（电气工程专业论文）qfs型300mw汽轮发电机增容及其dcs系统改造.pdf

声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文( q f s 型3 0 0 m w 汽轮发电机增容及 其d c s 系统改造，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研 究工作和取褥的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：日期： 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文：同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播 学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名： 日期： 导师签名： 日期： 华北电力大学工程硕士学位论文 1 1 选题背景 1 1 1 所选课题的目的和意义 第一章引言 华电国际邹县发电厂3 0 0 m w 汽轮发电机组于1 9 8 5 1 9 8 9 年相继投产，采用2 0 世纪 7 0 年代末技术，制造铭牌出力3 0 0 m w ，同类型机组在全国共有3 0 台。由于受当时设 计思想、工艺水平的限制，机组按带基本负荷设计，启停时间长，负荷变动速率低，造 成调峰性能差；制造工艺低，机组能耗较高，自动化水平和可靠性低，已不能满足将来 参与市场竞争的要求。为提高汽轮机效率和机组的自动化水平，使机组达到当前国际先 进技术水平，适应厂网分开，竞价上网的市场形势，对四台机组汽轮机通流部分节能降 耗技术改造、发配电系统增容改造、d c s 改造为主线的技改型大修。 1 1 2 机组改造前状况 1 1 2 1 发电机部分 q f s 型3 0 0 唧、1 8k v 双水内冷汽轮发电机采用2 0 世纪7 0 年代技术制造，与 国产3 0 0 姗汽轮机匹配，到1 9 9 3 年该机型已有3 0 台在全国各地投运，受当时设 计、工艺水平的限制，q f s 型发电机的主要问题有： a ) 发电机因结构原因端部漏磁较大，在高功率因数运行时，端部发热严重，不 具备进相运行能力。 b ) 发电机端部压圈局部温度较高。由于发电机端部涡流磁场的影响造成铁芯温 度升高，夏季有时超过1 2 0 ，有时局部发生黄粉，影响发电机的安全运行。 c ) 发电机转子复合管易泄漏。投产初期由于转子复合管质量差，且结构不合理， 曾多次泄漏并造成停机事故。制造厂家采用钢丝复合管进行改进后，质量有所提高。 d ) 发电机效率低。设计效率为9 8 6 ，实际运行中有时低于该值。 e ) 同类型发电机因机组启动和振动时频繁受力发生转子拐角断裂现象。 f ) 绝缘老化问题。谏壁电厂# 7 发电机旧定子线圈委托西安交通大学进行了绝缘 性能分析，得出结论是：在发电机运行十九年后绝缘已经开始老化。邹县发电机的 发电机也已运行十余年，虽然老化程度目前没有进行验证，估计存在同样的情况n ， 哪【n 1 1 2 2 电气控制系统部分的现状 电气系统的运行参数显示采用模拟或数字仪表显示，设备状态显示采用信号 灯，运行操作采用按功能和专项独立设置专用的操作开关和按钮运行过程中，各 种运行状态及相应操作要依靠专门的运行人员判断，不能显示运行参数的历史数 1 华北电力大学工程硕士学位论文 据。 1 i 2 3 热控系统部分的现状 原机组热控系统采用s p e c 2 0 0 ，仪表与控制设备的设计水平较低，整体热控自 动化水平相对落后，控制回路更改困难，参数设置和调整不方便；d a s 系统采用p d p i l 小型计算机，由于该机型早已淘汰，配件购买困难，系统可靠性差；f s s s 采用p l c 实现，与d a s 系统存在着相同的问题。改造前近年来，为降低能耗，提高安全运行 水平，也采取了一些措施，对主辅机进行完善、改造，使主辅设备性能有了一定的 提高，但仍不能满足以下几个方面的需要： a ) 机组自动投入率低，仪表准确性差，保护动作正确率低； b ) 运行用人多，劳动强度大。 c ) 自动化水平低，不具备a g c 功能，不能满足电网调频和调峰需要； d ) 无法提供大量准确、可靠的设备运行数据和状态，不适应开展机组状态检修 的要求。 1 1 3 改造的必要性 1 1 3 1 对发配电系统进行改造的必要性 a ) 容量要求 汽轮机改造后，热耗率大幅度降低，经济性提高，机组出力可增加3 5 m w 、为使 发电机与汽轮机容量相匹配，提高机组的整体效率，必须对发电机进行增容改造。 b ) 效率要求 改造后发电机效率将由9 8 6 提高到9 8 8 ，提高了机组的运行经济性。按 照机组一年运行5 0 0 0 小时，负荷率6 5 ，一台机组一年可节电3 3 5 x 1 0 。5 1 0 4 x 0 6 5 x 0 0 0 2 = 2 1 8 1 0 。k w h ，经济效益可观。 c ) 电网调压的要求“1 q f s 一3 0 0 2 型发电机因结构原因端部漏磁较大，造成端部发热严重，不具备进 相运行能力。