一種新型空氣冷卻器漏水檢測(cè)隔離系統(tǒng)

曾曉虎，蘇 雷，丁 強(qiáng)，楊 靜

(國(guó)能大渡河檢修安裝有限公司，四川 樂山 614900)

水電站空氣冷卻器是發(fā)電機(jī)組重要附屬設(shè)備，空氣冷卻器主要由支撐框架、不銹鋼冷卻管、鋁制散熱片組成[1]。熱交換原理過程：熱空氣經(jīng)過空氣冷卻器的熱風(fēng)進(jìn)氣口通道進(jìn)入，由空氣冷卻器的冷風(fēng)排氣口排出，在這個(gè)過程中，將熱空氣中攜帶的熱量傳遞給空氣冷卻器的不銹鋼冷卻管和鋁制散熱片，不銹鋼冷卻管和鋁制散熱片的熱量與不銹鋼冷卻管內(nèi)的冷卻水進(jìn)行熱交換后，熱交換后的熱量由不銹鋼冷卻管內(nèi)的冷卻水帶走，以得到冷卻的空氣。目前水電站發(fā)電機(jī)上運(yùn)行的空氣冷卻器普遍為強(qiáng)迫式水循環(huán)結(jié)構(gòu)型式，該結(jié)構(gòu)形式要求空氣冷卻器各處具有良好的密封性能[2]。但是，由于空氣冷卻器的管材選擇、制造缺陷或設(shè)備運(yùn)行老化等方面的原因，水電站發(fā)電機(jī)空氣冷卻器不可避免地會(huì)存在較大的滲漏隱患。

為了發(fā)現(xiàn)水電站發(fā)電機(jī)空氣冷卻器滲漏隱患，防范于未然，水電站發(fā)電機(jī)上的空氣冷卻器安裝了漏水集中采集檢測(cè)裝置[3]。但是，由于空氣冷卻器及漏水集中采集檢測(cè)裝置的結(jié)構(gòu)特性，這些漏水集中采集檢測(cè)裝置無法達(dá)到應(yīng)有的效果，主要原因如下：其一，空氣冷卻器橫截面大，潛在滲漏部位多，滲漏信號(hào)不能全方位采集；其二，如果冷卻管存在沙眼等細(xì)小缺陷，滲漏量小，也無法及時(shí)檢測(cè)出滲漏信號(hào)，導(dǎo)致滲漏繼續(xù)惡化最終演變?yōu)樾孤4]，其三，漏水集中采集檢測(cè)裝置在空氣冷卻器底部采集滲漏水，如果冷卻管滲漏水是以噴淋和柱狀方式泄漏，該檢測(cè)裝置仍不易檢測(cè)出漏水故障[5]。

目前采用的空氣冷卻器漏水集中采集檢測(cè)裝置不能滿足電站機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行以及當(dāng)今智慧電廠運(yùn)行維護(hù)的發(fā)展要求，對(duì)此，本文研發(fā)出一種新型空氣冷卻器漏水檢測(cè)隔離系統(tǒng)，能夠及時(shí)、準(zhǔn)確和可靠地檢測(cè)定位空冷漏水，并通過多種信息傳遞方式告警，提醒機(jī)組運(yùn)行人員及時(shí)采取緊急隔離措施，避免發(fā)電機(jī)燒毀，防止設(shè)備重大事故，減少運(yùn)營(yíng)成本，為水輪發(fā)電機(jī)組長(zhǎng)期安全穩(wěn)定運(yùn)行提供保障。

