某大型水電站自動(dòng)化元件的應(yīng)用及技術(shù)改造

（白鶴灘電廠籌建處，四川 寧南 615400）

0 概述

某大型水電站有若干臺(tái)單機(jī)為700 MW 的水輪發(fā)電機(jī)組，電站主、輔設(shè)備的操作、監(jiān)視完全依賴于自動(dòng)化元件。自動(dòng)化元件的工作是否可靠，直接關(guān)系著水電站的安全可靠運(yùn)行。電站自投產(chǎn)發(fā)電以來，機(jī)組自動(dòng)化元件就不斷地暴露出一些問題，例如流量計(jì)、油混水、液位計(jì)及蠕動(dòng)探測(cè)等跳變、誤動(dòng)和拒動(dòng)等問題時(shí)有出現(xiàn)；流量計(jì)、液位計(jì)等油水監(jiān)測(cè)元器件缺少相應(yīng)的校驗(yàn)方法；多次因現(xiàn)地監(jiān)測(cè)元件故障導(dǎo)致機(jī)組開停機(jī)失敗。自動(dòng)化元件故障嚴(yán)重影響機(jī)組的正常運(yùn)行及日常維護(hù)[1]。

電廠針對(duì)自動(dòng)化元件缺陷進(jìn)行了一系列的換型改造，使機(jī)組自動(dòng)化控制設(shè)備的運(yùn)行可靠性顯著提高。該文旨在介紹自動(dòng)化元件在該電站的應(yīng)用情況、故障及改造[2]。

1 液位信號(hào)器和壓力變送器

1.1 液位信號(hào)器應(yīng)用情況

該電站頂蓋排水液位信號(hào)器采用的是空心導(dǎo)桿浮球形式。磁浮球隨液位升降在測(cè)量桿上滑動(dòng)，變送器將檢測(cè)桿內(nèi)的電阻信號(hào)轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)測(cè)量液位。這種液位傳感器使用一段時(shí)間后線性度下降，實(shí)際液位與測(cè)量值產(chǎn)生偏差。當(dāng)機(jī)組停機(jī)后，頂蓋水位變化緩慢，頂蓋內(nèi)水質(zhì)油污很大，油污水垢導(dǎo)致水位計(jì)浮球卡澀。頂蓋排水液位信號(hào)器換型前經(jīng)常因?yàn)榭收蠈?dǎo)致頂蓋排水系統(tǒng)出現(xiàn)液位到達(dá)設(shè)定值不啟泵、泵輪換異常、液位低不停泵等故障。

2018 年4 月，電站對(duì)12 臺(tái)機(jī)組頂蓋排水液位計(jì)進(jìn)行了換型，更換頂蓋液位計(jì)換型為新型大間隙、帶涂層浮球液位計(jì)，更換后未發(fā)生卡澀故障，現(xiàn)地控制柜與監(jiān)控系統(tǒng)液位基本一致，使用情況良好。

電站所有磁翻板液位計(jì)使用的柯普樂產(chǎn)品，采用的安裝方式有側(cè)裝和頂裝2 種方式。電站使用的磁翻板液位計(jì)出現(xiàn)的問題主要體現(xiàn)在磁珠卡阻（調(diào)速、三部軸承），模擬量測(cè)值跳變、緩變（水導(dǎo)），磁性浮球失磁（水導(dǎo)、漏油箱），磁性開關(guān)誤動(dòng)、抗干擾差（三部軸承、漏油箱）等4 方面。

從運(yùn)行環(huán)境看，對(duì)于安裝環(huán)境干燥、液位變化緩慢的液位測(cè)量比較可靠，出現(xiàn)測(cè)量值跳變和磁性開關(guān)誤動(dòng)的情況比較少，比如壓力油罐、回油箱等處的磁翻板液位計(jì)。但是當(dāng)測(cè)量液位變化劇烈、安裝環(huán)境潮濕時(shí)，磁翻板液位計(jì)出問題的情況比較多，尤其是水導(dǎo)油槽磁翻板液位計(jì)。從安裝方式看，對(duì)于測(cè)量液位變化同樣劇烈的上導(dǎo)油槽、推導(dǎo)油槽和水導(dǎo)油槽磁翻板液位計(jì)，側(cè)裝方式優(yōu)于頂裝方式。

1.2 壓力變送器應(yīng)用情況

該電站調(diào)速液壓系統(tǒng)壓力變送器使用多種型號(hào)和規(guī)格的壓力變送器，使用過程中發(fā)現(xiàn)一些問題，例如傳感器斷裂、準(zhǔn)確度等級(jí)下降、線性度不能滿足應(yīng)用要求。

目前該電站選取四臺(tái)機(jī)組，將調(diào)速器液壓系統(tǒng)原管道2#傳感器Keller 壓力傳感器更換為科隆兩種不同型號(hào)壓力傳感器，試用期為3 年，試驗(yàn)到期后根據(jù)使用評(píng)估確定是否取消或換型；在使用過程中出現(xiàn)產(chǎn)品損壞、準(zhǔn)確度、線性度等參數(shù)不滿足使用要求時(shí)，更換為原型號(hào)傳感器。

