CN100521454C - 发电机定子的蒸发冷却系统监测及保护控制装置 - Google Patents

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Abstract

发电机定子的蒸发冷却系统监测及保护控制装置，包括将电机定子发热体与冷却介质直接接触的蒸发冷却室，冷凝器，二次冷却水流量、压力检测单元，气体排放单元和报警系统。当二次冷却水流量小于设定值或断水，CPU单元(20)发出信号给报警器(25)，控制调节阀(22)调节水流量；当压力值大于设定值1时，CPU单元(20)发出信号给报警器(25)，当压力值大于设定值2时，CPU单元(20)发出信号给开关控制(23)控制气体释放阀门(6)，将气体放至气体排放室(7)；本发明避免了因系统压力过高或冷却水不足而影响冷却系统正常运行，极大地提高了运行可靠性。

Description

发电机定子的蒸发冷却系统监测及保护控制装置
技术领域
本发明涉及卧式和立式发电机定子的蒸发冷却系统监测及保护控制装置。
背景技术
现有技术的电机定子的蒸发冷却技术，是把电机定子的发热部件浸泡在液体冷却介质中，或把液体冷却介质灌入电机定子绕组的空心导体腔内，利用液体冷却介质汽化吸热的原理来冷却电机定子。
在电机定子蒸发冷却系统监测及保护控制装置中，冷凝器是带走电机定子发热部件，包括发电机定子绕组、铁心、及其固定部件等产生的热量，使电机温度保持在设计限度的主要热交换器。由于冷凝器与电机定子带电发热体所在的蒸发空间是直接连通的，若蒸发冷却密闭空间压力过高，二次冷却水断水流量过小，会引起整个系统压力过高，直接影响冷凝器热交换效率，同时会带来安全隐患。为了完善蒸发冷却系统，实现电站自动化管理，有必要研制开发监测及保护控制装置并配备相关的元器件，保证系统安全可靠地运行。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的缺点，提供一种卧式和立式发电机定子蒸发冷却系统监测及保护控制装置，本发明对发电机定子蒸发冷却系统进行压力、二次冷却水流量的监测和控制，并且可以进行压力报警、断水报警，压力过高时气体释放处理，使系统安全可靠地运行。
本发明是一个内部充有冷却介质的全封闭系统。包括对电机定子发热体实施冷却的蒸发冷却室，一台或多台与冷却介质蒸汽进行热交换的冷凝器，流通二次冷却水的冷却水管。蒸发冷却室的上部是蒸发空间，下部注入高绝缘并具有合适沸点的液体冷却介质。冷凝器装在蒸发冷却室的上方。冷凝器的主体为与冷却介质蒸汽进行热交换的冷凝容器，冷却水管装在冷凝容器中。冷却水管的出水端和进水端从冷凝器中引出。冷凝器的上部是冷凝空间。冷凝器上安装有压力检测单元，压力释放单元，用于监控和调节冷凝器冷凝空间的压力。压力检测和释放单元包括压力传感器、压力表和气体释放阀门及气体排放室，压力传感器、压力表和气体释放阀门及气体排放室装在冷凝器顶部。冷却水管装有二次冷却水流量检测和控制单元，二次冷却水流量检测和控制单元包括流量传感器或流量检测仪，以及调节阀，流量传感器或流量检测仪，以及调节阀连接在冷却水管的出水端或进水端。二次冷却水流量检测和控制单元或采用其他流量检测仪，如超声波流量检测仪，用于监控和调节二次水流量。
本发明蒸发冷却系统运行时，浸泡在蒸发冷却室中的电机定子带电部分因损耗发热，使液态冷却介质蒸发为气体，在相变过程中吸收热量，冷却介质蒸汽进入冷凝器与流通二次冷却水的冷却管道进行热交换、冷凝成液体回流入蒸发冷却室。
