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摘 要：发电机定子线圈冷却水系统是一个组装式的闭式循环系统，主要的系统设备和监测仪表组装在一块底板上。系统的主要功能是采用冷却水通过定子线圈空心导线，将定子线圈损耗产生的热量带出发电机，定子线圈采用定子水冷，当出现断水保护动作时，发电机会立即跳闸，影响机组安全运行，如在运行过程中发电机出现断水情况，而断水保护未动作，那么发电机线圈温度就会上升，危及发电机安全，此时必须降低发电机负荷，尽快解列停机，这就需要对发电机断水保护动作的可靠性及保护动作设置的合理性进行分析探讨。
关键词：发电机 差压开关 断水保护 压力
中图分类号：TM7 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2013）06（b）-0101-02
我厂发电机为三相隐极式同步发电机，型号为QFSN-300-2，冷却方式为水冷加氢冷，定子线圈的冷却水通过外部进水管进入发电机励端定子机座内的环形总进水管，其中一路通过聚四氟乙烯绝缘水管流入定子线棒中的空心导线，然后从线圈的另一端（汽端）经绝缘引水管汇入环形出水管；另一路经绝缘引水管流入定子线圈主引线，出主引线后经绝缘引水管汇入安置在出现盒内的出水管，然后也经外管道汇入汽端环形出水管，双路水流最后从汽端机座上部流出发电机，经总出水管返回到水箱。发电机在断水情况下的保护设置方式：是考虑让发电机在定子线圈冷却水突然中断后暂时继续运行一个较短的时间（例如20 s），以便通过启动备用泵等措施来恢复供水，如在设定的时间内发电机的水系统不能恢复供水，发电机将立即解列跳闸停机。定子线圈水流量低和定子线圈水流量非常低报警信号表明通过定子线圈的水流量低于正常流量、或流量过低即将危及发电机定子线圈的安全。这两个信号由若干个差压开关发出。这些差压开关跨接在从定子线圈总进、出汇水管上引出的信号管上。例如我厂300 MW发电机定子冷却水保护设置如下。
当定子线圈水流量降至额定流量的80%时，将发出“定子线圈水流量低”报警信号；当定子线圈水流量进一步降至额定流量的70%时，将发出“定子线圈水流量非常低”报警信号。定冷水流量低于44 t/h时报警，低于39 t/h时保护动作。“定子线圈流量非常低”报警信号发出后延时30 s，发电机即跳闸，以保护定子线圈不应冷却水流量过低而引起烧毁事故。正常运行时定冷水流量一般为50～55 t/h。
1 分析过程
发电机定子冷却水断水保护信号是由发电机定子冷却水进出水差压开关来判断：5机定冷水压力开关采用SOR压力开关，压力开关一共有5个，其中两个压力开关输出用做报警值，另外三个则是断水保护信号输出。当差压≤68 kPa发断水保护。采用差压开关测量，三选二进行判断。该机组定冷水系统在DCS上结构简单，设备较少，且操作画面描述的非常详尽，顺控逐步描述得非常清楚。运行操作人员都是经验丰富，不会出现操作不合理的情况。
下面对两台发电机组定冷水断水保护设定参数进对比：
#5、6机断水保护对比说明：
#5机：当差压≤68 kPa发断水保护。采用差压开关测量，三选二进行判断。
#6机：当差压≤53 kPa发断水保护。采用差压开关测量，三选二进行判断。
结论表明：#5、6机断水保护差压开关的保护定值不同，主要是根据人工调节实际定冷水流量并当流量计显示为39 t/h时差压变送器测量的实际值来制定保护和报警定值。机组检修后，流量计显示流量为39 t/h时，定冷水进出口差压值每次会有所变化，因此保护定值也要求要在定冷水系统检修后重新调整。如图2。
由逻辑图可知，现场的三个差压开关，三取二就直接发发电机断水保护信号。此逻辑单一的通过定冷水进出口差压来判断发电机冷却水流量过低，这样的逻辑不够严密，且现场的差压开关可靠性还有待商榷，下面对仪表进行分析。
（1）#5机定冷水压力开关采用SOR压力开关，压力开关受压部位容易泄漏，会造成差压开关误报。
（2）经现场查看，#5机组定冷水流量测量采用的是国外某品牌涡街流量计。在机组运行过程中，会出现测量不稳定，且此流量计偶尔还会自动重启，给机组运行带来不安全因素。
#5机发电机定冷水断水保护系统用了5个差压开关，其中两个开关用做报警，三个开关三取二做断水保护动作值。现场5个开关的取样管都是取自一根总管，总管末端压力波动会造成压力开关误动；且取样管只有总管有一次门，单个差压开关没有设置二次门，不利于现场检修、实验。其定冷水入口压力变送器2、变送器3安装在汽机6 m层取样管路的高压侧管路上，与12 m层的定冷水入口压力变送器1测量存在偏差，如图3。
