冷明全，張彬

(廣州高瀾節(jié)能技術(shù)股份有限公司，廣東 廣州 510663)

0 引言

由于發(fā)電機組變流器中的大功率電器元件在工作時會產(chǎn)生大量熱量，需要及時對其進行熱交換冷卻，以保證設(shè)備的可靠性。因此，散熱能力決定發(fā)電能力，配套穩(wěn)定、可靠及安全的冷卻系統(tǒng)，是該裝置穩(wěn)定運行的基礎(chǔ)。

本文對1．5MW系列風(fēng)力發(fā)電機組水冷系統(tǒng)反饋頻率較高、影響較大的若干故障進行分析并提出設(shè)備優(yōu)化建議，以保證水冷系統(tǒng)運行于良好狀態(tài)，保障發(fā)電機組的安全、穩(wěn)定運行。

1 水冷系統(tǒng)工作原理

恒定壓力和流速的冷卻介質(zhì)源源不斷地流經(jīng)變流器帶走熱量，溫升介質(zhì)由高壓循環(huán)泵的進口經(jīng)室外空氣散熱器與冷空氣進行熱交換，空氣散熱器將冷卻介質(zhì)帶出的熱量交換出去，散熱后冷卻介質(zhì)再循環(huán)進入變流器。在水冷系統(tǒng)柜內(nèi)管路和柜外管路之間設(shè)置電動三通閥，主控系統(tǒng)根據(jù)當前冷卻水溫度值自動控制電動三通閥閥位，從而調(diào)節(jié)循環(huán)冷卻水進入空氣散熱器進行換熱的流量，實現(xiàn)精確調(diào)節(jié)溫度的功能，通過電加熱器對冷卻水溫度進行強制補償［1－3］。

在主循環(huán)泵入口加有壓縮空氣穩(wěn)壓單元，該穩(wěn)壓單元由膨脹罐、氣泵及電磁閥等組成，可以保持系統(tǒng)恒壓并能吸收系統(tǒng)中冷卻介質(zhì)的體積變化，從而保證整個系統(tǒng)的正常運行。膨脹罐的底部充有穩(wěn)定壓力的壓縮空氣，當系統(tǒng)壓力損失時，壓縮空氣自動擴張，把冷卻水壓入循環(huán)管路系統(tǒng)，以保持管路的壓力恒定和冷卻水充滿。當系統(tǒng)壓力小于設(shè)定壓力時，氣泵自動進行補氣增壓來補償壓力的損失;當壓力較高時，由電磁閥排放由于溫度變化而產(chǎn)生的多余氣體［4－7］。

2 故障分析

圖1 隔膜式膨脹罐及其隔膜

反饋頻率較高、影響較大的水冷系統(tǒng)故障有電加熱器燒壞、系統(tǒng)壓力報警、氣囊破裂及電控邏輯異常。

2．1 電加熱器燒壞分析

為防止電加熱器在加熱罐體內(nèi)無水或水不流動的情況下啟動而干燒損壞，在電加熱器罐上設(shè)有軟管連至膨脹罐，頂端安裝有自動排氣閥，在水泵運行過程中，加熱器不會燒壞。為判斷電加熱器在缺水嚴重或水泵停運時是否繼續(xù)運行，需將電加熱器啟動與主泵運行狀態(tài)及壓力關(guān)聯(lián)，壓力低及水泵停運時，電加熱器停止運行，主泵運行及不報出閥壓力低時電加熱器才投運。

2．2 系統(tǒng)壓力報警、氣囊破裂分析

2．2．1 穩(wěn)壓單元介紹

1．5MW系列風(fēng)力發(fā)電機組水冷系統(tǒng)穩(wěn)壓單元由膨脹罐、氣泵及電磁閥等組成，采用氣囊式膨脹罐。膨脹罐也叫氣壓罐、壓力罐、緩沖罐等，膨脹罐的結(jié)構(gòu)可分為隔膜式和氣囊式2種，如圖1、圖2所示。

圖2 氣囊式膨脹罐及其氣囊

膨脹罐的工作原理:由其結(jié)構(gòu)可知，當膨脹罐用于系統(tǒng)中時，由于系統(tǒng)壓力比預(yù)充氣體的壓力大，所以會有一部分工作介質(zhì)進入氣囊內(nèi)(對隔膜式膨脹罐來講是進入罐體內(nèi))，直到達到新的平衡。當系統(tǒng)壓力再度升高且系統(tǒng)壓力再次大于預(yù)充氣體的壓力時，又會有一部分介質(zhì)進入囊內(nèi)，壓縮囊和罐體間的氣體被壓縮后壓力升高，當升高到與系統(tǒng)壓力一致時，介質(zhì)停止進入;反之，當系統(tǒng)壓力下降，系統(tǒng)內(nèi)介質(zhì)壓力低于囊和罐體間的氣體壓力時，氣囊內(nèi)的水會被氣體擠出補充到系統(tǒng)內(nèi)，使系統(tǒng)壓力升高，直到系統(tǒng)工作介質(zhì)壓力與囊和罐體間的氣體壓力相等，維持動態(tài)的平衡。