本发明运行时，冷却液在系统中密闭循环与冷凝器密封金属管束中流动的二次冷却水进行完全热交换。冷凝器空间蒸汽压力直接决定了定子冷却系统的平均温度，主要是因为冷却液的沸腾温度和蒸汽压力有一定的对应关系。而冷凝器冷凝空间蒸汽压力与电机定子损耗发热量和冷却水流量有关，电机定子发热量越大，冷却水流量越小，冷凝空间蒸汽压力就越高，另外，当长期停机或低负荷运行时可能会有少量空气渗入系统，使冷凝器的效率下降，表现形式为压力比设计值偏高，使运行温度也偏高。为保证正常运行，二次冷却水必须充足，系统压力不能过高。为此本发明提供了二次冷却水流量、压力检测、气体释放单元及报警功能，控制器将信号采集并处理，控制气体释放单元和报警。控制器由现地控制单元和远程计算机监控系统组成，现地控制单元为各种数据采集控制设备，如各种RTU、FTU、PLC及各种智能控制设备等等，本发明中现地控制单元采用可编程控制器PLC系统，其包括有CPU单元、模拟量检测模块，数据采集器、通讯模块等组成，硬件设备采用市场通用的PLC产品，如西门子的PLC、罗克韦尔PLC产品等，CPU单元控制模拟量检测模块，数据采集器、通讯模块等，压力、流量等传感器接至输入模块，PLC系统进行数据采集，并显示在显示面板上，同时可以和上微机进行通讯，上位机软件采用组态软件如WINCC、ifix等进行编程，人机界面(HMI)为整个模型的工作过程仿真图像，在界面上可应用鼠标控制整个系统的数据处理、显示、打印、控制阀门开关等。
采用本发明的卧式和立式发电机定子绕组蒸发冷却系统监控及保护装置，具有与水冷机组一样的冷却效果好的优点，而由于蒸发冷却系统内的冷却介质具有高绝缘性能，又避免了水冷机组那种因定子绕组水泄漏发生短路事故的危险。从而极大地提高了运行可靠性。并且绕组的温升近似恒定，减小了绕组铜导体和绝缘之间的热应力，有利于提高电机绕组的使用寿命。另外采用电机绕组蒸发冷却不需要水内冷机组运行所需的水处理和循环泵设备，节省了投资和运行费用，简化了运行管理。
此外，本发明提供的二次冷却水流量检测确保本装置安全可靠地运行，当冷凝器中的二次冷却水断水或小于设定值时，控制器将给出报警信号，控制调节阀调节水流量。
本发明蒸发冷却系统监测及保护装置中冷凝器因漏入空气会导致冷凝器压力升高，影响冷却效果，当系统压力过高，控制器发出报警信号，达到设定值时，控制器控制气体释放单元工作，使系统压力降低，冷凝器恢复到正常工作压力，由此可见，本发明的蒸发冷却装置提高了安全可靠性。
附图说明
图1a、b是本发明的示意图，其中图1a是立式发电机定子蒸发冷却系统监测及保护装置控制器的具体实施方式的示意图，图1b是卧式发电机定子蒸发冷却系统监测及保护装置控制器示意图；图中：1 蒸发冷却室，2 液体冷却介质，3 蒸发空间，4 冷却水管，5 冷凝器，6 气体释放阀，7 气体排放室，8 压力传感器，9 压力表，10 流量传感器，11 调节阀，19 空心线棒，13 绝缘引管，15 电机定子发热部件，16 冷凝空间，17 控制器。
图2是本发明的监测及保护装置控制器结构图。图中：20 CPU单元、21 模拟量检测模块、23 继电器控制开关、24 数据采集器、25 报警器，26 显示面板，27 计算机、28 显示器，29打印机、30 蒸发冷却系统、31 电机定子。
图3a、b、c、d、e为本发明PLC系统程序框图。
具体实施方式
图1a、b是本发明实施例的示意图，其中图1a是立式发电机定子蒸发冷却系统监测及保护装置控制器的具体实施方式的示意图，图1b是卧式发电机定子蒸发冷却系统监测及保护装置控制器示意图。如图1a所示，本发明电机定子发热部件15内部为空心，液体冷却介质2在空心线棒19中。亦可以如图1b所示，发电机定子发热部件15浸泡在蒸发冷却室1下部的液体冷却介质2中。蒸发冷却室1的上部是蒸发空间3。位于蒸发冷却室1上方的冷凝器5与蒸发冷却室1直接连接，如图1b。或采用绝缘引管13连接如图1a。冷凝器的冷凝空间16中装有冷却水管4，冷却水管4进水端或出水端接有流量传感器10和调节阀11，冷却水管4中流通二次冷却水。冷凝器5的顶部装有压力表9，压力传感器8、气体释放阀6和气体排放室7。流量传感器10和压力传感器8信号线以及气体释放阀6和调节阀11控制线接至控制器17。