总体结论表明原先设计的逻辑和现场仪表的选型及安装位置均不合理，无法满足其发电机断水保护的可靠性要求。
2 方案设计
2.1 重新审批修改发电机断水保护逻辑
将涉及到保护的设备和逻辑修改为更可靠：增加两个定冷水入口压力变送器（与现有的一个入口压力变送器测点进行选中值计算），报警定值定为≤0.15 MPa，保护定值定为≤0.1 MPa（根据将#5机组定冷水流量调低到报警和保护流量值时的出口压力值确定的定值）。
逻辑改为用定冷水涡街流量计的流量信号显示低于44 t/h时发报警信号，低于39 t/h时并且定冷水入口压力≤0.1 MPa动作发断水保护信号。
2.2 更换现场不合理、不稳定的设备型号
取消断水保护及报警用的所有差压开关，采用稳定的冷却水进水压力模拟量取低限来代替原来的开关量值。增加定冷水流量计一套，在逻辑组态中采用可靠性更高的节流孔板+差压变送器测量方式所测得信号，原来的涡街流量计测量的信号只用作画面监视。
2.3 对现场仪表不合理的安装位置进行改造
安装不合格的断水保护及报警用的差压开关都取消。将#5机定冷水入口压力变送器2、变送器3（安装在汽机6 m层取样管路的高压侧管路上），移至12 m层的定冷水入口压力变送器1处，保证定冷水入口压力三个测点所得信号无测量偏差。 3 方案实施
3.1 取消原有的定冷水差压开关
拆除汽机6 m层现有定子冷却水进出口5个差压开关及其取样管路，仅保留进出口压力表和差压变送器，切除的管路做好封堵，拆除的开关接线用绝缘胶包好装入线槽。
3.2 加装节流孔板定冷水流量计
在汽机6米层定子冷却水母管上安装焊接式节流孔板一套（按厂家提供的设备安装要求施工），并敷设取样管（约16 m）及安装一、二次取样门、排污门等到差压变送器的高、低压侧取样口。差压变送器安装在靠墙边，要求制作仪表安装架（规格：长0.6m、高1m，材料：角铁），同时从现场接线柜敷设钢制电缆桥架到仪表架。
3.3 入口压力变送器移位
将两个定冷水入口压力变送器（与现有的一个入口压力变送器测点进行三选中值计算），安装在原汽机12 m层发电机旁定冷水入口压力变送器取样一次门后管路上。在汽机12 m平台发电机定子冷却水入口压力变送器旁新增加两个压力变送器，并敷设两根4×1.5的控制电缆（从#5机组电子室到压力变送器，约150 m/根），每个压力变送器加装取样门二次门，要求加宽现有仪表安装架约0.6 m如图4。
3.4 重新审批修改发电机断水保护逻辑
逻辑改为用节流孔板流量计的流量信号显示低于44 t/h时或定子冷却水定子线圈进水压力（三个压力模拟量三取中）低于0.15 MPa发报警信号；定冷水流量低于39 t/h时并且定冷水入口压力（三个压力模拟量三取中）0.1 MPa动作发断水保护信号，原来的涡街流量测量值只做监视用，不参与保护如图5。
3.5 实例效果
对策实施完成后，现在开机已经两月有余。对#5机发电机定冷水断水保护系统的现场缺陷情况统计，到目前为止，现场设备运行正常，暂时还没有发现缺陷。统计如图6。
从统计来看：经过改造后，定冷水系统可靠性显著提高，效果明显，系统缺陷数量由改造前的19次直降至0次，发电机断水保护可靠性大大提高。
3.6 发电机定冷水系统应注意的问题
某厂300 MW机组规定：当发电机定子绕组出现断水情况时，允许满载100%额定电流运行5 s，备用泵需在5 s内投入正常运行。如果备用泵在5 s内不能正常运行，发电机必须停机或者在2 min内以每分钟50%的速率将定子电流自动降低到额定电流的15%，同时定子冷却水的电导率需控制在 1.5 μs/cm以内，我厂300 MW发电机组发生断水保护到发电机跳闸只有30 s的时间。
为此定子水系统发生异常现象的，经过的水流量变小（例如断水）断水时，应通过甩负荷或跳闸办法减少负荷。视负荷大小，有时当断水时，几分钟之内绝缘便告损坏。根据我厂的实际实现减负荷，达到保护迟延时间起一台泵。如果不成功就停机组。
4 结论
通过改进发电机定冷水断水保护系统，采用了更可靠的设备，重新设计了更稳定的断水保护逻辑，消除了发电机断水保护误报的风险，减少不安全事件的发生，在机组的日常维护中，设备缺陷大幅降低，可大幅减少检修人员的劳动强度和运行人员的工作量，节省了人力成本。
参考文献
[1] QFSN及QFSN2型300～350 MW汽轮发电机》产品说明书[S].1996（2）.