随着山东电网装机容量的增加，输电线路的容量和距离不断扩大，线 路相间和对地电容相应地增大，系统的容性负荷大量增加。在负荷低谷时，系统发 出的总感性无功可能超过用户的感性无功和线路的无功损耗总和，导致电网局部电 压超出容许范围，此时需要发电机从系统吸收感性无功( 发电机进相运行) ，保证 电网设备的安全运行。 根据能源部部颁标准s d 3 2 5 8 9 电力系统电压和无功电力技术导则( 试行) 要求“新装机组在有功功率为额定值时，均应具备按功率因数0 9 5 进相运行的能 力；对已投入运行的发电机，应有计划地按系列进行典型的吸收无功电力能力试验， 并应将试验结果作为运行方式的依据，予以应用。” 2 华北电力大学工程硕士学位论文 国外也根据运行经验，作出了一些规定，现归纳如下： i ) 原苏联、美国、意大利规定：发电机应能在额定有功功率时，具有在c o s 由 = 0 9 5 ( 超前) 进相运行的能力； ) 日本规定：所有汽轮发电机必须具备在额定容量时，能够在c o s 由= 0 9 5 ( 滞 后) 长期运行的能力；在c o s 由= 0 时所吸收的无功功率能达到0 5 倍额定容量的 能力； ) 法国规定：汽轮发电机必须具备在额定有功功率时，吸收的无功功率能达到 0 3 5 倍额定容量的能力。 因此本次改造必须使机组具备进相运行的能力，以适应电网运行的要求。 d ) 运行可靠性的要求。大型发电机主绝缘( 定子绝缘) 在长期的运行过程中， 要遭受电、热、机械和环境等应力因子的联合作用，其机械性能和介电性能逐渐变 坏，电气强度降低。即所谓老化，最终导致绝缘击穿，这类事故大约以占发电机事 故总数的1 3 ，一旦发生这种事故，不但危及发电机本身，而且还会使整个系统停 电，造成巨大的经济损失，因此提高大型发电机绝缘，对保证发电机的运行可靠性 具有非常重要的意义国家自然科学基金重点资助项目“3 0 0 m w 汽轮发电机主绝缘 老化诊断”，由西安交通大学电力设备电气绝缘国家重点实验室根据谏壁电厂# 7 发 电机( 上海电机厂) 旧定子线圈绝缘性能分析结论为：发电机运行1 9 年后，定子 绝缘( 环氧粉云母b 级绝缘) 的各项指标均已超标，老化程度比较严重，尤其是线 棒的端部绝缘。邹县发电厂的发电机也已运行约十五年，虽然老化程度目前没有进 行验证，估计存在同样的情况，故应对绝缘材料进行更换，以提高机组运行可靠性 【l 【7 】【 。 e ) 国家有关政策的要求 能源部部颁标准s d 3 2 5 8 9 电力系统电压和无功电力技术导则( 试行) 对发 电机吸收无功功率的能力提出了下述要求：新装机组在有功功率为额定值时，均应 具备按功率因数0 9 5 进相运行的能力；对已投入运行的发电机，应有计划地按系 列进行典型的吸收无功电力能力试验，并应将试验结果作为运行方式的依据，予以 应用。 i 1 3 2 电气控制纳入单元机组d c s 系统的必要性“町 近年来，随着计算机技术的迅速发展，热工自动化高速发展，我国火力发电机 3 0 0 m w 机组d c s 控制系统已经普遍具有数据采集( d a s ) 、模拟量控制( m c s ) 、顺序 控制( m c s ) 、炉膛安全保护( f s s s ) 四大功能并存的配置方式。机组分散控制系统 ( d c s ) 在国内已得到广泛的应用，特别是在火电厂锅炉和汽轮机自动化控制方面 已经取得成熟的应用经验和运行业绩，d c s 的可靠性和灵活性已被认可，火电厂因 应用d c s 使单元机组热工自动化水平得到很大提高。相对于热工自动化，火电厂电 气控制水平仍较落后，随着火电厂机炉电一体化控制、机组整组启动及电厂a g c ( 自 3 华北电力大学工程硕士学位论文 动发电控制) 发展的需要，电气自动化系统纳入d c s 已成为火电厂自动化发展趋势。 传统火力发电厂电气控制使用盘台上一对一的硬手操方式，如果不使用计算机控 制，与锅炉、汽机控制水平的差距将越来越大，使单元机组炉机电集中控制日益显 得不协调。 电气控制纳入d c s 系统后，有以下优点： a ) 使电气防误闭锁等功能的实现更为方便、完备。 b ) 完善电气系统的运行监控能力，提高运行可靠性。 根据多年的运行实践证明，d c s 系统具有很高的可靠性，通过配置冗余等形式 可以替代原有的固态逻辑和继电器，提高了控制的可靠性；可以省去大量操作终端， 避免如硬接线、开关、按钮等引起的故障；通过内部大量的联动逻辑，设置操作闭 锁和操作准许检查逻辑，减少人为误操作的可能性。 c ) 有利于实现集控运行全能值班。 单元机组实行炉、机、电统一管理后，要求运行人员能同时掌握炉、机、电的 控制操作，如果炉、机控制采用d c s ，以c r t 和键盘监控为中心后，电气控制仍采 用常规控制，在同一控制室内有两个不同的监控中心，容易引起混乱，为简化运行 操作，降低劳动强度，应将电气控制纳入d c s 系统。全部电气操作、控制进入d c s 后，使运行人员可以在任一d c s 的终端上对所有电气系统在内的整个机组运行进行 监控和干预，单元机组可具备以一名主值班员配若干名辅助值班员进行运行监控的 能力。 