冗余技術(shù)在巖灘電廠起重設備中的應用

向巧鳳

（大唐巖灘水力發(fā)電有限責任公司，廣西 巖灘，530811）

巖灘電廠總裝機容量181萬千瓦，由一期4臺30.25萬千瓦和二期2臺30萬千瓦的混流式水輪發(fā)電機組組成。計算機監(jiān)控系統(tǒng)上位機一、二期共用，除10kV系統(tǒng)、500kV系統(tǒng)一、二期有部分聯(lián)結(jié)外，其余輔助設備都單獨另設，如門機、主廠房橋機、尾水橋機等。

本文介紹了巖灘電廠于2017年利用二期門機控制優(yōu)化的改造機會，首次把冗余技術(shù)應用到起重設備上，并在2018年把冗余技術(shù)推廣應用到攔污排升降系統(tǒng)改造，改造后設備運行穩(wěn)定，可靠。通過冗余技術(shù)的應用，讓重要設備的備品“活”在設備上，能節(jié)約故障檢查處理時間、減少因備件停產(chǎn)原因造成的風險，也能減少檢修工期延期的風險。

1 冗余技術(shù)介紹

冗余技術(shù)是指具有多余的資源，當系統(tǒng)的某一部分出現(xiàn)故障時，可以由冗余部分的資源頂替故障部分來工作，以保證系統(tǒng)在規(guī)定的時間內(nèi)正常的完成規(guī)定的功能。它包括硬件冗余和軟件冗余，而硬件冗余又包括靜態(tài)冗余、動態(tài)冗余和混合冗余[1]。

靜態(tài)冗余又稱故障屏蔽，即利用冗余資源的堆積，掩蓋了故障的效應，促使系統(tǒng)在故障后仍能正常工作。它具有對故障的容忍能力，故而作為實現(xiàn)容錯的第一途徑。

動態(tài)冗余又稱故障切換技術(shù)，當檢測發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)部存在故障，通過系統(tǒng)內(nèi)部的一次重組來切除和替換故障部件，作為實現(xiàn)容錯的另一途徑。常規(guī)二乘二取二冗余技術(shù)就是通過故障切換來保證系統(tǒng)的可靠性和安全性[2]。

起重設備冗余技術(shù)是指對起重設備某一個機構(gòu)如巖灘電廠門機的大車、小車行走機構(gòu)或起升機構(gòu)控制部分通過冗余配置，當系統(tǒng)的常用或輪換使用中的一部分故障時，可由冗余部分頂替，不影響設備運行，通常可根據(jù)需求冗余配置整套或局部設備。

2 應用實例

2013年，巖灘電廠二期門機投入使用，2015年因門機配電室屋頂漏水，更換了一臺變頻器的所有插件，經(jīng)西門子工程師現(xiàn)場核實，二期門機上使用的所有變頻器已全部停產(chǎn)，無法采購到備品，一旦出現(xiàn)故障，維修成本高，且有可能因備件原因引起維修延誤，機組檢修期如果出現(xiàn)故障還會影響到檢修工期。而且，門機設備有如下缺陷：一是原有系統(tǒng)部分設計不合理，葫蘆吊操作手柄沒有集成到聯(lián)動臺，司機操作葫蘆吊時手抱操作手柄進行操作，存在觸電風險；二是部分保護回路不完善，變頻器故障機構(gòu)不停止運行，容易導致不同步、失控及損壞設備現(xiàn)象發(fā)生。為了提高設備的可靠性及安全性，巖灘電廠于2017年對二期門機進行了控制系統(tǒng)優(yōu)化，同時對大車行走、主小車行走變頻器首次采用冗余技術(shù)理念，取得了很好的效果，大大提升了設備可靠性。

