平班水電站水導(dǎo)軸承冷卻油系統(tǒng)自動(dòng)控制設(shè)計(jì)方案

梁添

摘要：平班水電站采用主備式兩臺(tái)油泵對(duì)水導(dǎo)軸承進(jìn)行外循環(huán)冷卻，兩臺(tái)油泵的啟動(dòng)、停止和主備用輪換控制通過(guò)純接線設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，無(wú)主備用自動(dòng)輪換、故障自動(dòng)處置和智能告警功能，不滿足“遠(yuǎn)程集控、無(wú)人值班（少人值守）”管理模式要求。筆者經(jīng)過(guò)深入剖析原來(lái)的控制原理指出其存在的不足，根據(jù)新的運(yùn)行需求提出了自動(dòng)控制設(shè)計(jì)方案，并通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)驗(yàn)證方案的可行性，對(duì)提高水電廠設(shè)備的可靠性、安全性以及自動(dòng)控制水平具有一定的借鑒意義。

關(guān)鍵詞：冷卻油系統(tǒng);智能告警;無(wú)人值班;自動(dòng)控制

0 引言

平班水電站水輪機(jī)導(dǎo)軸承瓦安裝在水導(dǎo)軸承上油槽，設(shè)有兩臺(tái)冷卻油泵，系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，油泵排出水導(dǎo)軸承下油槽的熱油經(jīng)過(guò)設(shè)置在外部的冷卻裝置后變成冷卻油進(jìn)入水導(dǎo)軸承上油槽，冷卻油依靠自重力流過(guò)水導(dǎo)軸承瓦與主軸的安裝間隙回到下油槽不斷循環(huán)冷卻。兩臺(tái)油泵為主備式運(yùn)行，機(jī)組開(kāi)機(jī)過(guò)程中，主、備用兩臺(tái)油泵同時(shí)啟動(dòng)運(yùn)行，經(jīng)過(guò)經(jīng)驗(yàn)時(shí)間后備用油泵停止，主用油泵持續(xù)運(yùn)行。目前兩臺(tái)油泵的啟動(dòng)、停止和主備用輪換控制通過(guò)接觸器、繼電器的純接線設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，無(wú)主備用自動(dòng)輪換、故障自動(dòng)處置、智能告警功能，以及存在偶爾因水導(dǎo)軸承上油槽油位低導(dǎo)致機(jī)組開(kāi)機(jī)失敗問(wèn)題，不滿足“遠(yuǎn)程集控、無(wú)人值班（少人值守）”管理模式要求[1]。

本文以平班水電站水導(dǎo)軸承冷卻油系統(tǒng)作為研究對(duì)象，分析了現(xiàn)有控制方案的缺陷和不足，按照設(shè)備可靠性、安全性以及自動(dòng)控制的要求，采用可編程邏輯控制器（PLC）技術(shù)對(duì)其重新設(shè)計(jì)[2]，提出了新的設(shè)計(jì)方案以實(shí)現(xiàn)其完全自動(dòng)控制和智能告警功能[3]。

