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水轮发电机组智能防结露系统的研究与应用

发表时间：2021/4/22 来源：《基层建设》2020年第33期作者：殷伟郭大林

[导读] 摘要：如何有效防止结露是水电站运行维护中所面临的一大问题，笔者从影响结露的因数及原因分析着手，分析破坏空气凝露露点的三种方法。

        贵州乌江水电开发有限责任公司东风发电厂贵州清镇 551408
        摘要：如何有效防止结露是水电站运行维护中所面临的一大问题，笔者从影响结露的因数及原因分析着手，分析破坏空气凝露露点的三种方法。采用逆向破坏露点温度的手段，实现“1+1>2”策略研究设计的智能温湿度控制系统，自主完成控制系统硬件和软件设计、安装、组态，建立水电厂机组温湿度极限控制系统，通过逆向破坏露点温度的方法，彻底解决一直困扰水电厂电气设备结露的重大隐患，提高设备的安全运行水平。
        关键词：水电厂；智能防结露；逆向运用破坏露点温度；自动纠偏属性；智能精准调节
        【 Abstract 】：How to effectively prevent condensation is a major problem in the operation and maintenance of hydropower stations.From the analysis of the factors and causes that affect condensation，the author analyzes three methods to destroy the air condensation dew point.Adopt the method of reversely destroying the dew point temperature to realize the intelligent temperature and humidity control system designed by the "1+1>2" strategy，independently complete the hardware and software design，installation and configuration of the control system，and establish the temperature and humidity limit control system of the hydropower plant unit.Through the method of reversely destroying the dew point temperature，the major hidden dangers that have been plagued by the condensation of electrical equipment in hydropower plants have been completely solved，and the safe operation of the equipment is improved.
        【 Key words 】：Hydropower plant intelligent anti-condensation reverse application damage dew-point temperature automatic correction property intelligent accurate regulation
        结露是自然界一种正常的物理现象，但是大量结露现象的发生对于水电站的机电设备而言是百害而无一利的［1］。地下式厂房设备表面产生结露水是因其所处环境的温度、湿度发生变化导致的。结露水不仅会使金属设备锈蚀，电气设备绝缘水平受到影响，严重时还会威胁设备安全、稳定、可靠运行。防潮防结露问题一直是大型水库水电站建设运行中伴随的技术问题［2］。因此，如何有效防止结露是水电站运行维护中必须重视的问题，研究智能温湿度控制系统防结露在水力发电企业势在必行。
        1 国内外研究的情况对比
        国内外相关文献报道内容有水电厂封闭母线防结露装置综述、灯泡贯流式机组外循环轴承油系统防结露上的应用、水轮发电机机壳防结露防腐结构及制备工艺等。例如：安居水力发电厂灯泡贯流式水轮发电机组的轴承油冷却系统采用外循环方式，分析确定了轴承润滑油系统混水原因系空气结露所致，介绍了防结露自动控制装置的工作原理及使用效果［3］。水轮发电机组智能防结露系统是一门涉及多方面理论和最新技术进展的综合性科学技术，目前还未见有直接进行智能防结露系统建设的文献报道。因此，自主研发智能温湿度控制系统及应用技术，进行温湿度控制系统的探索和实践具有十分重要的意义。
        2 影响结露的因数及原因分析
        根据物理知识，在一定的空气压力下，逐渐降低空气的温度，当空气中的所含水蒸气达到饱和状态时空气中便有水滴析出，出现结露［4］。由此可见，结露产生的因数就是设备环境中的水蒸气和温度。
        2.1 空气湿度对结露的影响
        空气的干湿程度是用单位体积的空气里含有多少水蒸气来衡量的。进入梅雨季后，降雨集中、空气湿润，使得蒸发加剧，空气湿度变大。且坝区水库水域宽阔蒸发较大、汛期泄洪雾化和梅雨季节降雨的加湿作用，是影响地下式厂房空气湿度的主要因素。根据每年空冷器结露时间上看，当汛期降雨和泄洪后，风洞内的空冷器结露骤然增多，例如：某电厂每天每个空冷器结露水量约10kg（见图1），降雨几天过后或泄洪停止后结露水量大大减少，由此可见厂房进风的空气湿度对结露产生的影响非常大。

        图1 某电厂空冷器结露示意图
        2.2 温度对结露的影响
        设备运行环境温度、冷却介质温度和环境的温差是影响设备结露的主要因素。当水轮发电机冷却器的进水温度和发电机热风的温差达到某个值时，冷却器就会结露。通过现场监测某电厂#2机运行时热风温度、湿度、冷却水温度，发现发电机运行时空冷器的热风温度平均为45℃左右，进水温度为18.5℃，温差为26.5℃。另外，发电机热风通过风道进入冷却器后温度与热空气的露点温度差直接决定着结露是否发生。而露点温度是不饱和湿空气变化为饱和状态时的温度，在同一大气压下其值与发电机热风温度和其相对湿度有对应关系。
        3 结露的理论计算分析
        根据经典公式计算环境露点温度，计算原则如下：
        3.1 水（冰）表面的饱和水蒸汽压可采用下式计算：

