水轮发电机机坑温湿度控制方法创新

王 俊，解植莹



水轮发电机机坑温湿度控制方法创新

王 俊，解植莹

（哈尔滨电机厂有限责任公司, 哈尔滨 150040）

本文首先介绍了目前水电站水轮发电机机坑温湿度控制普遍采用的方法，并分析了存在的问题。然后在详细阐述了发电机机坑近似为封闭空间温湿度变化规律的基础上，结合实际提出了一种创新的控制方案。

发电机机坑；绝对湿度；相对湿度；绝对湿度饱和值；露点温度

0 前言

发电机定转子绕组绝缘好坏程度直接决定着发电机的使用寿命。当水轮发电机长时间停机时，因机坑温度下降引起相对湿度升高会对定转子绕组绝缘造成不利影响，甚至会产生凝露致使定转子绝缘过低，进而导致机组无法正常启动并网，更加严重的会彻底损坏绕组绝缘，造成巨大经济损失。

因此，采用一种有效的温湿度控制方法对发电机安全运行意义重大。

1 水轮发电机机坑加热系统

水轮发电机在长时间停机过程中，由于机坑内部温度降低会使定转子绕组凝露，进而威胁定转子绕组绝缘安全。因凝露或受潮导致定转子绕组绝缘降低造成机组启动失败的事件已屡见不鲜。绝缘降低还给机组运行带来极大的安全隐患。

为了避免机坑内部凝露，一般做法是在机坑内部发电机定子四周均布几台加热器，在机组停机过程中用启动加热器提高机坑内部温度的方法防止凝露的发生。加热器的启停由温度开关控制，当温度低于设定值时启动加热器，温度高于设定值时停止加热器。

有时也采用温湿度控制器控制加热器的启停。当温度低于设定值或湿度高于设定值即启动加热器，当温度高于设定值或湿度低于设定值停止加热器。

目前绝大多数水电站发电机机坑加热器均采用上述方法控制。

2 目前温湿度控制方法存在的问题

在采用温度开关或温湿度控制器对加热器进行控制的方法中，温度和湿度设定值均为人为设置。人为设定的温度值和湿度值缺乏理论参考依据，一般仅凭个人经验设定。电站环境温湿度一年四季都处于不断变化中，人为设定值往往偏差较大。近年来，因温、湿度设定值不准确造成发电机因绝缘过低而导致启动失败的事例时有发生。

再者，该控制方式没有检测机坑外部温度，无法使机坑内外保持适当的温度差，过大的温差会使机坑内外空气产生对流将外部水蒸汽带入机坑内部，导致机坑内部绝对湿度增加，从而增加凝露的可能性。

当采用温湿度控制器控制加热器时，人工设定的温度限值和湿度限值因没有理论依据的支持往往配合不当，增加了控制逻辑的复杂程度。此种控制方法不仅浪费了能源，还没有达到理想的控制效果。

综上所述，目前采用的温湿度控制方法不能对机坑温湿度进行科学合理的控制，已不符合现代发电机安全运行的理念，机坑温湿度控制方法急需创新。

3 密闭空间温湿度变化规律

我们知道，空气的绝对湿度是指在某一温度下单位体积所含水蒸汽的质量。当空气在某一温度下所含水蒸汽的量达到一定程度时，就达到饱和，这时的绝对湿度即为该温度下的绝对湿度饱和值。也可以说空气在此温度下相对湿度达到100%。绝对湿度饱和值只与温度有关，不同温度下绝对湿度饱和值如图1中实心曲线所示。

图1   

相对湿度是指在某一温度下绝对湿度和绝对湿度饱和值的比值，是个相对量。我们用湿度传感器监测的湿度就是相对湿度。相对湿度越大，表征空气中所含水蒸汽越接近饱和。

按照图1所示，当温度逐渐降低时，空气的绝对湿度饱和值也下降，即空气容纳水蒸汽的能力变差。因绝对湿度保持不变（凝露现象发生前），相对湿度随温度下降将逐渐升高当相对湿度升高到100%时，空气中水蒸汽含量就会饱和。如果温度继续下降将会出现液态水蒸汽，此种现象就是凝露。此时对应的温度就是露点温度。

因金属导热快的原因，金属表面温度要比空气下降的要快。随着环境温度的持续下降，金属表面温度首先降低到露点温度，紧接着即产生凝露。这也就是发电机定转子绕组随着机坑温度下降产生凝露的根本原因。