2 蠕動(dòng)探測(cè)裝置和轉(zhuǎn)速裝置

2.1 蠕動(dòng)探測(cè)裝置應(yīng)用情況

該電站蠕動(dòng)探測(cè)之前主要使用的是氣動(dòng)式機(jī)械蠕動(dòng)裝置和電動(dòng)式機(jī)械蠕動(dòng)裝置，哈電機(jī)組和VHS 機(jī)組使用的是氣動(dòng)式蠕動(dòng)裝置，型號(hào)為RD-A 哈控，RD-A 型蠕動(dòng)探測(cè)裝置由投切器和發(fā)訊單元兩部分組成，當(dāng)機(jī)組停機(jī)完成后通過蠕動(dòng)控制電磁閥（空氣電磁閥）向投切器通入壓縮空氣，它將發(fā)訊單元向前推進(jìn)，使其磨擦盤與機(jī)組大軸表面相接觸（有稍許正壓力）。如果大軸發(fā)生蠕動(dòng)，轉(zhuǎn)角達(dá)到1.5°～2°時(shí)，發(fā)訊單元便發(fā)出大軸蠕動(dòng)信號(hào)，作用于報(bào)警與制動(dòng)回路，投入制動(dòng)閘以防蠕動(dòng)現(xiàn)象擴(kuò)延。機(jī)組起動(dòng)前，先動(dòng)作空氣電磁閥使投切器排氣，由于彈簧力的作用，發(fā)訊單元退回原位。離開大軸表面6 mm～8 mm，確保裝置安全。

RD-A 型蠕動(dòng)探測(cè)裝置系統(tǒng)原理如圖1 所示。RD-A 型探測(cè)裝置易卡澀導(dǎo)致探測(cè)裝置投退失敗，影響開停機(jī)成功率。

東電機(jī)組使用的是電動(dòng)式蠕動(dòng)裝置，型號(hào)為PXJ-1D。PXJ-1D 型蠕動(dòng)探測(cè)裝置多起反饋信號(hào)拒動(dòng)的事件，導(dǎo)致開停機(jī)流程退出，其原因?yàn)殡妱?dòng)式蠕動(dòng)裝置控制回路與位置反饋節(jié)點(diǎn)取自同一個(gè)行程開關(guān)，當(dāng)行程開關(guān)常閉節(jié)點(diǎn)斷開時(shí)，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，而此時(shí)可能因行程過短導(dǎo)致常開節(jié)點(diǎn)尚未閉合，位置信號(hào)無法正常上送至監(jiān)控系統(tǒng)。

為了解決這一問題，目前電站15 臺(tái)機(jī)組蠕動(dòng)探測(cè)裝置已換型為非接觸式蠕動(dòng)探測(cè)裝置，避免開停機(jī)過程中投入或退出蠕動(dòng)失敗導(dǎo)致的流程退出。非接觸式蠕動(dòng)探測(cè)裝置設(shè)計(jì)原理為：

該電站東電和哈電機(jī)組均采用占空比0.5 的測(cè)速齒帶即齒帶中齒與槽的尺寸1 ∶1，其均布48 個(gè)齒和48 個(gè)槽。因此，其每個(gè)齒對(duì)應(yīng)的角度為：

δ=360 /（48×2）=3.75° （1）

由（1）式可知，在齒帶任一角度安裝一個(gè)接近開關(guān)均可在大軸蠕動(dòng)3.75°時(shí)測(cè)得一個(gè)上升沿或者下降沿信號(hào)。因此設(shè)置兩個(gè)接近開關(guān)，其間距為齒帶凸起齒的1/2 時(shí)，即可在大軸蠕動(dòng)3.75°/2=1.875°時(shí)，2 個(gè)接近開關(guān)中必有一個(gè)測(cè)得上升沿或者下降沿信號(hào)。因此采用雙接近開關(guān)的設(shè)計(jì)思路能滿足國標(biāo)要求，但是雙接近開關(guān)方案存在大軸蠕動(dòng)角度較小時(shí)蠕動(dòng)報(bào)警即出口的問題，其報(bào)警角度范圍范圍變化較大，和機(jī)組停機(jī)時(shí)的位置有關(guān)。為了使蠕動(dòng)報(bào)警信號(hào)更加合理，可采用四接近開關(guān)方案。當(dāng)角度轉(zhuǎn)動(dòng)至1°至2°時(shí)，裝置報(bào)警，并上送監(jiān)控系統(tǒng)，并具備接近開關(guān)故障判斷功能。

