平班水电站水导轴承冷却油系统自动控制设计方案

梁添

摘要：平班水电站采用主备式两台油泵对水导轴承进行外循环冷却，两台油泵的启动、停止和主备用轮换控制通过纯接线设计实现，无主备用自动轮换、故障自动处置和智能告警功能，不满足“远程集控、无人值班（少人值守）”管理模式要求。笔者经过深入剖析原来的控制原理指出其存在的不足，根据新的运行需求提出了自动控制设计方案，并通过计算机仿真技术验证方案的可行性，对提高水电厂设备的可靠性、安全性以及自动控制水平具有一定的借鉴意义。

关键词：冷却油系统;智能告警;无人值班;自动控制

0 引言

平班水电站水轮机导轴承瓦安装在水导轴承上油槽，设有两台冷却油泵，系统运行时，油泵排出水导轴承下油槽的热油经过设置在外部的冷却装置后变成冷却油进入水导轴承上油槽，冷却油依靠自重力流过水导轴承瓦与主轴的安装间隙回到下油槽不断循环冷却。两台油泵为主备式运行，机组开机过程中，主、备用两台油泵同时启动运行，经过经验时间后备用油泵停止，主用油泵持续运行。目前两台油泵的启动、停止和主备用轮换控制通过接触器、继电器的纯接线设计实现，无主备用自动轮换、故障自动处置、智能告警功能，以及存在偶尔因水导轴承上油槽油位低导致机组开机失败问题，不满足“远程集控、无人值班（少人值守）”管理模式要求[1]。

本文以平班水电站水导轴承冷却油系统作为研究对象，分析了现有控制方案的缺陷和不足，按照设备可靠性、安全性以及自动控制的要求，采用可编程逻辑控制器（PLC）技术对其重新设计[2]，提出了新的设计方案以实现其完全自动控制和智能告警功能[3]。

1 平班水电站水导轴承冷却油系统控制原理分析

1.1 控制原理说明

平班水电站水导轴承冷却油系统基本控制原理图如下图1所示：

水导轴承冷却油系统两台油泵运行方式相同，现以1号油泵主用为例说明，根據原理图，1号油泵主用的自动运行方式如下：①1号、2号油泵选择开关SO1、SO2切换至“Auto”位，SO1、SO2触点“1、2”断开，“3、4”导通;②主备用选择开关SO3切至“M1 Lead”位，SO3触点“1、2”、“5、6”、“9、10”、“13、14”导通，“3、4”、“7、8”、“11、12”、“15、16”断开;③系统接到监控系统远方启泵令，中间继电器R1、延时断开继电器TR1动作，1、2号油泵同时运行;④冷却油流量正常后，TR1复归，设定时间到，2号油泵停止运行;⑤系统运行过程中检测到冷却油流量低，TR1又动作，2号油泵启动运行;⑦系统接到监控系统远方停泵令，R1复归，1号油泵停止运行。

1.2 现行控制方式的不足

1）两台油泵的启动、停止和主备用轮换控制通过接触器、继电器的纯接线设计实现，接线回路较为繁杂，不便于故障排查。

2）两台油泵无自动轮换功能，需要操作人员定期切换两台油泵的主备用运行方式，不满足“远程集控、无人值班（少人值守）”管理模式要求。

3）系统运行过程中主用油泵发生永久故障时，备用油泵的运行过程将如下：①油流量开关K1检测到冷却油流量低，TR1动作，备用油泵启动;②K1检测到冷却油流量正常，TR1复归，设定时间到，备用油泵停止运行;③此时因主用油泵永久故障K1又检测到冷却油流量低，备用油泵再次启动，不断反复启停。造成的影响一是极大地加快了设备的损坏速度，二是油流量可能不足导致水导轴承烧瓦。

4）所有信号上送至监控系统均是通过接线输入方式，因控制箱设计容量有限，接入监控系统信号较少，无系统综合告警信号。

5）系统不能准确判断已具备开机条件而停止备用油泵，存在机组开机时偶尔因备用油泵停止时间过早、水导轴承上油槽油量不足导致机组开机失败问题。

2 平班水电站水导轴承冷却油系统自动控制设计方案

2.1 控制原理简述

根据新的运行方式需求，对水导轴承冷却油系统控制回路进行重新设计，新方案由PLC程序实现两台油泵的自动启动和停止、主备用自动轮换和故障处理，同时将系统的大量信号集成至PLC模块，简化外部回路接线。此外，对水导轴承冷却油系统进行建模分析，通过综合运算输出精确到每一个元件的故障告警信号，实现其全部自动控制和智能告警，水导轴承冷却油系统两台油泵控制原理设计一致，1号油泵控制原理如下图2所示：

2.2 程序设计

1）系统具备开机条件综合信号：将分别安装在水导轴承上油槽+X、+Y方向的水导轴承上油槽油位低信号1传感器、信号2传感器，以及水导轴承冷却油流量低流量信号接入PLC，三者同时复归表示冷却油已全方位浸没水导轴承瓦且冷却油流量满足散热要求，系统具备开机条件[4]。