2.1 二期門機控制系統(tǒng)優(yōu)化改造內(nèi)容

2.1.1 大車行走變頻器冗余改造

二期門機大車運行機構(gòu)共四組，每組結(jié)構(gòu)型式相同，由行走臺車、平衡梁、鉸座、頂軌器、緩沖器、行程開關等部件組成，分別安裝在四個門腿對應處的下橫梁下方。每組行走機構(gòu)由兩個行走臺車通過平衡梁鉸接成一體，平衡梁通過鉸軸和鉸座與門架下橫梁連接。每個行走臺車由一個主動走輪和一個從動走輪組成，每個主動走輪的驅(qū)動裝置采用一套三合一減速器直接傳動。大車行走機構(gòu)共設8個主動走輪和8個從動走輪，這種布置不僅能夠均衡各行走輪的輪壓，而且能夠有效防止主動走輪在啟動時打滑。門機的極限限位裝置和錨定裝置設置均設置在大車行走機構(gòu)上。

改造前：二期門機原大車行走變頻器為2臺變頻器（型號：6SE7031-2EF60(55kW)）控制8臺電機，每臺變頻器控制4臺電機，即1拖4的方式。剛投產(chǎn)時，單臺變頻器故障，大車行走機構(gòu)不停止運行，容易造成門機打滑等故障。

改造后：改造后雖然還是有兩臺變頻器，但是由1臺變頻器（型號：6SL3210-1PE32-5AL0）控制8臺電機，變頻器功率增大1倍多，即1拖8的方式，設備運行使用變頻器一臺，通過電路聯(lián)鎖能實現(xiàn)兩臺變頻器之間任意切換（3KM13、3KM15接觸器吸合的情況下使用主用變頻器，主用變頻器故障情況下3KM14、3KM16接觸器吸合的情況下使用備用變頻器），達到互為備用的目的（參見圖1） 。

改造后操作：其他電源都已經(jīng)投入后，合上電源進線，操作大車控制手柄即可工作，顯示屏內(nèi)有大車故障和運行信號，并有大車運行電流和大車運行轉(zhuǎn)速實時信號，聯(lián)動臺上有“大車變頻器切換”選擇旋鈕，如大車常用變頻器報故障，按故障復位后也不能工作，可松開大車操作手柄，旋動“大車變頻器切換”選擇旋鈕到大車備用位置，操作手柄繼續(xù)工作。因大車備用變頻器為熱備用工作，正常情況下，備用變頻器因電源接觸器3KM12（參見圖1）未帶電，因此母線無電壓，變頻器會報失壓故障，這是正常狀態(tài)，如需讓備用變頻器工作，旋動“大車變頻器切換”選擇旋鈕至大車備用后，按聯(lián)動臺故障復位鍵即可。

圖1 二期門機大車新原理圖（局部示意圖）

2.1.2 二期門機主小車行走變頻器冗余改造

主小車行走機構(gòu)由主動走輪、從動走輪、平衡架、支座和緩沖器等部分組成。車輪支座采用45度剖分結(jié)構(gòu)，整體加工，主動走輪共四套，驅(qū)動裝置采用三合一減速器，共四臺，主小車行走機構(gòu)設置極限行程開關，當行走機構(gòu)運行至接近極限位置時門機停止運行，同時發(fā)出聲、光報警信號。

改造前：二期門機原主小車行走變頻器為1臺變頻器（型號：6SE7023-8ED61）控制4臺電機，即1拖4方式，也是由于變頻器已停產(chǎn)，無法采購到備品，為了防止機組檢修時變頻器故障影響設備檢修維護工期，進行了冗余改造。

改造后：更換了該變頻器（型號：6SL3210-1PE23-8AL0），原有1拖4方式保持不變，增設一臺備用變頻器，通過電路聯(lián)鎖實現(xiàn)兩臺變頻器之間能任意切換，達到互為備用的目的，通用原理可參見圖1（現(xiàn)場控制4臺電機）。

改造后主小車操作與大車操作類似。

2.2 上游攔污排升降控制系統(tǒng)改造

在二期門機控制系統(tǒng)優(yōu)化改造成功的基礎上，巖灘電廠上游攔污排升降控制系統(tǒng)也應用冗余技術(shù)進行了優(yōu)化改造。

改造前：巖灘電廠原上游攔污排卷揚機驅(qū)動電機為繞線電機，采用轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速方式，攔污排控制柜為一面標準柜，控制方式為現(xiàn)地常規(guī)控制，操作方式為現(xiàn)地按鈕操作，由于運行年限較長，控制系統(tǒng)的元件（特別是時間繼電器）、電纜、電機等均已老化。為了提高攔污排升降控制的可靠性，提高設備自動化水平，巖灘電廠于2018年對上游攔污排升降控制系統(tǒng)進行了更換改造。