图2是本发明监测及保护装置控制器17的实施例原理框图。控制器17由PLC系统和计算机系统组成，PLC系统是模块化组成结构，包括CPU单元20、模拟量检测模块21、调节阀11、继电器控制开关23、数据采集器24、报警器25，显示面板26。计算机系统包括计算机27、显示器28，打印机29。PLC系统主要采用西门子生产的PLC S7-200系列产品，CPU单元20型号224，模拟量检测模块21采用EM231，压力传感器采用北京赛亿凌科公司STP04G3A0型号，压力范围为-0.06到+0.1MPa，流量传感器为宝德公司8030型，液位计采用香港虹润公司生产的磁翻排式HR-R0产品，有两路报警开关量输出。蒸发冷却系统31中的压力传感器8、流量传感器10连接至模拟量检测模块21的接线端子上，模拟量检测模块21连接到CPU单元20上，电机定子31的线棒上埋有许多温度传感器，例如热电偶温度传感器，温度传感器信号连接至数据采集器24的接线端子上，数据采集器24将信号处理后送给CPU单元20或计算机27，CPU单元20将压力、流量测量值显示在显示面板26上。报警器25为一组蜂鸣器，通过连线接至CPU单元20上的一组继电器控制开关23，CPU单元20发信号给继电器控制开关23，控制蜂鸣器报警。调节阀11与CPU单元20直接通过电线连接，CPU单元20发出脉冲信号控制调节阀11。
PLC系统程序在西门子的setp7编程环境下编写，PLC系统程序流程图如图3所示，PLC系统主程序如图3a所示，包括上电系统硬件自动诊断子程序，流量检测子程序、压力检测子程序、温度检测子程序、液位检测子程序、显示子程序、与上位机通讯子程序。
图3e所示为流量检测子程序。步骤1流量子程序开始，步骤2CPU单元20从流量测量端寄存器读入流量数值，步骤3计算输入数据，转换单位为升/分钟，步骤4调显示子程序，将数值显示在显示面板上，步骤5当二次水流量小于设定值1，CPU单元20控制继电器发出信号给报警器25，CPU单元20控制调节阀11调节水流量，步骤6当二次水流量小于设定值2时，CPU单元20控制继电器发出信号断水报警，步骤7该子程序结束。压力检测子程序如图3b所示，步骤1压力子程序开始，步骤2CPU单元20从压力测量端寄存器读入压力数值，步骤3计算输入数据，转换单位为兆帕，步骤4调显示子程序，将数值显示在显示面板上，步骤5当压力值大于设定值1时，CPU单元20控制继电器发出信号给报警器25，步骤6当压力值大于设定值2时，CPU单元20控制气体释放阀门6，将气体放至气体排放室7；步骤7该子程序结束。
温度检测子程序如图3d所示，步骤1温度子程序开始，步骤2设置总检测通道数，步骤3CPU单元20从温度测量端寄存器读入温度数值，步骤4计算输入数据，转换单位为摄氏度，步骤5调显示子程序，将数值显示在显示面板上，步骤6当温度值大于设定值1时，CPU单元20发出信号给报警器25；步骤7所有通道是否检测完成，若没有，返回到步骤3重复进行，若完成所有检测，执行步骤8该子程序结束。液位检测子程序如图3c，步骤1液位子程序开始，步骤2CPU单元20从液位测量端寄存器读入液位数值，步骤3当液位值大于设定值1时，CPU单元20控制继电器发出信号给报警器25，步骤4当液位值大于设定值2时，CPU单元20控制继电器发出最低液位信号给报警器25。步骤7该子程序结束。
CPU单元20将压力、流量和液位测量值上传给上位机计算机27，计算机27中装有西门子公司的WINCC工业组态软件，WINCC软件内置了scada功能，用WINCC的图形设计器生成可视化和可操作的图1中所示的图形作为人机界面显示在显示器28上，并且监视工作过程，可以控制各信号的数值显示、报警、控制、打印及文档处理等。

Claims (3)

1、一种发电机定子的蒸发冷却系统监测及保护控制装置，包括装有冷却介质及电机定子发热体与冷却介质接触的蒸发冷却室(1)，安装在蒸发冷却室上的冷凝器(5)，装在冷凝器(5)中的二次冷却水管(4)，其特征是：冷凝器(5)上安装有压力检测和释放单元，压力检测和释放单元包括压力传感器(8)、压力表(9)和气体释放阀门(6)及气体排放室(7)；压力传感器(8)、压力表(9)和气体释放阀门(6)及气体排放室(7)装在冷凝器(5)顶部；二次冷却水管(4)管路上装有二次冷却水流量检测和控制单元，二次冷却水流量检测和控制单元包括流量传感器(10)和调节阀(11)或流量检测仪和调节阀(11)，流量传感器(10)或流量检测仪、以及调节阀(11)连接在二次冷却水管(4)的出水端或进水端；电机定子(31)的线棒上埋有温度传感器；温度传感器、流量检测仪或流量传感器(10)和压力传感器(8)的信号线以及气体释放阀门(6)和调节阀(11)的控制线接至控制器(17)。