[2] 浅议发电机定子线圈断水的保护[EB/OL].百度文库.
关键词：发电机 差压开关 断水保护 压力
中图分类号：TM7 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2013）06（b）-0101-02
我厂发电机为三相隐极式同步发电机，型号为QFSN-300-2，冷却方式为水冷加氢冷，定子线圈的冷却水通过外部进水管进入发电机励端定子机座内的环形总进水管，其中一路通过聚四氟乙烯绝缘水管流入定子线棒中的空心导线，然后从线圈的另一端（汽端）经绝缘引水管汇入环形出水管；另一路经绝缘引水管流入定子线圈主引线，出主引线后经绝缘引水管汇入安置在出现盒内的出水管，然后也经外管道汇入汽端环形出水管，双路水流最后从汽端机座上部流出发电机，经总出水管返回到水箱。发电机在断水情况下的保护设置方式：是考虑让发电机在定子线圈冷却水突然中断后暂时继续运行一个较短的时间（例如20 s），以便通过启动备用泵等措施来恢复供水，如在设定的时间内发电机的水系统不能恢复供水，发电机将立即解列跳闸停机。定子线圈水流量低和定子线圈水流量非常低报警信号表明通过定子线圈的水流量低于正常流量、或流量过低即将危及发电机定子线圈的安全。这两个信号由若干个差压开关发出。这些差压开关跨接在从定子线圈总进、出汇水管上引出的信号管上。例如我厂300 MW发电机定子冷却水保护设置如下。
当定子线圈水流量降至额定流量的80%时，将发出“定子线圈水流量低”报警信号；当定子线圈水流量进一步降至额定流量的70%时，将发出“定子线圈水流量非常低”报警信号。定冷水流量低于44 t/h时报警，低于39 t/h时保护动作。“定子线圈流量非常低”报警信号发出后延时30 s，发电机即跳闸，以保护定子线圈不应冷却水流量过低而引起烧毁事故。正常运行时定冷水流量一般为50～55 t/h。
1 分析过程
发电机定子冷却水断水保护信号是由发电机定子冷却水进出水差压开关来判断：5机定冷水压力开关采用SOR压力开关，压力开关一共有5个，其中两个压力开关输出用做报警值，另外三个则是断水保护信号输出。当差压≤68 kPa发断水保护。采用差压开关测量，三选二进行判断。该机组定冷水系统在DCS上结构简单，设备较少，且操作画面描述的非常详尽，顺控逐步描述得非常清楚。运行操作人员都是经验丰富，不会出现操作不合理的情况。
下面对两台发电机组定冷水断水保护设定参数进对比：
#5、6机断水保护对比说明：
#5机：当差压≤68 kPa发断水保护。采用差压开关测量，三选二进行判断。
#6机：当差压≤53 kPa发断水保护。采用差压开关测量，三选二进行判断。
结论表明：#5、6机断水保护差压开关的保护定值不同，主要是根据人工调节实际定冷水流量并当流量计显示为39 t/h时差压变送器测量的实际值来制定保护和报警定值。机组检修后，流量计显示流量为39 t/h时，定冷水进出口差压值每次会有所变化，因此保护定值也要求要在定冷水系统检修后重新调整。如图2。
由逻辑图可知，现场的三个差压开关，三取二就直接发发电机断水保护信号。此逻辑单一的通过定冷水进出口差压来判断发电机冷却水流量过低，这样的逻辑不够严密，且现场的差压开关可靠性还有待商榷，下面对仪表进行分析。
（1）#5机定冷水压力开关采用SOR压力开关，压力开关受压部位容易泄漏，会造成差压开关误报。
（2）经现场查看，#5机组定冷水流量测量采用的是国外某品牌涡街流量计。在机组运行过程中，会出现测量不稳定，且此流量计偶尔还会自动重启，给机组运行带来不安全因素。
#5机发电机定冷水断水保护系统用了5个差压开关，其中两个开关用做报警，三个开关三取二做断水保护动作值。现场5个开关的取样管都是取自一根总管，总管末端压力波动会造成压力开关误动；且取样管只有总管有一次门，单个差压开关没有设置二次门，不利于现场检修、实验。其定冷水入口压力变送器2、变送器3安装在汽机6 m层取样管路的高压侧管路上，与12 m层的定冷水入口压力变送器1测量存在偏差，如图3。
总体结论表明原先设计的逻辑和现场仪表的选型及安装位置均不合理，无法满足其发电机断水保护的可靠性要求。
2 方案设计
2.1 重新审批修改发电机断水保护逻辑
