張方慶
(永州盛湘電力開(kāi)發(fā)有限公司,湖南 永州425000)
燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)具有結(jié)構(gòu)緊湊,過(guò)流能力強(qiáng)、過(guò)流通道水力損失小、效率高,是目前開(kāi)發(fā)低水頭水力資源首選的發(fā)電機(jī)組類(lèi)型。由于其特殊結(jié)構(gòu),需配置較多的輔助設(shè)備,其中最重要的是潤(rùn)滑油系統(tǒng),機(jī)組軸承及推力瓦潤(rùn)滑用油必須采用循環(huán)的供油方式,運(yùn)轉(zhuǎn)的機(jī)組必須保證潤(rùn)滑供油不能中斷,如中斷供油在很短的時(shí)間內(nèi)將會(huì)導(dǎo)致軸承及推力瓦燒毀,這類(lèi)事故是燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)在豐水季節(jié)非正常長(zhǎng)期停運(yùn)的主要原因之一。我國(guó)每年均有多臺(tái)機(jī)組發(fā)生同類(lèi)型的事故,事故處理時(shí)間一般均在30d以上,對(duì)電站產(chǎn)生嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。而造成這類(lèi)事故發(fā)生的根本原因是潤(rùn)滑油的控制、保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)不合理導(dǎo)致。
目前燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)組控制監(jiān)視均采用PLC實(shí)現(xiàn),通過(guò)設(shè)計(jì)相關(guān)的程序,對(duì)潤(rùn)滑油系統(tǒng)的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視與控制,實(shí)際上是PLC實(shí)時(shí)掃描潤(rùn)滑油系統(tǒng)中通過(guò)自動(dòng)化裝置監(jiān)測(cè)的開(kāi)關(guān)量及模擬量的狀態(tài)而啟動(dòng)相關(guān)程序,驅(qū)動(dòng)輸出回路,而PLC的輸出是由相關(guān)的控制電路實(shí)現(xiàn)的。潤(rùn)滑油泵控制電路及對(duì)潤(rùn)滑油系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的自動(dòng)化裝置是確保機(jī)組潤(rùn)滑油控制系統(tǒng)可靠性的硬件條件。在潤(rùn)滑油監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí),首先要油泵控制電路簡(jiǎn)單、可靠,自動(dòng)化監(jiān)測(cè)元件配置完善。
為了保證機(jī)組可靠連續(xù)供油,目前燈泡貫流式水輪機(jī)均配置2臺(tái)潤(rùn)滑油油泵,1臺(tái)主用1臺(tái)備用。為了便于操作,減少常規(guī)控制回路出現(xiàn)故障的概率,在保證安全的前提下盡量簡(jiǎn)化控制回路,一般采用“手動(dòng)”和“自動(dòng)”控制,正常情況下采用“自動(dòng)控制”方式,由機(jī)組輔助設(shè)備的PLC程序控制或是機(jī)組LCU中的PLC程序控制。只有在自動(dòng)控制系統(tǒng)故障或調(diào)試時(shí)采用“手動(dòng)”控制方式。“自動(dòng)”控制回路可靠性設(shè)計(jì)顯得十分重要,目前“自動(dòng)”控制回路主要有2種設(shè)計(jì)電路,1種是采用一個(gè)PLC輸出繼電器控制油泵的啟停,1種是采用2個(gè)PLC輸出繼電器分別控制油泵的啟停。