1 檢測(cè)系統(tǒng)基本原理

該檢測(cè)系統(tǒng)在發(fā)電機(jī)的每臺(tái)空氣冷卻器的熱風(fēng)口處，均安裝有一張漏水檢測(cè)網(wǎng)，該檢測(cè)網(wǎng)能夠大面積覆蓋冷卻器散熱面，及時(shí)準(zhǔn)確地檢測(cè)到空氣冷卻器的漏水情況。每張檢測(cè)網(wǎng)與對(duì)應(yīng)漏水檢測(cè)儀連接，漏水檢測(cè)儀檢測(cè)漏水信號(hào)輸入PLC監(jiān)控系統(tǒng)。當(dāng)發(fā)電機(jī)空冷器發(fā)生漏水，漏水檢測(cè)網(wǎng)立即感應(yīng)，通過漏水檢測(cè)儀檢測(cè)出漏水，漏水檢測(cè)儀將漏水信號(hào)輸入PLC，PLC監(jiān)控系統(tǒng)通過485通訊方式，在就地監(jiān)控屏上顯示漏水冷卻器編號(hào)位置，同時(shí)上傳漏水信號(hào)或漏水報(bào)文至機(jī)組集控室監(jiān)控后臺(tái)，提醒運(yùn)行巡檢人員立即就地核查確認(rèn)。漏水冷卻器的隔離操作分兩種方式，一種是運(yùn)行巡檢人員根據(jù)漏水信號(hào)，在對(duì)應(yīng)冷卻器處確認(rèn)漏水后，就地關(guān)閉該冷卻器的進(jìn)出口閥門，另一種是由PLC接收到漏水信號(hào)后，驅(qū)動(dòng)對(duì)應(yīng)出口繼電器，自動(dòng)關(guān)閉漏水冷卻器的進(jìn)出口閥門。通過隔離滲漏故障冷卻器，防止水電站發(fā)電機(jī)定子因進(jìn)水而發(fā)生接地短路事故被燒毀[6]，為水電站發(fā)電機(jī)長(zhǎng)期安全運(yùn)行提供了保障。

2 檢測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成

檢測(cè)系統(tǒng)包括漏水檢測(cè)網(wǎng)、漏液檢測(cè)器、PLC控制器及監(jiān)控屏，檢測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。

圖1 檢測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成圖

漏水檢測(cè)網(wǎng)主要由相互平行布置的檢測(cè)網(wǎng)右和檢測(cè)網(wǎng)左以及絕緣支撐框架組成，檢測(cè)網(wǎng)右和檢測(cè)網(wǎng)左之間存在間隙。檢測(cè)網(wǎng)由多根橫豎相交、繃直的鋼絲均勻編織成網(wǎng)，相鄰并平行的兩根鋼絲之間的距離為4.5～5.5 mm，檢測(cè)網(wǎng)鋼絲直徑均為0.5～1.5 mm。檢測(cè)網(wǎng)左、右分別與漏液檢測(cè)器電連接，檢測(cè)網(wǎng)右和檢測(cè)網(wǎng)左通過絕緣支撐框架豎立支撐在空氣冷卻器的熱風(fēng)進(jìn)氣口通道內(nèi)，當(dāng)檢測(cè)網(wǎng)檢測(cè)到空氣冷卻器漏水時(shí)，檢測(cè)網(wǎng)右和檢測(cè)網(wǎng)左之間通過空氣冷卻器泄漏出的水導(dǎo)通，漏液檢測(cè)器因此而接收到漏水信號(hào)[7]。

漏液檢測(cè)器選用日本歐姆龍K7L-AT50型，該漏液檢測(cè)器穩(wěn)定可靠，從50 MΩ電阻液體到普通水都能穩(wěn)定檢測(cè)，可設(shè)定4級(jí)檢測(cè)范圍，能夠根據(jù)液體特性檢測(cè)。

PLC控制器選用施耐德國(guó)際品牌，監(jiān)控屏選用國(guó)內(nèi)品牌，HMI監(jiān)控屏與PLC，以及 PLC與電廠集控后臺(tái)均通過485通訊連絡(luò)。通過對(duì)漏水檢測(cè)的邏輯編程以及冷卻器運(yùn)行工況的畫面組態(tài)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)電機(jī)冷卻器系統(tǒng)漏水的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

3 漏水檢測(cè)網(wǎng)

3.1 漏水檢測(cè)網(wǎng)最優(yōu)網(wǎng)面選型

選擇網(wǎng)面絲徑分別為0.6、0.8 mm和1.0 mm，孔徑分別為4、5、6、8 mm不同規(guī)格的304不銹鋼篩網(wǎng)，采用噴淋和柱狀噴水方式，設(shè)定不同的靈敏度檢測(cè)電阻定值，模擬空冷器漏水故障，檢測(cè)故障動(dòng)作時(shí)間，以確定檢測(cè)網(wǎng)最優(yōu)網(wǎng)面。

