張方慶

（永州盛湘電力開發(fā)有限公司，湖南 永州425000）

燈泡貫流式水輪發(fā)電機具有結(jié)構(gòu)緊湊，過流能力強、過流通道水力損失小、效率高，是目前開發(fā)低水頭水力資源首選的發(fā)電機組類型。由于其特殊結(jié)構(gòu)，需配置較多的輔助設(shè)備，其中最重要的是潤滑油系統(tǒng)，機組軸承及推力瓦潤滑用油必須采用循環(huán)的供油方式，運轉(zhuǎn)的機組必須保證潤滑供油不能中斷，如中斷供油在很短的時間內(nèi)將會導(dǎo)致軸承及推力瓦燒毀，這類事故是燈泡貫流式水輪發(fā)電機在豐水季節(jié)非正常長期停運的主要原因之一。我國每年均有多臺機組發(fā)生同類型的事故，事故處理時間一般均在30d以上，對電站產(chǎn)生嚴(yán)重的經(jīng)濟損失。而造成這類事故發(fā)生的根本原因是潤滑油的控制、保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計不合理導(dǎo)致。

1 潤滑油泵控制電路及系統(tǒng)自動監(jiān)測裝置設(shè)計可靠性分析

目前燈泡貫流式水輪發(fā)電機組控制監(jiān)視均采用PLC實現(xiàn)，通過設(shè)計相關(guān)的程序，對潤滑油系統(tǒng)的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視與控制，實際上是PLC實時掃描潤滑油系統(tǒng)中通過自動化裝置監(jiān)測的開關(guān)量及模擬量的狀態(tài)而啟動相關(guān)程序，驅(qū)動輸出回路，而PLC的輸出是由相關(guān)的控制電路實現(xiàn)的。潤滑油泵控制電路及對潤滑油系統(tǒng)監(jiān)測的自動化裝置是確保機組潤滑油控制系統(tǒng)可靠性的硬件條件。在潤滑油監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計時，首先要油泵控制電路簡單、可靠，自動化監(jiān)測元件配置完善。

1.1 潤滑油泵控制電路可靠性設(shè)計分析

為了保證機組可靠連續(xù)供油，目前燈泡貫流式水輪機均配置2臺潤滑油油泵，1臺主用1臺備用。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化控制回路，一般采用“手動”和“自動”控制，正常情況下采用“自動控制”方式，由機組輔助設(shè)備的PLC程序控制或是機組LCU中的PLC程序控制。只有在自動控制系統(tǒng)故障或調(diào)試時采用“手動”控制方式?！白詣印笨刂苹芈房煽啃栽O(shè)計顯得十分重要，目前“自動”控制回路主要有2種設(shè)計電路，1種是采用一個PLC輸出繼電器控制油泵的啟停，1種是采用2個PLC輸出繼電器分別控制油泵的啟停。

采用一個PLC輸出繼電器控制回路接線簡單，PLC控制程序也相對簡單，但由于只采用一個繼電器控制，機組運行時該繼電器需要長時間帶電來保證潤滑油泵持續(xù)運轉(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滑油泵停止，特別是機組輔助設(shè)備采用LCU單元中PLC控制時，如發(fā)現(xiàn)PLC故障，不但潤滑油泵停止而導(dǎo)致機組供油中斷，而且會使機組水機保護(hù)拒動作，故障報警信息無法上傳至上位機而提醒運行人員，這必將導(dǎo)致機組軸承、推力瓦燒毀。如果機組輔助設(shè)備采用單獨的PLC控制，上述問題將不存在，因為當(dāng)機組輔助設(shè)備PLC故障時，機組LCU將會收到潤滑油泵停止及機組潤滑油事故停機油位或潤滑油供油中斷信號而啟動事故停機程序?qū)C組停下來，從而保護(hù)機組免受燒軸瓦事故。如果機組輔助設(shè)備采用LCU單元PLC控制，而LCU采用2N配置或是雙CPU模式，而上述問題也將不存在，因為當(dāng)機組1套PLC故障時，另1套PLC仍能正常工作。

