电气设备及系统课程设计.docx
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电气设备及系统课程设计
沈阳工程学院
电气设备及系统课程设计
设计题目：
汽轮发电机冷却系统综述
系别能源与动力工程系班级集控102
学生学号2010131221学生贾云鹏
组内成员肖云/贾云鹏/李浩博/解洋/李其锋/卢百惠
指导教师郑俊哲、申爱兵职称副教授
课程设计进行地点：
沈阳工程学院
任务下达时间：
2012年12月24日
起止日期：
2012年12月24日起——至2013年1月6日止
电气设备及系统课程设计任务书
一、设计题目；
汽轮发电机冷却系统运行综述
二、设计要求；
了解汽轮发电机内冷水、氢气和密封油系统的组成、特点及运行。
三、设计步骤；
1）学习汽轮发电机内冷水、氢气和密封油系统的组成；
2）熟悉汽轮发电机内冷水、氢气和密封油系统的运行特点；
3）绘制汽轮发电机内冷水、氢气和密封油系统图纸一张。
四、时间进度安排；
时间
任务
要求
12月24日
分组，查阅资料
25-26
熟悉大型发电机辅助系统
掌握各系统作用
27-28
绘制实例图纸
熟悉使用计算机软件绘图
31、4
汽轮发电机冷却系统运行
掌握汽轮发电机内冷水、氢气和密封油系统的运行特点
5-6
考核
五、设计参考资料（文献）：
1）宗士杰、黄梅《发电厂电气设备及运行》.中国电力出版社.2008
2）吕宗枢《电机学》.高等教育出版社.2008
3）华东六省一市机电工程（电力）学会《电气设备及其系统》（第二版）.中国电力出版社.2007
4）姚春球《发电厂电气部分》.中国电力出版社.2007
5）杜宗轩《电气设备运行技术问答》.中国电力出版社.2007
6）山西省电力工业局《电气设备运行》（初级工、中级工）.中国电力出版社
7）范锡普《发电厂电气部分》.中国电力出版社
8）各种300MW、600MW火电机组《电气设备及系统》培训教材
目录
摘要................................................................3
一、设计题目.......................................................4
二、设计要求.......................................................4
三、设计步骤.......................................................4
四、设计内容.......................................................4
（1）冷却系统概述..............................................4
（2）汽轮发电机内冷水系统......................................5
1.内冷却水系统简介..........................................6
2.水系统的功能与特点........................................7
3.系统的主要部件简介........................................7
4.水系统的结构布置.........................................8
5.系统运行.................................................8
6.控制.....................................................8
