水輪發(fā)電機(jī)機(jī)坑溫濕度控制方法創(chuàng)新

王 俊，解植瑩

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水輪發(fā)電機(jī)機(jī)坑溫濕度控制方法創(chuàng)新

王 俊，解植瑩

（哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司, 哈爾濱 150040）

本文首先介紹了目前水電站水輪發(fā)電機(jī)機(jī)坑溫濕度控制普遍采用的方法，并分析了存在的問題。然后在詳細(xì)闡述了發(fā)電機(jī)機(jī)坑近似為封閉空間溫濕度變化規(guī)律的基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)際提出了一種創(chuàng)新的控制方案。

發(fā)電機(jī)機(jī)坑；絕對(duì)濕度；相對(duì)濕度；絕對(duì)濕度飽和值；露點(diǎn)溫度

0 前言

發(fā)電機(jī)定轉(zhuǎn)子繞組絕緣好壞程度直接決定著發(fā)電機(jī)的使用壽命。當(dāng)水輪發(fā)電機(jī)長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)時(shí)，因機(jī)坑溫度下降引起相對(duì)濕度升高會(huì)對(duì)定轉(zhuǎn)子繞組絕緣造成不利影響，甚至?xí)a(chǎn)生凝露致使定轉(zhuǎn)子絕緣過低，進(jìn)而導(dǎo)致機(jī)組無法正常啟動(dòng)并網(wǎng)，更加嚴(yán)重的會(huì)徹底損壞繞組絕緣，造成巨大經(jīng)濟(jì)損失。

因此，采用一種有效的溫濕度控制方法對(duì)發(fā)電機(jī)安全運(yùn)行意義重大。

1 水輪發(fā)電機(jī)機(jī)坑加熱系統(tǒng)

水輪發(fā)電機(jī)在長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)過程中，由于機(jī)坑內(nèi)部溫度降低會(huì)使定轉(zhuǎn)子繞組凝露，進(jìn)而威脅定轉(zhuǎn)子繞組絕緣安全。因凝露或受潮導(dǎo)致定轉(zhuǎn)子繞組絕緣降低造成機(jī)組啟動(dòng)失敗的事件已屢見不鮮。絕緣降低還給機(jī)組運(yùn)行帶來極大的安全隱患。

為了避免機(jī)坑內(nèi)部凝露，一般做法是在機(jī)坑內(nèi)部發(fā)電機(jī)定子四周均布幾臺(tái)加熱器，在機(jī)組停機(jī)過程中用啟動(dòng)加熱器提高機(jī)坑內(nèi)部溫度的方法防止凝露的發(fā)生。加熱器的啟停由溫度開關(guān)控制，當(dāng)溫度低于設(shè)定值時(shí)啟動(dòng)加熱器，溫度高于設(shè)定值時(shí)停止加熱器。

有時(shí)也采用溫濕度控制器控制加熱器的啟停。當(dāng)溫度低于設(shè)定值或濕度高于設(shè)定值即啟動(dòng)加熱器，當(dāng)溫度高于設(shè)定值或濕度低于設(shè)定值停止加熱器。

目前絕大多數(shù)水電站發(fā)電機(jī)機(jī)坑加熱器均采用上述方法控制。

2 目前溫濕度控制方法存在的問題

在采用溫度開關(guān)或溫濕度控制器對(duì)加熱器進(jìn)行控制的方法中，溫度和濕度設(shè)定值均為人為設(shè)置。人為設(shè)定的溫度值和濕度值缺乏理論參考依據(jù)，一般僅憑個(gè)人經(jīng)驗(yàn)設(shè)定。電站環(huán)境溫濕度一年四季都處于不斷變化中，人為設(shè)定值往往偏差較大。近年來，因溫、濕度設(shè)定值不準(zhǔn)確造成發(fā)電機(jī)因絕緣過低而導(dǎo)致啟動(dòng)失敗的事例時(shí)有發(fā)生。

再者，該控制方式?jīng)]有檢測(cè)機(jī)坑外部溫度，無法使機(jī)坑內(nèi)外保持適當(dāng)?shù)臏囟炔睿^大的溫差會(huì)使機(jī)坑內(nèi)外空氣產(chǎn)生對(duì)流將外部水蒸汽帶入機(jī)坑內(nèi)部，導(dǎo)致機(jī)坑內(nèi)部絕對(duì)濕度增加，從而增加凝露的可能性。

