桑墟水電站水輪機(jī)軸承箱油溫自動(dòng)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)研制方案比選

唐子明

（江蘇省淮沭新河管理處，江蘇 淮安 223001）

0 前言

水電站作為利用水能源進(jìn)行發(fā)電的設(shè)施，水輪發(fā)電機(jī)組是其核心組成設(shè)備，對(duì)于水電站運(yùn)行十分重要，直接影響其發(fā)電效率。而水輪機(jī)在運(yùn)行過程中，由于軸承箱運(yùn)行發(fā)熱會(huì)導(dǎo)致油溫升高，因此需要對(duì)其實(shí)時(shí)監(jiān)督，避免油溫升高導(dǎo)致軸承損壞，致使水輪機(jī)無(wú)法運(yùn)行或運(yùn)行效率低下。基于此，本文以實(shí)際項(xiàng)目為例探究水輪機(jī)軸承箱油溫自動(dòng)檢測(cè)預(yù)警系統(tǒng)研制方案具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 工程概況

桑墟水電站位于江蘇省沭陽(yáng)縣桑墟鎮(zhèn)薔薇村東北與東海縣房山鎮(zhèn)吳場(chǎng)村交界，是利用沭新河排洪或向連云港所送工農(nóng)用水發(fā)電的小型水利工程，兼有向薔薇河（連云港方向）、淮沭新河（東海方向）送水灌溉的任務(wù)。桑墟站閘門全開設(shè)計(jì)流量為25 m3/s。交通設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)汽-10,拖-30，橋面凈寬4.5 m，高程8.75 m。1986 年5 月建成，7 月并網(wǎng)發(fā)電，共5 臺(tái)機(jī)組，裝機(jī)總量500 kW,配備TSN-59/6-100 型發(fā)電機(jī)，ZDJ-LM-100 型水輪機(jī)5 臺(tái)套。2014 年10 月完成擴(kuò)效增容改造，裝機(jī)總?cè)萘?25 kW，發(fā)電機(jī)型號(hào)SF125-20/990-W，水輪機(jī)型號(hào)ZDT03-LM-100。水輪發(fā)電機(jī)軸承箱的油溫限值是60 ℃，是水輪發(fā)電機(jī)組安全運(yùn)行的重要指標(biāo)。

2 自動(dòng)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)研制的必要性

通常情況下，桑墟水電站水輪發(fā)電機(jī)軸承箱的油溫限值是60 ℃，是水輪發(fā)電機(jī)組安全運(yùn)行的重要指標(biāo)，傳統(tǒng)檢測(cè)工作中，主要采取每隔1 h 人工用測(cè)溫槍檢測(cè)一次的方法進(jìn)行監(jiān)測(cè)，存在位置不準(zhǔn)確、數(shù)據(jù)不精準(zhǔn)、采集不全面、異常情況報(bào)警不及時(shí)等問題，特別是夏季期間，受環(huán)境和硬件條件限制，廠房溫度近40 ℃，軸承箱油溫也隨之升高，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的必要性迫在眉睫[1]。為解決這些問題，保證安全運(yùn)行，本文針對(duì)水輪發(fā)電機(jī)軸承箱油溫監(jiān)測(cè)方面開展管理實(shí)用研究。通過安裝紅外溫度傳感器和數(shù)字式儀表，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)軸承箱油溫，并對(duì)超限制數(shù)據(jù)通過聲光報(bào)警裝置及時(shí)報(bào)警，提醒運(yùn)行值班人員采取措施，保障設(shè)備運(yùn)行安全。確保桑墟水電站穩(wěn)定運(yùn)行。

3 自動(dòng)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)研制目標(biāo)

結(jié)合桑墟水電站水輪機(jī)運(yùn)行情況，通過在水輪機(jī)油箱安裝紅外溫度傳感器與數(shù)字式儀表，對(duì)其油溫進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。以便能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)油溫異常現(xiàn)象，通過聲光報(bào)警方式進(jìn)行報(bào)警，提醒相關(guān)工作人員采取措施進(jìn)行處理，確保水輪機(jī)設(shè)備運(yùn)行正常。有關(guān)紅外溫度傳感器采用4~20 mA、0~200 ℃紅外探頭采集軸承溫度，選用一路4~20 mA 采集口、一路數(shù)字量開關(guān)輸出和一路RS485 儀表顯示當(dāng)前溫度，選用支持RS485 轉(zhuǎn)4G DTU 模塊傳輸數(shù)據(jù)。紅外探頭不需要接觸軸承表面就可以直接測(cè)量出軸承溫度，這樣更加安全并且安裝靈活快捷，采用4~20 mA 信號(hào)維修維保更加方便[2]。采用多功能儀表可以實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前溫度，還可以設(shè)置報(bào)警值，溫度過高時(shí)可以提示工作人員，支持使用RS485 和遠(yuǎn)程4G DTU 模塊適配通信，4G DTU 模塊可以通過APP 網(wǎng)頁(yè)等方式在線檢測(cè)溫度，后期也可以加入主網(wǎng)集成到檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)在手機(jī)上查看與預(yù)警，以便能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題解決問題，保障設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行。