（3）汽轮发电机氢气系统........................................9
1.氢气系统简介.............................................9
2.氢系统的功能与特点......................................11
3.系统的主要部件简介.......................................11
（4）汽轮发电机密封油系统......................................13
2.密封油系统的功能和特点...................................13
3.密封油系统主要部件简介..................................144.密封油系统的布置.........................................15
5.密封油系统及设备的主要技术参数...........................166.密封油系统主要部件简介...................................17
7.运行调整.................................................19
8.发电机进油分析..........................................20
9.防止密封油进入机内的措施................................23
10.油氢差压波动的原因及处理方法...........................24
11.密封油系统的故障及处理..................................25
六、课程设计总结..................................................26
摘要
发电机在运行时，由于绕组中的电流和铁芯中的交变磁通会产生热量，这种热量会使得发电机温度升高，随着发电机单机容量的增大，温升也越来越高。
就发电机而言，温升收到电机铁芯冲片绝缘和线圈绝缘材料允许温度的限制。
因此必须加以冷却。
本设计介绍了汽轮发电机冷却系统的构成、特点和运行。
电气设备及系统课程设计任务书
一、设计题目：
汽轮发电机冷却系统运行综述
二、设计要求：
了解汽轮发电机内冷水、氢气和密封油系统的组成、特点及运行。
三、设计步骤：
1.学习汽轮发电机内冷水、氢气和密封油系统的组成；
2.熟悉汽轮发电机内冷水、氢气和密封油系统的运行特点；
3.绘制汽轮发电机内冷水、氢气和密封油系统图纸一张。
四、设计内容：
（1）冷却系统概述：
运行中的发电机、绕组和铁心都要发热，锁产生的热量和电机的输出功率有着密切的关系。
点击的输出功率越大，其发热量也越多，当超过额定值时，便会使电机的温度过高而超过绝缘的允许值。
若认为的提高和增大冷却效果，使冷却剂在相同的时间带走更多的热量，则发电机的输出功率就越大。
由此可见，电机的冷却能力在一定程度上影响了发电机出力的大小。
当今，国内外大容量发电机组通常采用的冷却系统有3种：
①全氢冷方式；②定子绕组水冷其余为氢冷方式（水氢氢）；③双水内冷方式（水水空）。
对全氢冷和水氢氢发电机，由于其转子采用氢内冷，不会发生因水内冷转子的绝缘引水管漏水而导致的故障，所以运行的安全可靠性较之水冷转子为高。
但双水冷发电机组随着运行经验的积累，改进及完善化工作的不断深入，尤其是绝缘引水管采用钢丝编织管后，水冷转子的运行安全可靠性得到了改善。
汽轮发电机氢油水控制系统是发电机的辅助系统。
可分为三部分：
即氢气控制系统、密封油系统和定子绕组冷却水系统。
氢气控制系统：
用以置换发电机内的气体，有控制地向发电机输送氢气，以保持机内氢气压力稳定，监视机内氢气的纯度及液体的泄漏，干燥机内氢气。