1 2 论文的任务 本论文工作是结合华电国际邹县发电厂3 0 0 m w 汽轮发电机组增容及其d c s 系统 改造工程进行的。整个工程的涉及面较广，包含了发电机增容的所有内容和d c s 系 统( 主要是电气控制部分) 改造的大部分内容。因该类型发电机在全国共投产3 0 台，可为其它电厂的改造设计提供借鉴。 本文的主要任务是： a ) 根据目前面临的问题，确定发电机改造的原则和目标，并进行可行性分析。 根据实际需要，确定d c s 系统控制的范围。 b ) 针对发电机存在的问题和国内发电机制造水平，有针对性提出解决方案，提 出具体的改造原则和方案。根据控制需要，对d c s 系统的硬件结构进行设计 c ) 对f o x b o r o 公司的i a 系统结构、配置特点进行分析。 d ) 工程实施后，对设备进行工业实验，确定设备的运行性能，考察原来存在的 问题是否解决，对设计方案的有效性进行评估。 e ) 对设备改造后运行中可能出现的问题，提出解决方案。 4 华北电力大学工程硕士学位论文 第二章改造规划与设计研究 2 1 改造目标的确定 2 1 1 发配电系统增容改造 2 1 1 1 发电机改造目标 为降低改造的技术和投资风险，确定改造原则为：在尽量挖掘现有发配电设备 容量资源的基础上，采用国内先进的发电机制造技术，确保改造后发电机容量到达 3 3 5 1 w ，具备进相运行能力，效率提高，投资省。 发电机改造目标确定为 a ) 发电机额定输出功率3 3 5 姗。 b ) 发电机最大输出功率3 4 0 m w 。 c ) 发电机额定功率因数0 9 0 。 d ) 发电机的效率9 8 8 0 。 e ) 发电机能够在输出有功3 3 5 唧功率因数为一o 9 5 的工况下长期运行。 f ) 改造后发电机各部温升现有冷却器不改变且工作正常的情况下不超过下述 规定限值。 i 发电机定子线圈温度9 0 ( 用槽内测温元件测量) 发电机定予出水温度8 5 发电机转子线圈出水温度8 5 发电机定子铁芯温度1 2 0 ( 用铁芯内测温元件测量) v 发电机集电环温度1 1 5 发电机定子端部结构部件及铜屏蔽温度1 2 0 g ) 发电机改造后定子线圈端部椭圆振型的谐振频率不介于基频或倍频的 一6 + 1 5 的范围内。 h ) 保证发电机改造后定子线圈最大温差在1 4 时能长期安全运行。 i ) 发电机改造后其它各项参数均应在国标允许范围内。 2 1 1 2 配电系统增容 主变压器容量有一定余度，可尽量发掘其潜力，根据改造后的运行参数对其进 行校核；厂用电系统负荷基本并未增加，因此不需增容。 2 1 2 控制系统改造目标 2 i 2 1d c s 控制系统改造目标 d c s 集成后应能完成协调控制( c c s ) 、锅炉炉膛安全监控系统( f s s s ) 、给水泵 5 华北电力大学工程硕士学位论文 汽轮机数字式电液控制系统( m e h ) 、旁路控制系统( b p c ) 、顺序控制( s c s ) 、包括 远程i o 的数据采集系统( d a s ) 、汽轮机数字式电液控制系统( d e h ) 、软声光报警 窗、e c s 、与电气智能表、锅炉优化燃烧控制系统、蒸汽吹灰等监控功能，并能实 现机组自动升压并网等电气控制功能，按工艺系统配置在各处理器内，以满足各种 运行工况的要求，确保机组安全、自动运行。 2 1 2 2 电气控制系统改造目标 依托热工d c s 控制系统改造，全部改造电气监控系统，取消电气控制系统的所 有硬手操方式，能实现机组自动升压并网、a g c 等电气控制功能。 2 2 发电机改造方案设计研究 为使本次改造后的发电机各项经济技术指标达到国内同类型机组先进水平，对 国内发电机的制造水平进行了较为详细的考察，并尽量挖掘现有发配电系统的容量 和配件资源，做到技术成熟、投资省、可靠性高。 2 2 1 绝缘材料的选用1m 3 1 在大型发电机制造中，定子线圈主绝缘是最重要的部分，它直接影响发电机的 技术经济指标，在很大程度上决定了发电机运行可靠性和使用寿命，而粉云母带作 为定子线圈主绝缘的基础材料，其质量在一定程度上决定了定子线圈绝缘的水平。 云母介电强度高，损耗小，耐热性能高，具有优良的耐电晕性，到目前为止还没有 发现能替代云母的材料。我国的高压大电机制造的发展经历了半个多世纪，始终在 追赶世界先进水平，即使改革开放以来，通过技术引进、合作设计、共同生产、联 合试验、中外交流、人员培训等多种途径，取得很大进步，然而在涉及绝缘技术方 面，只能自行开发，国外是绝对保密的，电机绝缘属于心脏部位，约占发电机总价 的2 5 以上，含金量最高。国外规定可以供货全部定子绕组线或线棒，但是坚持不 肯转让技术。与国外比，我国的主要差距是绝缘性能和厚度。 为了提高性能和减薄厚度，首先必须提高绝缘的云母纸的厚度、定量、渗透性、 拉伸强度等，提出了线棒的工艺和性能试验方法，开发成功了高云母含量的厚粉云 母纸。在9 0 年代由这种粉云母纸制成的f 级环氧粉云母带，除了大幅度提高云母 含量外，还采用了耐热的双马来酰亚胺结构，并加入几种新型促进剂，使树脂固化 物的交联密度大为增加，达到较高的机械强度、电气性能和较低的介质损耗，从而 提高了耐电强度并减薄了主绝缘厚度。