将涉及到保护的设备和逻辑修改为更可靠：增加两个定冷水入口压力变送器（与现有的一个入口压力变送器测点进行选中值计算），报警定值定为≤0.15 MPa，保护定值定为≤0.1 MPa（根据将#5机组定冷水流量调低到报警和保护流量值时的出口压力值确定的定值）。
逻辑改为用定冷水涡街流量计的流量信号显示低于44 t/h时发报警信号，低于39 t/h时并且定冷水入口压力≤0.1 MPa动作发断水保护信号。
2.2 更换现场不合理、不稳定的设备型号
取消断水保护及报警用的所有差压开关，采用稳定的冷却水进水压力模拟量取低限来代替原来的开关量值。增加定冷水流量计一套，在逻辑组态中采用可靠性更高的节流孔板+差压变送器测量方式所测得信号，原来的涡街流量计测量的信号只用作画面监视。
2.3 对现场仪表不合理的安装位置进行改造
安装不合格的断水保护及报警用的差压开关都取消。将#5机定冷水入口压力变送器2、变送器3（安装在汽机6 m层取样管路的高压侧管路上），移至12 m层的定冷水入口压力变送器1处，保证定冷水入口压力三个测点所得信号无测量偏差。 3 方案实施
3.1 取消原有的定冷水差压开关
拆除汽机6 m层现有定子冷却水进出口5个差压开关及其取样管路，仅保留进出口压力表和差压变送器，切除的管路做好封堵，拆除的开关接线用绝缘胶包好装入线槽。
3.2 加装节流孔板定冷水流量计
在汽机6米层定子冷却水母管上安装焊接式节流孔板一套（按厂家提供的设备安装要求施工），并敷设取样管（约16 m）及安装一、二次取样门、排污门等到差压变送器的高、低压侧取样口。差压变送器安装在靠墙边，要求制作仪表安装架（规格：长0.6m、高1m，材料：角铁），同时从现场接线柜敷设钢制电缆桥架到仪表架。
3.3 入口压力变送器移位
将两个定冷水入口压力变送器（与现有的一个入口压力变送器测点进行三选中值计算），安装在原汽机12 m层发电机旁定冷水入口压力变送器取样一次门后管路上。在汽机12 m平台发电机定子冷却水入口压力变送器旁新增加两个压力变送器，并敷设两根4×1.5的控制电缆（从#5机组电子室到压力变送器，约150 m/根），每个压力变送器加装取样门二次门，要求加宽现有仪表安装架约0.6 m如图4。
3.4 重新审批修改发电机断水保护逻辑
逻辑改为用节流孔板流量计的流量信号显示低于44 t/h时或定子冷却水定子线圈进水压力（三个压力模拟量三取中）低于0.15 MPa发报警信号；定冷水流量低于39 t/h时并且定冷水入口压力（三个压力模拟量三取中）0.1 MPa动作发断水保护信号，原来的涡街流量测量值只做监视用，不参与保护如图5。
3.5 实例效果
对策实施完成后，现在开机已经两月有余。对#5机发电机定冷水断水保护系统的现场缺陷情况统计，到目前为止，现场设备运行正常，暂时还没有发现缺陷。统计如图6。
从统计来看：经过改造后，定冷水系统可靠性显著提高，效果明显，系统缺陷数量由改造前的19次直降至0次，发电机断水保护可靠性大大提高。
3.6 发电机定冷水系统应注意的问题
某厂300 MW机组规定：当发电机定子绕组出现断水情况时，允许满载100%额定电流运行5 s，备用泵需在5 s内投入正常运行。如果备用泵在5 s内不能正常运行，发电机必须停机或者在2 min内以每分钟50%的速率将定子电流自动降低到额定电流的15%，同时定子冷却水的电导率需控制在 1.5 μs/cm以内，我厂300 MW发电机组发生断水保护到发电机跳闸只有30 s的时间。
为此定子水系统发生异常现象的，经过的水流量变小（例如断水）断水时，应通过甩负荷或跳闸办法减少负荷。视负荷大小，有时当断水时，几分钟之内绝缘便告损坏。根据我厂的实际实现减负荷，达到保护迟延时间起一台泵。如果不成功就停机组。
4 结论
通过改进发电机定冷水断水保护系统，采用了更可靠的设备，重新设计了更稳定的断水保护逻辑，消除了发电机断水保护误报的风险，减少不安全事件的发生，在机组的日常维护中，设备缺陷大幅降低，可大幅减少检修人员的劳动强度和运行人员的工作量，节省了人力成本。
参考文献
[1] QFSN及QFSN2型300～350 MW汽轮发电机》产品说明书[S].1996（2）.
[2] 浅议发电机定子线圈断水的保护[EB/OL].百度文库.