密封油系统：
用以保证密封瓦所需压力油不间断地供应，以密封发电机内的氢气不外泄。
定子绕组冷却水系统：
用以保证向定子绕组不间断地供水、监视水压、流量和电导率等参数。
系统还设有自动水温调节器，以调节定子绕组冷却水进水温度，使之保持基本稳定；设置了离子交换器，用以提高进入定子绕组冷却水的水质。
图1-1大型发电机基本结构
（2）汽轮发电机内冷水系统：
汽轮发电机的内冷水系统图如下图所示
⒈内冷水系统简介：
发电机定子线圈冷却水系统采用水内冷，是由定子水箱、冷却器、过滤器、离子交换器以及管道和阀门组成的。
定子水箱中的定子水由水泵压入冷却器。
气热量油常规岛闭式冷却系统带走，冷却后的定子水接至过滤器，其中一部分在必要时去离子交换器，对水质进行处理后直接回到定子水箱。
经过过滤器过滤后的钉子水由控制阀进行控制调节，大部分进入位于发电机本体汽端的进水环形母管，再由多根聚四氟乙烯软管流经定子绕组，带有绕组热量的水回到与近水母管同侧的出水环形母管。
小部分定子水直接去发电机出现端的出线端子和中性端子，然后经部分线棒也回到出水母管中，最后一起回到定子水箱，完成一个循环。
该系统的所属设备大都集中安装在一个共用的钢底座上，组成一个冷却说系统组件，位于靠近发电机下面的平台上。
该组件上的设备包括：
电动水泵，冷却器，除盐器，过滤器。
定子水箱，仪表柜和一些阀门管道等。
㈠主冷却水循环回路：
水系统中水泵从水箱内抽取冷却水，经冷水器、过滤器送往定子绕组，最后再回到水箱，形成一个回路。
在回路中，水泵、冷水器和过滤器两台并联，互为备用。
为确保水系统运行的可靠性，两台水泵电源，不仅设甲乙两路，还能互为切换。
在主水路中，还设置有定子绕组反冲洗功能，一旦发现定子绕组发生堵塞，可通过从相反方向冲入冷却水，将杂物从绕组内冲出。
发电机运行期间，为防止在冬天绕组表面结露，一般要求水温大于氢温。
所以水系统冷水器二次回路中设计有恒温调节装置以及在水箱中设置有蒸汽加热装置。
恒温调节装置由汽动温度调节冷水器二次循环水量，从而控制定子绕组进水温度。
当冷却水温度通过调节仪仍然无法调高或刚刚启动时，可以通过蒸汽加热器在水箱内加热冷却水。
此外，为了防止水漏，要求进水压力低于机内氢压。
冷却水进入发电机后，分两路冷却绕组。
一路经定子绕组直线部分，冷却绕组后经汽端汇流管返回定冷水箱；另一路进入定子引出线，冷却定子引线后，经回水管进入汽端汇流管再到定冷水箱。
在定子出线中，冷水是通过返回接头，返回至回水管的。
㈡软化回路：
主水路冷却水的导电率运行时是由离子交换器来控制的。
由离子交换器、流量计组成的软化水回路旁路接于住水路冷水器出口和水箱之间。
通过离子交换器的水量一般不超过住水路水量的8%～10%,软化后的水电导率为0.1%～0.4μs/cm，从而维持冷却水的低电导率要求。
当软化后水导电率高且不能维持冷却水导电率要求时，离子交换器可短时推出运行进行再生或更换。
㈢补充水回路：
补充水首先经减压阀减压，然后再经过电磁阀、流量开关和离子交换器进入水箱，以确保补充水的水质符合要求。
水系统的补充水来自凝结水或除盐水。
为防止离子交换器树脂过早老化，补充水的温度不宜超过50℃。
补充水的补给与否取决于水箱的水位。
当水箱液位低时，水箱上的液位开关将控制电磁阀开启，使补充水进入，并由流量开关发出报警，直至液位达到正常高度后，电磁阀就会关闭。
㈣充氮（或氢）回路
为使水系统的冷却水与空气充分隔离，防止冷却水中混有氧气对定子绕组加速腐蚀，水系统中的水箱采取了充氮密闭（或充氢）。
在通常情况下，通过减压阀自动调节作用，维持箱中的气体压力为14kpa表压。
若由于不正常因素导致水箱中的压力升至35kpa表压时，设在水箱上的安全阀将会开启排放；若箱中气压继续上升至42kpa表压时，则压力开关将发出报警，提醒运行人员及时处理。