        式中 E0——空气温度为0℃时的饱和水蒸汽压，取E0=6.11 hPa，b——参数，对于水面（t>0℃），a=7.5，b=237.3；对于冰面（t≤0℃），a=9.5，b=265.5。
        在空气相对湿度f下，空气的水蒸汽压可按下式计算：e=f×Es
        式中e ——空气的水蒸汽压（hPa）
        f ——空气的相对湿度（％）

Es ——空气的饱和水蒸汽压（hPa）。
        3.2 空气的露点温度可按下式计算：            （1）
        式中Td——空气的露点温度（℃）
        根据公式（1）计算某电厂发电机热风的露点温度均高于冷却水进水平均温度（18.5℃），因此发电机空冷器必然会结露。
        4 温湿度控制防结露解决方案研究与分析
        控制温湿度防止发电机空冷器结露就是要破坏空气凝露露点，破坏空气凝露露点的方法主要有局部空间降低绝对湿度、全厂大范围内降低相对湿度和发电机自主调温避露点三种方法。
        局部空间降低绝对湿度就是在发电机密闭双路自循环空间内设计安装工业除湿系统，降低局部空间内绝对湿度到达防结露的作用。其工作原理（见图2）是由风机将需要处理的空气抽入机内，通过热交换器，使湿空气中的水份冷凝成水滴，聚集到盛水器中由排出水管排出，而干燥的空气通过排风机排出机外，如此不断循环使室内空气得到干燥。但由于露点问题无法将环境湿度降得很低，湿度普遍可以降至40%。极限可以降至30%左右，但需要配置较大功率的设备使用于较小的空间，而且对温度要求较高，温度越低，相对湿度会越高。

图2 局部空间降低绝对湿度工作原理图
全厂大范围内降低相对湿度就是在厂房进风口处安装转轮除湿机（见图3）降低进入生产区域空气中的含水量，从而达到除湿防结露的效果。

        图3 转轮除湿机工作原理图
        其工作原理是利用水库深水区低温水对进入生产区的空气进行初级降温除湿，然后由转轮吸附二次除湿，使空气的露点温度接近或低于物体表面温度，从而从根本上消除冷凝和结露，使设备长期在干燥的环境中运行。由于具有此特性的转轮是旋转的，除湿和再生是连续循环进行的，因此可以保持出口空气的露点稳定。但前期投资大，不能实时监控厂房环境参数，需专门配置专用低压配电设备，且能耗较高。
        发电机自主调温避露点是提高设备运行环境局部空间的温度实现的，使单位体积内空气能含有更多的水，从而防止空气中的水汽在设备中冷凝而导致设备故障。当前，多数水轮发电机组空冷器进水阀均是采用人工手动调节模式，在调节过程中，由于温度反应具有滞后性以及并联运行的空冷器相互之间的影响，致使调节过程长，调节不精准，操作效率低，在人工调节过程中不仅会给运行人员带来不便，还会影响机组的安全稳定运行。如何实现空冷器冷却水精准自动调控，必须选择具有线性调节的电动设备并采用一定的控制策略对其进行控制，这不仅实现可以冷却水精准自动调控，同时还能够达到水电厂节能降耗的要求。因此，根据机组运行工况，通过精准调控空冷器进水调节阀开度，使得发电机冷风温度到达预期的目标值，最终实现水轮发电机组自主升温除湿防结露。虽然可有效控制空冷器结露，但不能彻底解决结露问题，还需适当加入其它辅助设备降低发电机局部空间内绝对湿度才能彻底解决防结露问题。
        综上所述，单一温湿度控制防结露方法的投入使用对于解决结露问题效果并不理想，需要将多种方法有机结合起来，自主设计一套符合实际情况需求的温湿度智能控制防结露系统，通过智能优化控制以达到彻底解决发电机空冷器结露问题。因此，可采用发电机自主调温避露点为主局部空间降低绝对湿度为辅两者相结合的方式来作为发电机组温湿度控制防结露的解决方案，实现“1+1>2”最佳温湿度控制防结露系统。
        5 温湿度智能控制防结露系统研究与开发
        露点温度通常是用于查看气体的干燥状态，研究发现绝对湿度的小量变化也将引起露点温度的巨大变化，因此在厂房湿度较大的区域可采用逆向运用破坏露点温度的手段、自动纠偏属性的智能精准调节特殊设计的智能温湿度控制系统，来降低环境的绝对湿度，破坏露点温度。包括控制系统硬件和软件设计、安装、组态。
        5.1 机组温湿度极限控制模型建立
        根据极限控制方法，建立自校正控制策略控制系统（见图4），通过选择合适的传感器测出机组运行环境相关参数、机组冷热风温度、冷却水温和露点值，找到机组运行状态与露点的变化规律，研究并建立水电厂机组温湿度极限控制下的模型。装置采用先进的环境温湿度测控技术对环境实时监测、同步记录，通过科学合理的运算，设计出最优控制理论，构建出最佳控制模型。通过合理搭建硬件平台将影响机组智能温湿度控制系统相关的开关量、模拟量集中采集、经过智能温湿度控制系统数据处理智能判断后，控制机组冷却水系统运行方式和改变机组运行环境绝对湿度从而破坏凝露点，彻底解决机组的结露问题。