采用一個(gè)PLC輸出繼電器控制回路接線(xiàn)簡(jiǎn)單,PLC控制程序也相對(duì)簡(jiǎn)單,但由于只采用一個(gè)繼電器控制,機(jī)組運(yùn)行時(shí)該繼電器需要長(zhǎng)時(shí)間帶電來(lái)保證潤(rùn)滑油泵持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。如果出現(xiàn)PLC故障,該繼電器將因PLC不能輸出而掉帶至潤(rùn)滑油泵停止,特別是機(jī)組輔助設(shè)備采用LCU單元中PLC控制時(shí),如發(fā)現(xiàn)PLC故障,不但潤(rùn)滑油泵停止而導(dǎo)致機(jī)組供油中斷,而且會(huì)使機(jī)組水機(jī)保護(hù)拒動(dòng)作,故障報(bào)警信息無(wú)法上傳至上位機(jī)而提醒運(yùn)行人員,這必將導(dǎo)致機(jī)組軸承、推力瓦燒毀。如果機(jī)組輔助設(shè)備采用單獨(dú)的PLC控制,上述問(wèn)題將不存在,因?yàn)楫?dāng)機(jī)組輔助設(shè)備PLC故障時(shí),機(jī)組LCU將會(huì)收到潤(rùn)滑油泵停止及機(jī)組潤(rùn)滑油事故停機(jī)油位或潤(rùn)滑油供油中斷信號(hào)而啟動(dòng)事故停機(jī)程序?qū)C(jī)組停下來(lái),從而保護(hù)機(jī)組免受燒軸瓦事故。如果機(jī)組輔助設(shè)備采用LCU單元PLC控制,而LCU采用2N配置或是雙CPU模式,而上述問(wèn)題也將不存在,因?yàn)楫?dāng)機(jī)組1套PLC故障時(shí),另1套PLC仍能正常工作。
而采用2個(gè)PLC輸出繼電器控制方式,啟動(dòng)潤(rùn)滑油泵時(shí),PLC程序驅(qū)動(dòng)啟泵繼電器,自動(dòng)回路通過(guò)潤(rùn)滑油泵接觸器本身的輔助接點(diǎn)自保持,啟泵繼電器通過(guò)程序中該臺(tái)油泵接觸器“運(yùn)行”狀態(tài)復(fù)歸。而停止?jié)櫥捅脮r(shí),PLC程序驅(qū)動(dòng)停泵繼電器,斷開(kāi)油泵接觸器自保持回路。PLC輸出繼電器只在潤(rùn)滑油泵啟動(dòng)與停止時(shí)參與控制,在機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行過(guò)程中潤(rùn)滑油泵控制回路完全獨(dú)立,與PLC的狀態(tài)無(wú)關(guān),PLC只對(duì)潤(rùn)滑油泵的狀態(tài)、潤(rùn)滑油系統(tǒng)的油量等參數(shù)進(jìn)行監(jiān)視,PLC根據(jù)這些狀態(tài)來(lái)執(zhí)行啟備用程序、報(bào)警程序或是停機(jī)程序。這種控制回路可避免控制輔助設(shè)備的PLC故障時(shí)使機(jī)組潤(rùn)滑油泵停止的風(fēng)險(xiǎn)。只是接線(xiàn)及控制程序較復(fù)雜一些,但可靠性提高。在燈泡貫流式水輪機(jī)輔助設(shè)備采用與機(jī)組LCU共用1套PLC,且LCU沒(méi)有冗余時(shí),潤(rùn)滑油泵必須采用兩個(gè)繼電器的控制電路圖,這是保證機(jī)組供油正常的最可靠的電路。
燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)潤(rùn)滑油系統(tǒng)自動(dòng)化元件的配置及其工作的可靠性是確保機(jī)組潤(rùn)滑油系統(tǒng)正常工作的硬件條件,由于到目前為止我國(guó)還沒(méi)有關(guān)于燈泡貫流式水電站自動(dòng)化配置方面的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。設(shè)計(jì)院大部分是根據(jù)主機(jī)廠(chǎng)的標(biāo)準(zhǔn)配置來(lái)設(shè)計(jì),這就導(dǎo)致了燈泡貫流水輪機(jī)潤(rùn)滑油系統(tǒng)的監(jiān)視與控制的自動(dòng)化元件配置,在不同廠(chǎng)家之間相差較大,有的機(jī)組采用配置自動(dòng)化元件過(guò)多,有的機(jī)組配置自動(dòng)化元件過(guò)少,從保證潤(rùn)滑油系統(tǒng)安全可靠的前提下,從經(jīng)濟(jì)和技術(shù)方面考慮單機(jī)容量在4MW及以上的機(jī)組潤(rùn)滑油系統(tǒng)自動(dòng)化按表1所示要求進(jìn)行配置。
