桑墟水电站水轮机轴承箱油温自动监测预警系统研制方案比选

唐子明

（江苏省淮沭新河管理处，江苏 淮安 223001）

0 前言

水电站作为利用水能源进行发电的设施，水轮发电机组是其核心组成设备，对于水电站运行十分重要，直接影响其发电效率。而水轮机在运行过程中，由于轴承箱运行发热会导致油温升高，因此需要对其实时监督，避免油温升高导致轴承损坏，致使水轮机无法运行或运行效率低下。基于此，本文以实际项目为例探究水轮机轴承箱油温自动检测预警系统研制方案具有十分重要的现实意义。

1 工程概况

桑墟水电站位于江苏省沭阳县桑墟镇蔷薇村东北与东海县房山镇吴场村交界，是利用沭新河排洪或向连云港所送工农用水发电的小型水利工程，兼有向蔷薇河（连云港方向）、淮沭新河（东海方向）送水灌溉的任务。桑墟站闸门全开设计流量为25 m3/s。交通设计标准汽-10,拖-30，桥面净宽4.5 m，高程8.75 m。1986 年5 月建成，7 月并网发电，共5 台机组，装机总量500 kW,配备TSN-59/6-100 型发电机，ZDJ-LM-100 型水轮机5 台套。2014 年10 月完成扩效增容改造，装机总容量625 kW，发电机型号SF125-20/990-W，水轮机型号ZDT03-LM-100。水轮发电机轴承箱的油温限值是60 ℃，是水轮发电机组安全运行的重要指标。

2 自动监测预警系统研制的必要性

通常情况下，桑墟水电站水轮发电机轴承箱的油温限值是60 ℃，是水轮发电机组安全运行的重要指标，传统检测工作中，主要采取每隔1 h 人工用测温枪检测一次的方法进行监测，存在位置不准确、数据不精准、采集不全面、异常情况报警不及时等问题，特别是夏季期间，受环境和硬件条件限制，厂房温度近40 ℃，轴承箱油温也随之升高，实时监测的必要性迫在眉睫[1]。为解决这些问题，保证安全运行，本文针对水轮发电机轴承箱油温监测方面开展管理实用研究。通过安装红外温度传感器和数字式仪表，实时监测轴承箱油温，并对超限制数据通过声光报警装置及时报警，提醒运行值班人员采取措施，保障设备运行安全。确保桑墟水电站稳定运行。

3 自动监测预警系统研制目标

结合桑墟水电站水轮机运行情况，通过在水轮机油箱安装红外温度传感器与数字式仪表，对其油温进行实时监控。以便能够及时发现油温异常现象，通过声光报警方式进行报警，提醒相关工作人员采取措施进行处理，确保水轮机设备运行正常。有关红外温度传感器采用4~20 mA、0~200 ℃红外探头采集轴承温度，选用一路4~20 mA 采集口、一路数字量开关输出和一路RS485 仪表显示当前温度，选用支持RS485 转4G DTU 模块传输数据。红外探头不需要接触轴承表面就可以直接测量出轴承温度，这样更加安全并且安装灵活快捷，采用4~20 mA 信号维修维保更加方便[2]。采用多功能仪表可以实时显示当前温度，还可以设置报警值，温度过高时可以提示工作人员，支持使用RS485 和远程4G DTU 模块适配通信，4G DTU 模块可以通过APP 网页等方式在线检测温度，后期也可以加入主网集成到检测系统，实现在手机上查看与预警，以便能够及时发现问题解决问题，保障设备稳定运行。

4 桑墟水电站水轮机轴承箱油温自动监测预警系统研制方案比选

根据桑墟水电站水轮机运行情况，本文提出两种方案，方案一为红外测温仪+智能仪表+远程DTU 4G 模块+蜂鸣报警系统，方案二为红外测温仪+集成数显仪表功能的PLC 控制系统，从两种方案运行原理出发，探究其施工难点与经济性，通过两种方案比选，确定水轮机轴承油温自动检测预警系统研制方案，为后期该水电站水轮机稳定运行提供保障。

4.1 方案1：红外测温仪+智能仪表+远程DTU 4G 模块+蜂鸣报警系统

4.1.1 系统运行原理

计划采用4~20 mA、0~200℃红外探头采集轴承温度，选用一路4~20 mA 采集口、一路数字量开关输出和一路RS485 仪表显示当前温度，选用支持RS485 转4G DTU 模块传输数据。

