桑墟水電站水輪機軸承箱油溫自動監測預警系統研制方案比選

唐子明

（江蘇省淮沭新河管理處，江蘇 淮安 223001）

0 前言

水電站作為利用水能源進行發電的設施，水輪發電機組是其核心組成設備，對于水電站運行十分重要，直接影響其發電效率。而水輪機在運行過程中，由于軸承箱運行發熱會導致油溫升高，因此需要對其實時監督，避免油溫升高導致軸承損壞，致使水輪機無法運行或運行效率低下。基于此，本文以實際項目為例探究水輪機軸承箱油溫自動檢測預警系統研制方案具有十分重要的現實意義。

1 工程概況

桑墟水電站位于江蘇省沭陽縣桑墟鎮薔薇村東北與東海縣房山鎮吳場村交界，是利用沭新河排洪或向連云港所送工農用水發電的小型水利工程，兼有向薔薇河（連云港方向）、淮沭新河（東海方向）送水灌溉的任務。桑墟站閘門全開設計流量為25 m3/s。交通設計標準汽-10,拖-30，橋面凈寬4.5 m，高程8.75 m。1986 年5 月建成，7 月并網發電，共5 臺機組，裝機總量500 kW,配備TSN-59/6-100 型發電機，ZDJ-LM-100 型水輪機5 臺套。2014 年10 月完成擴效增容改造，裝機總容量625 kW，發電機型號SF125-20/990-W，水輪機型號ZDT03-LM-100。水輪發電機軸承箱的油溫限值是60 ℃，是水輪發電機組安全運行的重要指標。

2 自動監測預警系統研制的必要性

通常情況下，桑墟水電站水輪發電機軸承箱的油溫限值是60 ℃，是水輪發電機組安全運行的重要指標，傳統檢測工作中，主要采取每隔1 h 人工用測溫槍檢測一次的方法進行監測，存在位置不準確、數據不精準、采集不全面、異常情況報警不及時等問題，特別是夏季期間，受環境和硬件條件限制，廠房溫度近40 ℃，軸承箱油溫也隨之升高，實時監測的必要性迫在眉睫[1]。為解決這些問題，保證安全運行，本文針對水輪發電機軸承箱油溫監測方面開展管理實用研究。通過安裝紅外溫度傳感器和數字式儀表，實時監測軸承箱油溫，并對超限制數據通過聲光報警裝置及時報警，提醒運行值班人員采取措施，保障設備運行安全。確保桑墟水電站穩定運行。

3 自動監測預警系統研制目標

結合桑墟水電站水輪機運行情況，通過在水輪機油箱安裝紅外溫度傳感器與數字式儀表，對其油溫進行實時監控。以便能夠及時發現油溫異常現象，通過聲光報警方式進行報警，提醒相關工作人員采取措施進行處理，確保水輪機設備運行正常。有關紅外溫度傳感器采用4~20 mA、0~200 ℃紅外探頭采集軸承溫度，選用一路4~20 mA 采集口、一路數字量開關輸出和一路RS485 儀表顯示當前溫度，選用支持RS485 轉4G DTU 模塊傳輸數據。紅外探頭不需要接觸軸承表面就可以直接測量出軸承溫度，這樣更加安全并且安裝靈活快捷，采用4~20 mA 信號維修維保更加方便[2]。采用多功能儀表可以實時顯示當前溫度，還可以設置報警值，溫度過高時可以提示工作人員，支持使用RS485 和遠程4G DTU 模塊適配通信，4G DTU 模塊可以通過APP 網頁等方式在線檢測溫度，后期也可以加入主網集成到檢測系統，實現在手機上查看與預警，以便能夠及時發現問題解決問題，保障設備穩定運行。

4 桑墟水電站水輪機軸承箱油溫自動監測預警系統研制方案比選

根據桑墟水電站水輪機運行情況，本文提出兩種方案，方案一為紅外測溫儀+智能儀表+遠程DTU 4G 模塊+蜂鳴報警系統，方案二為紅外測溫儀+集成數顯儀表功能的PLC 控制系統，從兩種方案運行原理出發，探究其施工難點與經濟性，通過兩種方案比選，確定水輪機軸承油溫自動檢測預警系統研制方案，為后期該水電站水輪機穩定運行提供保障。

4.1 方案1：紅外測溫儀+智能儀表+遠程DTU 4G 模塊+蜂鳴報警系統

4.1.1 系統運行原理

計劃采用4~20 mA、0~200℃紅外探頭采集軸承溫度，選用一路4~20 mA 采集口、一路數字量開關輸出和一路RS485 儀表顯示當前溫度，選用支持RS485 轉4G DTU 模塊傳輸數據。

