向巧鳳

（大唐巖灘水力發(fā)電有限責(zé)任公司，廣西 巖灘，530811）

巖灘電廠總裝機(jī)容量181萬千瓦，由一期4臺(tái)30.25萬千瓦和二期2臺(tái)30萬千瓦的混流式水輪發(fā)電機(jī)組組成。計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)上位機(jī)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(shè)備都單獨(dú)另設(shè)，如門機(jī)、主廠房橋機(jī)、尾水橋機(jī)等。

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

1 冗余技術(shù)介紹

冗余技術(shù)是指具有多余的資源，當(dāng)系統(tǒng)的某一部分出現(xiàn)故障時(shí)，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(shí)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(dòng)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(yīng)，促使系統(tǒng)在故障后仍能正常工作。它具有對(duì)故障的容忍能力，故而作為實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)的第一途徑。

動(dòng)態(tài)冗余又稱故障切換技術(shù)，當(dāng)檢測(cè)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(shí)現(xiàn)容錯(cuò)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(shè)備冗余技術(shù)是指對(duì)起重設(shè)備某一個(gè)機(jī)構(gòu)如巖灘電廠門機(jī)的大車、小車行走機(jī)構(gòu)或起升機(jī)構(gòu)控制部分通過冗余配置，當(dāng)系統(tǒng)的常用或輪換使用中的一部分故障時(shí)，可由冗余部分頂替，不影響設(shè)備運(yùn)行，通?？筛鶕?jù)需求冗余配置整套或局部設(shè)備。

2 應(yīng)用實(shí)例

2013年，巖灘電廠二期門機(jī)投入使用，2015年因門機(jī)配電室屋頂漏水，更換了一臺(tái)變頻器的所有插件，經(jīng)西門子工程師現(xiàn)場(chǎng)核實(shí)，二期門機(jī)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(jī)組檢修期如果出現(xiàn)故障還會(huì)影響到檢修工期。而且，門機(jī)設(shè)備有如下缺陷：一是原有系統(tǒng)部分設(shè)計(jì)不合理，葫蘆吊操作手柄沒有集成到聯(lián)動(dòng)臺(tái)，司機(jī)操作葫蘆吊時(shí)手抱操作手柄進(jìn)行操作，存在觸電風(fēng)險(xiǎn)；二是部分保護(hù)回路不完善，變頻器故障機(jī)構(gòu)不停止運(yùn)行，容易導(dǎo)致不同步、失控及損壞設(shè)備現(xiàn)象發(fā)生。為了提高設(shè)備的可靠性及安全性，巖灘電廠于2017年對(duì)二期門機(jī)進(jìn)行了控制系統(tǒng)優(yōu)化，同時(shí)對(duì)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(shè)備可靠性。

2.1 二期門機(jī)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(jī)大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)共四組，每組結(jié)構(gòu)型式相同，由行走臺(tái)車、平衡梁、鉸座、頂軌器、緩沖器、行程開關(guān)等部件組成，分別安裝在四個(gè)門腿對(duì)應(yīng)處的下橫梁下方。每組行走機(jī)構(gòu)由兩個(gè)行走臺(tái)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(gè)行走臺(tái)車由一個(gè)主動(dòng)走輪和一個(gè)從動(dòng)走輪組成，每個(gè)主動(dòng)走輪的驅(qū)動(dòng)裝置采用一套三合一減速器直接傳動(dòng)。大車行走機(jī)構(gòu)共設(shè)8個(gè)主動(dòng)走輪和8個(gè)從動(dòng)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(dòng)走輪在啟動(dòng)時(shí)打滑。門機(jī)的極限限位裝置和錨定裝置設(shè)置均設(shè)置在大車行走機(jī)構(gòu)上。

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

改造后：改造后雖然還是有兩臺(tái)變頻器，但是由1臺(tái)變頻器（型號(hào)：6SL3210-1PE32-5AL0）控制8臺(tái)電機(jī)，變頻器功率增大1倍多，即1拖8的方式，設(shè)備運(yùn)行使用變頻器一臺(tái)，通過電路聯(lián)鎖能實(shí)現(xiàn)兩臺(tái)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(dá)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(jìn)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(yùn)行信號(hào)，并有大車運(yùn)行電流和大車運(yùn)行轉(zhuǎn)速實(shí)時(shí)信號(hào)，聯(lián)動(dòng)臺(tái)上有“大車變頻器切換”選擇旋鈕，如大車常用變頻器報(bào)故障，按故障復(fù)位后也不能工作，可松開大車操作手柄，旋動(dòng)“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(huì)報(bào)失壓故障，這是正常狀態(tài)，如需讓備用變頻器工作，旋動(dòng)“大車變頻器切換”選擇旋鈕至大車備用后，按聯(lián)動(dòng)臺(tái)故障復(fù)位鍵即可。

圖1 二期門機(jī)大車新原理圖（局部示意圖）

2.1.2 二期門機(jī)主小車行走變頻器冗余改造

主小車行走機(jī)構(gòu)由主動(dòng)走輪、從動(dòng)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(dòng)走輪共四套，驅(qū)動(dòng)裝置采用三合一減速器，共四臺(tái)，主小車行走機(jī)構(gòu)設(shè)置極限行程開關(guān)，當(dāng)行走機(jī)構(gòu)運(yùn)行至接近極限位置時(shí)門機(jī)停止運(yùn)行，同時(shí)發(fā)出聲、光報(bào)警信號(hào)。

