基于PLC 的汽輪機(jī)潤滑油泵控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（四川信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 廣元 628040）

0 引言

垃圾發(fā)電站汽輪機(jī)潤滑油系統(tǒng)正常運(yùn)行對(duì)汽輪機(jī)起很大的保護(hù)作用與輔助作用，其具體的功能歸納如下：

1）減少摩擦。加入潤滑油后,降低了摩擦面的摩擦系數(shù)，繼而降低摩擦力，降低了能量的消耗。油的物理特性和化學(xué)特性對(duì)摩擦系數(shù)的降低有很大影響。

2）降低磨損。設(shè)備在運(yùn)行過程中，會(huì)造成磨損、氧化、減少設(shè)備的壽命。在設(shè)備保養(yǎng)這方面通常在潤滑油里會(huì)加入抗氧化劑，這些抗氧化劑會(huì)在很大程度上減少機(jī)械的磨損。

3）冷卻作用。潤滑能減少摩擦，可以吸收熱量，傳遞熱量和發(fā)散熱量、可以減少由機(jī)械操作引起的摩擦引起的溫升。

4）防腐作用。機(jī)械的摩擦面與空氣接觸時(shí)會(huì)被空氣中的氧氣氧化，在摩擦面涂滿潤滑油可以使機(jī)械與空氣隔絕，通過隔離氧化物的方式達(dá)到防腐的作用。

5）絕緣性。潤滑油的電阻很大，可作為絕緣材料。

6）力的傳遞。油可以作為靜態(tài)的傳輸介質(zhì)，例如卡車和起重機(jī)液壓油；也可以作為動(dòng)力傳遞介質(zhì)，如自動(dòng)變速器油。

垃圾發(fā)電站汽輪機(jī)潤滑油系統(tǒng)對(duì)確保汽輪機(jī)和系統(tǒng)的平安運(yùn)轉(zhuǎn)起著舉足輕重的作用[1]。潤滑油體系失效后，將直接導(dǎo)致汽輪機(jī)瓦高溫燃燒、主軸彎曲等問題，為了防止汽輪機(jī)嚴(yán)重摩擦導(dǎo)致的嚴(yán)重?fù)p壞事故[2]，保護(hù)發(fā)電廠和發(fā)電設(shè)備的安全應(yīng)該放在第一位。

近年來，隨著工業(yè)高速發(fā)展，我國電力需求的迅速增長，發(fā)電廠的多樣性及可變性在所難免，而很多發(fā)電站都需要用到渦輪發(fā)電。所以為了提高發(fā)電效率和保障安全發(fā)電機(jī)組常常需要高質(zhì)量的潤滑油和精確的潤滑油泵體系。

1 潤滑油系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 潤滑油系統(tǒng)簡介

潤滑油系統(tǒng)主要任務(wù)是對(duì)汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組設(shè)備支持渦輪軸承、電機(jī)軸承和軸承箱提供高質(zhì)量的潤滑油[3]。為了確保發(fā)電機(jī)密封體系的密封性能良好，還需提供大量密封油給密封系統(tǒng)，為機(jī)械超速脫扣裝置保持一定壓力而提供較高油壓的潤滑油。潤滑油系統(tǒng)主要設(shè)備有主油泵(MOP)、油渦輪升壓泵(BOP)、集裝油箱、啟動(dòng)油泵(MSP)、事故油泵(EOP)、輔助油泵(TOP)、冷油器、排煙裝置、頂軸裝置等，其主要設(shè)備組成如圖1 所示。

圖1 潤滑油系統(tǒng)的主要設(shè)備組成

為了確保潤滑油的品質(zhì)，保證潤滑油系統(tǒng)部件不被磨損，對(duì)潤滑油有一些特殊的要求，其中潤滑油的干凈度、物理特性、化學(xué)特性及正確的儲(chǔ)存和管理，以及相應(yīng)的注油方法是最基本的要求。潤滑油的溫度既不太高也不太低，如果油箱溫度低于10℃，那么系統(tǒng)循環(huán)油不能正常流動(dòng)，不能啟動(dòng)潤滑油泵系統(tǒng)；如果從軸承流出的潤滑油溫度高于81℃，那么會(huì)容易使系統(tǒng)著火，機(jī)組必須緊急停機(jī)[4]。汽輪機(jī)油系統(tǒng)在投入生產(chǎn)運(yùn)行時(shí)必須對(duì)其沖洗和油采樣，確保其安全指標(biāo)達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)要求。

1.2 潤滑油系統(tǒng)的運(yùn)行

當(dāng)汽輪機(jī)盤車時(shí)或當(dāng)汽輪機(jī)啟動(dòng)時(shí)主油泵不能提供足夠的油量，此時(shí)啟動(dòng)輔助油泵(TOP)提供足夠的油量給汽輪機(jī)和發(fā)電機(jī)軸承，直到交流電動(dòng)輔助油泵(TOP)給前軸承箱提供不低于0.10MPa(g)的軸承油。

