基于磁條編碼器的水電機(jī)組蠕動監(jiān)測裝置的應(yīng)用

王凱

(五凌電力有限公司洪江水力發(fā)電廠，湖南 懷化 418200)

0 引言

蠕動現(xiàn)象是指當(dāng)水輪發(fā)電機(jī)組在停機(jī)狀態(tài)下發(fā)生自行低速轉(zhuǎn)動的現(xiàn)象。停機(jī)狀態(tài)下，水輪機(jī)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)處于完全關(guān)閉狀態(tài)，但設(shè)備由于長時間運(yùn)行，呈現(xiàn)老化，特別是導(dǎo)葉軸套等轉(zhuǎn)動連接部件磨損時或者設(shè)備安裝誤差會造成導(dǎo)葉在關(guān)閉狀態(tài)下無法做到完全密封[1－2]，導(dǎo)葉的端面或立面會存在一定的間隙，因此會出現(xiàn)導(dǎo)葉漏水現(xiàn)象[3－4]。隨著水輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行時間的增加，導(dǎo)葉漏水呈逐漸增大趨勢，當(dāng)漏水量增大到一定程度時，水流沖擊水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪，就會使機(jī)組轉(zhuǎn)動部件產(chǎn)生緩慢轉(zhuǎn)動[5－6]。機(jī)組蠕動屬于機(jī)組水力機(jī)械故障，對機(jī)組導(dǎo)軸承和推力軸承的危害很大。在機(jī)組停機(jī)后，軸瓦間隙間的油膜逐漸消失，機(jī)組蠕動時，軸瓦處于干摩擦狀態(tài)[7]，如果摩擦?xí)r間過長，易導(dǎo)致接觸面刮花，摩擦系數(shù)增大。在機(jī)組啟動后，軸承溫度升高，輕則導(dǎo)致機(jī)組軸瓦溫度高、機(jī)械事故停機(jī)，重則軸瓦嚴(yán)重?zé)龘p且無法修復(fù)，必須檢修進(jìn)行更換，而檢修時間長，工作量大，經(jīng)濟(jì)損失嚴(yán)重[5，8]。機(jī)組蠕動現(xiàn)象具有隱蔽性，不易察覺，對機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來了極大的隱患[9]。因此，為了保證機(jī)組運(yùn)行的安全性和延長機(jī)組設(shè)備的使用壽命，有必要對機(jī)組蠕動進(jìn)行檢測和控制，及時發(fā)現(xiàn)機(jī)組蠕動現(xiàn)象并采取措施消除蠕動[10]。

GB/T11805—2019?水輪發(fā)電機(jī)組自動化元件(裝置)及其系統(tǒng)基本技術(shù)條件?規(guī)定:當(dāng)機(jī)組大軸蠕動角度在1.5°~2°時，要求蠕動監(jiān)測裝置可靠地發(fā)出報警接點(diǎn)信號[11－12]。目前行業(yè)上常見的兩種蠕動監(jiān)測裝置分別是齒盤監(jiān)測和傳統(tǒng)機(jī)械觸點(diǎn)監(jiān)測[13]。如采用齒盤監(jiān)測，需要齒盤齒數(shù)達(dá)到180~240個，因安裝空間有限、精度低、造價高等原因，對大多數(shù)需要改造或者增設(shè)蠕動監(jiān)測裝置的電廠來說比較難實(shí)現(xiàn)。機(jī)械觸輪與大軸產(chǎn)生磨損，隨著設(shè)備運(yùn)行時間的增加，觸點(diǎn)動作易失靈。

某水力發(fā)電廠裝有6臺燈泡貫流式機(jī)組，總?cè)萘?70 MW。燈泡貫流式機(jī)組是適用于中低水頭徑流式電站的一種性能良好的機(jī)組[14－15]，但該廠設(shè)計(jì)水頭20 m，屬于燈泡貫流式機(jī)組中運(yùn)行水頭較高的電站，易發(fā)生蠕動現(xiàn)象。基于以上原因，該電廠自主研發(fā)一套基于磁條編碼器的水電機(jī)組蠕動監(jiān)測裝置，已在機(jī)組上實(shí)施并成功運(yùn)用。從運(yùn)行效果看，該蠕動監(jiān)測裝置具有控制元器件簡單、精度高、性價比高、可靠性高的特點(diǎn)，可在同行業(yè)推廣應(yīng)用。