2、根据权利要求1所述的发电机定子的蒸发冷却系统监测及保护控制装置，其特征是：所述的控制器(17)由现地控制单元和远程计算机系统构成，现地控制单元包括CPU单元(20)、模拟量检测模块(21)、继电器控制开关(23)、数据采集器(24)、报警器(25)和显示面板(26)；压力传感器(8)和流量传感器(10)信号线连接至模拟量检测模块(21)的接线端子上，模拟量检测模块(21)连接到CPU单元(20)上，电机定子上温度传感器信号连接至数据采集器(24)；数据采集器(24)将信号处理后送给CPU单元(20)或远程计算机系统中的计算机(27)，CPU单元(20)将压力、流量和液位测量值显示在显示面板(26)上；报警器(25)为一组蜂鸣器，报警器(25)接至CPU单元(20)上的一组继电器控制开关(23)，CPU单元(20)发信号给继电器控制开关(23)，控制蜂鸣器报警；调节阀(11)与CPU单元(20)通过电线连接，CPU单元(20)发出脉冲信号控制调节阀(11)；当二次冷却水流量小于设定值或断水，CPU单元(20)发出信号给报警器(25)，控制调节阀(11)调节水流量；当压力值大于设定值1时，CPU单元(20)发出信号给报警器(25)，当压力值大于设定值2时，CPU单元(20)发出信号给继电器控制开关(23)控制气体释放阀门(6)，将气体放至气体排放室(7)。
3、根据权利要求1或2所述的发电机定子的蒸发冷却系统监测及保护控制装置，其特征是；所述的控制器(17)的PLC系统执行以下步骤：
(1)流量检测：步骤1流量子程序开始，步骤2CPU单元20从流量测量端寄存器读入流量数值，步骤3计算输入数据，转换单位为升/分钟，步骤4调显示子程序，将数值显示在显示面板上，步骤5当二次冷却水流量小于设定值1，CPU单元(20)控制继电器控制开关(23)发出信号给报警器(25)，CPU单元(20)控制调节阀(11)调节水流量，步骤6当二次冷却水流量小于设定值2时，CPU单元(20)控制继电器控制开关(23)发出断水报警信号至报警器(25)，步骤7该子程序结束；
(2)压力检测：步骤1压力子程序开始，步骤2CPU单元(20)从压力测量端寄存器读入压力数值，步骤3计算输入数据，转换单位为兆帕，步骤4调显示子程序，将数值显示在显示面板上，步骤5当压力值大于设定值1时，CPU单元(20)控制继电器控制开关(23)发出压力报警信号至报警器(25)，步骤6当压力值大于设定值2时，CPU单元(20)控制气体释放阀门(6)，将气体放至气体排放室(7)；步骤7该子程序结束；
(3)温度检测：步骤1温度子程序开始，步骤2设置总检测通道数，步骤3CPU单元(20)从温度测量端寄存器读入温度数值，步骤4计算输入数据，转换单位为摄氏度，步骤5调显示子程序，将数值显示在显示面板上，步骤6当温度值大于设定值1时，CPU单元(20)发出温度报警信号至报警器(25)；步骤7所有通道是否检测完成，若没有，返回到步骤3重复进行，若完成所有检测，执行步骤8该子程序结束；
(4)液位检测：步骤1液位子程序开始，步骤2CPU单元(20)从液位测量端寄存器读入液位数值，步骤3当液位值大于设定值1时，CPU单元(20)控制继电器控制开关(23)发出信号给报警器(25)，步骤4当液位值大于设定值2时，CPU单元(20)控制继电器控制开关(23)发出最低液位报警信号给报警器(25)；步骤5该子程序结束。
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