灯泡贯流式水轮发电机润滑油系统可靠性设计

2019-03-29张方庆

水电站机电技术 2019年3期

张方庆

（永州盛湘电力开发有限公司，湖南永州425000）

灯泡贯流式水轮发电机具有结构紧凑，过流能力强、过流通道水力损失小、效率高，是目前开发低水头水力资源首选的发电机组类型。由于其特殊结构，需配置较多的辅助设备，其中最重要的是润滑油系统，机组轴承及推力瓦润滑用油必须采用循环的供油方式，运转的机组必须保证润滑供油不能中断，如中断供油在很短的时间内将会导致轴承及推力瓦烧毁，这类事故是灯泡贯流式水轮发电机在丰水季节非正常长期停运的主要原因之一。我国每年均有多台机组发生同类型的事故，事故处理时间一般均在30d以上，对电站产生严重的经济损失。而造成这类事故发生的根本原因是润滑油的控制、保护系统设计不合理导致。

1 润滑油泵控制电路及系统自动监测装置设计可靠性分析

目前灯泡贯流式水轮发电机组控制监视均采用PLC实现，通过设计相关的程序，对润滑油系统的状态进行监视与控制，实际上是PLC实时扫描润滑油系统中通过自动化装置监测的开关量及模拟量的状态而启动相关程序，驱动输出回路，而PLC的输出是由相关的控制电路实现的。润滑油泵控制电路及对润滑油系统监测的自动化装置是确保机组润滑油控制系统可靠性的硬件条件。在润滑油监控系统设计时，首先要油泵控制电路简单、可靠，自动化监测元件配置完善。

1.1 润滑油泵控制电路可靠性设计分析

为了保证机组可靠连续供油，目前灯泡贯流式水轮机均配置2台润滑油油泵，1台主用1台备用。为了便于操作，减少常规控制回路出现故障的概率，在保证安全的前提下尽量简化控制回路，一般采用“手动”和“自动”控制，正常情况下采用“自动控制”方式，由机组辅助设备的PLC程序控制或是机组LCU中的PLC程序控制。只有在自动控制系统故障或调试时采用“手动”控制方式。“自动”控制回路可靠性设计显得十分重要，目前“自动”控制回路主要有2种设计电路，1种是采用一个PLC输出继电器控制油泵的启停，1种是采用2个PLC输出继电器分别控制油泵的启停。

采用一个PLC输出继电器控制回路接线简单，PLC控制程序也相对简单，但由于只采用一个继电器控制，机组运行时该继电器需要长时间带电来保证润滑油泵持续运转。如果出现PLC故障，该继电器将因PLC不能输出而掉带至润滑油泵停止，特别是机组辅助设备采用LCU单元中PLC控制时，如发现PLC故障，不但润滑油泵停止而导致机组供油中断，而且会使机组水机保护拒动作，故障报警信息无法上传至上位机而提醒运行人员，这必将导致机组轴承、推力瓦烧毁。如果机组辅助设备采用单独的PLC控制，上述问题将不存在，因为当机组辅助设备PLC故障时，机组LCU将会收到润滑油泵停止及机组润滑油事故停机油位或润滑油供油中断信号而启动事故停机程序将机组停下来，从而保护机组免受烧轴瓦事故。如果机组辅助设备采用LCU单元PLC控制，而LCU采用2N配置或是双CPU模式，而上述问题也将不存在，因为当机组1套PLC故障时，另1套PLC仍能正常工作。

而采用2个PLC输出继电器控制方式，启动润滑油泵时，PLC程序驱动启泵继电器，自动回路通过润滑油泵接触器本身的辅助接点自保持，启泵继电器通过程序中该台油泵接触器“运行”状态复归。而停止润滑油泵时，PLC程序驱动停泵继电器，断开油泵接触器自保持回路。PLC输出继电器只在润滑油泵启动与停止时参与控制，在机组稳定运行过程中润滑油泵控制回路完全独立，与PLC的状态无关，PLC只对润滑油泵的状态、润滑油系统的油量等参数进行监视，PLC根据这些状态来执行启备用程序、报警程序或是停机程序。这种控制回路可避免控制辅助设备的PLC故障时使机组润滑油泵停止的风险。只是接线及控制程序较复杂一些，但可靠性提高。在灯泡贯流式水轮机辅助设备采用与机组LCU共用1套PLC，且LCU没有冗余时，润滑油泵必须采用两个继电器的控制电路图，这是保证机组供油正常的最可靠的电路。