通過試驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析，得出以下判斷：

1)所有規(guī)格檢測(cè)網(wǎng)的試驗(yàn)都能檢測(cè)出漏水信號(hào)，最短檢測(cè)時(shí)間為：1.23 s，最長(zhǎng)檢測(cè)時(shí)間為：18.56 s。

2)漏水信號(hào)檢測(cè)時(shí)間有一定的離散性，主要與檢測(cè)噴水距離、噴淋網(wǎng)子部位、噴水水量以及兩次噴水時(shí)間間隔有關(guān)。

3)檢測(cè)網(wǎng)絲徑與檢測(cè)動(dòng)作時(shí)間無關(guān)。

4)檢測(cè)網(wǎng)網(wǎng)孔孔徑大小與漏水檢測(cè)動(dòng)作時(shí)間直接相關(guān)，孔徑越小，動(dòng)作時(shí)間越短，孔徑越大，動(dòng)作時(shí)間越長(zhǎng)。

5)漏水檢測(cè)器檢測(cè)電阻設(shè)定越大，動(dòng)作越靈敏，檢測(cè)動(dòng)作時(shí)間越短。

6)噴淋噴水檢測(cè)動(dòng)作時(shí)間較柱狀噴水檢測(cè)動(dòng)作時(shí)間略長(zhǎng)。

依據(jù)以上試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析判斷，考慮保證通風(fēng)效果、穩(wěn)定可靠快速地漏水檢測(cè)，以及檢測(cè)網(wǎng)的網(wǎng)面強(qiáng)度和整體重量要求，選擇網(wǎng)面：絲徑0.8 mm，孔徑6 mm，檢測(cè)儀漏水檢測(cè)電阻600 K。

3.2 漏水檢測(cè)網(wǎng)外形結(jié)構(gòu)

現(xiàn)場(chǎng)查勘發(fā)電機(jī)定子基座出風(fēng)口內(nèi)壁尺寸，高1 560 mm、寬1 148 mm，以此設(shè)計(jì)檢測(cè)網(wǎng)外框尺寸為：高1 540 mm、寬1 135 mm，厚30 mm，檢測(cè)網(wǎng)框架絕緣板材有：亞克力板、PVC板以及3024環(huán)氧樹脂板，綜合考慮框架整體強(qiáng)度、耐熱及絕緣要求，選用3024環(huán)氧樹脂板。板材厚度有3、4、5、6、8 mm，在保證整體切割成型框架后強(qiáng)度滿足要求的前提下，盡量減輕檢測(cè)網(wǎng)重量，便于運(yùn)行維護(hù)，選用板材厚度為5 mm。檢測(cè)網(wǎng)金屬網(wǎng)面絲徑0.8 mm，孔徑6 mm，選用304不銹鋼材質(zhì)，既保證其導(dǎo)電性和工藝美觀，又防止銹蝕。檢測(cè)網(wǎng)固定螺栓需絕緣，可選用塑料螺栓和不銹鋼絕緣套螺栓，考慮到塑料螺栓長(zhǎng)期在較高溫度環(huán)境運(yùn)行，易老化脆裂，選用不銹鋼絕緣套螺栓M5X30，絕緣套管選用環(huán)氧樹脂材料，壁厚1 mm，不銹鋼螺栓需具有防滑止退功能。為進(jìn)一步強(qiáng)化檢測(cè)網(wǎng)整體強(qiáng)度，檢測(cè)網(wǎng)四周外沿加裝不銹鋼邊框，邊框?qū)挾?0 mm，同時(shí)也增加了檢測(cè)網(wǎng)的工藝美觀性。檢測(cè)網(wǎng)外形設(shè)計(jì)圖如圖2所示。

圖2 檢測(cè)網(wǎng)外形結(jié)構(gòu)圖

4 電氣監(jiān)控系統(tǒng)

4.1 電氣分控箱

分控箱內(nèi)安裝歐姆龍K7L-AT50型漏液檢測(cè)器，用于檢測(cè)空冷器漏水時(shí)檢漏網(wǎng)產(chǎn)生的電阻變化信號(hào)，同時(shí)將檢測(cè)到的漏水信號(hào)輸入總控箱內(nèi)的PLC監(jiān)控器，分控箱內(nèi)部元件接線如圖3所示。