1 磁條編碼器原理

編碼器是將信號(如比特流)或數(shù)據(jù)進(jìn)行編制，轉(zhuǎn)換為可用于通信、傳輸和存儲信號形式的設(shè)備。編碼器以其高精度、高分辨力、高可靠性被廣泛應(yīng)用于各種位移測量[16]，增量式編碼器的主要技術(shù)指標(biāo)有分辨力高低、精度大小、輸出信號的穩(wěn)定性、響應(yīng)頻率、信號輸出形式等參數(shù)[17]。磁條是一種新型的高精度工業(yè)產(chǎn)品，可根據(jù)不同軸徑及需求設(shè)計(jì)出不同分辨率的產(chǎn)品(有的產(chǎn)品可達(dá)超過10萬個脈沖的高分辨率)。編碼器按照工作原理可以分成光電式、磁式、感應(yīng)式和電容式等[18]，按接觸方式分為接觸式和非接觸式，按照刻度方法及信號輸出形式一般分為增量型與絕對型[19]。增量型與絕對型的區(qū)別在于:增量型編碼器位置是從零位標(biāo)記開始計(jì)算脈沖數(shù)量確定的，每轉(zhuǎn)一圈可產(chǎn)生一系列的脈沖，脈沖的數(shù)量表示角位移的測量[20]；而絕對型編碼器的位置是由輸出代碼的讀數(shù)確定的，在一圈里每個位置的輸出代碼的讀數(shù)是唯一的，當(dāng)電源斷開或者再次接通時，位置讀數(shù)仍是當(dāng)前有效的。絕對型編碼器的成本一般為增量型的幾倍，蠕動裝置監(jiān)測是在上電正常后累計(jì)疊加計(jì)算脈沖數(shù)值，斷電或蠕動后脈沖自動清零，因此增量型編碼器從功能和經(jīng)濟(jì)性方面均更加適合蠕動裝置應(yīng)用。對采用磁條及非接觸式增量型編碼器搭建的磁條編碼器蠕動監(jiān)測裝置，當(dāng)裝置正常投入運(yùn)行時，開始計(jì)算脈沖數(shù)，達(dá)到設(shè)定閾值即報警，當(dāng)裝置退出運(yùn)行時，脈沖數(shù)自動清零，如此循環(huán)。

2 裝置整體設(shè)計(jì)思路

將磁條與編碼器進(jìn)行組合應(yīng)用，再配套合理的PLC軟件程序，即可實(shí)現(xiàn)基于磁條編碼器的水電機(jī)組蠕動監(jiān)測裝置。該電廠選用的磁條編碼器，磁條上有512個齒，意味著沿著機(jī)組大軸旋轉(zhuǎn)一整圈可感應(yīng)512個脈沖信號，每個齒對應(yīng)角度為0.7°(360°/512)，相當(dāng)于機(jī)組最小蠕動0.7°即可發(fā)出報警信號，精度遠(yuǎn)高于國家標(biāo)準(zhǔn)的要求。

2.1 監(jiān)測裝置電氣回路設(shè)計(jì)及安裝

該裝置整體設(shè)計(jì)簡單、安裝簡便，僅需在機(jī)組的大軸上安裝磁條和編碼器，編碼器采用HDmag原理感應(yīng)磁條上基于精密磁性材料的磁柵元件，當(dāng)磁條隨大軸旋轉(zhuǎn)時，編碼器內(nèi)部磁感應(yīng)頭實(shí)現(xiàn)高分辨率磁感應(yīng)磁柵，經(jīng)信號處理模塊放大、輸出方波脈沖，如圖1所示。將最終的方波脈沖信號送至機(jī)組調(diào)速器電氣柜中的轉(zhuǎn)速裝置控制器中，通過轉(zhuǎn)速裝置控制器來對脈沖信號進(jìn)行高速計(jì)數(shù)，并進(jìn)行軟件編程處理。通過PLC設(shè)計(jì)的程序來監(jiān)測機(jī)組蠕動信號，提高信號可靠性，實(shí)現(xiàn)機(jī)組蠕動邏輯判斷后，輸出機(jī)組蠕動的無源開關(guān)接點(diǎn)信號至投/退蠕動監(jiān)測單元LCU。通過投/退蠕動監(jiān)測單元LCU實(shí)現(xiàn)機(jī)組蠕動信號的上位機(jī)實(shí)時顯示及報警，如圖2所示。機(jī)組停機(jī)后，監(jiān)控LCU自動發(fā)令投入蠕動監(jiān)測裝置開始監(jiān)測，當(dāng)機(jī)組出現(xiàn)蠕動后，轉(zhuǎn)速裝置PLC即可將蠕動信號反饋至機(jī)組LCU。機(jī)組LCU程序邏輯設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)機(jī)組制動風(fēng)閘投入和高壓頂軸油泵啟動，從而消除蠕動，反應(yīng)迅速并全力保護(hù)了機(jī)組軸承不受損壞。

圖1 磁條編碼器信號輸出示意圖

圖2 電氣回路設(shè)計(jì)及裝置安裝

2.2 蠕動監(jiān)測程序邏輯設(shè)計(jì)