4 桑墟水電站水輪機(jī)軸承箱油溫自動(dòng)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)研制方案比選

根據(jù)桑墟水電站水輪機(jī)運(yùn)行情況，本文提出兩種方案，方案一為紅外測(cè)溫儀+智能儀表+遠(yuǎn)程DTU 4G 模塊+蜂鳴報(bào)警系統(tǒng)，方案二為紅外測(cè)溫儀+集成數(shù)顯儀表功能的PLC 控制系統(tǒng)，從兩種方案運(yùn)行原理出發(fā)，探究其施工難點(diǎn)與經(jīng)濟(jì)性，通過兩種方案比選，確定水輪機(jī)軸承油溫自動(dòng)檢測(cè)預(yù)警系統(tǒng)研制方案，為后期該水電站水輪機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行提供保障。

4.1 方案1：紅外測(cè)溫儀+智能儀表+遠(yuǎn)程DTU 4G 模塊+蜂鳴報(bào)警系統(tǒng)

4.1.1 系統(tǒng)運(yùn)行原理

計(jì)劃采用4~20 mA、0~200℃紅外探頭采集軸承溫度，選用一路4~20 mA 采集口、一路數(shù)字量開關(guān)輸出和一路RS485 儀表顯示當(dāng)前溫度，選用支持RS485 轉(zhuǎn)4G DTU 模塊傳輸數(shù)據(jù)。

紅外探頭不需要接觸軸承表面就可以直接測(cè)量出軸承溫度，這樣更加安全并且安裝靈活快捷，采用4~20 mA 信號(hào)維修維保更加方便。采用多功能儀表可以實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前溫度，還可以設(shè)置報(bào)警值溫度過高時(shí)提示工作人員，支持RS485 和遠(yuǎn)程4G DTU模塊適配通信，4G DTU 模塊可以通過APP 網(wǎng)頁(yè)等方式在線檢測(cè)溫度，也可以加入主網(wǎng)集成到檢測(cè)系統(tǒng)[3]。紅外監(jiān)測(cè)器正對(duì)軸承箱，紅外監(jiān)測(cè)器與控制模塊為電性連接，顯示屏與控制模塊為電性連接，報(bào)警器與控制模塊為電性連接，控制模塊與無(wú)線傳輸模塊為電性連接，無(wú)線傳輸模塊無(wú)線連接主機(jī)端，紅外監(jiān)測(cè)器正對(duì)軸承箱，通過紅外測(cè)溫的方式監(jiān)測(cè)軸承箱的溫度，并將監(jiān)測(cè)的溫度傳遞至控制模塊，控制模塊將溫度顯示在顯示屏上，當(dāng)內(nèi)部溫度超過預(yù)設(shè)的危險(xiǎn)值時(shí)，控制模塊控制警報(bào)器啟動(dòng)，警報(bào)器發(fā)出警報(bào)聲警示周圍的工作人員，同時(shí)通過無(wú)線傳輸模塊傳遞信息至主機(jī)端[4]。

線圈纏繞設(shè)置于鐵心的表面，線圈的兩端均與控制組件連接，監(jiān)測(cè)設(shè)備和紅外監(jiān)測(cè)器均設(shè)置于磁吸板的表面，磁吸板與裝置主體為磁性連接，監(jiān)測(cè)設(shè)備內(nèi)部安裝有電池，電池與控制組件為電性連接，控制組件為供電控制開關(guān)組件，磁吸板為可拆卸結(jié)構(gòu)，磁吸板的頂端表面安裝有控制按鈕，其控制按鈕與控制組件為電性連接，控制按鈕為按壓式開關(guān)，監(jiān)測(cè)設(shè)備和紅外監(jiān)測(cè)器與磁吸板一體設(shè)計(jì)，使用者可通過拆卸磁吸板對(duì)監(jiān)測(cè)設(shè)備和紅外監(jiān)測(cè)器進(jìn)行移動(dòng)，使紅外監(jiān)測(cè)器能正對(duì)軸承箱從而實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)溫度保持正常運(yùn)行[5]。