圖 1 RD-A 型蠕動(dòng)探測(cè)裝置系統(tǒng)原理圖

2.2 轉(zhuǎn)速裝置應(yīng)用情況

該電站調(diào)速器轉(zhuǎn)速裝置為能事達(dá)公司利用PCC2003 系列研發(fā)，目前存在著以下安全隱患。1）該裝置軟件為前能達(dá)員工編制，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，現(xiàn)能事達(dá)公司無法對(duì)軟件進(jìn)行有效維護(hù)，該裝置缺乏轉(zhuǎn)速信號(hào)跳變保護(hù)功能，導(dǎo)致機(jī)組開機(jī)過程中或空載工況下，可能發(fā)生過速保護(hù)誤動(dòng)現(xiàn)象，導(dǎo)致開機(jī)失敗，緊急時(shí)影響電網(wǎng)的安全運(yùn)行。2）該裝置硬件平臺(tái)為PC2003 系列模件，據(jù)貝加萊廠商反饋該系列模件2018 年6月停產(chǎn)，屆時(shí)將導(dǎo)致18 臺(tái)機(jī)組不能穩(wěn)定采購備件的情況，影響設(shè)備長(zhǎng)期穩(wěn)定連續(xù)運(yùn)行。3）換型的PCC 新型號(hào)模件，則與舊型號(hào)模件不兼容，若進(jìn)行替換，需要全部更換，且需要重新進(jìn)行安裝試驗(yàn)。同時(shí)PCC 模件存在周期性升級(jí)換代的情況，一般每6-8 年左右需要重新?lián)Q型替換安裝，進(jìn)行安裝試驗(yàn)的調(diào)試過程，設(shè)備全生命周期維護(hù)成本高昂，且維護(hù)過程中安全風(fēng)險(xiǎn)較大。

采用哈爾濱瑞格大公司生產(chǎn)的一體化轉(zhuǎn)速裝置SPCT 進(jìn)行更換，保證設(shè)備正常運(yùn)行。該裝置特點(diǎn)是經(jīng)過其他電廠長(zhǎng)期運(yùn)行檢驗(yàn)，軟件邏輯功能完善，核心硬件版本穩(wěn)定，無PCC模件存在周期性硬件升級(jí)換代的情況，可保證備件長(zhǎng)期穩(wěn)定供應(yīng)，有效降低裝置全壽命周期內(nèi)的綜合運(yùn)營(yíng)成本。

為了解決這些安全隱患，使用其他電廠已經(jīng)應(yīng)用了10 年之久的一體化轉(zhuǎn)速裝置SPCT 對(duì)原轉(zhuǎn)速裝置作換型替代，提高設(shè)備的整體可靠性和降低設(shè)備全生命周期維護(hù)成本。

3 流量計(jì)

該電站用于流量測(cè)量的自動(dòng)化元件主要有3 種，分別是用于水測(cè)量的電磁流量計(jì)（科隆和西門子系列）以及用于油測(cè)量的熱導(dǎo)式流量計(jì)（FOLOLO）和渦輪流量計(jì)（FOLOLO）。該電站自動(dòng)化元件流量計(jì)問題主要體現(xiàn)在電磁流量計(jì)（科隆和西門子系列）測(cè)值跳變、死機(jī)等（技術(shù)供水系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)），熱導(dǎo)流量計(jì)故障率較高（外循環(huán)系統(tǒng)），渦輪流量計(jì)測(cè)值反應(yīng)時(shí)間過長(zhǎng)影響開停機(jī)操作（高壓油）等3 方面。

西門子電磁流量計(jì)在電站和其他電站都得到廣泛使用，該流量計(jì)對(duì)水質(zhì)和安裝條件要求高，電磁流量計(jì)的直管段要滿足設(shè)計(jì)要求。西門子電磁流量計(jì)安裝方式有水平安裝和豎直安裝方式2 種。如果流量計(jì)安裝在豎直管道建議水流方向由下往上流，這樣可以最大限度地減小液體中氣泡對(duì)測(cè)量的影響。如果西門子電磁流量計(jì)旁邊有強(qiáng)磁場(chǎng)干擾，流量計(jì)本體需要有良好的接地。

電廠哈電機(jī)組之前推導(dǎo)軸承高壓油總管上未安裝流量計(jì)。推導(dǎo)軸承高壓油建壓成功條件為：任意一臺(tái)油泵運(yùn)行&總管流量開關(guān)量動(dòng)作&高壓油頂起壓力大于門檻值&高壓油頂起完成&制動(dòng)閘落下。上述判據(jù)中缺少高壓油流量模擬量判據(jù)，實(shí)際運(yùn)行中高壓油流量開關(guān)難以準(zhǔn)確整定，同時(shí)存在較大的零漂導(dǎo)致測(cè)值不穩(wěn)定。

經(jīng)過改造升級(jí)，高壓油建壓成功判據(jù)中增加高壓油流量模擬量判據(jù)。這樣既能反映真實(shí)的油泵及輸出油流運(yùn)行情況，又有效地提高高壓油建壓成功判斷的可靠性。

4 結(jié)語

自動(dòng)化元件在電站的應(yīng)用過程中，因?yàn)楫a(chǎn)品質(zhì)量、安裝精度、設(shè)計(jì)原理，壽命老化和運(yùn)行環(huán)境等原因出現(xiàn)了一些問題。絕大多數(shù)問題通過不斷思考和驗(yàn)證已經(jīng)得到了解決。還有少數(shù)問題的解決處在驗(yàn)證階段。自動(dòng)化元件的應(yīng)用仍存在一些需要我們?nèi)ニ伎己脱a(bǔ)充的地方。