蠕動監(jiān)測流程如圖3所示。

圖3 蠕動判斷程序邏輯流程

1)PLC高數(shù)計(jì)數(shù)模塊采集到磁條編碼器輸出的脈沖信號后，程序初始化第一脈沖信號計(jì)數(shù)值C1和第二脈沖信號計(jì)數(shù)值C2并清零，檢測磁條編碼器的脈沖信號，當(dāng)檢測到脈沖信號的上升沿時則跳轉(zhuǎn)步驟2)。

2)對脈沖信號進(jìn)行計(jì)數(shù)，每檢測一個脈沖信號則將第一脈沖信號計(jì)數(shù)值C1加1，延時指定時間T，判斷指定時間T內(nèi)第一脈沖信號計(jì)數(shù)值C1超過第一閾值是否成立。如果成立則判定水輪機(jī)組處于非靜止?fàn)顟B(tài)，退出；否則，判定水輪機(jī)組處于靜止?fàn)顟B(tài)，跳轉(zhuǎn)步驟3)。

3)判斷指定時間T內(nèi)第一脈沖信號計(jì)數(shù)值C1超過第二閾值是否成立，所述第二閾值比第一閾值大，如果成立則判定水輪機(jī)組處于蠕動狀態(tài)。

2.3 監(jiān)控系統(tǒng)聯(lián)動程序設(shè)計(jì)

蠕動監(jiān)測裝置的投入和退出，可由監(jiān)控系統(tǒng)上位機(jī)、現(xiàn)地LCU觸摸屏發(fā)令控制，或者當(dāng)機(jī)組停機(jī)且轉(zhuǎn)速為0、信號動作經(jīng)延時判斷后，自動投入蠕動監(jiān)測裝置，機(jī)組進(jìn)入蠕動監(jiān)測狀態(tài)；機(jī)組發(fā)令開機(jī)或啟動輔機(jī)后或機(jī)組發(fā)生蠕動后，自動退出蠕動監(jiān)測裝置。轉(zhuǎn)速裝置PLC接收到蠕動監(jiān)測裝置投、退命令后，均會開出裝置投、退的反饋信號至監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)時反映裝置的運(yùn)行狀態(tài)。

機(jī)組轉(zhuǎn)速裝置程序判斷機(jī)組蠕動信號后，實(shí)時開出信號至監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行報警；監(jiān)控系統(tǒng)接收到蠕動信號后，必須迅速做出反應(yīng)，采取投入風(fēng)閘制動等保護(hù)措施，及時將轉(zhuǎn)速降為0，停止機(jī)組蠕動，同時啟動高壓頂軸油泵，保護(hù)機(jī)組各導(dǎo)軸承不因低速旋轉(zhuǎn)而損壞[11]，具體流程邏輯如圖4所示。

圖4 監(jiān)控蠕動信號聯(lián)動流程

3 裝置應(yīng)用情況

基于磁條編碼器的水電機(jī)組蠕動監(jiān)控裝置投運(yùn)后，多年來運(yùn)行穩(wěn)定，未發(fā)生因蠕動裝置不可靠導(dǎo)致機(jī)組蠕動而磨損軸瓦的事件，解決了原機(jī)械觸點(diǎn)式蠕動監(jiān)測裝置觸輪磨損及觸點(diǎn)不可靠的問題。電廠原使用機(jī)械觸點(diǎn)式蠕動裝置，當(dāng)機(jī)組發(fā)生蠕動以后，需到機(jī)組大軸上安裝的蠕動裝置本體上手動復(fù)位該裝置，才能復(fù)位蠕動信號?，F(xiàn)在裝置簡化及優(yōu)化回路設(shè)計(jì)后僅需在調(diào)速器電氣調(diào)節(jié)柜上按下故障復(fù)歸按鈕即可，為設(shè)備維護(hù)帶來極大的便利。

本裝置的蠕動監(jiān)測最小分辨角度為0.7°，遠(yuǎn)高于國家標(biāo)準(zhǔn)，具有檢測精度高的優(yōu)點(diǎn)。裝置成本低、性價比高，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡單，無須在大軸進(jìn)行任何加工，安裝方便?？刂圃砘芈泛啙崳瑱C(jī)組臨時停機(jī)消缺期間也可實(shí)施監(jiān)測，提高了工作效率，降低了檢修成本。

4 結(jié)語

目前，國內(nèi)多數(shù)水電廠蠕動監(jiān)測裝置存在不可靠或未安裝蠕動監(jiān)控裝置的問題，對水電機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來很大安全隱患。基于磁條編碼器的水電機(jī)組蠕動監(jiān)控裝置可以解決裝置不可靠、精度低等問題，保證水輪發(fā)電機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。