表1中的自動(dòng)化元件配置,在機(jī)組PLC程序編寫(xiě)完善的前提下能夠較全面的監(jiān)視潤(rùn)滑油系統(tǒng)工作是否正常,其輸入至PLC的開(kāi)關(guān)量數(shù)據(jù)表如下頁(yè)表2所示,輸入至PLC的模擬量數(shù)據(jù)表如下頁(yè)表3所示。
表1 潤(rùn)滑油系統(tǒng)自動(dòng)化元件配置一覽表
由于燈泡貫流式水輪機(jī)潤(rùn)滑油是一個(gè)循環(huán)系統(tǒng),因此在這一個(gè)循環(huán)系統(tǒng)中的任何一個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)故障均可導(dǎo)致機(jī)組軸瓦、軸承供油不正?;蚴枪┯椭袛喽l(fā)生軸瓦、軸承燒毀事故。配置1套完整的自動(dòng)化測(cè)量與監(jiān)視元件是確保潤(rùn)滑油控制、監(jiān)視系統(tǒng)可靠性的基礎(chǔ),在此基礎(chǔ)上編寫(xiě)一套完整、可靠的PLC監(jiān)視、控制程序。
在確保潤(rùn)滑油泵控制電路簡(jiǎn)單、可靠,自動(dòng)化監(jiān)測(cè)元件配置完善的硬件前提下,需要有完整、合理的控制、監(jiān)測(cè)程序與之匹配,通過(guò)程序掃描潤(rùn)滑油系統(tǒng)各自動(dòng)化的測(cè)量數(shù)據(jù),執(zhí)行編寫(xiě)好的程序,驅(qū)動(dòng)相關(guān)的控制電路或數(shù)據(jù)傳送指令。
潤(rùn)滑油系統(tǒng)中的潤(rùn)滑油泵在機(jī)組啟動(dòng)開(kāi)始至機(jī)組停止的過(guò)程中是連續(xù)工作的,在各種工況下至少要保護(hù)1臺(tái)潤(rùn)滑油泵連接運(yùn)行將經(jīng)潤(rùn)滑回油箱的油輸送至高位油箱。為確保油泵長(zhǎng)周期可靠運(yùn)行,2臺(tái)油泵應(yīng)采取定期自動(dòng)輪換的方式運(yùn)行。
(1)機(jī)組在非停機(jī)狀態(tài)(啟動(dòng)、空載、空轉(zhuǎn)、負(fù)載)下,當(dāng)運(yùn)行中的潤(rùn)滑油泵無(wú)論是什么原因停止運(yùn)行(包括電機(jī)保護(hù)動(dòng)作,手動(dòng)停止等),PLC程序必須啟動(dòng)投另1臺(tái)油泵程序,并驅(qū)動(dòng)輸出回路,同時(shí)還應(yīng)將信息傳送至上位機(jī)進(jìn)行語(yǔ)音報(bào)警。
(2)機(jī)組在非停機(jī)狀態(tài)(啟動(dòng)、空載、空轉(zhuǎn)、負(fù)載)下,當(dāng)高位油箱油位下降至“啟備用泵油位”時(shí),PLC程序必須啟動(dòng)投另1臺(tái)油泵程序,并驅(qū)動(dòng)輸出回路,同時(shí)還應(yīng)將信息傳送至上位機(jī)進(jìn)行語(yǔ)音報(bào)警。
表2 潤(rùn)滑油系統(tǒng)輸入至PLC的開(kāi)關(guān)量數(shù)據(jù)表
表3 潤(rùn)滑油系統(tǒng)輸入至PLC的模擬量數(shù)據(jù)表