2）主备用自动轮换：PLC程序以油泵启动运行信号的下降沿作为其主用终止标记，主用终止标记触发后，对应泵的启动计数器自动加1，以泵的启动次数较小者为主用，实现油泵的自动轮换功能。

3）自动启动、停止：1号、2号油泵运行方式切换把手3SA1、4SA1切至“自动”控制，系统接到监控系统远方启水导外循环系统令，PLC程序同时动作1号、2号油泵启动继电器15KA1、15KA2，为避免传感器的信号抖动引起误判，在PLC收到油系统具备开机条件综合信号并保持10秒后，再复归备用油泵启动继电器。系统接到监控系统远方停水导外循环系统令，同时复归15KA1、15KA2。

4）主用油泵故障的自动处置：主用油泵发生故障时，若为供电开关跳闸等严重故障，立即停止该泵的运行，并启动备用油泵作为永久主用油泵运行;若为主用油泵漏油，单台油泵运行不足以满足冷却油流量供应等一般性故障，立即启动备用油泵并切为主用油泵运行，避免故障油泵的频繁启停。

5）油泵启停间隔过短告警：以某台油泵的启动运行信号下降沿作为油系统停泵标记，某台油泵的启动运行信号上升沿作为油系统启泵标记。从停泵标记产生时起开始计时，在油泵启停间隔过短设定值内又产生了启泵标记，PLC程序立即产生油泵启停间隔过短告警信号，告警信号需运维人员现场确认复归。

6）信号上送：用PLC内部的BIT_TO_WORD功能块，将大量的开关BOOL量集約至少量的连续WORD地址中达到减少通信带宽的目的，并通过标准Modbus通信协议与监控系统通信。[5]

3 新方案运行功能验证

根据水导轴承冷却油系统运行需求，使用UnityPro软件通过简单直观的梯形图编程，并使用仿真器进行模拟系统运行的各种工况信号输出。使用UnityPro软件仿真结果如下：

1）系统初始状态：1号油泵主用，1号、2号油泵空开合上，1号、2号油泵切至自动运行控制，1号、2号油泵主备用切至自动轮换控制，水导轴承上油槽油位1、油位2油位低动作，冷却油流量低动作。

2）模拟远方启水导外循环系统令，此时两台油泵同时启动，水导轴承上油槽油位1和油位2油位低、水导轴承外循环冷却油流量低复归，系统具备开机条件，延时10秒，备用油泵2号泵停止运行，主用油泵1号泵持续运行，如下图3所示：

3）模拟远方停水导外循环系统令，1号油泵自动切为备用，2号油泵自动轮换至主用状态（CONTROL_COMMOND[7]为0），再次模拟远方启水导外循环系统，系统启动正常具备开机条件后，备用油泵1号泵停止运行，主用油泵2号泵持续运行，如下图4所示：

4）在初始状态下，模拟远方启水导外循环系统令，在系统启动正常，此时在油泵启停间隔时间过短设置值内模拟1号油泵空开跳闸，系统立即启动备用油泵，因系统在油泵启停间隔监视时间内又发生油泵启动事件，故产生水导外循环油泵启停间隔过短告警，如下图5所示：

综上仿真结果表明，新方案能够实现两台油泵自动启停运行、主备用自动轮换、主用油泵故障自动切换至备用油泵运行并告警和启停间隔过短告警等功能，以及经过优化后实现水导轴承冷却油系统的100%开机成功率。

4结语

经过对原来的控制原理进行分析，发现其存在两台油泵无自动轮换功能、无智能告警以及主用油泵故障后备用油泵频繁启停、开机成功率不可控等问题。本文根据新的运行需求，采用PLC技术对其重新设计，实现了两台油泵自动启动和停止、主备用自动轮换、主用油泵故障的自动处置和油泵启停间隔过短告警，同时将系统的大量外部回路输入信号集成至PLC模块，通过通信方式将大量状态监视和告警信号上送监控系统，极大地简化外部回路接线，提高设备的运行维护效率。最终经过仿真软件模拟真实运行环境验证，新方案完全能够满足“远程集控、无人值班（少人值守）”管理模式要求，平班水电站的设备可靠性、安全性以及自动控制水平得到全面提升。

参考文献

[1]黄杰.水电厂“远程集控、无人值班（少人值守）”运行模式的探索与实践[J].红水河，2020，39（2）：97-99.

[2]王兆宇.施耐德 PLC 电气设计与编程自学宝典.北京：中国电力出版社，2015：331-365.

[3]徐希，张剑，孙世明.地区电网智能调度辅助决策系统[J].电力系统保护与控制，2012，36（2）：111-115.

[4]梁武科，赵道利，黄秋红，吴罗长.基于多传感器信息融合的水轮机导轴承故障诊断方法[J].水力发电学报，2004，23（4）：117-121.

[5]朱小襄.ModBus通信协议及编程[J].电子工程师，2005，31（7）：42-44.