膨脹罐的主要作用:膨脹罐被廣泛地應(yīng)用于中央空調(diào)、鍋爐、熱水器、變頻及恒壓供水設(shè)備中，能夠緩沖系統(tǒng)壓力波動，消除水錘，起到穩(wěn)壓卸荷的作用;在系統(tǒng)內(nèi)水壓發(fā)生輕微變化時，膨脹罐氣囊的自動膨脹收縮會對水壓的變化有一定緩沖作用，能保證系統(tǒng)的水壓穩(wěn)定，水泵不會因壓力的改變而頻繁開啟。

1．5MW系列風(fēng)力發(fā)電機組水冷系統(tǒng)膨脹罐內(nèi)腔頂部裝有氣囊，通過頂部軟管與循環(huán)冷卻管路連接，內(nèi)腔底部連接補氣泵和排氣閥。氣囊儲液用于補償正常運行時少量滲漏和電解揮發(fā)的水，氣囊占膨脹罐內(nèi)腔容積的1/2～3/4，氣囊外的罐內(nèi)腔空間填充壓縮空氣，膨脹罐內(nèi)氣、水不直接接觸，通過氣囊的膨脹和收縮來傳遞壓力。當水冷系統(tǒng)運行溫度上升時，冷卻液受熱體積膨脹，氣囊被囊內(nèi)水充滿而膨脹，當進、出閥壓力上升至排氣電磁閥開啟壓力定值時，排氣電磁閥啟動，降低膨脹罐氣壓，使水冷管路的水流入氣囊內(nèi)，保持系統(tǒng)運行壓力處于正常范圍，不產(chǎn)生壓力高報警;當水冷系統(tǒng)運行溫度下降時，冷卻液遇冷體積收縮，氣囊被囊外的氣體壓縮，當進、出閥壓力下降至空氣壓縮泵開啟壓力定值時，空氣壓縮泵啟動補氣，提升膨脹罐氣壓，將氣囊內(nèi)的水壓入水冷管路，保持系統(tǒng)運行壓力處于正常范圍，不產(chǎn)生壓力報警。

水冷系統(tǒng)依靠壓力來判斷系統(tǒng)內(nèi)的水是否充滿:當進閥壓力降至補氣泵啟動壓力時，補氣泵啟動進行補氣，將儲存于膨脹罐氣囊內(nèi)的水壓縮進水冷系統(tǒng)內(nèi)，對系統(tǒng)正常運行時微量滲漏和電解揮發(fā)的水進行補償，保持水冷系統(tǒng)水的充滿及運行壓力要求;當進閥壓力降至補氣泵啟動壓力時，補氣泵啟動進行補氣，將氣囊內(nèi)儲水壓縮至水冷系統(tǒng)內(nèi)，但系統(tǒng)內(nèi)水仍不能完全充滿，補氣泵持續(xù)補氣已不起作用，不能補償系統(tǒng)水量和提高系統(tǒng)壓力，同時還會導(dǎo)致氣囊被完全壓縮而損壞及補氣泵過載運行而燒壞。

2．2．2 故障分析

對已破裂氣囊進行檢查分析(如圖3所示)，氣囊破裂點都在離氣囊口4～5 cm處，裂口長度均為8 mm左右，破裂特征相似，判斷氣囊可能是由同一個原因引起破裂的。如圖4所示，氣囊破裂點內(nèi)表面的共同點是破裂點的四周均有環(huán)形壓痕，而內(nèi)表面離氣囊口距離超過8 cm的地方?jīng)]有類似環(huán)形壓痕。

結(jié)合環(huán)形壓痕和膨脹罐結(jié)構(gòu)，初步判斷可能是在水冷系統(tǒng)補氣時，氣囊被壓縮至膨脹罐進水孔，進一步壓縮而導(dǎo)致氣囊破裂。

模擬水冷系統(tǒng)補氣時的狀態(tài)，氣囊被空氣壓縮在法蘭部件進水孔區(qū)域(如圖5所示)，氣囊在孔口處受壓后就會在內(nèi)表面留下環(huán)形痕跡，隨著氣壓的升高就會使氣囊在進水孔位置出現(xiàn)破裂(如圖6所示)。