而采用2個PLC輸出繼電器控制方式，啟動潤滑油泵時，PLC程序驅(qū)動啟泵繼電器，自動回路通過潤滑油泵接觸器本身的輔助接點自保持，啟泵繼電器通過程序中該臺油泵接觸器“運行”狀態(tài)復(fù)歸。而停止?jié)櫥捅脮r，PLC程序驅(qū)動停泵繼電器，斷開油泵接觸器自保持回路。PLC輸出繼電器只在潤滑油泵啟動與停止時參與控制，在機組穩(wěn)定運行過程中潤滑油泵控制回路完全獨立，與PLC的狀態(tài)無關(guān)，PLC只對潤滑油泵的狀態(tài)、潤滑油系統(tǒng)的油量等參數(shù)進(jìn)行監(jiān)視，PLC根據(jù)這些狀態(tài)來執(zhí)行啟備用程序、報警程序或是停機程序。這種控制回路可避免控制輔助設(shè)備的PLC故障時使機組潤滑油泵停止的風(fēng)險。只是接線及控制程序較復(fù)雜一些，但可靠性提高。在燈泡貫流式水輪機輔助設(shè)備采用與機組LCU共用1套PLC，且LCU沒有冗余時，潤滑油泵必須采用兩個繼電器的控制電路圖，這是保證機組供油正常的最可靠的電路。

1.2 潤滑油控制、監(jiān)視系統(tǒng)及自動化配置可靠性分析

燈泡貫流式水輪發(fā)電機潤滑油系統(tǒng)自動化元件的配置及其工作的可靠性是確保機組潤滑油系統(tǒng)正常工作的硬件條件，由于到目前為止我國還沒有關(guān)于燈泡貫流式水電站自動化配置方面的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。設(shè)計院大部分是根據(jù)主機廠的標(biāo)準(zhǔn)配置來設(shè)計，這就導(dǎo)致了燈泡貫流水輪機潤滑油系統(tǒng)的監(jiān)視與控制的自動化元件配置，在不同廠家之間相差較大，有的機組采用配置自動化元件過多，有的機組配置自動化元件過少，從保證潤滑油系統(tǒng)安全可靠的前提下，從經(jīng)濟和技術(shù)方面考慮單機容量在4MW及以上的機組潤滑油系統(tǒng)自動化按表1所示要求進(jìn)行配置。

表1中的自動化元件配置，在機組PLC程序編寫完善的前提下能夠較全面的監(jiān)視潤滑油系統(tǒng)工作是否正常，其輸入至PLC的開關(guān)量數(shù)據(jù)表如下頁表2所示，輸入至PLC的模擬量數(shù)據(jù)表如下頁表3所示。

表1 潤滑油系統(tǒng)自動化元件配置一覽表

由于燈泡貫流式水輪機潤滑油是一個循環(huán)系統(tǒng)，因此在這一個循環(huán)系統(tǒng)中的任何一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)故障均可導(dǎo)致機組軸瓦、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套完整的自動化測量與監(jiān)視元件是確保潤滑油控制、監(jiān)視系統(tǒng)可靠性的基礎(chǔ)，在此基礎(chǔ)上編寫一套完整、可靠的PLC監(jiān)視、控制程序。

2 潤滑油系統(tǒng)控制、監(jiān)測程序設(shè)計可靠性分析

在確保潤滑油泵控制電路簡單、可靠，自動化監(jiān)測元件配置完善的硬件前提下，需要有完整、合理的控制、監(jiān)測程序與之匹配，通過程序掃描潤滑油系統(tǒng)各自動化的測量數(shù)據(jù)，執(zhí)行編寫好的程序，驅(qū)動相關(guān)的控制電路或數(shù)據(jù)傳送指令。

2.1 潤滑油泵控制程序

潤滑油系統(tǒng)中的潤滑油泵在機組啟動開始至機組停止的過程中是連續(xù)工作的，在各種工況下至少要保護(hù)1臺潤滑油泵連接運行將經(jīng)潤滑回油箱的油輸送至高位油箱。為確保油泵長周期可靠運行，2臺油泵應(yīng)采取定期自動輪換的方式運行。

（1）機組在非停機狀態(tài)（啟動、空載、空轉(zhuǎn)、負(fù)載）下，當(dāng)運行中的潤滑油泵無論是什么原因停止運行（包括電機保護(hù)動作，手動停止等），PLC程序必須啟動投另1臺油泵程序，并驅(qū)動輸出回路，同時還應(yīng)將信息傳送至上位機進(jìn)行語音報警。

（2）機組在非停機狀態(tài)（啟動、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，PLC程序必須啟動投另1臺油泵程序，并驅(qū)動輸出回路，同時還應(yīng)將信息傳送至上位機進(jìn)行語音報警。

