平班水電站水導軸承冷卻油系統自動控制設計方案

梁添

摘要：平班水電站采用主備式兩臺油泵對水導軸承進行外循環冷卻，兩臺油泵的啟動、停止和主備用輪換控制通過純接線設計實現，無主備用自動輪換、故障自動處置和智能告警功能，不滿足“遠程集控、無人值班（少人值守）”管理模式要求。筆者經過深入剖析原來的控制原理指出其存在的不足，根據新的運行需求提出了自動控制設計方案，并通過計算機仿真技術驗證方案的可行性，對提高水電廠設備的可靠性、安全性以及自動控制水平具有一定的借鑒意義。

關鍵詞：冷卻油系統;智能告警;無人值班;自動控制

0 引言

平班水電站水輪機導軸承瓦安裝在水導軸承上油槽，設有兩臺冷卻油泵，系統運行時，油泵排出水導軸承下油槽的熱油經過設置在外部的冷卻裝置后變成冷卻油進入水導軸承上油槽，冷卻油依靠自重力流過水導軸承瓦與主軸的安裝間隙回到下油槽不斷循環冷卻。兩臺油泵為主備式運行，機組開機過程中，主、備用兩臺油泵同時啟動運行，經過經驗時間后備用油泵停止，主用油泵持續運行。目前兩臺油泵的啟動、停止和主備用輪換控制通過接觸器、繼電器的純接線設計實現，無主備用自動輪換、故障自動處置、智能告警功能，以及存在偶爾因水導軸承上油槽油位低導致機組開機失敗問題，不滿足“遠程集控、無人值班（少人值守）”管理模式要求[1]。

本文以平班水電站水導軸承冷卻油系統作為研究對象，分析了現有控制方案的缺陷和不足，按照設備可靠性、安全性以及自動控制的要求，采用可編程邏輯控制器（PLC）技術對其重新設計[2]，提出了新的設計方案以實現其完全自動控制和智能告警功能[3]。

1 平班水電站水導軸承冷卻油系統控制原理分析

1.1 控制原理說明

平班水電站水導軸承冷卻油系統基本控制原理圖如下圖1所示：

水導軸承冷卻油系統兩臺油泵運行方式相同，現以1號油泵主用為例說明，根據原理圖，1號油泵主用的自動運行方式如下：①1號、2號油泵選擇開關SO1、SO2切換至“Auto”位，SO1、SO2觸點“1、2”斷開，“3、4”導通;②主備用選擇開關SO3切至“M1 Lead”位，SO3觸點“1、2”、“5、6”、“9、10”、“13、14”導通，“3、4”、“7、8”、“11、12”、“15、16”斷開;③系統接到監控系統遠方啟泵令，中間繼電器R1、延時斷開繼電器TR1動作，1、2號油泵同時運行;④冷卻油流量正常后，TR1復歸，設定時間到，2號油泵停止運行;⑤系統運行過程中檢測到冷卻油流量低，TR1又動作，2號油泵啟動運行;⑦系統接到監控系統遠方停泵令，R1復歸，1號油泵停止運行。

1.2 現行控制方式的不足

1）兩臺油泵的啟動、停止和主備用輪換控制通過接觸器、繼電器的純接線設計實現，接線回路較為繁雜，不便于故障排查。

2）兩臺油泵無自動輪換功能，需要操作人員定期切換兩臺油泵的主備用運行方式，不滿足“遠程集控、無人值班（少人值守）”管理模式要求。

3）系統運行過程中主用油泵發生永久故障時，備用油泵的運行過程將如下：①油流量開關K1檢測到冷卻油流量低，TR1動作，備用油泵啟動;②K1檢測到冷卻油流量正常，TR1復歸，設定時間到，備用油泵停止運行;③此時因主用油泵永久故障K1又檢測到冷卻油流量低，備用油泵再次啟動，不斷反復啟停。造成的影響一是極大地加快了設備的損壞速度，二是油流量可能不足導致水導軸承燒瓦。

4）所有信號上送至監控系統均是通過接線輸入方式，因控制箱設計容量有限，接入監控系統信號較少，無系統綜合告警信號。

5）系統不能準確判斷已具備開機條件而停止備用油泵，存在機組開機時偶爾因備用油泵停止時間過早、水導軸承上油槽油量不足導致機組開機失敗問題。

2 平班水電站水導軸承冷卻油系統自動控制設計方案

2.1 控制原理簡述

根據新的運行方式需求，對水導軸承冷卻油系統控制回路進行重新設計，新方案由PLC程序實現兩臺油泵的自動啟動和停止、主備用自動輪換和故障處理，同時將系統的大量信號集成至PLC模塊，簡化外部回路接線。此外，對水導軸承冷卻油系統進行建模分析，通過綜合運算輸出精確到每一個元件的故障告警信號，實現其全部自動控制和智能告警，水導軸承冷卻油系統兩臺油泵控制原理設計一致，1號油泵控制原理如下圖2所示：