使用者需要監(jiān)測(cè)軸承箱的溫度時(shí)，按壓控制按鈕后，內(nèi)部的控制組件打開電池對(duì)線圈的供電，線圈獲得供電后，因?yàn)榫€圈纏繞于鐵心的表面，根據(jù)電磁鐵原理，鐵心迅速獲得磁性，使用者便可將磁吸板磁吸在裝置主體上，當(dāng)使用者再次按壓控制按鈕時(shí)，內(nèi)部的控制組件停止電池對(duì)線圈的供電，磁吸板失去磁性，使其能從裝置主體上拆卸下來，利用該原理將其固定在裝置主體上，使用者可通過拆卸磁吸板對(duì)監(jiān)測(cè)設(shè)備和紅外監(jiān)測(cè)器進(jìn)行移動(dòng)，使紅外監(jiān)測(cè)器正對(duì)軸承箱從而實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)溫度保持正常運(yùn)行[6]。紅外監(jiān)測(cè)器通過紅外測(cè)溫的方式監(jiān)測(cè)軸承箱的溫度，并將監(jiān)測(cè)的溫度傳遞至控制模塊，控制模塊將溫度顯示在顯示屏上，當(dāng)內(nèi)部溫度超過預(yù)設(shè)的危險(xiǎn)值時(shí)，控制模塊控制警報(bào)器啟動(dòng)，警報(bào)器發(fā)出警報(bào)聲警示周圍的工作人員，同時(shí)通過無(wú)線傳輸模塊傳遞信息至主機(jī)端[7]。

4.1.2 創(chuàng)新點(diǎn)

（1）通過紅外監(jiān)測(cè)器采用紅外的方式監(jiān)測(cè)軸承箱的溫度，當(dāng)內(nèi)部溫度過高時(shí)進(jìn)行報(bào)警，及時(shí)提醒相關(guān)工作人員采取處理措施，提高了設(shè)備運(yùn)行安全性；

（2）監(jiān)測(cè)設(shè)備和紅外檢測(cè)器可利用吸板的電磁鐵原理進(jìn)行拆卸更換位置，方便工作人員拆卸和維修，優(yōu)化了工作人員的工作過程和工作量；

（3）通過智能數(shù)顯監(jiān)測(cè)儀表顯示實(shí)時(shí)的軸承箱溫度，能數(shù)字化直觀反映軸承箱的溫度變化[8]。

4.2 方案2：紅外測(cè)溫儀+集成數(shù)顯儀表功能的PLC 控制系統(tǒng)

此方案是將方案1 中的“顯示儀表和遠(yuǎn)程DTU 4G 模塊”替換為“集成數(shù)顯儀表功能的PLC 控制系統(tǒng)”，目的是溫度超過限值時(shí)，水輪機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)停運(yùn)，原理同方案1。

本方案的創(chuàng)新點(diǎn)如下：①適合信號(hào)遠(yuǎn)距離傳輸，匹配各類二次儀表、PLC、DCS 采集等各種需要；②系統(tǒng)精準(zhǔn)化、自動(dòng)化程度高。

4.3 方案比選

4.3.1 施工難點(diǎn)對(duì)比

根據(jù)上述兩個(gè)方案，在桑墟水電站工程現(xiàn)場(chǎng)開展調(diào)研和方案模擬，選擇最佳實(shí)施方案。經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查分析，得出采用方案1 無(wú)論是安裝位置的選擇，還是布線施工，可操作性都比方案2更具優(yōu)勢(shì)（表1）。

表1 施工方案對(duì)比分析表

4.3.2 施工經(jīng)濟(jì)性對(duì)比

通過表2 可知，方案1 比方案2 更加經(jīng)濟(jì)。

表2 方案經(jīng)濟(jì)性分析(按安裝一套系統(tǒng)計(jì)算)單位：元

4.3.3 方案選定

經(jīng)過方案對(duì)比分析，方案1 優(yōu)勢(shì)明顯，相較于方案2 而言，不僅具有安裝簡(jiǎn)便、周期短、免維護(hù)等優(yōu)勢(shì)，信號(hào)轉(zhuǎn)化的精度以及穩(wěn)定性也較高，技術(shù)可行性優(yōu)勢(shì)明顯。此外，考慮到方案經(jīng)濟(jì)性，方案1 無(wú)論是原材料還是加工費(fèi)投入都比方案2 少，施工周期短，故選定方案1 作為最佳方案（表3）。

表3 方案對(duì)比表

5 結(jié)語(yǔ)

結(jié)合當(dāng)前桑墟水電站水輪機(jī)設(shè)備運(yùn)行情況來看，想要對(duì)軸承箱油溫進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，防止水輪機(jī)設(shè)備因油溫過高產(chǎn)生故障，需要結(jié)合實(shí)況研制自動(dòng)檢測(cè)預(yù)警系統(tǒng)。本文提出兩種系統(tǒng)構(gòu)建方案，根據(jù)方案對(duì)比情況來看，采用紅外測(cè)溫儀+智能儀表+遠(yuǎn)程DTU 4G 模塊+蜂鳴報(bào)警系統(tǒng)這一方案，經(jīng)濟(jì)便捷，施工難度低，比紅外測(cè)溫儀+集成數(shù)顯儀表功能的PLC 控制系統(tǒng)更具優(yōu)勢(shì)。基于此，在桑墟水電站水輪機(jī)軸承油溫監(jiān)測(cè)工作中，選擇前一方案進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，希望能為水輪機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行提供有利條件。