从安全阀排除的气体的数量可通过水箱排气管直读式气体流量表获得。
2.水系统的功能与特点：
（1）冷却水通过定子绕组空心导线将定子绕组损耗带出。
（2）用水冷器带走冷却水从定子绕组吸收的热量。
（3）系统中设有过滤器，以确保冷却水纯净无杂质。
（4）用离子交换器对冷却水进行软化，控制其电导率。
（5）使用了检测仪表及报警装置等设备对冷却水的电导率、流量、压力及温度等进行连续监测。
（6）水系统中所有管道及与冷却水接触的原件均采用抗蚀材料。
（7）定子水箱内设有蒸汽加热装置。
（8）所有系统设备和监测控制仪表均设计成一个布置合理及维护、操作、检修方便的组装件。
3.系统的主要部件简介
①水箱
水箱为压力容器，在箱体上装有液位控制器和液位指示器，用于控制液位并对过低或过高的液位发出报警，同时还对液位加以就地显示。
②水泵
该系统设有两台各为100%容量的卧式离心泵。
系统正常运行时，有一台泵使系统中的定子冷却水循环，另一台处于备用状态。
两台电动机的供电来自不同的电源，从而增加了运行的可靠性。
③冷水器
冷水器为浮动列管式卧式结构，壳体为不锈钢材料，管系为黄铜管，管板为不锈钢。
④离子交换器
离子交换器为圆筒形，立式结构，内盛阴阳混床树脂。
系统运行中，如果系统中定子水的电导率大于1.5μs/cm，则应手动操作相关阀门，使部分定子水经过该装置直接返回定子冷却水箱中进行循环，以改善水质。
4.水系统的结构布置
定子冷却水系统为组装件，结构紧凑，操作和现场安装方便。
水系统组装件一般安装在0M层。
5.系统运行
启动：
启动时，首先，充水至水箱正常水位；然后启动泵；最后对整个系统管线进行冲水排气。
运行：
运行过程中，净化回路连续运行，保持5%的流量。
停运：
在发电机氢气供应系统停运后，再停运该系统。
停运时，先将备用泵至于“停止”，再停运运行泵。
6.控制
正常情况下，两台定子冷却水泵一台运行，一台备用。
当运行的泵前后压差低或停运时，自动启动备用泵：
备用泵也可以在主控室手动启动。
当定子冷却水箱液位低时，自动开启阀门进行补水，当补至液位高时，自动关闭阀门，停止补水。
定子水发电机进口温度的调节是根据热交换器后定子冷却水温度来调节SRI冷却水流量实现的。
当出现定子水流量低或电导率高时，将发出Runback信号，汽轮机紧急甩负荷。
水和氢气的主要特性及冷却效果
（1）水和氢气的主要特性参数（见下表1-3）
表1-3
名称
状态
定压比热容Cp[j（kg.k）]
密度p（g/cm3）
温度（℃）
绝对压力（MPa）
水
15
0.1
4.2x103
0.9987
氢气
15
0.1
14x103
0.076x10-3
（2）水和氢气的冷却效果比较（见下表1-3）
表1-4
冷却介质
绝对压力（MPa）
吸热能力
散热能力
相对体积流量
相对吸热量
流速（m/s）
相对传热系数
氢气
0.3
1
1
40
1
水
——
0.05
69.3
2
16.8
（3）汽轮发电机氢气系统：
1.氢气系统简介：
发电机氢冷系统的功能是用于冷却发电机的定子铁芯和转子，即定子绕组及引线为水内冷，转子绕组为氢内冷，转子本体及铁芯为氢表冷，并采用二氧化碳作为置换介质。
发电机氢冷系统采用闭式氢气循环系统，热氢通过发电机的氢气冷却器由冷却水冷却。
氢系统由运行和监测两部分组成。
发电机氢气系统图
㈠运行部分
由供CO2和H2装置、氢气压力控制装置、充排氢阀门组、氢气干燥器等组成。
㈡监测部分
由氢气纯度变送装置、浮子检漏计、发电机局部过热监测装置、氢油水工况监测柜等组成。
㈢供氢源
由于密封瓦为双流环式，漏氢量小，因此系统的供氢源一般采用氢瓶，但考虑到电厂实际情况，也留有制氢站供氢接口。
正常运行时机内纯度要求＞95%，只有在供氢不足或单流密封时才允许在90%-95%之内。