當(dāng)采用溫濕度控制器控制加熱器時(shí)，人工設(shè)定的溫度限值和濕度限值因沒有理論依據(jù)的支持往往配合不當(dāng)，增加了控制邏輯的復(fù)雜程度。此種控制方法不僅浪費(fèi)了能源，還沒有達(dá)到理想的控制效果。

綜上所述，目前采用的溫濕度控制方法不能對(duì)機(jī)坑溫濕度進(jìn)行科學(xué)合理的控制，已不符合現(xiàn)代發(fā)電機(jī)安全運(yùn)行的理念，機(jī)坑溫濕度控制方法急需創(chuàng)新。

3 密閉空間溫濕度變化規(guī)律

我們知道，空氣的絕對(duì)濕度是指在某一溫度下單位體積所含水蒸汽的質(zhì)量。當(dāng)空氣在某一溫度下所含水蒸汽的量達(dá)到一定程度時(shí)，就達(dá)到飽和，這時(shí)的絕對(duì)濕度即為該溫度下的絕對(duì)濕度飽和值。也可以說空氣在此溫度下相對(duì)濕度達(dá)到100%。絕對(duì)濕度飽和值只與溫度有關(guān)，不同溫度下絕對(duì)濕度飽和值如圖1中實(shí)心曲線所示。

圖1 ??

相對(duì)濕度是指在某一溫度下絕對(duì)濕度和絕對(duì)濕度飽和值的比值，是個(gè)相對(duì)量。我們用濕度傳感器監(jiān)測(cè)的濕度就是相對(duì)濕度。相對(duì)濕度越大，表征空氣中所含水蒸汽越接近飽和。

按照?qǐng)D1所示，當(dāng)溫度逐漸降低時(shí)，空氣的絕對(duì)濕度飽和值也下降，即空氣容納水蒸汽的能力變差。因絕對(duì)濕度保持不變（凝露現(xiàn)象發(fā)生前），相對(duì)濕度隨溫度下降將逐漸升高當(dāng)相對(duì)濕度升高到100%時(shí)，空氣中水蒸汽含量就會(huì)飽和。如果溫度繼續(xù)下降將會(huì)出現(xiàn)液態(tài)水蒸汽，此種現(xiàn)象就是凝露。此時(shí)對(duì)應(yīng)的溫度就是露點(diǎn)溫度。

因金屬導(dǎo)熱快的原因，金屬表面溫度要比空氣下降的要快。隨著環(huán)境溫度的持續(xù)下降，金屬表面溫度首先降低到露點(diǎn)溫度，緊接著即產(chǎn)生凝露。這也就是發(fā)電機(jī)定轉(zhuǎn)子繞組隨著機(jī)坑溫度下降產(chǎn)生凝露的根本原因。

要想避免定轉(zhuǎn)子繞組凝露，只需將機(jī)坑溫度控制在高于露點(diǎn)溫度一定范圍內(nèi)即可，而沒有必要將溫度升高很高。傳統(tǒng)的控制方法因沒有計(jì)算當(dāng)時(shí)的露點(diǎn)溫度，而是憑經(jīng)驗(yàn)一味的將溫度升高。這樣不僅浪費(fèi)能源，與節(jié)能減排理念背道而馳，還造成機(jī)坑內(nèi)溫度高于機(jī)坑外溫度，形成的空氣對(duì)流使機(jī)坑內(nèi)絕對(duì)濕度升高，出現(xiàn)露點(diǎn)溫度升高的不利局面。

4 溫濕度創(chuàng)新控制方案的提出

首先定義以下各量：

機(jī)坑內(nèi)部溫度：1

機(jī)坑外部溫度：2

機(jī)坑內(nèi)部相對(duì)濕度：R

1溫度下空氣的絕對(duì)濕度飽和值：R

1溫度下空氣相對(duì)濕度R對(duì)應(yīng)的絕對(duì)濕度：r

R×R=r

這種新型的溫濕度控制方法需要借助一套全新的溫濕度控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。該系統(tǒng)由1個(gè)可編程邏輯控制器（PLC）和2個(gè)溫度、1個(gè)濕度傳感器組成。2個(gè)溫度傳感器分別測(cè)量機(jī)坑內(nèi)外環(huán)境的溫度，濕度傳感器測(cè)量機(jī)坑內(nèi)部的相對(duì)濕度，PLC用于將圖1所示的空氣絕對(duì)濕度飽和值曲線函數(shù)化、各參數(shù)量計(jì)算以及用邏輯運(yùn)算結(jié)果控制加熱器的啟停。