改造后：原常規(guī)控制方式改造為PLC+變頻器控制，變頻器也采用冗余配置，兩個變頻器能互相切換并實現(xiàn)電氣互鎖，防止電源短路，改造后設備的可靠性得到大幅提高，上游攔污升降控制原理圖（局部）參見圖2。本次改造繞線電機更換為變頻電機，更換了制動電阻，更換了控制柜，在更換變頻電機的過程中發(fā)現(xiàn)制動輪有多條裂紋，已重新購買更換。兩臺變頻器在PLC邏輯中自動輪換，保證了設備的可靠運行。

3 應用效果分析

冗余技術(shù)在起重設備的應用在巖灘電廠屬于首次，該技術(shù)先是應用在二期門機改造上，并對控制系統(tǒng)進行了優(yōu)化：取消了葫蘆吊操作手柄，把葫蘆吊操作手柄功能通過在聯(lián)動臺增加控制把手實現(xiàn)原有操作手柄功能，解決觸電風險；對各保護回路進行了全面檢查完善，變頻器故障機構(gòu)馬上停止運行，更換了不可靠的限位開關，優(yōu)化后設備可靠。應用成功后被推廣至攔污排升降控制系統(tǒng)改造項目中，冗余技術(shù)應用有以下幾個優(yōu)點：

3.1 讓備品“活”在設備上：根據(jù)巖灘電廠近幾年起重設備變頻器運行情況，采購的變頻器備品應用率不高，在關鍵時候還不一定用得上，因備品往往只是保存在倉庫內(nèi)，一旦設備故障，即使有備品，還涉及到設備的拆裝、調(diào)試等，維修工期長，讓備品“活”在設備上，是今后起重設備改造的又一選擇。

3.2 減少風險，節(jié)約時間：采用冗余技術(shù)，備用變頻器處在熱備用狀態(tài)，一旦主用變頻器故障，通過人工或自動切換至備用變頻器運行，在設備空閑時再進行故障檢查，能減少延長水輪機組檢修工期的風險。

圖2 上游攔污升降控制原理圖（局部）

3.3 節(jié)約成本，延長設備壽命：生產(chǎn)廠家生產(chǎn)的設備更新快，備品備件有可能存在停產(chǎn)的風險，且安裝調(diào)試還需要時間與服務成本。使用冗余技術(shù)后能減少采購風險，減少安裝調(diào)試時間及服務成本，兩臺變頻器輪流使用，設備的可靠性得到大幅提高。

4 結(jié)語

本次改造實施重點：二期門機控制系統(tǒng)優(yōu)化由于只是對部分系統(tǒng)、部分功能進行優(yōu)化改進，因此改造前的重點工作包括：可研報告編寫、現(xiàn)場規(guī)劃設計、新增設備布置安裝等都需認真核對，提前確認，然后根據(jù)大車8臺電機的功率（8×11 kW）、主小車4臺電機的功率（4Χ3.0kW）重新進行變頻器選型，所選大車行走變頻器能滿足1拖8的控制方式要求，主小車變頻器能滿足1拖4的控制方式要求，兩臺變頻器之間還要有電路閉鎖功能，防止電源回路短路。

本次改造實施難點：改造優(yōu)化新增加了一個變頻器柜，用于布置大車及主小車主備用變頻器，其余的元器件需在現(xiàn)場拆除舊的變頻器后才能進行安裝及接線，由于是不同的生產(chǎn)廠家施工，因此需熟悉原有圖紙、熟悉現(xiàn)場安裝工藝并根據(jù)新的原理接線圖進行配線調(diào)試，現(xiàn)場空間小，同時還要保證接線正確，邏輯控制正確，功能實現(xiàn)、合同目標實現(xiàn)，不存在安全隱患且布置需合理美觀。

本次改造是巖灘電廠在起重設備上采用冗余技術(shù)的首次嘗試，為后續(xù)的起重設備改造提供了參考，使改造設備的可靠性得到了大幅提高。