在1 9 9 6 年生产二滩水电站5 5 0 m w 机组时， 主绝缘减薄到4 6 m m ，达到了加拿大g e 公司的水平，最近制做的三峡水电站7 0 0 唧 机组时厚度也减薄到4 6 m m ( 电压2 0 k v 级) ，达到了瑞士a b b 公司的水平。其他性 能，如耐压试验、电老化试验、冷却循环试验等取得的各种性能也都达到要求，而 6 华北电力大学工程硕士学位论文 且是将国产的定子线圈送到国外进行试验评定的结果。 参照西安交通大学对谏壁电厂# 7 机组发电机运行1 9 年后定子主绝缘的实验结 果，绝缘已经开始老化，邹县发电厂发电机同样由上海电机厂生产，运行时间也已 达到十余年，应该同样存在老化现象，因此本次改造可对定子主绝缘进行更换，以 便提高运行的可靠性。增容改造后，发电机有功功率将由3 0 0 m w 提高到3 3 5 m w ，而 出线电压保持不变，定子电流必然增加；同时，发电机的效率要提高，要保持定子 铜耗基本不变，必然要增大定子线棒的截面，为此可以选用新型绝缘材料，以减小 绝缘厚度，在保留定子铁芯的前提下，增加定子导线截面。 2 2 2 发电机端部结构的改进”卅 发电机端部的漏磁是由定子绕组端部漏磁与转子绕组端部漏磁组成的合成磁 通，它的大小除与发电机的结构、型式、材料、短路比等因素有关外，还与定子电 流大小、功率因数的高低等因素有关。当功率因数由滞相往进相变化时，在功率因 数为1 附近，合成漏磁通的变化较显著。随着进相功率因数的降低( 由1 降到o ) ， 吸收的无功功率增多，合成漏磁通越来越大，致使定子端部发热越来越严重。因此， 发电机进相运行必须解决端部发热问题，q f s 一3 0 0 - 2 型汽轮发电机制造时由于技术 不成熟，因结构原因，端部漏磁通分布不均匀，特别是发电机引出线侧更严重，不 具备迸相运行能力。近年来，随着我国发电机技术的不断提高，通过采用新的端部 屏蔽技术，已经大幅度降低了端部发热，不仅3 0 0 m w 等级具备了进相运行能力， 1 0 0 0 m w 等级发电机也已具备迸相运行能力，因此通过依托国内有关制造厂家，完全 可以通过发电机端部结构的改进，使发电机具备进相运行的能力。为此我们对国内 发电机制造厂家进行了考察。 上海电机厂是q f s 一3 0 0 2 型发电机的制造厂家，近二十多年来，发电机制造技 术取得了长足的进步。1 9 8 1 年2 月，我国和美国西屋电气公司签订了大型火电设备 制造技术转让合同，将西屋公司的3 0 0 m w 和6 0 0 m w 等级的汽轮机和发电机的全部技 术，包括设计、制造、安装、调试以及其它专用技术，全部转让。上海电机厂多次 派人到西屋公司学习设计试验、工艺、操作技能、质量控制、管理、运行维修等专 业技术。1 9 8 5 年和1 9 8 7 年第一台3 0 0 m w 和6 0 0 i v w 汽轮发电机考核机组分别由上海 电机厂和哈尔滨电机厂试制完成。1 9 8 9 年该公司将引进技术移植到已有成熟经验的 双水内冷汽轮发电机上，开发设计了第二代3 0 0 m w 双水内冷汽轮发电机，定型为q f 2 型，与第一代相比，该发电机提高了效率( 电厂试验值9 8 8 以上) ，降低了定子 端部结构件温度，具备了进相运行能力，其他性能也有较大提高。 因此，我们在本次改造可参照该技术，以降低技术风险。参照最新的改型发电 机制造工艺，初步确定在原定予铁芯端部压圈外加装铜屏蔽和测温元件，在铜屏蔽 7 华北电力大学工程硕士学位论文 内损耗密度较高处用空心铜管与铜屏蔽焊接后通水以加强冷却，使发电机端部损耗 减少，降低主要结构件温度，使发电机具备长期进相运行的能力。 2 2 3 初步改造规划“5 1 为尽量节省改造资金，决定保留原主变压器、发电机的铁芯、冷却器，保持发 电机出线电压、安装位置、尺寸、励磁方式及励磁电压4 8 5 v 不变。经反复论证， 并对发电机改造从设计、工艺、现场改造的可行性进行了全面分析和认真研究，提 出了对第一代3 0 0 m w 双水内冷汽轮发电机进一步提高、优化的改造总体改造方案如 下： 保持发电机安装位置及尺寸、出线电压、励磁方式及励磁电压不变，参照目前 国内外大型发电机的端部屏蔽新技术，重新布置电屏蔽和外磁屏蔽，取消铝质环， 改为铜屏蔽；取消原外磁屏蔽，在发电机定子外壳止口处加装磁屏蔽，防止止口发 热，解决端部温升问题，使发电机具备进相运行能力；在不影响绝缘电气强度的前 提下，减少绝缘厚度，增大导线的截面积，减少导线电流密度，降低铜耗。线棒主 绝缘采用f 级绝缘材料桐马环氧玻璃粉云母带，减少绝缘厚度，增大导线截面积， 提高发电机的定子线圈的温度耐受极限，按b 级绝缘的温升考核。转予部分保留原 铁芯和线圈，对部分附件进行更换，提供运行可靠性。 2 2 4 改造后发电机各部分的校核计算 根据改造规划，对改造后的发电机各项主要技术指标进行校核，确定改造规划 的可行性。 2 2 4 1 定转子线圈、铁芯温度“町“ 假定定、转子进水温度4 0 ，发电机进风温度4 0 ，在3 种工况下定转予线圈 及铁芯温度计算值，如表l 所示。 