交流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的離心泵(MSP)在盤車及升速過理中執(zhí)行升壓泵的功能，在汽輪機(jī)主軸的速度達(dá)到額定轉(zhuǎn)速的90%以上均由交流電動(dòng)啟動(dòng)油泵（MSP）向主油泵入口供油。當(dāng)渦輪軸開始轉(zhuǎn)動(dòng)，主油泵不能提供足夠的壓力潤滑油時(shí)，交流電動(dòng)啟動(dòng)油泵(MSP)為主油泵提供吸油口壓力。

當(dāng)汽輪機(jī)速度提高時(shí)，主油泵將開始運(yùn)行增加輸出壓力，使主油泵油壓力足以打開主油泵出口止回閥。這部分潤滑油由交流電動(dòng)啟動(dòng)油泵(MSP)吸入主油泵，通過油底殼渦輪噴嘴節(jié)流閥和旁路節(jié)流閥和交流電動(dòng)輔助泵（TOP）輸出油會(huì)合，升壓泵不再輸出油。當(dāng)主油泵不斷提高速度和提升油壓，主油泵供給所有軸承的潤滑油不再需要交流電動(dòng)輔助油泵，此時(shí)交流電動(dòng)輔助油泵處于停運(yùn)狀態(tài)。主油泵壓力逐漸升高使升壓泵轉(zhuǎn)速更快，產(chǎn)生更大的壓力以便于打開升壓泵的逆止閥將主油泵壓力提高更多，此時(shí)關(guān)閉交流電動(dòng)輔助油泵(TOP)處的逆止閥。汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速持續(xù)上升直到額定轉(zhuǎn)速，使得軸承潤滑油母管和主油泵吸油壓力達(dá)到可運(yùn)行值。

在潤滑油系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，由主油泵向潤滑油系統(tǒng)供油。安裝在油箱內(nèi)頂部的油渦輪驅(qū)動(dòng)的升壓泵以0.10MPa(g)～0.17MPa(g)壓力的潤滑油向主油泵入口供油，為主油泵增加出口油壓力。從主油泵排出的油輸送到油箱并作為驅(qū)動(dòng)油提供給油渦輪使其運(yùn)行。潤滑油流經(jīng)油渦輪時(shí)油壓降到大約0.34MPa(g)～0.51MPa(g)來驅(qū)動(dòng)升壓泵的運(yùn)行。然后流經(jīng)冷油器與過濾器達(dá)軸承，提供潤滑油。

油溫控制：在系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，潤滑油經(jīng)過冷油器后溫度范圍約42℃～48℃。當(dāng)油箱內(nèi)油溫低于10℃，此時(shí)由于潤滑油黏稠度過大，不易循環(huán)，供油系統(tǒng)將會(huì)停止，只有啟動(dòng)加熱器將油溫加熱到20℃以上，潤滑系統(tǒng)才啟動(dòng)。當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，若通過冷油器的潤滑油溫低于30℃，那么必須關(guān)閉冷卻水，并通過調(diào)節(jié)使油溫保持在42℃～48℃。

排煙系統(tǒng)：在系統(tǒng)運(yùn)行期間，一部分油因摩擦和鼓風(fēng)的原因，蒸發(fā)成油煙，這些油煙在系統(tǒng)中會(huì)導(dǎo)致透平油滲入雜質(zhì)，需要及時(shí)將這些油煙排出。檢測油煙的標(biāo)準(zhǔn)為油箱中的壓力，通過排煙風(fēng)機(jī)的啟停來控制油箱內(nèi)壓力的大小，使油箱壓力保持在100Pa～200Pa。

2 下位機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

下位機(jī)主要完成對(duì)現(xiàn)場實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的收集和對(duì)現(xiàn)場工藝設(shè)備的實(shí)時(shí)控制功能，它是DCS 體系的現(xiàn)場控制站（FCS），DCS 系統(tǒng)的主要功能由其達(dá)成[5]。同時(shí)，下位機(jī)還要保證DCS 系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。因此,對(duì)下位機(jī)的選擇需考慮很多方面如安全、穩(wěn)定、可靠等，一般采用特定的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。

2.1 總體功能設(shè)計(jì)

本文的DCS 系統(tǒng)的下位機(jī)使用PLC 作現(xiàn)場控制站，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的采集、現(xiàn)場設(shè)備的控制和反饋控制的功能。

根據(jù)本文所選擇的工藝流程的控制要求，整個(gè)潤滑油泵系統(tǒng)大致可以分為三個(gè)區(qū)，即運(yùn)行系統(tǒng)區(qū)、油溫控制區(qū)、排煙區(qū)。運(yùn)行系統(tǒng)區(qū)控制油泵的運(yùn)行，油溫控制區(qū)保障系統(tǒng)的安全，排煙區(qū)保障油的品質(zhì)。他們的工藝是相互關(guān)聯(lián)的，因此根據(jù)實(shí)際情況可使用一臺(tái)PLC 作為下位機(jī)去控制現(xiàn)場設(shè)備。