表2 潤滑油系統(tǒng)輸入至PLC的開關(guān)量數(shù)據(jù)表

表3 潤滑油系統(tǒng)輸入至PLC的模擬量數(shù)據(jù)表

2.2 潤滑油系統(tǒng)保護(hù)程序

由于潤滑油系統(tǒng)對燈泡貫流式水輪機的軸瓦、軸承安全運行起到?jīng)Q定性作用，因此當(dāng)潤滑油系統(tǒng)出現(xiàn)故障將危及到機組安全時，PLC必須啟動機組事故停機程序，將機組安全停下來，避免事故的發(fā)生。近年來發(fā)生的多次燒瓦、燒軸承事故均與機組潤滑油系統(tǒng)的保護(hù)程序不完善、不準(zhǔn)確有關(guān)系。通過對多起典型燒瓦事故的分析，經(jīng)過反復(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判斷如危及機組安全時啟動事故停機程序，將機組安全停下。

（1）高位油箱油位降至“事故停機油位”時啟動事故停機程序。機組在非停機狀態(tài)下，當(dāng)高位油箱的油位持續(xù)下降時，說明潤滑油系統(tǒng)出現(xiàn)故障。如果高位油箱的油量耗盡將會使機組軸瓦、軸承因缺油而燒壞，由于機組潤滑油量一般均較大，當(dāng)油位達(dá)到這個位置時，潤滑供油將會很快中斷，因此這個保護(hù)十分重要，必須保護(hù)該保護(hù)程序可靠動作。為使該油位可靠測量，防止油位下降至該油位時液位開關(guān)拒動作，可采用2N的配置模式，即配置2個獨立的液位開關(guān)，將其輸出點并聯(lián)，只要有1個動作就能啟動停機程序。并將信號傳至上位機進(jìn)行語音報警，并推出模擬光字牌。

（2）軸瓦、軸承供油中斷時，啟動事故停機程序。機組在非停機狀態(tài)下，通過在正、反推力瓦、發(fā)電機徑向軸承、水輪機徑向軸承供油處設(shè)置監(jiān)測供油流量的裝置，當(dāng)各供油的流量裝置監(jiān)測到供油中斷信號時向PLC發(fā)出“供油中斷”事故信號，PLC啟動事故停機程序。并將信號傳至上位機進(jìn)行語音報警，并推出模擬光字牌。為防止該保護(hù)誤動作，程序編寫時可采取“供油偏少”和“供油中斷”2個信號“與”的邏輯關(guān)系。為保證供油流量監(jiān)測的準(zhǔn)確性，應(yīng)采用數(shù)字式的流量計量裝置。

（3）潤滑回油箱出現(xiàn)“油位過低”，且高位油箱油下降至“啟備用泵油位”時，應(yīng)啟動停機程序。因為當(dāng)潤滑回油箱油位過低時，將會使?jié)櫥赜拖溆臀坏陀跐櫥捅玫奈涂趯?dǎo)致油泵無法正常工作，而此時如高位油箱油位在持續(xù)下降，說明系統(tǒng)供油出現(xiàn)故障，當(dāng)油位下降至“啟備用泵油位”時，即使啟動另1臺潤滑油泵，也不能將故障消除，因此出現(xiàn)這種條件時應(yīng)啟動停機程序，自動將機組安全停下來，并將信號傳至上位機進(jìn)行語音報警，并推出模擬光字牌。

（4）機組在非停機狀態(tài)（啟動、空載、空轉(zhuǎn)、負(fù)載）下，當(dāng)高位油箱油溫過高時，PLC應(yīng)啟動事故停機程序。因為潤滑油系統(tǒng)主要是潤滑及冷卻作用。當(dāng)高位油箱油溫過高時，說明機組潤滑回油的冷卻系統(tǒng)出現(xiàn)故障，不能將回油進(jìn)行冷卻，如果高溫潤滑油供給各軸瓦軸承，隨著時間的增加潤滑油系統(tǒng)的油溫會不斷增加，即使供油正常也最終會使各軸瓦、軸承溫度過高而燒毀。因此為確保機組的安全，潤滑油系統(tǒng)保護(hù)程序應(yīng)設(shè)計溫度保護(hù)程序，并將信號傳至上位機進(jìn)行語音報警，并推出模擬光字牌。