由于潤(rùn)滑油系統(tǒng)對(duì)燈泡貫流式水輪機(jī)的軸瓦、軸承安全運(yùn)行起到?jīng)Q定性作用,因此當(dāng)潤(rùn)滑油系統(tǒng)出現(xiàn)故障將危及到機(jī)組安全時(shí),PLC必須啟動(dòng)機(jī)組事故停機(jī)程序,將機(jī)組安全停下來(lái),避免事故的發(fā)生。近年來(lái)發(fā)生的多次燒瓦、燒軸承事故均與機(jī)組潤(rùn)滑油系統(tǒng)的保護(hù)程序不完善、不準(zhǔn)確有關(guān)系。通過(guò)對(duì)多起典型燒瓦事故的分析,經(jīng)過(guò)反復(fù)研究和論證,采用下面所述的保護(hù)程序能夠保證在PLC工作可靠的前提下,當(dāng)PLC判斷如危及機(jī)組安全時(shí)啟動(dòng)事故停機(jī)程序,將機(jī)組安全停下。
(1)高位油箱油位降至“事故停機(jī)油位”時(shí)啟動(dòng)事故停機(jī)程序。機(jī)組在非停機(jī)狀態(tài)下,當(dāng)高位油箱的油位持續(xù)下降時(shí),說(shuō)明潤(rùn)滑油系統(tǒng)出現(xiàn)故障。如果高位油箱的油量耗盡將會(huì)使機(jī)組軸瓦、軸承因缺油而燒壞,由于機(jī)組潤(rùn)滑油量一般均較大,當(dāng)油位達(dá)到這個(gè)位置時(shí),潤(rùn)滑供油將會(huì)很快中斷,因此這個(gè)保護(hù)十分重要,必須保護(hù)該保護(hù)程序可靠動(dòng)作。為使該油位可靠測(cè)量,防止油位下降至該油位時(shí)液位開(kāi)關(guān)拒動(dòng)作,可采用2N的配置模式,即配置2個(gè)獨(dú)立的液位開(kāi)關(guān),將其輸出點(diǎn)并聯(lián),只要有1個(gè)動(dòng)作就能啟動(dòng)停機(jī)程序。并將信號(hào)傳至上位機(jī)進(jìn)行語(yǔ)音報(bào)警,并推出模擬光字牌。
(2)軸瓦、軸承供油中斷時(shí),啟動(dòng)事故停機(jī)程序。機(jī)組在非停機(jī)狀態(tài)下,通過(guò)在正、反推力瓦、發(fā)電機(jī)徑向軸承、水輪機(jī)徑向軸承供油處設(shè)置監(jiān)測(cè)供油流量的裝置,當(dāng)各供油的流量裝置監(jiān)測(cè)到供油中斷信號(hào)時(shí)向PLC發(fā)出“供油中斷”事故信號(hào),PLC啟動(dòng)事故停機(jī)程序。并將信號(hào)傳至上位機(jī)進(jìn)行語(yǔ)音報(bào)警,并推出模擬光字牌。為防止該保護(hù)誤動(dòng)作,程序編寫(xiě)時(shí)可采取“供油偏少”和“供油中斷”2個(gè)信號(hào)“與”的邏輯關(guān)系。為保證供油流量監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性,應(yīng)采用數(shù)字式的流量計(jì)量裝置。
(3)潤(rùn)滑回油箱出現(xiàn)“油位過(guò)低”,且高位油箱油下降至“啟備用泵油位”時(shí),應(yīng)啟動(dòng)停機(jī)程序。因?yàn)楫?dāng)潤(rùn)滑回油箱油位過(guò)低時(shí),將會(huì)使?jié)櫥赜拖溆臀坏陀跐?rùn)滑油泵的吸油口導(dǎo)致油泵無(wú)法正常工作,而此時(shí)如高位油箱油位在持續(xù)下降,說(shuō)明系統(tǒng)供油出現(xiàn)故障,當(dāng)油位下降至“啟備用泵油位”時(shí),即使啟動(dòng)另1臺(tái)潤(rùn)滑油泵,也不能將故障消除,因此出現(xiàn)這種條件時(shí)應(yīng)啟動(dòng)停機(jī)程序,自動(dòng)將機(jī)組安全停下來(lái),并將信號(hào)傳至上位機(jī)進(jìn)行語(yǔ)音報(bào)警,并推出模擬光字牌。