改造前：二期門機(jī)原主小車行走變頻器為1臺(tái)變頻器（型號(hào)：6SE7023-8ED61）控制4臺(tái)電機(jī)，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(jī)組檢修時(shí)變頻器故障影響設(shè)備檢修維護(hù)工期，進(jìn)行了冗余改造。

改造后：更換了該變頻器（型號(hào)：6SL3210-1PE23-8AL0），原有1拖4方式保持不變，增設(shè)一臺(tái)備用變頻器，通過電路聯(lián)鎖實(shí)現(xiàn)兩臺(tái)變頻器之間能任意切換，達(dá)到互為備用的目的，通用原理可參見圖1（現(xiàn)場(chǎng)控制4臺(tái)電機(jī)）。

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(jī)控制系統(tǒng)優(yōu)化改造成功的基礎(chǔ)上，巖灘電廠上游攔污排升降控制系統(tǒng)也應(yīng)用冗余技術(shù)進(jìn)行了優(yōu)化改造。

改造前：巖灘電廠原上游攔污排卷揚(yáng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)為繞線電機(jī)，采用轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速方式，攔污排控制柜為一面標(biāo)準(zhǔn)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(yùn)行年限較長，控制系統(tǒng)的元件（特別是時(shí)間繼電器）、電纜、電機(jī)等均已老化。為了提高攔污排升降控制的可靠性，提高設(shè)備自動(dòng)化水平，巖灘電廠于2018年對(duì)上游攔污排升降控制系統(tǒng)進(jìn)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(gè)變頻器能互相切換并實(shí)現(xiàn)電氣互鎖，防止電源短路，改造后設(shè)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(jī)更換為變頻電機(jī)，更換了制動(dòng)電阻，更換了控制柜，在更換變頻電機(jī)的過程中發(fā)現(xiàn)制動(dòng)輪有多條裂紋，已重新購買更換。兩臺(tái)變頻器在PLC邏輯中自動(dòng)輪換，保證了設(shè)備的可靠運(yùn)行。

3 應(yīng)用效果分析

冗余技術(shù)在起重設(shè)備的應(yīng)用在巖灘電廠屬于首次，該技術(shù)先是應(yīng)用在二期門機(jī)改造上，并對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)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(dòng)臺(tái)增加控制把手實(shí)現(xiàn)原有操作手柄功能，解決觸電風(fēng)險(xiǎn)；對(duì)各保護(hù)回路進(jìn)行了全面檢查完善，變頻器故障機(jī)構(gòu)馬上停止運(yùn)行，更換了不可靠的限位開關(guān)，優(yōu)化后設(shè)備可靠。應(yīng)用成功后被推廣至攔污排升降控制系統(tǒng)改造項(xiàng)目中，冗余技術(shù)應(yīng)用有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

3.1 讓備品“活”在設(shè)備上：根據(jù)巖灘電廠近幾年起重設(shè)備變頻器運(yùn)行情況，采購的變頻器備品應(yīng)用率不高，在關(guān)鍵時(shí)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(shè)備故障，即使有備品，還涉及到設(shè)備的拆裝、調(diào)試等，維修工期長，讓備品“活”在設(shè)備上，是今后起重設(shè)備改造的又一選擇。

3.2 減少風(fēng)險(xiǎn)，節(jié)約時(shí)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(dòng)切換至備用變頻器運(yùn)行，在設(shè)備空閑時(shí)再進(jìn)行故障檢查，能減少延長水輪機(jī)組檢修工期的風(fēng)險(xiǎn)。

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(shè)備壽命：生產(chǎn)廠家生產(chǎn)的設(shè)備更新快，備品備件有可能存在停產(chǎn)的風(fēng)險(xiǎn)，且安裝調(diào)試還需要時(shí)間與服務(wù)成本。使用冗余技術(shù)后能減少采購風(fēng)險(xiǎn)，減少安裝調(diào)試時(shí)間及服務(wù)成本，兩臺(tái)變頻器輪流使用，設(shè)備的可靠性得到大幅提高。

4 結(jié)語

本次改造實(shí)施重點(diǎn)：二期門機(jī)控制系統(tǒng)優(yōu)化由于只是對(duì)部分系統(tǒng)、部分功能進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，因此改造前的重點(diǎn)工作包括：可研報(bào)告編寫、現(xiàn)場(chǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)、新增設(shè)備布置安裝等都需認(rèn)真核對(duì)，提前確認(rèn)，然后根據(jù)大車8臺(tái)電機(jī)的功率（8×11 kW）、主小車4臺(tái)電機(jī)的功率（4Χ3.0kW）重新進(jìn)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(tái)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(shí)施難點(diǎn)：改造優(yōu)化新增加了一個(gè)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(chǎng)拆除舊的變頻器后才能進(jìn)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(chǎng)安裝工藝并根據(jù)新的原理接線圖進(jìn)行配線調(diào)試，現(xiàn)場(chǎng)空間小，同時(shí)還要保證接線正確，邏輯控制正確，功能實(shí)現(xiàn)、合同目標(biāo)實(shí)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(shè)備上采用冗余技術(shù)的首次嘗試，為后續(xù)的起重設(shè)備改造提供了參考，使改造設(shè)備的可靠性得到了大幅提高。