2.3 潤滑油系統(tǒng)監(jiān)視程序

潤滑油系統(tǒng)的保護(hù)程序是在該系統(tǒng)已無法正常工作，危及到機組安全的情況下將機組安全停下來的措施。潤滑油系統(tǒng)的事故是由系統(tǒng)故障演變而來，如果及時發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)故障并及時消除故障，完全可避免潤滑油系統(tǒng)事故的發(fā)生。因此PLC應(yīng)實時監(jiān)測潤滑油系統(tǒng)的工作狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的不正常工作狀態(tài)，并將信號傳送至上位機發(fā)出相應(yīng)的語音報警信號，記錄相關(guān)事件，并按機組運行規(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）開關(guān)量信號監(jiān)視。潤滑油系統(tǒng)程序應(yīng)按表2所示PLC輸入的開關(guān)量進(jìn)行編寫，表中所有故障信號均應(yīng)實時掃描，收到相關(guān)故障信號后，應(yīng)實時啟動相關(guān)報警程序，并將故障信號傳至上位機進(jìn)行語音報警，實時顯示，打印記錄，并彈出相應(yīng)的運行指導(dǎo)意見，以提醒運行人員進(jìn)行處理將故障消除。比較重要的故障信號應(yīng)在上位機推出相關(guān)的模擬光字牌（如表中所列）。在此基礎(chǔ)上，還應(yīng)設(shè)計2臺潤滑油泵同時停止或投備用潤滑油失敗的報警信號并推出光字牌，以提醒運行人員及時發(fā)現(xiàn)故障，及時采取相應(yīng)的措施。具體開關(guān)量監(jiān)測的自動化元件配置可參照表1。

（2）模擬量信號監(jiān)視。模擬量能線性反映被監(jiān)測量。因此通過模擬量傳感器對潤滑油系統(tǒng)的液位、流量、溫度進(jìn)行實時監(jiān)測，將數(shù)據(jù)上傳至上位機實時顯示，并設(shè)計上限、下限越限語音報警程序，使運行人員能夠?qū)崟r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。

3 機組計算機監(jiān)控系統(tǒng)配置對潤滑油控制系統(tǒng)可靠性影響分析

可靠的控制電路及監(jiān)視與控制程序是潤滑油監(jiān)控系統(tǒng)確保燈泡貫流式水輪發(fā)電機安全運行的最主要手段。由于潤滑油監(jiān)控系統(tǒng)是機組計算機監(jiān)控系統(tǒng)的一部分，因此計算機監(jiān)控系統(tǒng)硬件配置間接影響到潤滑油監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性。

3.1 機組PLC配置可靠分析

目前大部分運行的貫流式水輪發(fā)電機現(xiàn)地控制單元均采用單套PLC配置（CPU、電源模塊、開入/開出模塊、通信模塊等），這就導(dǎo)致當(dāng)PLC出現(xiàn)故障，特別是CPU死機時，出現(xiàn)潤滑油系統(tǒng)故障，PLC將無法正常工作，不能執(zhí)行相關(guān)的故障處理程序，無法提醒運行人員進(jìn)行處理。更重要的是當(dāng)出現(xiàn)潤滑油中斷時無法啟動事故停機程序?qū)C組停下來，其后果必將造成燒軸瓦、軸承的事故。因此當(dāng)機組單機容量達(dá)4MW及以上時，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，備用CUP投入工作，并將故障信息上傳至上位機提醒運行人員，避免事故的發(fā)生。這點是目前燈泡貫流式水輪發(fā)電機監(jiān)控設(shè)計時忽視的一點，機組輔助設(shè)備、其他控制、保護(hù)裝置均配置了主備用裝置，相對于機組安全更重要的計算機監(jiān)控系統(tǒng)中PLC更應(yīng)采取主備用的配置方式。

3.2 網(wǎng)絡(luò)通信及上位機配置可靠性分析

目前水電廠采用分布式控制方式，PLC與上位機大部分采用以太網(wǎng)光纖通信方式，為確保與上位機的通信可靠，及時、可靠地將PLC采集的各種實時的狀態(tài)量、故障量及事故量傳送至上位機，提醒運行人員研判與處理，上位機與PLC的通信應(yīng)采用雙網(wǎng)絡(luò)通信，同時上位機的工作站應(yīng)采用主、備用配置方式，確保整個計算機控制系統(tǒng)2N的配置方式，提高系統(tǒng)的可靠性。

4 結(jié)束語

可靠的燈泡貫流式水輪發(fā)電機組潤滑油監(jiān)控系統(tǒng)是避免機組軸瓦、軸承燒毀事故發(fā)生最主要的技術(shù)措施。通過分析研究可知，設(shè)計1套可靠的潤滑油監(jiān)控系統(tǒng)可避免因潤滑油系統(tǒng)故障而導(dǎo)致燒軸瓦、軸承事故的發(fā)生。