(4)機(jī)組在非停機(jī)狀態(tài)(啟動(dòng)、空載、空轉(zhuǎn)、負(fù)載)下,當(dāng)高位油箱油溫過(guò)高時(shí),PLC應(yīng)啟動(dòng)事故停機(jī)程序。因?yàn)闈?rùn)滑油系統(tǒng)主要是潤(rùn)滑及冷卻作用。當(dāng)高位油箱油溫過(guò)高時(shí),說(shuō)明機(jī)組潤(rùn)滑回油的冷卻系統(tǒng)出現(xiàn)故障,不能將回油進(jìn)行冷卻,如果高溫潤(rùn)滑油供給各軸瓦軸承,隨著時(shí)間的增加潤(rùn)滑油系統(tǒng)的油溫會(huì)不斷增加,即使供油正常也最終會(huì)使各軸瓦、軸承溫度過(guò)高而燒毀。因此為確保機(jī)組的安全,潤(rùn)滑油系統(tǒng)保護(hù)程序應(yīng)設(shè)計(jì)溫度保護(hù)程序,并將信號(hào)傳至上位機(jī)進(jìn)行語(yǔ)音報(bào)警,并推出模擬光字牌。
潤(rùn)滑油系統(tǒng)的保護(hù)程序是在該系統(tǒng)已無(wú)法正常工作,危及到機(jī)組安全的情況下將機(jī)組安全停下來(lái)的措施。潤(rùn)滑油系統(tǒng)的事故是由系統(tǒng)故障演變而來(lái),如果及時(shí)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)故障并及時(shí)消除故障,完全可避免潤(rùn)滑油系統(tǒng)事故的發(fā)生。因此PLC應(yīng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)潤(rùn)滑油系統(tǒng)的工作狀態(tài),及時(shí)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的不正常工作狀態(tài),并將信號(hào)傳送至上位機(jī)發(fā)出相應(yīng)的語(yǔ)音報(bào)警信號(hào),記錄相關(guān)事件,并按機(jī)組運(yùn)行規(guī)程要求提示、指導(dǎo)故障處理的方法,將事故控制在萌牙狀態(tài)。
(1)開(kāi)關(guān)量信號(hào)監(jiān)視。潤(rùn)滑油系統(tǒng)程序應(yīng)按表2所示PLC輸入的開(kāi)關(guān)量進(jìn)行編寫(xiě),表中所有故障信號(hào)均應(yīng)實(shí)時(shí)掃描,收到相關(guān)故障信號(hào)后,應(yīng)實(shí)時(shí)啟動(dòng)相關(guān)報(bào)警程序,并將故障信號(hào)傳至上位機(jī)進(jìn)行語(yǔ)音報(bào)警,實(shí)時(shí)顯示,打印記錄,并彈出相應(yīng)的運(yùn)行指導(dǎo)意見(jiàn),以提醒運(yùn)行人員進(jìn)行處理將故障消除。比較重要的故障信號(hào)應(yīng)在上位機(jī)推出相關(guān)的模擬光字牌(如表中所列)。在此基礎(chǔ)上,還應(yīng)設(shè)計(jì)2臺(tái)潤(rùn)滑油泵同時(shí)停止或投備用潤(rùn)滑油失敗的報(bào)警信號(hào)并推出光字牌,以提醒運(yùn)行人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障,及時(shí)采取相應(yīng)的措施。具體開(kāi)關(guān)量監(jiān)測(cè)的自動(dòng)化元件配置可參照表1。
(2)模擬量信號(hào)監(jiān)視。模擬量能線(xiàn)性反映被監(jiān)測(cè)量。因此通過(guò)模擬量傳感器對(duì)潤(rùn)滑油系統(tǒng)的液位、流量、溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),將數(shù)據(jù)上傳至上位機(jī)實(shí)時(shí)顯示,并設(shè)計(jì)上限、下限越限語(yǔ)音報(bào)警程序,使運(yùn)行人員能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)視系統(tǒng)中液位、流量、溫度等數(shù)據(jù)具體的變化情況,根據(jù)變化情況在故障發(fā)生前采取相關(guān)的措施,可避免故障的發(fā)生,將故障消除在萌芽狀態(tài)。具體輸入至PLC的模擬量如表2所示。