红外探头不需要接触轴承表面就可以直接测量出轴承温度，这样更加安全并且安装灵活快捷，采用4~20 mA 信号维修维保更加方便。采用多功能仪表可以实时显示当前温度，还可以设置报警值温度过高时提示工作人员，支持RS485 和远程4G DTU模块适配通信，4G DTU 模块可以通过APP 网页等方式在线检测温度，也可以加入主网集成到检测系统[3]。红外监测器正对轴承箱，红外监测器与控制模块为电性连接，显示屏与控制模块为电性连接，报警器与控制模块为电性连接，控制模块与无线传输模块为电性连接，无线传输模块无线连接主机端，红外监测器正对轴承箱，通过红外测温的方式监测轴承箱的温度，并将监测的温度传递至控制模块，控制模块将温度显示在显示屏上，当内部温度超过预设的危险值时，控制模块控制警报器启动，警报器发出警报声警示周围的工作人员，同时通过无线传输模块传递信息至主机端[4]。

线圈缠绕设置于铁心的表面，线圈的两端均与控制组件连接，监测设备和红外监测器均设置于磁吸板的表面，磁吸板与装置主体为磁性连接，监测设备内部安装有电池，电池与控制组件为电性连接，控制组件为供电控制开关组件，磁吸板为可拆卸结构，磁吸板的顶端表面安装有控制按钮，其控制按钮与控制组件为电性连接，控制按钮为按压式开关，监测设备和红外监测器与磁吸板一体设计，使用者可通过拆卸磁吸板对监测设备和红外监测器进行移动，使红外监测器能正对轴承箱从而实现监测温度保持正常运行[5]。

使用者需要监测轴承箱的温度时，按压控制按钮后，内部的控制组件打开电池对线圈的供电，线圈获得供电后，因为线圈缠绕于铁心的表面，根据电磁铁原理，铁心迅速获得磁性，使用者便可将磁吸板磁吸在装置主体上，当使用者再次按压控制按钮时，内部的控制组件停止电池对线圈的供电，磁吸板失去磁性，使其能从装置主体上拆卸下来，利用该原理将其固定在装置主体上，使用者可通过拆卸磁吸板对监测设备和红外监测器进行移动，使红外监测器正对轴承箱从而实现监测温度保持正常运行[6]。红外监测器通过红外测温的方式监测轴承箱的温度，并将监测的温度传递至控制模块，控制模块将温度显示在显示屏上，当内部温度超过预设的危险值时，控制模块控制警报器启动，警报器发出警报声警示周围的工作人员，同时通过无线传输模块传递信息至主机端[7]。

4.1.2 创新点

（1）通过红外监测器采用红外的方式监测轴承箱的温度，当内部温度过高时进行报警，及时提醒相关工作人员采取处理措施，提高了设备运行安全性；

（2）监测设备和红外检测器可利用吸板的电磁铁原理进行拆卸更换位置，方便工作人员拆卸和维修，优化了工作人员的工作过程和工作量；

（3）通过智能数显监测仪表显示实时的轴承箱温度，能数字化直观反映轴承箱的温度变化[8]。

4.2 方案2：红外测温仪+集成数显仪表功能的PLC 控制系统

此方案是将方案1 中的“显示仪表和远程DTU 4G 模块”替换为“集成数显仪表功能的PLC 控制系统”，目的是温度超过限值时，水轮机实现自动停运，原理同方案1。

本方案的创新点如下：①适合信号远距离传输，匹配各类二次仪表、PLC、DCS 采集等各种需要；②系统精准化、自动化程度高。

4.3 方案比选

4.3.1 施工难点对比

根据上述两个方案，在桑墟水电站工程现场开展调研和方案模拟，选择最佳实施方案。经过现场调查分析，得出采用方案1 无论是安装位置的选择，还是布线施工，可操作性都比方案2更具优势（表1）。

表1 施工方案对比分析表

4.3.2 施工经济性对比

通过表2 可知，方案1 比方案2 更加经济。

表2 方案经济性分析(按安装一套系统计算)单位：元

4.3.3 方案选定

经过方案对比分析，方案1 优势明显，相较于方案2 而言，不仅具有安装简便、周期短、免维护等优势，信号转化的精度以及稳定性也较高，技术可行性优势明显。此外，考虑到方案经济性，方案1 无论是原材料还是加工费投入都比方案2 少，施工周期短，故选定方案1 作为最佳方案（表3）。

表3 方案对比表

5 结语

结合当前桑墟水电站水轮机设备运行情况来看，想要对轴承箱油温进行实时监控，防止水轮机设备因油温过高产生故障，需要结合实况研制自动检测预警系统。本文提出两种系统构建方案，根据方案对比情况来看，采用红外测温仪+智能仪表+远程DTU 4G 模块+蜂鸣报警系统这一方案，经济便捷，施工难度低，比红外测温仪+集成数显仪表功能的PLC 控制系统更具优势。基于此，在桑墟水电站水轮机轴承油温监测工作中，选择前一方案进行实时监测，希望能为水轮机稳定运行提供有利条件。