摘要 ：自動化元件是電廠機組自動化控制設(shè)備的基礎(chǔ)，自動化元件的應(yīng)用是水電站實現(xiàn)“無人值班，少人值守”目標(biāo)的前提。自動化元件具有分布面廣、所處環(huán)境復(fù)雜和安裝條件要求高的特點，自動化元件的可靠性直接影響了水電站的綜合自動化水平。該文主要對自動化元件在某個大型水電站的應(yīng)用進(jìn)行探討。結(jié)合該水電站相關(guān)自動化元件換型與技術(shù)改造，對水電廠使用自動化控制技術(shù)存在的問題進(jìn)行分析，為解決自動化技術(shù)在水電廠應(yīng)用中存在的問題提供參考。
概述
某大型水電站有若干臺單機為 700 MW 的水輪發(fā)電機組，電站主、輔設(shè)備的操作、監(jiān)視完全依賴于自動化元件。自動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行。電站自投產(chǎn)發(fā)電以來，機組自動化元件就不斷地暴露出一些問題，例如流量計、油混水、液位計及蠕動探測等跳變、誤動和拒動等問題時有出現(xiàn) ；流量計、液位計等油水監(jiān)測元器件缺少相應(yīng)的校驗方法 ；多次因現(xiàn)地監(jiān)測元件故障導(dǎo)致機組開停機失敗。自動化元件故障嚴(yán)重影響機組的正常運行及日常維護(hù)。
電廠針對自動化元件缺陷進(jìn)行了一系列的換型改造，使機組自動化控制設(shè)備的運行可靠性顯著提高。該文旨在介紹自動化元件在該電站的應(yīng)用情況、故障及改造。
1 液位信號器和防腐磁翻板液位計
1.1 液位信號器應(yīng)用情況
該電站頂蓋排水液位信號器采用的是空心導(dǎo)桿浮球形式。磁浮球隨液位升降在測量桿上滑動，變送器將檢測桿內(nèi)的電阻信號轉(zhuǎn)換成電流信號測量液位。這種液位傳感器使用一段時間后線性度下降，實際液位與測量值產(chǎn)生偏差。當(dāng)機組停機后，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)致水位計浮球卡澀。頂蓋排水液位信號器換型前經(jīng)常因為卡澀故障導(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 12 臺機組頂蓋排水液位計進(jìn)行了換型，更換頂蓋液位計換型為新型大間隙、帶涂層浮球液位計，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。
電站所有防腐磁翻板液位計使用的產(chǎn)品，采用的安裝方式有側(cè)裝和頂裝 2 種方式。電站使用的防腐磁翻板液位計出現(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、抗干擾差（三部軸承、漏油箱）等 4 方面。從運行環(huán)境看，對于安裝環(huán)境干燥、液位變化緩慢的液位測量比較可靠，出現(xiàn)測量值跳變和磁性開關(guān)誤動的情況比較少，比如壓力油罐、回油箱等處的防腐磁翻板液位計。但是當(dāng)測量液位變化劇烈、安裝環(huán)境潮濕時，防腐磁翻板液位計出問題的情況比較多，尤其是水導(dǎo)油槽防腐磁翻板液位計。從安裝方式看，對于測量液位變化同樣劇烈的上導(dǎo)油槽、推導(dǎo)油槽和水導(dǎo)油槽防腐磁翻板液位計，側(cè)裝方式優(yōu)于頂裝方式。
1.2 防腐磁翻板液位計應(yīng)用情況
該電站調(diào)速液壓系統(tǒng)防腐磁翻板液位計使用多種型號和規(guī)格的防腐磁翻板液位計，使用過程中發(fā)現(xiàn)一些問題，例如傳感器斷裂、準(zhǔn)確度等級下降、線性度不能滿足應(yīng)用要求。目前該電站選取四臺機組，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壓力傳感器，試用期為 3 年，試驗到期后根據(jù)使用評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，更換為原型號傳感器。
2 蠕動探測裝置和轉(zhuǎn)速裝置
2.1 蠕動探測裝置應(yīng)用情況
該電站蠕動探測之前主要使用的是氣動式機械蠕動裝置和電動式機械蠕動裝置，哈電機組和 VHS 機組使用的是氣動式蠕動裝置，型號為 RD-A 哈控，RD-A 型蠕動探測裝置由投切器和發(fā)訊單元兩部分組成，當(dāng)機組停機完成后通過蠕動控制電磁閥（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)，使其磨擦盤與機組大軸表面相接觸（有稍許正壓力）。如果大軸發(fā)生蠕動，轉(zhuǎn)角達(dá)到 1.5° ~2°時，發(fā)訊單元便發(fā)出大軸蠕動信號，作用于報警與制動回路，投入制動閘以防蠕動現(xiàn)象擴(kuò)延。機組起動前，先動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型蠕動探測裝置系統(tǒng)原理如圖1所示。RD-A型探測裝置易卡澀導(dǎo)致探測裝置投退失敗，影響開停機成功率。東電機組使用的是電動式蠕動裝置，型號為 PXJ-1D。PXJ-1D 型蠕動探測裝置多起反饋信號拒動的事件，導(dǎo)致開停機流程退出，其原因為電動式蠕動裝置控制回路與位置反饋節(jié)點取自同一個行程開關(guān)，當(dāng)行程開關(guān)常閉節(jié)點斷開時，電機停止轉(zhuǎn)動，而此時可能因行程過短導(dǎo)致常開節(jié)點尚未閉合，位置信號無法正常上送至監(jiān)控系統(tǒng)。為了解決這一問題，目前電站 15 臺機組蠕動探測裝置已換型為非接觸式蠕動探測裝置，避免開停機過程中投入或退出蠕動失敗導(dǎo)致的流程退出。非接觸式蠕動探測裝置設(shè)計原理為 ：