在额定氢压下，机内允许含湿量≤4g/m3，这可以通过氢源及发电机氢系统上氢干燥器来保证。
2.氢系统的功能与特点
（1）以CO2作为中间介质，实现气体置换。
具体时间与容积见下表。
发电机内气体置换
所需气体种类
纯度（%）
置换出发电机内气体种类
需要气体容积（m3）
估计所需时间
CO2
＞85
空气
180
5～6
H2
＞96
CO2
200
4～5
＞96
发电机升氢压至0.3MPa
210
1～1.5
CO2
＞
H2
150
4～5
（2）自动维持发电机内的氢气压力。
（3）自动监测机内气体参数及运行工况。
（4）通过氢气干燥器连续干燥机内氢气，维持机内氢气低湿度。
3.系统的主要部件简介
①氢气干燥器
氢气干燥器有两种型式，用户可根据设计情况任选1种。
（1）冷凝式氢气干燥器。
冷凝式氢气干燥器是利用制冷机将氢气降温到0℃左右，使氢气中水分饱和析出，从而降低氢气中含水量。
干燥器跨接在发电机通风回路的高风压区上。
当发电机运行时，氢气从高压区进入干燥器，冷冻脱水后的氢气经过一个热交换器，将冷氢适当升温后回到低风压区。
脱出的水沉积在冷冻桶的底部，每天定时人工排放并记录。
如果要提高氢气干燥程度，则需进一步降低氢气温度。
此时，从氢气中脱出的水分以霜的形式凝结在蒸发器表面。
当霜凝结到一定程度时，需停机化霜。
为了提高脱水效果，可利用两台冷凝式干燥器并联运行，当一台在制冷时，另一台在化霜，定时切换。
（2）吸附式干燥器。
吸附式干燥器为双桶热氢再生式。
用活性氧化铝作干燥剂，它是一种固态干燥剂，水蒸气的清除是靠带有水蒸气的氢气通过装满活性铝的吸收层而完成的。
特殊的高疏松度使单位重量的活性铝有很大的表面积和吸收能力，在活性铝吸收水蒸气达到饱和以后靠加热驱除水蒸气来完成再生作用，重复再生后的活性铝的性能及除湿效率不受影响。
在这个干燥器中，再生作用是靠用埋置的电加热器加热干燥剂，使干燥剂中束缚的水蒸气汽化，同时让氢气通过吸收层，带走释放出的水蒸气完成的，然后将氢气冷凝出的水通过一个分离器和浮球阀排出系统。
在正常情况下，靠氧化铝及其由加热作用完成的再生分离水蒸气的交替过程可以一直继续下去。
由于该型式干燥器有两个吸收塔，所以它是一种能够进行连续干燥的装置，当其中一个吸收塔清除发电机内来的氢气中的水蒸气时，另一个吸收塔进行干燥剂的再生过程。
在预定的时间间隔内，干燥器内程序控制器启动阀门控制氢气流量，把氢气流从干燥剂已饱和的吸收塔中转移到已再生的吸收塔中，这个自动转换过程将吸收层置于再生循环中再生，因而这个装置可以实现自动而无需有人来控制
上述两种类型的干燥器一经调试后，除排放水外，其余均可自动操作并根据要求在干燥器的进口或出口装上水分仪，用以监视发电机内湿度或干燥器的工作状况。
②氢压控制装置
氢压控制装置是一个组合件，它由氢压调节器、进出口压力表。
压力控制器和旁路阀门组成。
其作用是维持机内氢压，对过低的氢压报警。
该装置允许的最高氢压为1.5MPa，输出为0～0.7MPa任意选择，当出口低于设定值时会自动补氢，直至氢压升至设定值。
③气体纯度监测变送装置
该装置由差压和压力变送器以及纯度风机等组成。
在任何情况下它可以连续传感机内气体密度、纯度、压力，并将这些参数转变为4～20mA直流信号，并送至氢油水监测柜中的除湿组件和信号转换组件，经综合分析运算后即可在仪表上显示机内气体纯度、密度等参数。
由于装置内自带风机，故无论发电机处于何种状态，均可以显示机内气体参数。
4发电机内局部过热监测装置
该装置的作用是监测机内是否有局部过热的现象。
其基本原理是定子铁心表面和线棒表面的绝缘漆在受热到一定程度（约200℃）时，就会引起热分解，从而产生大量高浓度超微粒子。
当粒子随着氢流入该装置内离子室时，会被大量吸附，从而改变装置原先在正常情况下的输出电流，使之大大下降，从而发出报警信号，这样可以及早发现事故隐患。