表1定转予线圈、铁芯计算温度 部件工况允许值 3 0 0 m w 、c o s 巾3 3 0 m w 、c o s3 4 0 唧、c o s 巾 = 0 8 5 由= o 9= 0 9 定子铁芯温度 9 19 2 9 31 2 0 定子线圈出水温 6 0 6 06 18 5 度 转子线圈出水温 6 86 87 0 8 5 度 由于增容改造后，功率因数改变，定子线圈截面积增大，定转子铜耗及定转子 8 华北电力大学工程硕士学位论文 铁耗基本未变，因此增容后仍有一定裕度。 2 2 4 2 定子端部结构件温度 利用从西屋公司引进并经二次开发的综合程序对q f s 一3 3 5 型发电机定子端部电 磁场和温度场进行的详细计算结果如表2 ，计算工况为定子端部加铜屏蔽后额定功 率3 3 0 唧和进相运行( 假定铜屏蔽或压圈通水水管平均水温为5 5 c ) 。 表2 发电机( 加铜屏蔽后) 单端损耗和温度 铝导风总计( k w )铜屏蔽最高温度 工况铜屏蔽 压圈 圈 ( ) c o s 由= 0 8 5 3 832 46 59 0 c o s 由= - 0 9 56 5 31 8 8 6 1 l o 2 2 4 3 机械强度 发电机的机械强度，一般是按能承受定子出线端突然短路及转子超速考虑的， 出线端突然短路的力矩一般是额定力矩的几倍，改造后定子电压不变，电气设计不 变，因此应无问题。 2 2 4 4 主变压器容量 发电机增容后，需校核与主变容量的匹配问题。因发电机的出线电压不变，只 需校核主变压器在容量增加至3 6 0 0 0 k r a 后是否可以稳定运行，根据电气设备设 计应用手册油浸风冷变压器正常允许过负荷按过负荷倍数确定持续运行时间( 如 图2 - 1 所示) ，按日平均负荷率查取 。埭 游 、 、 、 0 8 0 弋 、 q 芝 心 蕊 、 、o 、9 0 、 、 、 、 、 、 、 一 、 1 1 扩 、 024681 01 2 1 41 6 1 8 2 0 运行时间t ( h ) 图2 1变压器过负荷倍数与持续时间的关系曲线 9 华北电力大学工程硕士学位论文 该厂目前# 4 主变压器日平均负荷率为7 5 左右 当发电机增容改造后输出额定3 3 5 m w 有功时： 按c o s 由= 0 8 5 计算过负荷倍数3 3 5 0 8 5 3 6 0 = 1 0 9 5 ，允许持续运行时间约8 小时； 按c o s 巾= 0 9 0 计算过负荷倍数3 3 5 0 9 3 6 0 = 1 0 3 4 ，允许持续运行时间约1 6 小时； 按c o s 巾= 0 9 5 计算过负荷倍数3 3 5 0 9 5 3 6 0 = 0 9 8 0 可以长时间运行。 该厂# 4 主变压器设计、制造符合国标g b l 0 9 4 1 5 8 5 。国标要求变压器温 升限值：线圈6 5 k ；上层油温5 5 k ，已委托保定变压器公司进行了温升计算，计算 结果：高压线圈温升5 2 5 k 、低压线圈温升5 5 1 k 、上层油面温升3 6 1 k ，该温升没 有超过国家标准g b l 0 9 4 2 1 9 9 6 的规定。 2 2 4 5 励磁机容量校核 励磁机原设计能满足发电机额定输出3 0 0 姗有功，安全稳定运行的要求，( 额 定励磁电流为1 8 5 0 a ) ，发电机增容改造后额定输出3 3 5 m w 有功时的额定励磁电流为 1 8 4 0 a ，比原来减小i o a 。所以励磁机不进行任何改造能满足发电机改造后运行要求。 综上所述，从温升发热、机械强度等方面分析，增容改造后。各方面仍有一定 裕度，因此q f s 一3 0 0 型发电机增容改造后额定出力3 3 5m w 、c o s 由= o 9 及最大出 力3 4 0 栅、c o s 巾= 0 9 是可行的 2 3 控制系统改造方案设计研究 2 3 1 设备的选定 控制系统选用上海f o x b o r o 公司的i a 产品，i as e r i e s 是美国f o x b o r o 公司 于1 9 8 7 年推出并经过改进，代表当今世界先进水平的开放式d c s 系统。是原国家电 力公司自动化领导小组推荐的八种大型d c s 之一。i as e r i e s 覆盖了d a s 、m c s 、 f s s s 、s c s 、b p s 、d e h 和m e h 七个系统，并可实现i as e r i e s 与电厂m i s 系统的连 接。该系统软件独立于硬件，当该公司提供新型号的硬件时不会影响已有的应用状 况；软件和硬件可相互独立发展。系统的应用软件可在装载u n i x 操作系统的个人 计算机上运行。在p c 机上组态的应用软件，可直接装入i as e r i e s 系统中运行 先进的目标管理使得工程人员和应用程序只要知道目标的名称就可在同一系统中 任何地方得到数据。当软件进行移植或升级时，工程人员几乎无需修改原先的组态。 系统的各种处理机和t o 卡件都有自诊断程序，所有组件都可带电更换。通讯建立 于o s i 模型上，符合i e e e 的标准，遵循m a p 协议，这样可以使与y a p 兼容的非福 克斯波罗产品纳入i as e r i e s 系统。 