圖3 分控箱內(nèi)部元件接線圖

電路原理：直流24 V電源進(jìn)雙極220 V 5 A小空開，漏液檢測(cè)器接24 V電源，輸入為漏水檢測(cè)網(wǎng)引線，輸出啟動(dòng)24 V中間繼電器，中間繼電器空接點(diǎn)輸出至總控箱PLC對(duì)應(yīng)的DI輸入點(diǎn)。

4.2 電氣總控箱

電源電路圖：交流220 V電源通過空氣開關(guān)QO送入PLC監(jiān)控系統(tǒng)，送入后分成三路，一路供PLC的CPU使用，另一路供HMI監(jiān)控屏使用,還有一路供24 V PLC控制電源使用，HLO電源指示燈用于監(jiān)視電源運(yùn)行狀況，如圖4所示。HMI監(jiān)控屏與PLC，以及PLC與電廠集控后臺(tái)均通過485通訊連絡(luò)。18路開關(guān)信號(hào)(SK1-SK18)分別對(duì)應(yīng)一臺(tái)機(jī)組的18臺(tái)空氣冷卻器，其接點(diǎn)即為18臺(tái)空氣冷卻器漏水檢測(cè)儀的輸出接點(diǎn)?？諝饫鋮s器漏水，對(duì)應(yīng)檢測(cè)儀將漏水檢測(cè)信號(hào)輸入PLC的DI對(duì)應(yīng)端口(2-19)。PLC輸出繼電器KA1-KA18對(duì)應(yīng)一臺(tái)機(jī)組的18臺(tái)空氣冷卻器，當(dāng)有空氣冷卻器漏水檢測(cè)信號(hào)輸入，PLC在自動(dòng)模式下，即驅(qū)動(dòng)對(duì)應(yīng)出口繼電器，控制漏水空氣冷卻器的進(jìn)出口閥門關(guān)閉，隔離漏水空氣冷卻器。HL1為PLC故障指示燈，當(dāng)PLC發(fā)生內(nèi)部故障時(shí)，該指示燈亮，提醒故障維修。

圖4 監(jiān)控系統(tǒng)圖

5 安裝與調(diào)試

5.1 安裝

檢測(cè)網(wǎng)按現(xiàn)場(chǎng)安裝環(huán)境位置，以及運(yùn)行維護(hù)方便，選用抽屜插入式安裝方式。

在發(fā)電機(jī)定子基座出風(fēng)口的壁沿上，焊接豎直U型不銹鋼滑槽，不銹鋼滑槽開口35 mm，壁厚1.5 mm，高1 560 mm，同時(shí)在定子基座的出風(fēng)口上端，開長(zhǎng)槽孔1 140 mm×40 mm，用于檢測(cè)網(wǎng)從上往下插入滑槽。檢測(cè)網(wǎng)插入滑槽后，需在定子基座出風(fēng)口的觀察孔處，查看檢測(cè)網(wǎng)插入是否平直到位，有無異常。插入正常后，將檢測(cè)網(wǎng)上部電氣接線牽出，封閉槽孔。

為避免漏水檢測(cè)儀因接線過長(zhǎng)受到電磁干擾，漏水檢測(cè)儀控制箱需靠近檢測(cè)網(wǎng)就近安裝，安裝位置應(yīng)便于接線和檢查。安裝固定采用點(diǎn)焊方式固定在發(fā)電機(jī)定子基座外沿上。

PLC監(jiān)控總控箱就近安裝在發(fā)電機(jī)風(fēng)室外墻邊沿，環(huán)境溫、濕度均需滿足電子元器件產(chǎn)品的運(yùn)行條件，同時(shí)便于現(xiàn)場(chǎng)巡視檢查，柜體采用地腳膨脹螺栓固定，柜體需可靠接地。

系統(tǒng)裝置安裝完成后，按照電氣原理圖進(jìn)行系統(tǒng)接線。主電源線采用4×2.5 mm2硬銅線，分支電源線采用4×1.5 mm2硬銅線，信號(hào)反饋線采用4×1.5 mm2軟屏蔽線。