⑤氢油水系统工况监测柜
监测柜上装有与氢气系统有关的压力、密度、纯度、转子风扇压差指示表计和光示牌报警器。
氢、油、水的所有报警均可在报警器的光示牌上显示，并通过柜上的音响装置向运行操作人员发出音响报警信号。
监测柜作用如下。
（1）接受和处理来自气体纯度变送装置信号，通过仪表就地显示机内气体纯度、密度和压力，并将这些信号提供给DEH系统。
（2）接受氢油水系统报警信号，就地报警显示。
（3）接受发电机冷氢温度继电器信号，进行就地报警显示。
⑥浮子式漏液报警器
发电机防爆式漏液报警器共有4个。
其分布为机座1只；励磁出线盒1只及汽励端氢冷却器各1只，并都从最低点引出接口。
该装置用于监测发电机是否漏液。
一旦发生漏液，报警器中就会积液，导致报警器壳体内浮球上浮，并通过联杆带动开关动作，发出报警。
（4）汽轮发电机密封油系统：
⒈密封油系统简介
发电机密封瓦是双流环式瓦，其供油系统由两个各自独立而又相互联系的油路组成。
向密封瓦空气侧供油，密封油与空气接触的一侧油路称为空侧油路；向密封瓦氢侧供油，密封油与氢气接触的一侧油路称为氢侧油路。
空侧油路：
主工作油源取自汽轮机轴承润滑压力油，备用油源取自汽轮机主油箱。
空侧油路设有两台交流油泵，一台直流油泵，其中交、直流油泵各一台作为第一、第二备用泵，当主油源因某种原因断流时，油泵可以从备用油源吸取工作油。
按密封油进油油温提供给油泵的轴承润滑油，经油泵升压后，通过过滤器除去固态杂质，经油气差压调节阀调节至所需压力，然后进入发电机两端密封瓦空气侧油腔，其回油与发电机轴承回油混合后流入专设的隔氢装置内，再流回汽轮机主油箱。
氢侧油路：
油泵从密封油箱中吸油，加压后经冷油器、过滤器再经油压平衡阀调整到所需压力后，进入密封瓦的氢侧油室，其回油流回密封油箱，如此循环，形成一个相对独立的密封油路。
发电机密封油系统图
2.密封油系统的功能和特点
（1）向密封瓦提供的压力油是分轻侧和空侧独立供给的。
（2）保证油压高于机内气压一个规定值并确定保轻侧油压平衡。
（3）通过热交换器管走油中因密封瓦与轻油的摩擦而产生的热量，确保瓦温与油温控制在要求的范围内。
（4）通过过滤器去除油中的杂质，保证密封油的清洁度。
（5）通过轻侧回油箱消泡箱释放溶于密封油中的饱和氢气。
（6）空侧油路备有多路备用油源，确保发电机安全运行。
（7）空氢侧油路设计有密封油加热装置，必要时可对油进行加温。
3.密封油系统主要部件简介
①密封瓦
双流环式密封瓦由上下两半组成，垂直套于汽励端轴上，并用销子定位后加以连接。
密封瓦不随轴转动，但它能随轴上下浮动。
在密封瓦中设计有两个配油槽，分别流通空侧和轻侧密封油。
为了使槽中的油压高于机内气压的某一值，又要使空、氢侧油压趋于平衡，所以密封油系统设置了压力平衡阀和差压调节阀。
②差压调节阀和压力平衡阀
差压调节阀实际上是一种结构较为复杂的自力式调节阀。
经适当整定后，它就能自动跟踪机内气压，并使油氢差压保持在某一值。
在油系统中差压阀有两个，并接于空侧油泵两端的差压阀通过自动调节空侧油泵两端的差压阀通过自动调节空侧旁路油量的大小，来保证密封油由空侧交直流油泵供油时油泵始终高于机内气压84kpa，另一只差压阀串接于汽轮机高压备用油路之中，通过调节流过该阀的密封油油量，来保证使汽轮机备用油投入时，油压高于机内气压56kpa。
平衡阀也属于自力式调节阀。
通过先期整定，可使氢侧油压自动跟踪空侧油压使之与空侧油压之间的差压保证在490pa范围内，平衡阀有两只，分别装于汽，励端通向密封瓦氢侧进口处的油路中。
③消泡箱
油系统的消泡箱有两只，分别位于汽，励下半端盖之中。
它
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