1.2 润滑油控制、监视系统及自动化配置可靠性分析

灯泡贯流式水轮发电机润滑油系统自动化元件的配置及其工作的可靠性是确保机组润滑油系统正常工作的硬件条件，由于到目前为止我国还没有关于灯泡贯流式水电站自动化配置方面的标准和规范。设计院大部分是根据主机厂的标准配置来设计，这就导致了灯泡贯流水轮机润滑油系统的监视与控制的自动化元件配置，在不同厂家之间相差较大，有的机组采用配置自动化元件过多，有的机组配置自动化元件过少，从保证润滑油系统安全可靠的前提下，从经济和技术方面考虑单机容量在4MW及以上的机组润滑油系统自动化按表1所示要求进行配置。

表1中的自动化元件配置，在机组PLC程序编写完善的前提下能够较全面的监视润滑油系统工作是否正常，其输入至PLC的开关量数据表如下页表2所示，输入至PLC的模拟量数据表如下页表3所示。

表1 润滑油系统自动化元件配置一览表

由于灯泡贯流式水轮机润滑油是一个循环系统，因此在这一个循环系统中的任何一个环节出现故障均可导致机组轴瓦、轴承供油不正常或是供油中断而发生轴瓦、轴承烧毁事故。配置1套完整的自动化测量与监视元件是确保润滑油控制、监视系统可靠性的基础，在此基础上编写一套完整、可靠的PLC监视、控制程序。

2 润滑油系统控制、监测程序设计可靠性分析

在确保润滑油泵控制电路简单、可靠，自动化监测元件配置完善的硬件前提下，需要有完整、合理的控制、监测程序与之匹配，通过程序扫描润滑油系统各自动化的测量数据，执行编写好的程序，驱动相关的控制电路或数据传送指令。

2.1 润滑油泵控制程序

润滑油系统中的润滑油泵在机组启动开始至机组停止的过程中是连续工作的，在各种工况下至少要保护1台润滑油泵连接运行将经润滑回油箱的油输送至高位油箱。为确保油泵长周期可靠运行，2台油泵应采取定期自动轮换的方式运行。

（1）机组在非停机状态（启动、空载、空转、负载）下，当运行中的润滑油泵无论是什么原因停止运行（包括电机保护动作，手动停止等），PLC程序必须启动投另1台油泵程序，并驱动输出回路，同时还应将信息传送至上位机进行语音报警。

（2）机组在非停机状态（启动、空载、空转、负载）下，当高位油箱油位下降至“启备用泵油位”时，PLC程序必须启动投另1台油泵程序，并驱动输出回路，同时还应将信息传送至上位机进行语音报警。

表2 润滑油系统输入至PLC的开关量数据表

表3 润滑油系统输入至PLC的模拟量数据表

2.2 润滑油系统保护程序

由于润滑油系统对灯泡贯流式水轮机的轴瓦、轴承安全运行起到决定性作用，因此当润滑油系统出现故障将危及到机组安全时，PLC必须启动机组事故停机程序，将机组安全停下来，避免事故的发生。近年来发生的多次烧瓦、烧轴承事故均与机组润滑油系统的保护程序不完善、不准确有关系。通过对多起典型烧瓦事故的分析，经过反复研究和论证，采用下面所述的保护程序能够保证在PLC工作可靠的前提下，当PLC判断如危及机组安全时启动事故停机程序，将机组安全停下。

（1）高位油箱油位降至“事故停机油位”时启动事故停机程序。机组在非停机状态下，当高位油箱的油位持续下降时，说明润滑油系统出现故障。如果高位油箱的油量耗尽将会使机组轴瓦、轴承因缺油而烧坏，由于机组润滑油量一般均较大，当油位达到这个位置时，润滑供油将会很快中断，因此这个保护十分重要，必须保护该保护程序可靠动作。为使该油位可靠测量，防止油位下降至该油位时液位开关拒动作，可采用2N的配置模式，即配置2个独立的液位开关，将其输出点并联，只要有1个动作就能启动停机程序。并将信号传至上位机进行语音报警，并推出模拟光字牌。

（2）轴瓦、轴承供油中断时，启动事故停机程序。机组在非停机状态下，通过在正、反推力瓦、发电机径向轴承、水轮机径向轴承供油处设置监测供油流量的装置，当各供油的流量装置监测到供油中断信号时向PLC发出“供油中断”事故信号，PLC启动事故停机程序。并将信号传至上位机进行语音报警，并推出模拟光字牌。为防止该保护误动作，程序编写时可采取“供油偏少”和“供油中断”2个信号“与”的逻辑关系。为保证供油流量监测的准确性，应采用数字式的流量计量装置。