5.2 調(diào)試

上電前對(duì)系統(tǒng)作全面檢查：檢查裝置安裝完好穩(wěn)固，檢查所有接線正確緊固，檢查所有空氣開關(guān)均處在斷開位置。

首先合上PLC監(jiān)控柜內(nèi)總電源開關(guān)，正常后投入監(jiān)控系統(tǒng)空氣開關(guān)，檢查PLC及監(jiān)控屏帶電是否正常，PLC有無異常信號(hào)，HMI監(jiān)控屏畫面顯示是否正確，正常后再分別依次投入就地檢測(cè)儀控制箱內(nèi)的電源開關(guān)，逐一檢查檢測(cè)儀帶電是否正常，有無誤發(fā)信號(hào)，檢查完畢無異常，則系統(tǒng)上電檢查完成。

在任一就地檢測(cè)儀控制箱處，人為短接檢測(cè)儀輸出接點(diǎn)，模擬空冷器漏水，PLC接收到檢測(cè)儀發(fā)出的漏水信號(hào)后，應(yīng)立即在控制柜的監(jiān)控屏上報(bào)警顯示對(duì)應(yīng)漏水空冷器的位置編號(hào)，同時(shí)在該機(jī)組的集控后臺(tái)發(fā)出漏水報(bào)警信號(hào)和報(bào)文。短接撤出，報(bào)警保持，系統(tǒng)手動(dòng)復(fù)歸。

新型空氣冷卻器漏水檢測(cè)隔離系統(tǒng)首次投入電站機(jī)組運(yùn)行，為檢驗(yàn)該系統(tǒng)的準(zhǔn)確可靠性，隔離方式須采用手動(dòng)模式，即系統(tǒng)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)漏水故障，需運(yùn)行維護(hù)人員就地檢測(cè)確認(rèn)，無誤后方可手動(dòng)關(guān)閉漏水空氣冷卻器的進(jìn)出口閥門，隔離故障。待該檢測(cè)隔離系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定成熟后，方可啟用自動(dòng)故障隔離模式，即檢測(cè)發(fā)現(xiàn)漏水故障，自動(dòng)關(guān)閉故障空氣冷卻器進(jìn)出口閥門，隔離故障，提高機(jī)組安全運(yùn)行的自動(dòng)化水平。

6 結(jié) 語

新型空氣冷卻器漏水檢測(cè)隔離系統(tǒng)的開發(fā)和應(yīng)用，解決了原漏水集中采集檢測(cè)裝置檢測(cè)性能較低與不足，確保漏水故障全面及時(shí)、準(zhǔn)確可靠定位檢出，快速自動(dòng)隔離故障，保障機(jī)組安全運(yùn)行，提高機(jī)組自動(dòng)化運(yùn)行水平，滿足智慧電廠運(yùn)行檢修的高標(biāo)準(zhǔn)要求。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了：①解決原檢測(cè)系統(tǒng)不能全方位采集的問題，檢測(cè)網(wǎng)能夠全面檢測(cè)冷卻器滲漏部位；②實(shí)現(xiàn)就地和后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)告警，提醒機(jī)組運(yùn)行人員，并自動(dòng)隔離漏水故障設(shè)備，避免設(shè)備重大事故，提升設(shè)備故障處理的自動(dòng)化能力；③能夠全面及時(shí)、準(zhǔn)確可靠地檢測(cè)、定位空氣冷卻器漏水，最大程度延長(zhǎng)冷卻器的使用壽命，減少運(yùn)行維修人員工作量，降低運(yùn)營(yíng)成本。該系統(tǒng)的關(guān)鍵點(diǎn)是漏水檢測(cè)網(wǎng)的選擇，必須滿足通風(fēng)要求，且能夠保持足夠的靈敏性，需現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定合適的網(wǎng)面。在應(yīng)用上需要注意該系統(tǒng)首次投入運(yùn)行時(shí)隔離方式須采用手動(dòng)模式，待試運(yùn)行穩(wěn)定成熟后，方可啟用自動(dòng)故障隔離模式。