該電站東電和哈電機組均采用占空比 0.5 的測速齒帶即齒帶中齒與槽的尺寸 1 ∶ 1，其均布 48 個齒和 48 個槽。因此，其每個齒對應(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接近開關(guān)均可在大軸蠕動 3.75°時測得一個上升沿或者下降沿信號。因此設(shè)置兩個接近開關(guān)，其間距為齒帶凸起齒的 1/2 時，即可在大軸蠕動 3.75° /2=1.875°時，2 個接近開關(guān)中必有一個測得上升沿或者下降沿信號。因此采用雙接近開關(guān)的設(shè)計思路能滿足國標(biāo)要求，但是雙接近開關(guān)方案存在大軸蠕動角度較小時蠕動報警即出口的問題，其報警角度范圍范圍變化較大，和機組停機時的位置有關(guān)。為了使蠕動報警信號更加合理，可采用四接近開關(guān)方案。當(dāng)角度轉(zhuǎn)動至 1°至 2°時，裝置報警，并上送監(jiān)控系統(tǒng)，并具備接近開關(guān)故障判斷功能。

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)公司無法對軟件進(jìn)行有效維護(hù)，該裝置缺乏轉(zhuǎn)速信號跳變保護(hù)功能，導(dǎo)致機組開機過程中或空載工況下，可能發(fā)生過速保護(hù)誤動現(xiàn)象，導(dǎo)致開機失敗，緊急時影響電網(wǎng)的安全運行。
2）該裝置硬件平臺為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)，屆時將導(dǎo)致 18 臺機組不能穩(wěn)定采購備件的情況，影響設(shè)備長期穩(wěn)定連續(xù)運行。
3）換型的 PCC 新型號模件，則與舊型號模件不兼容，若進(jìn)行替換，需要全部更換，且需要重新進(jìn)行安裝試驗。同時 PCC 模件存在周期性升級換代的情況，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)備正常運行。該裝置特點是經(jīng)過其他電廠長期運行檢驗，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換代的情況，可保證備件長期穩(wěn)定供應(yīng)，有效降低裝置全壽命周期內(nèi)的綜合運營成本。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
該電站用于流量測量的自動化元件主要有 3 種，分別是用于水測量的電磁流量計（科隆和西門子系列）以及用于油測量的熱導(dǎo)式流量計（FOLOLO）和渦輪流量計（FOLOLO）。該電站自動化元件流量計問題主要體現(xiàn)在電磁流量計（科隆和西門子系列）測值跳變、死機等（技術(shù)供水系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)），熱導(dǎo)流量計故障率較高（外循環(huán)系統(tǒng)），渦輪流量計測值反應(yīng)時間過長影響開停機操作（高壓油）等 3 方面。西門子電磁流量計在電站和其他電站都得到廣泛使用，該流量計對水質(zhì)和安裝條件要求高，電磁流量計的直管段要滿足設(shè)計要求。西門子電磁流量計安裝方式有水平安裝和豎直安裝方式 2 種。如果流量計安裝在豎直管道建議水流方向由下往上流，這樣可以*大限度地減小液體中氣泡對測量的影響。如果西門子電磁流量計旁邊有強磁場干擾，流量計本體需要有良好的接地。
電廠哈電機組之前推導(dǎo)軸承高壓油總管上未安裝流量計。推導(dǎo)軸承高壓油建壓成功條件為 ：任意一臺油泵運行&總管流量開關(guān)量動作&高壓油頂起壓力大于門檻值&高壓油頂起完成 &制動閘落下。上述判據(jù)中缺少高壓油流量模擬量判據(jù)，實際運行中高壓油流量開關(guān)難以準(zhǔn)確整定，同時存在較大的零漂導(dǎo)致測值不穩(wěn)定。
經(jīng)過改造升級，高壓油建壓成功判據(jù)中增加高壓油流量模擬量判據(jù)。這樣既能反映真實的油泵及輸出油流運行情況，又有效地提高高壓油建壓成功判斷的可靠性。
4 結(jié)語
自動化元件在電站的應(yīng)用過程中，因為產(chǎn)品質(zhì)量、安裝精度、設(shè)計原理，壽命老化和運行環(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證已經(jīng)得到了解決。還有少數(shù)問題的解決處在驗證階段。自動化元件的應(yīng)用仍存在一些需要我們?nèi)ニ伎己脱a充的地方。