方案的實(shí)現(xiàn)首先需要將絕對(duì)飽和濕度曲線函數(shù)化。PLC通過編程的方法使用專用函數(shù)模塊將絕對(duì)濕度飽和值曲線近似量化為絕對(duì)濕度飽和值函數(shù)。通過該函數(shù)反映出不同露點(diǎn)溫度與絕對(duì)濕度飽和值一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。在控制流程中可以按照露點(diǎn)溫度計(jì)算出絕對(duì)濕度飽和值，也可以按照絕對(duì)濕度飽和值計(jì)算出露點(diǎn)溫度。

加熱器控制流程為，首先按照測(cè)量得到的基坑內(nèi)部溫度T1應(yīng)用絕對(duì)濕度飽和值函數(shù)計(jì)算出該溫度下絕對(duì)濕度飽和值R，然后使用測(cè)量得到的機(jī)坑內(nèi)部相對(duì)濕度值R，根據(jù)公式R×R=r計(jì)算出當(dāng)前絕對(duì)濕度值r。假設(shè)發(fā)電機(jī)機(jī)坑為一近似密閉空間，即認(rèn)為該絕對(duì)濕度值在一段時(shí)間內(nèi)近似不變。

再將當(dāng)前絕對(duì)濕度值r假設(shè)為絕對(duì)濕度飽和值應(yīng)用絕對(duì)濕度飽和值函數(shù)得出對(duì)應(yīng)露點(diǎn)溫度。將此露點(diǎn)溫度作為機(jī)坑溫度控制主要依據(jù)，當(dāng)機(jī)坑溫度1<+△1℃時(shí)啟動(dòng)加熱器（△1為現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試值）。

為避免因機(jī)坑內(nèi)外溫度差過大引起空氣對(duì)流，要求將機(jī)坑內(nèi)溫度控制在不高于機(jī)坑外溫度△2℃范圍內(nèi)。這樣2+△2℃即為停止加熱器溫度限值（△2為現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試值）。

為了控制更加準(zhǔn)確，當(dāng)前絕對(duì)濕度值r可以在固定周期時(shí)間內(nèi)通過計(jì)算不斷更新。

上述溫濕度控制方案即為發(fā)電機(jī)機(jī)坑溫濕度創(chuàng)新控制方案。該方案完全免去人工設(shè)定溫濕度限值工作的繁瑣，避免了因經(jīng)驗(yàn)值導(dǎo)致的控制誤差，依靠真實(shí)的溫濕度變化規(guī)律作為控制理論，實(shí)現(xiàn)了機(jī)坑內(nèi)部溫濕度的精確控制，為發(fā)電機(jī)定轉(zhuǎn)子繞組絕緣提供了安全保障。

（1、加熱器控制箱；2、機(jī)坑外溫度傳感器；3、機(jī)坑內(nèi)溫度傳感器；4、機(jī)坑內(nèi)濕度傳感器；5、發(fā)電機(jī)；6、發(fā)電機(jī)機(jī)坑、7加熱器）

5 結(jié)論

本文所提出的機(jī)坑溫濕度控制方法較傳統(tǒng)控制方法具有理論上的先進(jìn)性、操作上的簡(jiǎn)易性、環(huán)保上的節(jié)能性、控制上的準(zhǔn)確性、創(chuàng)新性等優(yōu)點(diǎn)。如果本方法被大量普及應(yīng)用，將徹底解決了發(fā)電機(jī)定轉(zhuǎn)子繞組絕緣因凝露被損壞的隱患，有效保障了發(fā)電機(jī)組安全可靠運(yùn)行。

[1] 陳云生. 環(huán)境試驗(yàn)與環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備用濕度差算手冊(cè)[M]. 北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社, 2007.

Innovation of Temperature and Humidity Control in Hydro Turbine-Generator Pit

WANG Jun, XIE Zhiying

(Harbin Electric Machinery Company Limited, Harbin 150040 China)

The method of temperature and humidity control which is recently and widely used in generator pit of hydro power plant is firstly introduced in this paper, the remaining problems of this method are also analyzed. The change rule of temperature and humidity is discussed in detail on the assumption that the generator pit is considered approximately as an enclosed space. On the basis of the above discussion, a new control scheme is presented for practical application.

pit of generator; absolutehumidity; relativehumidity; saturation value of absolute humidity; dew point temperature

TK730

A

1000-3983(2014)02-0064-03

2013-03-10

王俊（1981-），2004年畢業(yè)于內(nèi)蒙古科技大學(xué)（原包頭鋼鐵學(xué)院），信息工程學(xué)院自動(dòng)化專業(yè)，現(xiàn)從事水電站系統(tǒng)集成技術(shù)工作，工程師。

審稿人：樸秀日