冗余技術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，首次把冗余技術應用到起重設備上，并在2018年把冗余技術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 冗余技術介紹

冗余技術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，當檢測發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)內部存在故障，通過系統(tǒng)內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]。

起重設備冗余技術是指對起重設備某一個機構如巖灘電廠門機的大車、小車行走機構或起升機構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?？筛鶕?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，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共四組，每組結構型式相同，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，每個主動走輪的驅動裝置采用一套三合一減速器直接傳動。大車行走機構共設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。剛投產時，單臺變頻器故障，大車行走機構不停止運行，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，顯示屏內有大車故障和運行信號，并有大車運行電流和大車運行轉速實時信號，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度剖分結構，整體加工，主動走輪共四套，驅動裝置采用三合一減速器，共四臺，主小車行走機構設置極限行程開關，當行走機構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，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動電機為繞線電機，采用轉子串電阻調速方式，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

冗余技術在起重設備的應用在巖灘電廠屬于首次，該技術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，一旦設備故障，即使有備品，還涉及到設備的拆裝、調試等，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，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：生產廠家生產的設備更新快，備品備件有可能存在停產的風險，且安裝調試還需要時間與服務成本。使用冗余技術后能減少采購風險，減少安裝調試時間及服務成本，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。