紅外探頭不需要接觸軸承表面就可以直接測量出軸承溫度，這樣更加安全并且安裝靈活快捷，采用4~20 mA 信號維修維保更加方便。采用多功能儀表可以實時顯示當前溫度，還可以設置報警值溫度過高時提示工作人員，支持RS485 和遠程4G DTU模塊適配通信，4G DTU 模塊可以通過APP 網頁等方式在線檢測溫度，也可以加入主網集成到檢測系統[3]。紅外監測器正對軸承箱，紅外監測器與控制模塊為電性連接，顯示屏與控制模塊為電性連接，報警器與控制模塊為電性連接，控制模塊與無線傳輸模塊為電性連接，無線傳輸模塊無線連接主機端，紅外監測器正對軸承箱，通過紅外測溫的方式監測軸承箱的溫度，并將監測的溫度傳遞至控制模塊，控制模塊將溫度顯示在顯示屏上，當內部溫度超過預設的危險值時，控制模塊控制警報器啟動，警報器發出警報聲警示周圍的工作人員，同時通過無線傳輸模塊傳遞信息至主機端[4]。

線圈纏繞設置于鐵心的表面，線圈的兩端均與控制組件連接，監測設備和紅外監測器均設置于磁吸板的表面，磁吸板與裝置主體為磁性連接，監測設備內部安裝有電池，電池與控制組件為電性連接，控制組件為供電控制開關組件，磁吸板為可拆卸結構，磁吸板的頂端表面安裝有控制按鈕，其控制按鈕與控制組件為電性連接，控制按鈕為按壓式開關，監測設備和紅外監測器與磁吸板一體設計，使用者可通過拆卸磁吸板對監測設備和紅外監測器進行移動，使紅外監測器能正對軸承箱從而實現監測溫度保持正常運行[5]。

使用者需要監測軸承箱的溫度時，按壓控制按鈕后，內部的控制組件打開電池對線圈的供電，線圈獲得供電后，因為線圈纏繞于鐵心的表面，根據電磁鐵原理，鐵心迅速獲得磁性，使用者便可將磁吸板磁吸在裝置主體上，當使用者再次按壓控制按鈕時，內部的控制組件停止電池對線圈的供電，磁吸板失去磁性，使其能從裝置主體上拆卸下來，利用該原理將其固定在裝置主體上，使用者可通過拆卸磁吸板對監測設備和紅外監測器進行移動，使紅外監測器正對軸承箱從而實現監測溫度保持正常運行[6]。紅外監測器通過紅外測溫的方式監測軸承箱的溫度，并將監測的溫度傳遞至控制模塊，控制模塊將溫度顯示在顯示屏上，當內部溫度超過預設的危險值時，控制模塊控制警報器啟動，警報器發出警報聲警示周圍的工作人員，同時通過無線傳輸模塊傳遞信息至主機端[7]。

4.1.2 創新點

（1）通過紅外監測器采用紅外的方式監測軸承箱的溫度，當內部溫度過高時進行報警，及時提醒相關工作人員采取處理措施，提高了設備運行安全性；

（2）監測設備和紅外檢測器可利用吸板的電磁鐵原理進行拆卸更換位置，方便工作人員拆卸和維修，優化了工作人員的工作過程和工作量；

（3）通過智能數顯監測儀表顯示實時的軸承箱溫度，能數字化直觀反映軸承箱的溫度變化[8]。

4.2 方案2：紅外測溫儀+集成數顯儀表功能的PLC 控制系統

此方案是將方案1 中的“顯示儀表和遠程DTU 4G 模塊”替換為“集成數顯儀表功能的PLC 控制系統”，目的是溫度超過限值時，水輪機實現自動停運，原理同方案1。

本方案的創新點如下：①適合信號遠距離傳輸，匹配各類二次儀表、PLC、DCS 采集等各種需要；②系統精準化、自動化程度高。

4.3 方案比選

4.3.1 施工難點對比

根據上述兩個方案，在桑墟水電站工程現場開展調研和方案模擬，選擇最佳實施方案。經過現場調查分析，得出采用方案1 無論是安裝位置的選擇，還是布線施工，可操作性都比方案2更具優勢（表1）。

表1 施工方案對比分析表

4.3.2 施工經濟性對比

通過表2 可知，方案1 比方案2 更加經濟。

表2 方案經濟性分析(按安裝一套系統計算)單位：元

4.3.3 方案選定

經過方案對比分析，方案1 優勢明顯，相較于方案2 而言，不僅具有安裝簡便、周期短、免維護等優勢，信號轉化的精度以及穩定性也較高，技術可行性優勢明顯。此外，考慮到方案經濟性，方案1 無論是原材料還是加工費投入都比方案2 少，施工周期短，故選定方案1 作為最佳方案（表3）。

表3 方案對比表

5 結語

結合當前桑墟水電站水輪機設備運行情況來看，想要對軸承箱油溫進行實時監控，防止水輪機設備因油溫過高產生故障，需要結合實況研制自動檢測預警系統。本文提出兩種系統構建方案，根據方案對比情況來看，采用紅外測溫儀+智能儀表+遠程DTU 4G 模塊+蜂鳴報警系統這一方案，經濟便捷，施工難度低，比紅外測溫儀+集成數顯儀表功能的PLC 控制系統更具優勢。基于此，在桑墟水電站水輪機軸承油溫監測工作中，選擇前一方案進行實時監測，希望能為水輪機穩定運行提供有利條件。