图4 自校正控制策略控制系统［5］
整个硬件部分（见图5）的设计主要包括传感器检测模块、控制模块、偏差执行机构。系统上电工作时，温湿度检测模块对当前环境中的温湿度进行采集，数据采集模块测得环境的温湿度参数之后，将数据传输至PLC，PLC根据接收到的温湿度数据与预设值进行判断，若现场检测得到的温湿度参数处于系统的要求之内，则返回温湿度检测模块继续下一个周期的检测，若检测到当前环境中的温湿度超出预设值，则根据事先设定好的控制方式来启动相应的设备对环境中的温湿度进行调控，直到现场环境中的温湿度到达预设目标值。

        图5 温湿度智能控制防结露系统硬件部分结构示意图
        5.2 温湿度智能控制防结露系统的控制策略
        5.2.1 水轮发电机组安全运行下的极限温度逻辑判断策略
        在水轮发电机组温湿度智能控制防结露系统设计中，建立水轮发电机组安全运行下的极限温度逻辑判断策略（见图6）尤为重要，为保证其安全性，通过温度数据采集模块（collector模块）和高低限值模块（limit模块）作用后，产生最终的冷却水流量参考指令送入智能控制中心。

        图6 极限温度逻辑判断策略［6］
        5.2.2 防止水轮机组空气冷却器结露的智能温度控制策略
        对于水轮机组空气冷却器来说，要防止结露较为理想的办法就是使空气冷却器管壁温度高于环境露点温度。在本系统设计中，环境露点温度是由露点传感器 DMT143L（见图7）来进行测量的，根据其露点值和空气冷却器管壁温度来进行比较，以此来控制除湿系统的启停及空冷器进水节流阀的开度，达到智能温度控制防结露的目的。

        图7 露点传感器安装示意图
        5.3 温湿度智能控制防结露系统软件设计
        研究温湿度智能控制防结露系统监控软件采用结露数据检测处理总体方案＋数据数学处理建模 + 仿真测试 + 模拟验证的软件开发研究步骤，其控制程序流程图见图8所示。

        图8 控制程序流程图
        对于温湿度智能控制防结露系统监控软件设计，首先根据收集温湿度智能控制防结露特征信号，确定需要检测的物理量，如露点、温度、湿度、负荷等模拟信号；然后根据待检测的物理量，确定信号的采集方式、信号精度要求、涉及到的辅助传感器等设备的技术特性及参数型号、接入方法；最后，从整体角度出发设计温湿度智能控制器，并对各部分的功能进行调试以满足现场运行的要求。在此基础上，结合编程软件、硬件电路的接线方式，设计出温湿度智能控制器的总体框架，并进一步对各部分的功能进行细化，给出具体各个模块的诊断方案以及基本思想。最后，协调各部分与整体之间的逻辑关系，形成温湿度智能控制防结露系统监控算法的总体设计方案。
        最终实现的水电厂温湿度智能控制防结露监控系统，由安装在现场的智能监测设备和安装在后台的智能监测及预判分析系统软件两部分组成。
        6 结束语
        采用发电机自主调温避露点为主局部空间降低绝对湿度为辅两者相结合的方式来作为发电机组温湿度控制防结露的解决方案，冷却水系统由原来的全流量，到方案实施后变为根据机组运行工况所需最优流量，不仅节能降耗同时还能创造收益，实现了“1+1>2”策略研究。通过建立自校正控制模型实现自动纠偏，实时数据反馈，实现了与远程通讯终端的数据交换，通过与目标值比较进行精确的监控和实时纠偏，提高了智能化精准调节。
        参考文献：
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        [3]王启彦.灯泡贯流式机组外循环轴承油系统防结露措施[J].小水电，2005，第一期，49。
        [4]张志富，希爽.关于露点温度计算的探讨[J].干旱区研究，2011，第2期 28卷，275。
        [5]穆小红.水轮发电机空气冷却器温度调控系统改造设计[D].长春：长春工程学院，2015：11。
        [6]穆小红.水轮发电机空气冷却器温度调控系统改造设计[D].长春：长春工程学院，2015：6。
        作者简介：
        殷伟（1985——），男，贵州黔西人，工程师，从事水电厂检修、维护、运行管理工作.