2.2 程序設計

1）系統具備開機條件綜合信號：將分別安裝在水導軸承上油槽+X、+Y方向的水導軸承上油槽油位低信號1傳感器、信號2傳感器，以及水導軸承冷卻油流量低流量信號接入PLC，三者同時復歸表示冷卻油已全方位浸沒水導軸承瓦且冷卻油流量滿足散熱要求，系統具備開機條件[4]。

2）主備用自動輪換：PLC程序以油泵啟動運行信號的下降沿作為其主用終止標記，主用終止標記觸發后，對應泵的啟動計數器自動加1，以泵的啟動次數較小者為主用，實現油泵的自動輪換功能。

3）自動啟動、停止：1號、2號油泵運行方式切換把手3SA1、4SA1切至“自動”控制，系統接到監控系統遠方啟水導外循環系統令，PLC程序同時動作1號、2號油泵啟動繼電器15KA1、15KA2，為避免傳感器的信號抖動引起誤判，在PLC收到油系統具備開機條件綜合信號并保持10秒后，再復歸備用油泵啟動繼電器。系統接到監控系統遠方停水導外循環系統令，同時復歸15KA1、15KA2。

4）主用油泵故障的自動處置：主用油泵發生故障時，若為供電開關跳閘等嚴重故障，立即停止該泵的運行，并啟動備用油泵作為永久主用油泵運行;若為主用油泵漏油，單臺油泵運行不足以滿足冷卻油流量供應等一般性故障，立即啟動備用油泵并切為主用油泵運行，避免故障油泵的頻繁啟停。

5）油泵啟停間隔過短告警：以某臺油泵的啟動運行信號下降沿作為油系統停泵標記，某臺油泵的啟動運行信號上升沿作為油系統啟泵標記。從停泵標記產生時起開始計時，在油泵啟停間隔過短設定值內又產生了啟泵標記，PLC程序立即產生油泵啟停間隔過短告警信號，告警信號需運維人員現場確認復歸。

6）信號上送：用PLC內部的BIT_TO_WORD功能塊，將大量的開關BOOL量集約至少量的連續WORD地址中達到減少通信帶寬的目的，并通過標準Modbus通信協議與監控系統通信。[5]

3 新方案運行功能驗證

根據水導軸承冷卻油系統運行需求，使用UnityPro軟件通過簡單直觀的梯形圖編程，并使用仿真器進行模擬系統運行的各種工況信號輸出。使用UnityPro軟件仿真結果如下：

1）系統初始狀態：1號油泵主用，1號、2號油泵空開合上，1號、2號油泵切至自動運行控制，1號、2號油泵主備用切至自動輪換控制，水導軸承上油槽油位1、油位2油位低動作，冷卻油流量低動作。

2）模擬遠方啟水導外循環系統令，此時兩臺油泵同時啟動，水導軸承上油槽油位1和油位2油位低、水導軸承外循環冷卻油流量低復歸，系統具備開機條件，延時10秒，備用油泵2號泵停止運行，主用油泵1號泵持續運行，如下圖3所示：

3）模擬遠方停水導外循環系統令，1號油泵自動切為備用，2號油泵自動輪換至主用狀態（CONTROL_COMMOND[7]為0），再次模擬遠方啟水導外循環系統，系統啟動正常具備開機條件后，備用油泵1號泵停止運行，主用油泵2號泵持續運行，如下圖4所示：

4）在初始狀態下，模擬遠方啟水導外循環系統令，在系統啟動正常，此時在油泵啟停間隔時間過短設置值內模擬1號油泵空開跳閘，系統立即啟動備用油泵，因系統在油泵啟停間隔監視時間內又發生油泵啟動事件，故產生水導外循環油泵啟停間隔過短告警，如下圖5所示：

綜上仿真結果表明，新方案能夠實現兩臺油泵自動啟停運行、主備用自動輪換、主用油泵故障自動切換至備用油泵運行并告警和啟停間隔過短告警等功能，以及經過優化后實現水導軸承冷卻油系統的100%開機成功率。

4結語

經過對原來的控制原理進行分析，發現其存在兩臺油泵無自動輪換功能、無智能告警以及主用油泵故障后備用油泵頻繁啟停、開機成功率不可控等問題。本文根據新的運行需求，采用PLC技術對其重新設計，實現了兩臺油泵自動啟動和停止、主備用自動輪換、主用油泵故障的自動處置和油泵啟停間隔過短告警，同時將系統的大量外部回路輸入信號集成至PLC模塊，通過通信方式將大量狀態監視和告警信號上送監控系統，極大地簡化外部回路接線，提高設備的運行維護效率。最終經過仿真軟件模擬真實運行環境驗證，新方案完全能夠滿足“遠程集控、無人值班（少人值守）”管理模式要求，平班水電站的設備可靠性、安全性以及自動控制水平得到全面提升。

參考文獻

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[3]徐希，張劍，孫世明.地區電網智能調度輔助決策系統[J].電力系統保護與控制，2012，36（2）：111-115.

[4]梁武科，趙道利，黃秋紅，吳羅長.基于多傳感器信息融合的水輪機導軸承故障診斷方法[J].水力發電學報，2004，23（4）：117-121.

[5]朱小襄.ModBus通信協議及編程[J].電子工程師，2005，31（7）：42-44.