1 0 华北电力大学工程硕士学位论文 2 3 2 技术要求 2 3 2 1d c s 集成后应完成协调控制( c c s ) 、锅炉炉膛安全监控系统( f s s s ) 、给水 泵汽轮机数字式电液控制系统( m e h ) 、旁路控制系统( b p c ) 、顺序控制( s c s ) 、包 括远程i 0 的数据采集系统( d a s ) 、汽轮机数字式电液控制系统( d e h ) 、软声光报 警窗、e c s 、与电气智能表、锅炉优化燃烧控制系统、蒸汽吹灰等监控功能，并能 实现机组自动升压并网等电气控制功能，按工艺系统配置在各处理器内，以满足各 种运行工况的要求确保机组安全、自动运行。 2 3 2 2i ) c s 应由分散处理单元、数据通讯系统和人机接口组成。 2 3 2 3 分散处理单元是目前最新的c p 4 0 b 型。 2 3 2 4 应充分考虑d 朗、f s s s 等特殊系统对外供输出电源工作电压等级及配置的 要求。 2 3 2 5d e s 系统应易于组态、使用、扩展、升级。 2 3 2 6d c s 的设计采用合理的冗余配置和诊断至模件级的自诊断功能，使其具有 高度的可靠性。系统内任一组件发生故障，均不影响整个系统的工作。 2 3 2 7 系统的参数、报警和自诊断功能可在显示器上显示和在打印机上打印，控 制系统在功能上和物理上合理分散。 2 3 2 8 所供计算机设备可防止各类计算机病毒侵害和存储器内数据丢失。 2 3 2 9 整个d c s 的可利用率至少为9 9 9 。 2 3 3 硬件要求 2 3 3 1 总则 2 3 3 1 1 采用有现场运行实绩、先进可靠的系统硬件 2 3 3 1 2 系统中所有模件能在线带电插拔。模件的地址与机柜内的插槽位置无关。 2 3 3 1 3 每台工作站及c p 的配置中都应自然包括与数据通讯高速公路的专用接口 卡。 2 3 3 2 分散处理单元 2 3 3 2 i 控制单元要按照l ：l 冗余配置，应有l ：l 冗余电源作为数据存储的后 备电源，电源不应影响模件的工作，某一个处理器模件故障，不影响其它处理器模 件的运行，数据通讯总线故障时，处理器模件能继续运行，冗余配置的处理器模件 能实现无扰切换，并保证系统的控制和保护功能不会因冗余切换而丢失或延迟。 2 3 3 2 2 电源故障属系统的可恢复性故障，一旦重新受电，处理器模件能自动恢 复正常工作而无需运行维护人员的任何干预。 2 3 3 2 3i 0 处理系统“智能化”，以减轻控制系统的处理负荷。处理系统能完成 华北电力大学工程硕士学位论文 量程归一、数据整定、数字化输入和输出、 判断、工程单位换算等功能所有的输入、 配置的i o 点分布在不同的卡件上。 线性化、热电偶冷端补偿、过程点质量 输出信号有自己独立的装置处理，冗余 2 3 3 2 4i o 点的扫描速率满足快速处理控制回路的要求，事故顺序( s o e ) 输入 信号的分辨率为1 毫秒。 2 3 3 2 5 提供热电偶等信号回路的检查功能，这一功能在每次扫描过程中完成。 2 3 3 2 6 所有接点输入模件都有防抖动滤波处理。 2 3 3 2 7 处理器模件的电源故障不应造成累积量数据的丢失。 2 3 3 2 8 应采用相应的手段，自动地和周期性地进行零漂和增益的校正。 2 3 3 2 9 每一路热电阻应有单独的桥路。所有的输入通道、输出通道及其工作电 源，均应互相隔离。 2 3 3 2 1 0 在整个运行环境温度范围内，d c s 精确度应满足其本身技术规范要求。 系统设计应满足不需手动校正而保证以上精确度的要求。 2 3 3 2 1 1i o 类型 a 模拟量输入；4 - 2 0 m a d c b 模拟量输出：4 - 2 0 m a d c c 数字量输入 d 数字量输出 e 热电阻( r t d ) 输入 f 热电偶( t c ) 输入 g 脉冲量输入 h 频率信号输入 i 远程i o 接口 2 3 3 2 1 2 系统应能接受采用普通控制电缆( 即不加屏蔽) 的数字量输入及输出。 2 3 3 2 1 3 所有输入输出模件应能抗共模干扰电压2 5 0 v ，差模干扰电压6 0 v 2 3 3 2 1 4 系统应有1 2 0 分贝的共模抑制比，6 0 分贝的差模抑制比。( 5 0 赫兹) 2 3 3 2 1 5 现场i o 信号数量如下： 类型点数 模拟量输入o - 2 0 m a i ) c 5 4 1 模拟量输入o - i o v d c2 4 模拟量输入热电阻4 4 9 模拟量输入热电偶2 8 9 开关量输入d i2 6 7 8 脉冲量输入9 百灵卡( 转速信号) 1 0 1 2 华北电力大学工程硕士学位论文 开关量输出d o 模拟量输出a o 合计( 不含百灵卡) 1 2 9 7 1 3 9 5 4 3 4 注： 以上点数包括远程i o 及蒸汽吹灰控制系统、不包括备用点。 2 3 4 电气控制纳入单元机组d g $ 系统的方案设计 在以往的改造中，已经有大量电气信号进入d a s 供运行人员监视，现在增加电 气控制进入d c s ，控制项目大多为较简单的跳、合闸操作，控制逻辑比炉、机控制 要简单很多，电气设备控制规律易于总结，且整个电气控制i o 点数也远少于炉机 点数。