（3）润滑回油箱出现“油位过低”，且高位油箱油下降至“启备用泵油位”时，应启动停机程序。因为当润滑回油箱油位过低时，将会使润滑回油箱油位低于润滑油泵的吸油口导致油泵无法正常工作，而此时如高位油箱油位在持续下降，说明系统供油出现故障，当油位下降至“启备用泵油位”时，即使启动另1台润滑油泵，也不能将故障消除，因此出现这种条件时应启动停机程序，自动将机组安全停下来，并将信号传至上位机进行语音报警，并推出模拟光字牌。

（4）机组在非停机状态（启动、空载、空转、负载）下，当高位油箱油温过高时，PLC应启动事故停机程序。因为润滑油系统主要是润滑及冷却作用。当高位油箱油温过高时，说明机组润滑回油的冷却系统出现故障，不能将回油进行冷却，如果高温润滑油供给各轴瓦轴承，随着时间的增加润滑油系统的油温会不断增加，即使供油正常也最终会使各轴瓦、轴承温度过高而烧毁。因此为确保机组的安全，润滑油系统保护程序应设计温度保护程序，并将信号传至上位机进行语音报警，并推出模拟光字牌。

2.3 润滑油系统监视程序

润滑油系统的保护程序是在该系统已无法正常工作，危及到机组安全的情况下将机组安全停下来的措施。润滑油系统的事故是由系统故障演变而来，如果及时发现系统故障并及时消除故障，完全可避免润滑油系统事故的发生。因此PLC应实时监测润滑油系统的工作状态，及时发现系统的不正常工作状态，并将信号传送至上位机发出相应的语音报警信号，记录相关事件，并按机组运行规程要求提示、指导故障处理的方法，将事故控制在萌牙状态。

（1）开关量信号监视。润滑油系统程序应按表2所示PLC输入的开关量进行编写，表中所有故障信号均应实时扫描，收到相关故障信号后，应实时启动相关报警程序，并将故障信号传至上位机进行语音报警，实时显示，打印记录，并弹出相应的运行指导意见，以提醒运行人员进行处理将故障消除。比较重要的故障信号应在上位机推出相关的模拟光字牌（如表中所列）。在此基础上，还应设计2台润滑油泵同时停止或投备用润滑油失败的报警信号并推出光字牌，以提醒运行人员及时发现故障，及时采取相应的措施。具体开关量监测的自动化元件配置可参照表1。

（2）模拟量信号监视。模拟量能线性反映被监测量。因此通过模拟量传感器对润滑油系统的液位、流量、温度进行实时监测，将数据上传至上位机实时显示，并设计上限、下限越限语音报警程序，使运行人员能够实时监视系统中液位、流量、温度等数据具体的变化情况，根据变化情况在故障发生前采取相关的措施，可避免故障的发生，将故障消除在萌芽状态。具体输入至PLC的模拟量如表2所示。

3 机组计算机监控系统配置对润滑油控制系统可靠性影响分析

可靠的控制电路及监视与控制程序是润滑油监控系统确保灯泡贯流式水轮发电机安全运行的最主要手段。由于润滑油监控系统是机组计算机监控系统的一部分，因此计算机监控系统硬件配置间接影响到润滑油监控系统的可靠性。

3.1 机组PLC配置可靠分析

目前大部分运行的贯流式水轮发电机现地控制单元均采用单套PLC配置（CPU、电源模块、开入/开出模块、通信模块等），这就导致当PLC出现故障，特别是CPU死机时，出现润滑油系统故障，PLC将无法正常工作，不能执行相关的故障处理程序，无法提醒运行人员进行处理。更重要的是当出现润滑油中断时无法启动事故停机程序将机组停下来，其后果必将造成烧轴瓦、轴承的事故。因此当机组单机容量达4MW及以上时，在条件允许的前提下PLC应采用2N配置的方式，2套系统互为备用。最基本的也要采用双CPU配置，当主用CPU出现故障时，备用CUP投入工作，并将故障信息上传至上位机提醒运行人员，避免事故的发生。这点是目前灯泡贯流式水轮发电机监控设计时忽视的一点，机组辅助设备、其他控制、保护装置均配置了主备用装置，相对于机组安全更重要的计算机监控系统中PLC更应采取主备用的配置方式。

3.2 网络通信及上位机配置可靠性分析

目前水电厂采用分布式控制方式，PLC与上位机大部分采用以太网光纤通信方式，为确保与上位机的通信可靠，及时、可靠地将PLC采集的各种实时的状态量、故障量及事故量传送至上位机，提醒运行人员研判与处理，上位机与PLC的通信应采用双网络通信，同时上位机的工作站应采用主、备用配置方式，确保整个计算机控制系统2N的配置方式，提高系统的可靠性。