1 平班水電站水導(dǎo)軸承冷卻油系統(tǒng)控制原理分析

1.1 控制原理說(shuō)明

平班水電站水導(dǎo)軸承冷卻油系統(tǒng)基本控制原理圖如下圖1所示：

水導(dǎo)軸承冷卻油系統(tǒng)兩臺(tái)油泵運(yùn)行方式相同，現(xiàn)以1號(hào)油泵主用為例說(shuō)明，根據(jù)原理圖，1號(hào)油泵主用的自動(dòng)運(yùn)行方式如下：①1號(hào)、2號(hào)油泵選擇開(kāi)關(guān)SO1、SO2切換至“Auto”位，SO1、SO2觸點(diǎn)“1、2”斷開(kāi)，“3、4”導(dǎo)通;②主備用選擇開(kāi)關(guān)SO3切至“M1 Lead”位，SO3觸點(diǎn)“1、2”、“5、6”、“9、10”、“13、14”導(dǎo)通，“3、4”、“7、8”、“11、12”、“15、16”斷開(kāi);③系統(tǒng)接到監(jiān)控系統(tǒng)遠(yuǎn)方啟泵令，中間繼電器R1、延時(shí)斷開(kāi)繼電器TR1動(dòng)作，1、2號(hào)油泵同時(shí)運(yùn)行;④冷卻油流量正常后，TR1復(fù)歸，設(shè)定時(shí)間到，2號(hào)油泵停止運(yùn)行;⑤系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中檢測(cè)到冷卻油流量低，TR1又動(dòng)作，2號(hào)油泵啟動(dòng)運(yùn)行;⑦系統(tǒng)接到監(jiān)控系統(tǒng)遠(yuǎn)方停泵令，R1復(fù)歸，1號(hào)油泵停止運(yùn)行。

1.2 現(xiàn)行控制方式的不足

1）兩臺(tái)油泵的啟動(dòng)、停止和主備用輪換控制通過(guò)接觸器、繼電器的純接線設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，接線回路較為繁雜，不便于故障排查。

2）兩臺(tái)油泵無(wú)自動(dòng)輪換功能，需要操作人員定期切換兩臺(tái)油泵的主備用運(yùn)行方式，不滿足“遠(yuǎn)程集控、無(wú)人值班（少人值守）”管理模式要求。

3）系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中主用油泵發(fā)生永久故障時(shí)，備用油泵的運(yùn)行過(guò)程將如下：①油流量開(kāi)關(guān)K1檢測(cè)到冷卻油流量低，TR1動(dòng)作，備用油泵啟動(dòng);②K1檢測(cè)到冷卻油流量正常，TR1復(fù)歸，設(shè)定時(shí)間到，備用油泵停止運(yùn)行;③此時(shí)因主用油泵永久故障K1又檢測(cè)到冷卻油流量低，備用油泵再次啟動(dòng)，不斷反復(fù)啟停。造成的影響一是極大地加快了設(shè)備的損壞速度，二是油流量可能不足導(dǎo)致水導(dǎo)軸承燒瓦。

4）所有信號(hào)上送至監(jiān)控系統(tǒng)均是通過(guò)接線輸入方式，因控制箱設(shè)計(jì)容量有限，接入監(jiān)控系統(tǒng)信號(hào)較少，無(wú)系統(tǒng)綜合告警信號(hào)。

5）系統(tǒng)不能準(zhǔn)確判斷已具備開(kāi)機(jī)條件而停止備用油泵，存在機(jī)組開(kāi)機(jī)時(shí)偶爾因備用油泵停止時(shí)間過(guò)早、水導(dǎo)軸承上油槽油量不足導(dǎo)致機(jī)組開(kāi)機(jī)失敗問(wèn)題。

2 平班水電站水導(dǎo)軸承冷卻油系統(tǒng)自動(dòng)控制設(shè)計(jì)方案

2.1 控制原理簡(jiǎn)述

根據(jù)新的運(yùn)行方式需求，對(duì)水導(dǎo)軸承冷卻油系統(tǒng)控制回路進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，新方案由PLC程序?qū)崿F(xiàn)兩臺(tái)油泵的自動(dòng)啟動(dòng)和停止、主備用自動(dòng)輪換和故障處理，同時(shí)將系統(tǒng)的大量信號(hào)集成至PLC模塊，簡(jiǎn)化外部回路接線。此外，對(duì)水導(dǎo)軸承冷卻油系統(tǒng)進(jìn)行建模分析，通過(guò)綜合運(yùn)算輸出精確到每一個(gè)元件的故障告警信號(hào)，實(shí)現(xiàn)其全部自動(dòng)控制和智能告警，水導(dǎo)軸承冷卻油系統(tǒng)兩臺(tái)油泵控制原理設(shè)計(jì)一致，1號(hào)油泵控制原理如下圖2所示：

2.2 程序設(shè)計(jì)