本文上位機(jī)的計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)采用組態(tài)王控制界面的設(shè)計(jì)，用來實(shí)現(xiàn)工藝運(yùn)行狀態(tài)的控制，和緊急情況緊急的處理。根據(jù)實(shí)際工況進(jìn)行I/O 地址分配，如表1、表2 所示。

表1 輸入地址分配表

2.2 汽輪機(jī)主油泵、輔助油泵運(yùn)行

汽輪機(jī)主油泵在啟動(dòng)之前判斷油箱油溫是否大于20℃，主油泵入口油壓是否小于0.07MPa[6]；當(dāng)主油泵入口油壓大于0.08MPa，泵停止，主油泵流程圖如圖2。汽輪機(jī)輔助油泵啟動(dòng)之前需要判斷油箱油溫是否大于20℃、軸承油箱內(nèi)油壓是否小于0.11MPa，兩條件同時(shí)滿足后才能啟動(dòng)輔助油泵啟動(dòng)；當(dāng)軸承箱壓力大于0.12MPa，輔助油泵停止，當(dāng)軸承箱壓力小于0.098MPa 啟動(dòng)事故油泵進(jìn)行下一步處理。輔助油泵運(yùn)行流程圖如圖3 所示。

表2 輸出地址分配表

圖2 主油泵流程圖

圖3 輔助油泵流程圖

2.3 油溫控制系統(tǒng)

在啟動(dòng)潤滑油系統(tǒng)之前要保證油溫在20℃以上，否則油過于黏稠不易于循環(huán)，當(dāng)油溫小于20℃時(shí)啟動(dòng)加熱器，38℃停止加熱器，使油箱溫度保持在20℃～38℃之間。加熱系統(tǒng)流程如圖4 所示。

圖4 加熱系統(tǒng)流程圖

圖5 排煙系統(tǒng)流程圖

2.4 排煙控制系統(tǒng)

系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，在軸承處由于摩擦和鼓風(fēng)作用使一部分潤滑油轉(zhuǎn)換為油煙，這一部分油煙需要排出系統(tǒng)以保證潤滑油的品質(zhì)。產(chǎn)生的煙氣量由軸承箱內(nèi)壓力確定，需要用排煙風(fēng)機(jī)使油箱中的負(fù)壓維持在一定的范圍，使其保持在100Pa～200Pa 輔壓左右。排煙系統(tǒng)流程圖如圖5 所示。

3 軟件設(shè)計(jì)與調(diào)試

根據(jù)潤滑系統(tǒng)工藝的需要，對(duì)潤滑油泵的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控。當(dāng)油溫為25.67℃（小于30℃），主油泵入口壓力為0.06MPa(小于0.11MPa)，軸承箱內(nèi)壓力為0MPa（小于0.098 1MPa）時(shí)，啟動(dòng)油泵，輔助油泵及加熱器啟動(dòng)，符合程序與工藝要求，當(dāng)按下緊急停止開關(guān)，對(duì)應(yīng)油泵停止。當(dāng)輔助油泵停止時(shí)，事故油泵會(huì)啟動(dòng)。操作界面如圖6 所示。

圖6 操作界面

當(dāng)油箱油溫為38.9℃，加熱器停止。軸承箱內(nèi)壓力為0.77MPa 時(shí)，輔助油泵停止，事故油泵也不啟動(dòng)，滿足要求。操作界面如圖7 所示。

圖7 操作界面

當(dāng)油箱內(nèi)壓力大于100Pa 時(shí)，排煙風(fēng)機(jī)A 啟動(dòng)，B 停止，如圖7 所示。大于200Pa 時(shí)A 與B 都啟動(dòng)。操作界面如圖8 所示。能夠調(diào)節(jié)軸承箱內(nèi)壓力，通訊結(jié)果正常。

圖8 操作界面

4 結(jié)語

綜上所述，汽輪機(jī)供油系統(tǒng)需要不斷地向汽輪發(fā)電組的各個(gè)軸承和調(diào)節(jié)系統(tǒng)提供壓力和溫度達(dá)標(biāo)的潤滑油，用來保證系統(tǒng)正常工作。本文采用PLC 與組態(tài)王相結(jié)合設(shè)計(jì)了一套基于PLC 的汽輪機(jī)潤滑油泵控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)汽輪機(jī)主油泵、輔助油泵的自動(dòng)控制、油溫自動(dòng)控制、排煙系統(tǒng)的自動(dòng)控制。重點(diǎn)解決了傳統(tǒng)的汽輪機(jī)供油系統(tǒng)中潤滑油系統(tǒng)突然停止供油，在短時(shí)間內(nèi)會(huì)引發(fā)軸承燒瓦誘發(fā)事故、壓力油中斷會(huì)使調(diào)節(jié)系統(tǒng)被迫停機(jī)等問題，有助于進(jìn)一步提高汽輪機(jī)供油系統(tǒng)的自動(dòng)化水平。