另外還發(fā)現(xiàn)有些已破裂的膨脹罐氣囊體積異常變大，破裂處呈現(xiàn)六角形(如圖7所示)，與膨脹罐底部的氣路接頭組件螺母的形狀相似(如圖8所示)。判斷為系統(tǒng)補液過多且排氣電磁閥排氣，導(dǎo)致氣囊儲液過多，脹滿整個膨脹罐內(nèi)腔，氣囊在膨脹罐內(nèi)部與氣路接頭組件螺母接觸擠壓，導(dǎo)致壓損破裂。

對已破裂氣囊進行檢查分析，判斷氣囊破裂原因為:

(1)膨脹罐氣囊由于承受異常高壓而發(fā)生破裂。

(2)水冷操作維護人員沒有按規(guī)范進行水冷裝置的補水、補氣操作及日常維護，間接導(dǎo)致氣囊破裂。

2．3 電控邏輯分析

2．3．1 空氣壓縮泵控制邏輯

開，出閥壓力降至50 kPa;關(guān)，出閥壓力升至70 kPa。

發(fā)現(xiàn)問題:可能會出現(xiàn)出閥壓力偏低的現(xiàn)象。

2．3．2 進閥壓力低、超低告警

進閥壓力低告警:進閥壓力＜30 kPa;進閥壓力超低告警:進閥壓力＜10 kPa。

發(fā)現(xiàn)問題:定值不合理，不能有效保護水冷設(shè)備及組件，可能會導(dǎo)致電加熱器因缺水運行而干燒損壞。

2．3．3 出水閥壓力超低告警

出閥壓力超低告警:出閥壓力＜1 kPa。

發(fā)現(xiàn)問題:定值太小，不能正確動作，導(dǎo)致該告警和保護功能失效。

2．3．4 電控平臺操作頁面

發(fā)現(xiàn)問題:發(fā)電機組電控平臺的水冷系統(tǒng)調(diào)試維護頁面里沒有空氣壓縮泵、排氣電磁閥的手動操作按鍵;維護人員調(diào)試時，氣壓低時無法進行手動補氣，氣壓高時無法進行手動排氣。

3 優(yōu)化建議

綜合以上分析可知，1．5MW系列水冷系統(tǒng)出現(xiàn)頻率較高、影響較大的若干故障(如壓力報警、電加熱器燒壞、氣囊破裂等)，是由水冷系統(tǒng)冷卻液不足或過多及電控保護功能不完善引起的。通過現(xiàn)場交流，發(fā)現(xiàn)風(fēng)電場的維護人員對水冷系統(tǒng)認識不足，不能規(guī)范、有效地對水冷系統(tǒng)進行操作和日常維護。因此，更新設(shè)備使用手冊、加強對維護人員的培訓(xùn)、通過技術(shù)改造優(yōu)化水冷系統(tǒng)電控程序功能、更換存在安全隱患的設(shè)備組件，是降低水冷系統(tǒng)故障率、保障水冷系統(tǒng)穩(wěn)定運行的必要措施。

(1)修改更新《水冷系統(tǒng)設(shè)備說明書》，并對維護人員進行水冷系統(tǒng)知識培訓(xùn)，指導(dǎo)維護人員規(guī)范進行水冷設(shè)備的操作與維護，保障水冷系統(tǒng)的正常、穩(wěn)定運行［8］。

(2)加強操作人員的培訓(xùn)及日常巡檢，建議通過技術(shù)改造優(yōu)化設(shè)備組件，消除安全隱患，如采用帶防護墊膨脹罐的進水法蘭部件、對膨脹罐氣路接頭組件螺母邊角進行倒圓角處理等。

(3)電控程序優(yōu)化建議［9］。

1)空氣壓縮泵控制邏輯。為避免出閥壓力偏低，建議將控制邏輯更改為:開，出閥壓力降至80 kPa;關(guān)，出閥壓力升至100 kPa。

2)進閥壓力低、超低告警。建議更改為:進閥壓力低告警，進閥壓力＜120 kPa;進閥壓力超低告警，進閥壓力＜90 kPa。

3)出水閥壓力超低告警。建議更改為:出閥壓力超低告警，出閥壓力＜10 kPa;復(fù)位值，20 kPa。

4)電加熱器保護。建議增加出閥壓力低告警(出閥壓力＜20 kPa)，出閥壓力低告警時停止電加熱器，防止電加熱器干燒;電加熱器啟動須與主泵及壓力關(guān)聯(lián)，水泵停運或出閥壓力低時，電加熱器應(yīng)停止運行。只有主泵運行及出閥壓力不低于設(shè)定值時，才允許投運電加熱器。

5)電控平臺操作頁面。建議在電控平臺的水冷系統(tǒng)調(diào)試維護操作頁面增加空氣壓縮泵、排氣電磁閥的手動操作按鍵，方便調(diào)試、維護及手動操作。

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