1）系統(tǒng)具備開(kāi)機(jī)條件綜合信號(hào)：將分別安裝在水導(dǎo)軸承上油槽+X、+Y方向的水導(dǎo)軸承上油槽油位低信號(hào)1傳感器、信號(hào)2傳感器，以及水導(dǎo)軸承冷卻油流量低流量信號(hào)接入PLC，三者同時(shí)復(fù)歸表示冷卻油已全方位浸沒(méi)水導(dǎo)軸承瓦且冷卻油流量滿足散熱要求，系統(tǒng)具備開(kāi)機(jī)條件[4]。

2）主備用自動(dòng)輪換：PLC程序以油泵啟動(dòng)運(yùn)行信號(hào)的下降沿作為其主用終止標(biāo)記，主用終止標(biāo)記觸發(fā)后，對(duì)應(yīng)泵的啟動(dòng)計(jì)數(shù)器自動(dòng)加1，以泵的啟動(dòng)次數(shù)較小者為主用，實(shí)現(xiàn)油泵的自動(dòng)輪換功能。

3）自動(dòng)啟動(dòng)、停止：1號(hào)、2號(hào)油泵運(yùn)行方式切換把手3SA1、4SA1切至“自動(dòng)”控制，系統(tǒng)接到監(jiān)控系統(tǒng)遠(yuǎn)方啟水導(dǎo)外循環(huán)系統(tǒng)令，PLC程序同時(shí)動(dòng)作1號(hào)、2號(hào)油泵啟動(dòng)繼電器15KA1、15KA2，為避免傳感器的信號(hào)抖動(dòng)引起誤判，在PLC收到油系統(tǒng)具備開(kāi)機(jī)條件綜合信號(hào)并保持10秒后，再?gòu)?fù)歸備用油泵啟動(dòng)繼電器。系統(tǒng)接到監(jiān)控系統(tǒng)遠(yuǎn)方停水導(dǎo)外循環(huán)系統(tǒng)令，同時(shí)復(fù)歸15KA1、15KA2。

4）主用油泵故障的自動(dòng)處置：主用油泵發(fā)生故障時(shí)，若為供電開(kāi)關(guān)跳閘等嚴(yán)重故障，立即停止該泵的運(yùn)行，并啟動(dòng)備用油泵作為永久主用油泵運(yùn)行;若為主用油泵漏油，單臺(tái)油泵運(yùn)行不足以滿足冷卻油流量供應(yīng)等一般性故障，立即啟動(dòng)備用油泵并切為主用油泵運(yùn)行，避免故障油泵的頻繁啟停。

5）油泵啟停間隔過(guò)短告警：以某臺(tái)油泵的啟動(dòng)運(yùn)行信號(hào)下降沿作為油系統(tǒng)停泵標(biāo)記，某臺(tái)油泵的啟動(dòng)運(yùn)行信號(hào)上升沿作為油系統(tǒng)啟泵標(biāo)記。從停泵標(biāo)記產(chǎn)生時(shí)起開(kāi)始計(jì)時(shí)，在油泵啟停間隔過(guò)短設(shè)定值內(nèi)又產(chǎn)生了啟泵標(biāo)記，PLC程序立即產(chǎn)生油泵啟停間隔過(guò)短告警信號(hào)，告警信號(hào)需運(yùn)維人員現(xiàn)場(chǎng)確認(rèn)復(fù)歸。

6）信號(hào)上送：用PLC內(nèi)部的BIT_TO_WORD功能塊，將大量的開(kāi)關(guān)BOOL量集約至少量的連續(xù)WORD地址中達(dá)到減少通信帶寬的目的，并通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)Modbus通信協(xié)議與監(jiān)控系統(tǒng)通信。[5]

3 新方案運(yùn)行功能驗(yàn)證

根據(jù)水導(dǎo)軸承冷卻油系統(tǒng)運(yùn)行需求，使用UnityPro軟件通過(guò)簡(jiǎn)單直觀的梯形圖編程，并使用仿真器進(jìn)行模擬系統(tǒng)運(yùn)行的各種工況信號(hào)輸出。使用UnityPro軟件仿真結(jié)果如下：