d e s 控制技术，无论在硬件、系统软件上均已成熟，完全能够应用于电气控 制，实现电气控制策略。 在应用工程的设计与工程实施中仍存在一些共性的问题，包括电气自动化系统 纳入d c s 的范围、与电气系统其他控制设备的连接、单元机组电气部分和网控部分 的划分、d c s 的组网结构等。工程实践方面，许多d c s 厂家具有将电气控制纳入d c s 的经验，在国外机组，国内引进机组上已经有较广泛的成熟业绩和较丰富的设计运 行经验。 1 3 华北电力大学工程硕士学位论文 3 1 发电机改造 第三章改造设计方案的实施 根据改造方案，在工程实践中，对原发电机进行了以下几个方面的改造： 3 1 1 定子改造 3 1 1 1 定子线棒组绝缘材料的选定 原来线棒的主绝缘采用b 级胶环氧粉云母带半迭绕制，直线部分的厚度为6 m m ， 约半迭包2 4 层左右。使用环氧粉云母绝缘的不利之处，有时局部发生黄粉，影响 发电机的安全运行 本次改造定子绕组、转子绕组的绝缘均采用f 级绝缘，按b 级绝缘的温井考核， 提高发电机的定子线圈的温度耐受极限，运行可靠性大大提高。 为满足发电机改造的需要，我们选用了江苏冰城电材有限公司研制的特5 4 4 0 一l 桐马环氧玻璃粉云母带，该材料适用于单机容量1 2 5 m w ，额定电压1 3 8 k v 以上的大 型发电机。 该材料采用特殊抄造的耐高电压粉云母纸为主要基材，粘胶剂的制备过程为： 采用双马来酰胺树脂对桐马环氧胶粘剂进行改性，配合复合固化剂、促进剂固化体 系特制成新的胶粘剂，该胶粘剂具有优良的电气性能，良好的耐热性，热态机械性 能，储存稳定性和良好的应用工艺性“”。用该特制的胶粘剂将e w 一0 0 2 5 电工用无 碱玻璃布和特制的粉云母纸复合后，经烘焙、收卷、分切等工序制成高压电机用特 5 4 4 0 1 桐马环氧玻璃粉云母带。该云母带制作的试验线棒绝缘厚度为3 5 m m ( 双面 绝缘) ，特5 4 4 0 1 桐马环氧玻璃粉云母带在常态下具有良好的贮存稳定性，包绕线 圈成型后具有优良的电气性能和良好的机械性能，综合性能优于国内其它f 级桐马 环氧玻璃粉云母带，通过机械工业部绝缘材料监督检测中心( i q t c ) 、国家进出口 商品检验局绝缘材料产品认可实验室( i m a l ) 的综合评定和跟踪评价，用其作主绝 缘的龙羊峡机组获国家金牌奖。 上海汽轮发电机有限公司对该粉云母带的性能进行了测试，对试验线棒进行了 考核试验，并在样机中进行了试验，结果如表3 - i 。 经使用，上海汽轮发电机有限公司认为该云母带质量稳定、分散性小，作为定 子线棒的主绝缘，具有优良的电气性能，主要指标达到国家标准，决大部分指标达 到机械部标准的优等品标准，质量考核均达到j b 5 6 08 2 1 9 9 6 的部颁标准。 表3 - i 特5 4 4 0 一i 桐马环氧玻璃粉云母带的性能 1 4 华北电力大学工程硕士学位论文 厚度，咖 0 1 4 0 0 2o 1 5合格 宽度，咖 2 5 22 6 合格 云母含量， 3 74 4 4 合格 胶粘剂含量， 3 8 4 34 0 合格 挥发物含量， 1 5 1 2合格 电气强度，m v m 4 5 5 0 合格 胶化时间，m i n 1 4 2 1 1 9 合格 特5 4 4 0 - 1 桐马环氧玻璃粉云母带作为定子线棒的主绝缘，具有包扎工艺性、 柔软性好，包扎时尺寸容易控制，包扎紧密等特点。固化成型后的线棒绝缘整体性 好，绝缘性能稳定，具有优良的电气性能，是一种高质量的主绝缘材料，特别是介 质损耗、介质损耗增量和热态介质损耗较小，表明该绝缘的内在质量好，完全能满 足大中型高压电机主绝缘的要求，。 3 1 1 2 定子部分改造工艺 为提高发电机容量和效率，更换定子全部上、下层定子线棒。定子线棒绝缘采 用新材料后，减少绝缘厚度，参照引进技术同级电压绝缘厚度增大铜线截面积，减 小了定子线圈的线电流密度，降低了定子线圈电阻。 线棒槽部换位绝缘用浸漆的适型材料，加强绝缘及粘结，有效防止换位处的股 间短路“”。线捧绝缘包扎采用瑞士进口的六轴连动数控包带机，使直线和端部绝 缘连续不断的机包，进一步提高线棒的绝缘质量。在线棒槽楔下使用绝缘弹性波纹 板，使定子线棒良好固定，防止发生电腐蚀。对发电机端部支架根据新线圈重新设 计，提高了端部结构强度。在线棒下线过程中，线棒绝缘表面要涂半导体胶，并使 其接触良好，每进行一步都要进行水压试验及水流量试验，防止漏水和线棒堵塞“。 为使发电机具备进相运行能力，降低端部漏磁通、进一步降低损耗，对发电机 端部的磁屏蔽和电屏蔽重新进行布置，保留齿压板和压圈之间的内磁屏蔽，去掉原 外磁屏蔽和电屏蔽( 铝质环) ，在原定子铁芯端部压圈外加装铜屏蔽，降低了端部 损耗。在铜屏蔽内圆损耗密度较高处用空心铜管与铜屏蔽焊接后通水以加强冷却， 降低了端部主要结构件温度，进一步降低了端部温度。发电机安装铜屏蔽后，为防 止止口处发热，增加了一道磁屏蔽( 外磁屏蔽) 嘲。