要想避免定转子绕组凝露，只需将机坑温度控制在高于露点温度一定范围内即可，而没有必要将温度升高很高。传统的控制方法因没有计算当时的露点温度，而是凭经验一味的将温度升高。这样不仅浪费能源，与节能减排理念背道而驰，还造成机坑内温度高于机坑外温度，形成的空气对流使机坑内绝对湿度升高，出现露点温度升高的不利局面。

4 温湿度创新控制方案的提出

首先定义以下各量：

机坑内部温度：1

机坑外部温度：2

机坑内部相对湿度：R

1温度下空气的绝对湿度饱和值：R

1温度下空气相对湿度R对应的绝对湿度：r

R×R=r

这种新型的温湿度控制方法需要借助一套全新的温湿度控制系统实现。该系统由1个可编程逻辑控制器（PLC）和2个温度、1个湿度传感器组成。2个温度传感器分别测量机坑内外环境的温度，湿度传感器测量机坑内部的相对湿度，PLC用于将图1所示的空气绝对湿度饱和值曲线函数化、各参数量计算以及用逻辑运算结果控制加热器的启停。

方案的实现首先需要将绝对饱和湿度曲线函数化。PLC通过编程的方法使用专用函数模块将绝对湿度饱和值曲线近似量化为绝对湿度饱和值函数。通过该函数反映出不同露点温度与绝对湿度饱和值一一对应关系。在控制流程中可以按照露点温度计算出绝对湿度饱和值，也可以按照绝对湿度饱和值计算出露点温度。

加热器控制流程为，首先按照测量得到的基坑内部温度T1应用绝对湿度饱和值函数计算出该温度下绝对湿度饱和值R，然后使用测量得到的机坑内部相对湿度值R，根据公式R×R=r计算出当前绝对湿度值r。假设发电机机坑为一近似密闭空间，即认为该绝对湿度值在一段时间内近似不变。

再将当前绝对湿度值r假设为绝对湿度饱和值应用绝对湿度饱和值函数得出对应露点温度。将此露点温度作为机坑温度控制主要依据，当机坑温度1<+△1℃时启动加热器（△1为现场调试值）。

为避免因机坑内外温度差过大引起空气对流，要求将机坑内温度控制在不高于机坑外温度△2℃范围内。这样2+△2℃即为停止加热器温度限值（△2为现场调试值）。

为了控制更加准确，当前绝对湿度值r可以在固定周期时间内通过计算不断更新。

上述温湿度控制方案即为发电机机坑温湿度创新控制方案。该方案完全免去人工设定温湿度限值工作的繁琐，避免了因经验值导致的控制误差，依靠真实的温湿度变化规律作为控制理论，实现了机坑内部温湿度的精确控制，为发电机定转子绕组绝缘提供了安全保障。

（1、加热器控制箱；2、机坑外温度传感器；3、机坑内温度传感器；4、机坑内湿度传感器；5、发电机；6、发电机机坑、7加热器）

5 结论

本文所提出的机坑温湿度控制方法较传统控制方法具有理论上的先进性、操作上的简易性、环保上的节能性、控制上的准确性、创新性等优点。如果本方法被大量普及应用，将彻底解决了发电机定转子绕组绝缘因凝露被损坏的隐患，有效保障了发电机组安全可靠运行。

[1] 陈云生. 环境试验与环境试验设备用湿度差算手册[M]. 北京:中国标准出版社, 2007.

Innovation of Temperature and Humidity Control in Hydro Turbine-Generator Pit

WANG Jun, XIE Zhiying

(Harbin Electric Machinery Company Limited, Harbin 150040 China)

The method of temperature and humidity control which is recently and widely used in generator pit of hydro power plant is firstly introduced in this paper, the remaining problems of this method are also analyzed. The change rule of temperature and humidity is discussed in detail on the assumption that the generator pit is considered approximately as an enclosed space. On the basis of the above discussion, a new control scheme is presented for practical application.

pit of generator; absolutehumidity; relativehumidity; saturation value of absolute humidity; dew point temperature

TK730

A

1000-3983(2014)02-0064-03

2013-03-10

王俊（1981-），2004年毕业于内蒙古科技大学（原包头钢铁学院），信息工程学院自动化专业，现从事水电站系统集成技术工作，工程师。

审稿人：朴秀日