1）系統(tǒng)初始狀態(tài)：1號(hào)油泵主用，1號(hào)、2號(hào)油泵空開(kāi)合上，1號(hào)、2號(hào)油泵切至自動(dòng)運(yùn)行控制，1號(hào)、2號(hào)油泵主備用切至自動(dòng)輪換控制，水導(dǎo)軸承上油槽油位1、油位2油位低動(dòng)作，冷卻油流量低動(dòng)作。

2）模擬遠(yuǎn)方啟水導(dǎo)外循環(huán)系統(tǒng)令，此時(shí)兩臺(tái)油泵同時(shí)啟動(dòng)，水導(dǎo)軸承上油槽油位1和油位2油位低、水導(dǎo)軸承外循環(huán)冷卻油流量低復(fù)歸，系統(tǒng)具備開(kāi)機(jī)條件，延時(shí)10秒，備用油泵2號(hào)泵停止運(yùn)行，主用油泵1號(hào)泵持續(xù)運(yùn)行，如下圖3所示：

3）模擬遠(yuǎn)方停水導(dǎo)外循環(huán)系統(tǒng)令，1號(hào)油泵自動(dòng)切為備用，2號(hào)油泵自動(dòng)輪換至主用狀態(tài)（CONTROL_COMMOND[7]為0），再次模擬遠(yuǎn)方啟水導(dǎo)外循環(huán)系統(tǒng)，系統(tǒng)啟動(dòng)正常具備開(kāi)機(jī)條件后，備用油泵1號(hào)泵停止運(yùn)行，主用油泵2號(hào)泵持續(xù)運(yùn)行，如下圖4所示：

4）在初始狀態(tài)下，模擬遠(yuǎn)方啟水導(dǎo)外循環(huán)系統(tǒng)令，在系統(tǒng)啟動(dòng)正常，此時(shí)在油泵啟停間隔時(shí)間過(guò)短設(shè)置值內(nèi)模擬1號(hào)油泵空開(kāi)跳閘，系統(tǒng)立即啟動(dòng)備用油泵，因系統(tǒng)在油泵啟停間隔監(jiān)視時(shí)間內(nèi)又發(fā)生油泵啟動(dòng)事件，故產(chǎn)生水導(dǎo)外循環(huán)油泵啟停間隔過(guò)短告警，如下圖5所示：

綜上仿真結(jié)果表明，新方案能夠?qū)崿F(xiàn)兩臺(tái)油泵自動(dòng)啟停運(yùn)行、主備用自動(dòng)輪換、主用油泵故障自動(dòng)切換至備用油泵運(yùn)行并告警和啟停間隔過(guò)短告警等功能，以及經(jīng)過(guò)優(yōu)化后實(shí)現(xiàn)水導(dǎo)軸承冷卻油系統(tǒng)的100%開(kāi)機(jī)成功率。

4結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)對(duì)原來(lái)的控制原理進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)其存在兩臺(tái)油泵無(wú)自動(dòng)輪換功能、無(wú)智能告警以及主用油泵故障后備用油泵頻繁啟停、開(kāi)機(jī)成功率不可控等問(wèn)題。本文根據(jù)新的運(yùn)行需求，采用PLC技術(shù)對(duì)其重新設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了兩臺(tái)油泵自動(dòng)啟動(dòng)和停止、主備用自動(dòng)輪換、主用油泵故障的自動(dòng)處置和油泵啟停間隔過(guò)短告警，同時(shí)將系統(tǒng)的大量外部回路輸入信號(hào)集成至PLC模塊，通過(guò)通信方式將大量狀態(tài)監(jiān)視和告警信號(hào)上送監(jiān)控系統(tǒng)，極大地簡(jiǎn)化外部回路接線，提高設(shè)備的運(yùn)行維護(hù)效率。最終經(jīng)過(guò)仿真軟件模擬真實(shí)運(yùn)行環(huán)境驗(yàn)證，新方案完全能夠滿足“遠(yuǎn)程集控、無(wú)人值班（少人值守）”管理模式要求，平班水電站的設(shè)備可靠性、安全性以及自動(dòng)控制水平得到全面提升。

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