改造后的端部布置见图3 一l 。 在安装时，铜屏蔽与铁芯压圈结合面要留二分之一的空隙，其余部分要接触良好， 并进行现场镀银处理，螺栓安装力矩保持大约1 5 0 n m 。 更换并重新设计了定子端部连接线结构，四根1 6 1 6 空心铜线改为一根3 2 3 2 壁厚9 m m 空心铜线，提高了各部结构件的强度。 更换定子绝缘引水管，并有防交叉磨损措施。 华北电力大学工程硕士学位论文 卜铁芯；2 一内磁屏蔽；3 一齿压板；4 一铜屏蔽；5 - 外磁屏蔽；6 - 压圈 3 1 2 转子改造 图3 - 1 定子线圈端部布置图 因转子额定电压和额定电流不变，故保留原转子线圈，仅对转子线圈匝间绝缘 破损处进行局部处理。更换转子全部槽绝缘、排间绝缘、楔下垫条、端部垫块及大 护环绝缘。更换全部转子钢丝编织管、不锈钢拐角。更换转子集电环，并加强引线 处的固定。更换引线及槽绝缘，主要更换了绝缘引水管及拐角，防止蠕变漏水。 3 1 3 发电机附件改造 a ) 原发电机滑环因材质较软，冷却效果差，运行中温度高，改造中全部更换。 b ) 原配装的g j 一4 型高阻式漏水报警仪只有在大水珠把印刷电路板的二极管短 路后方能报警，灵敏度低，现改为灵敏度高的l s i i i 型微漏报警装置。 c ) 汽轮发电机的测温系统是发电机监视系统的一部分，用以监测发电机关键部 位的温度。本型发电机测温系统采用热电阻测温元件。原测温元件为铜电阻。该元 件是铜线通过无感法绕制而成。铜电阻具有耐高温、造价低的优点。因其电阻率较 低，所以绕制的电阻体积较大，热响应时间较长。因此，目前国内外各发电设备制 造厂逐步用铂电阻取代铜电阻。铂电阻具有电阻率高、体积小、热响应时间短、性 能稳定等优点m ， 1 6 华北电力大学工程硕士学位论文 d ) 励磁调节器的改造 本次改造采用a b b 公司生产的u n i t r o lf 系列微机式励磁调节器，型号为： a f t o c t p 3 一d 2 i o ，适用于该厂# 4 机组三机励磁系统。该调节器是双自动通道各带 一个手动通道，且双通道各自独立，每一个通道均可实现a v r 的全部功能，二者可 相互跟踪，互为备用。当工作通道出现故障时，首先封锁工作通道的触发脉冲，再 开放备用桥的触发脉冲投入备用桥，系统无须中断。同时各自动通道各带手动控制 模式，在自动控制均故障或调试时可以投手动模式，而且手动跟踪自动，实现无扰 动切换。另外，自动模式下配置以下功能：可调无功、有功补偿、软启励、过励限 制器、低励限制器、p s s ，功率回路配有过电流保护、直流过电压保护、p t 断线监 视等。 3 2 控制系统改造 3 2 1d o s 改造工程综述嘲2 4 1 改造后的控制系统结构如图3 - 2 所示。机组的绝大部分控制任务都纳入d c s 中， 只有小部分系统和装置( 汽轮机保护系统、汽轮机监测仪表、锅炉安全门保护柜、 用于炉膛火焰保护的火检柜) 独立于系统之外，通过硬接线方式与d c s 控制系统连 接，d e h 、f s s s 、s c s 、c c s ，d a s 、b p s 、淝h 都进入d c s 。同时，电气的励磁调节、 自动准同期及并网操作也可以在d c s 中进行。 域烽舔 繇作舞鳝 毳缀覆黪 ： 图3 2 改造后系统网络结构简图 1 7 华北电力大学工程硕士学位论文 d c s 改造为了保证改造效果，在改造控制系统的同时，对就地的各种控制机构 也进行了大量的改造，如汽轮机调速系统改为高压抗燃油控制方式，每个调阀都可 单独由伺服阀控制；改造点火及火检系统，使点火及火检系统可靠性大大提高，对 所有电动门抽屉柜进行改造，使之能够满足d c s 控制系统的需要 3 2 2d o s 控制系统结构 由上图可见，i a 的典型网络只有二个层次，即：节点总线和现场总线。节点 总线冗余配置，为以太网结构总线形。通讯速率为i o mb i t s 。可下挂6 4 个站( 一 般一台3 0 0 姗机组只需配置2 0 个站左右) ，最大长度为7 0 0 米( 这些数据是按确保 通讯的快速性和可靠性最保守的数据) ，通讯介质为同轴电缆或光纤。通讯符合 i e e e 8 0 2 3 标准。现场总线也为冗余配置，采用p r o f i b u s 串行现场总线通讯协议， 遵循e i ar s 一4 8 5 标准。通讯速率为2 6 8 7 5 kb i t s ，可下挂6 4 个f b i ( i o ) 模件。 最长通讯距离可达2 0 公里。 d c s 整套硬件系统包括以下部分： 一5 台操作员站，w p 5 1 d 型 一1 台值长站 一2 台工程师站 一1 3 对冗余c p 一4 台打印机( 2 台针打、1 台喷墨打针机、1 台激光打印机) 一约1 8 个i o 卡件柜( 包括就地i o 柜) 对c p 的分配是按系统进行的。所有由d c s 控制和监视的设备，包括约2 0 0 台 电动门、7 7 台气动调门、1 0 5 台动力设备、2 7 7 台变送器、7 3 2 只温度元件、1 4 7 台 电接点压力表压力流量开关电接点水位计、2 0 0 多个热工信号、6 k v 4 0 0 v 开关及 各种气动两