機旁定冷水入口壓力變送器取樣一次門后管路上。在汽機12 m平臺發電機定子冷卻水入口壓力變送器旁新增加兩個壓力變送器，并敷設兩根4×1.5的控制電纜（從#5機組電子室到壓力變送器，約150 m/根），每個壓力變送器加裝取樣門二次門，要求加寬現有儀表安裝架約0.6 m如圖4。

3.4 重新審批修改發電機斷水保護邏輯

邏輯改為用節流孔板流量計的流量信號顯示低于44 t/h時或定子冷卻水定子線圈進水壓力（三個壓力模擬量三取中）低于0.15 MPa發報警信號；定冷水流量低于39 t/h時并且定冷水入口壓力（三個壓力模擬量三取中）0.1 MPa動作發斷水保護信號，原來的渦街流量測量值只做監視用，不參與保護如圖5。

3.5 實例效果

對策實施完成后，現在開機已經兩月有余。對#5機發電機定冷水斷水保護系統的現場缺陷情況統計，到目前為止，現場設備運行正常，暫時還沒有發現缺陷。統計如圖6。

從統計來看：經過改造后，定冷水系統可靠性顯著提高，效果明顯，系統缺陷數量由改造前的19次直降至0次，發電機斷水保護可靠性大大提高。

3.6 發電機定冷水系統應注意的問題

某廠300 MW機組規定：當發電機定子繞組出現斷水情況時，允許滿載100%額定電流運行5 s，備用泵需在5 s內投入正常運行。如果備用泵在5 s內不能正常運行，發電機必須停機或者在2 min內以每分鐘50%的速率將定子電流自動降低到額定電流的15%，同時定子冷卻水的電導率需控制在 1.5 μs/cm以內，我廠300 MW發電機組發生斷水保護到發電機跳閘只有30 s的時間。

為此定子水系統發生異常現象的，經過的水流量變小（例如斷水）斷水時，應通過甩負荷或跳閘辦法減少負荷。視負荷大小，有時當斷水時，幾分鐘之內絕緣便告損壞。根據我廠的實際實現減負荷，達到保護遲延時間起一臺泵。如果不成功就停機組。

4 結論

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，重新設計了更穩定的斷水保護邏輯，消除了發電機斷水保護誤報的風險，減少不安全事件的發生，在機組的日常維護中，設備缺陷大幅降低，可大幅減少檢修人員的勞動強度和運行人員的工作量，節省了人力成本。

參考文獻

[1]QFSN及QFSN2型300～350 MW汽輪發電機》產品說明書[S].1996（2）.

[2]淺議發電機定子線圈斷水的保護[EB/OL].百度文庫.