可靠的控制電路及監(jiān)視與控制程序是潤(rùn)滑油監(jiān)控系統(tǒng)確保燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)安全運(yùn)行的最主要手段。由于潤(rùn)滑油監(jiān)控系統(tǒng)是機(jī)組計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的一部分,因此計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)硬件配置間接影響到潤(rùn)滑油監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性。
目前大部分運(yùn)行的貫流式水輪發(fā)電機(jī)現(xiàn)地控制單元均采用單套PLC配置(CPU、電源模塊、開(kāi)入/開(kāi)出模塊、通信模塊等),這就導(dǎo)致當(dāng)PLC出現(xiàn)故障,特別是CPU死機(jī)時(shí),出現(xiàn)潤(rùn)滑油系統(tǒng)故障,PLC將無(wú)法正常工作,不能執(zhí)行相關(guān)的故障處理程序,無(wú)法提醒運(yùn)行人員進(jìn)行處理。更重要的是當(dāng)出現(xiàn)潤(rùn)滑油中斷時(shí)無(wú)法啟動(dòng)事故停機(jī)程序?qū)C(jī)組停下來(lái),其后果必將造成燒軸瓦、軸承的事故。因此當(dāng)機(jī)組單機(jī)容量達(dá)4MW及以上時(shí),在條件允許的前提下PLC應(yīng)采用2N配置的方式,2套系統(tǒng)互為備用。最基本的也要采用雙CPU配置,當(dāng)主用CPU出現(xiàn)故障時(shí),備用CUP投入工作,并將故障信息上傳至上位機(jī)提醒運(yùn)行人員,避免事故的發(fā)生。這點(diǎn)是目前燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)監(jiān)控設(shè)計(jì)時(shí)忽視的一點(diǎn),機(jī)組輔助設(shè)備、其他控制、保護(hù)裝置均配置了主備用裝置,相對(duì)于機(jī)組安全更重要的計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)中PLC更應(yīng)采取主備用的配置方式。
目前水電廠(chǎng)采用分布式控制方式,PLC與上位機(jī)大部分采用以太網(wǎng)光纖通信方式,為確保與上位機(jī)的通信可靠,及時(shí)、可靠地將PLC采集的各種實(shí)時(shí)的狀態(tài)量、故障量及事故量傳送至上位機(jī),提醒運(yùn)行人員研判與處理,上位機(jī)與PLC的通信應(yīng)采用雙網(wǎng)絡(luò)通信,同時(shí)上位機(jī)的工作站應(yīng)采用主、備用配置方式,確保整個(gè)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)2N的配置方式,提高系統(tǒng)的可靠性。
可靠的燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)組潤(rùn)滑油監(jiān)控系統(tǒng)是避免機(jī)組軸瓦、軸承燒毀事故發(fā)生最主要的技術(shù)措施。通過(guò)分析研究可知,設(shè)計(jì)1套可靠的潤(rùn)滑油監(jiān)控系統(tǒng)可避免因潤(rùn)滑油系統(tǒng)故障而導(dǎo)致燒軸瓦、軸承事故的發(fā)生。