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柴油發電機安全自動保護系統的探討

柴油發電機安全自動保護系統的探討

為了解決電網電力供應的不足,保證在電網高峰負荷或大電網出現機組故障的情況下,迅速填補電網電力的短缺,緩解電網的壓力,柴油發電機應運而生。柴油發電機具有綜合可靠性高、調峰性能好、機動性優良的突出優點。但是柴油發電廠存在投資成本相對過高、備件價格昂貴(大都依賴國外全自動)、機械負荷和熱負荷相當高、運動件特別多、突發性事故多等問題。目前大功率中速柴油機大都配備了相當先進的安全自動保護系統,以便在不利于設備安全運行的情況出現時,及時、有效、安全地停止設備的運行。廈門電廠柴油機的安全自動保護系統大致可歸為3類,即油霧保護系統、轉速測量保護系統、溫度及壓力監控保護系統。

1 油霧保護系統

1.1 工作原理

  油霧保護系統的主要保護元件是油霧探測器,它能及時檢測出有否因軸承過熱或活塞環損傷造成過量漏氣等故障而導致在曲軸箱內形成油霧,從而監視柴油機的主要運行部件——曲軸和氣缸的工作狀況是否正常。在柴油機運行過程中它通過采樣管系不停地抽出曲軸箱內的油氣,并送至一個靈敏且準確的濃度測量裝置。該濃度測量裝置包括一個紅外線發射二極管和對側一個光電接收二級管。光電二級管感受紅外線產生的光強度,并將光強度信號轉換為電信號送至電子鑒定裝置。如果曲軸箱氣體含有油霧(使得濃度測量裝置測量通道的不透明度增加),部分紅外線會在測量管內被吸收,光強度會減弱,因而電信號減弱。濃度越高電信號減弱越多,當電信號降低到一個最低限值時(即油霧濃度超過最大限值時),電子鑒定裝置將發出“油霧探測器高油霧”警報并停機,同時閥箱指示出是哪一部分故障引起的高油霧,以供檢修人員檢查。

1.2 優缺點

  該保護裝置的快速性、靈敏性無可厚非,但經過幾年的運行檢修發現,由于外界或裝置自身的原因,使得其選擇性和可靠性大大降低。比如由于潤滑油冷卻器的泄漏(水進入并污染了潤滑油),油霧探測器將會感受到由于水份的增加而引起的不透明度的增加,繼而發生跳機。油霧探測器的電子元件屬于高精度元件,但因其安裝在柴油機本體上,溫度高、振動大,工作環境極為惡劣,由此使得電子元件的老化加劇,產生溫度漂移,跳機的靈敏度增加,誤動率也增加。而且該保護有時出現指示燈全無指示,使得保護經常處于脫離狀態等。頻繁的保護誤動及保護的無法就緒,不僅會造成因甩負荷而引起的材質疲勞,壽命縮短,而且會使生產人員產生麻痹心理,認為該裝置不可靠,是誤動,這樣大大限制并誤導了生產人員的思維,而在真正出現“高油霧”時就會發生事故。

1.3 常見故障及防范改進對策

1.3.1 元件老化,溫度漂移等引起靈敏度改變

  結合電廠的實際并經有關專家同意,將報警閥值S開關調至第4級(原4臺機組均在第3級),運行至今未發生跳機現象。

1.3.2 電子板故障

  當油霧探測器出現紅、綠指示燈全部熄滅的現象,且檢查24VDC電源正常、插頭無松動時,基本上就可判斷為電子板故障,也可以采用對換其它機組的電子板來進行判斷。如確屬電子板故障,就應該及時檢修或更換。

1.3.3 曲軸箱油氣中含有大量的水分

  由于水分的存在,使得測量通道內的不透明度大大增加,致使電子裝置發生誤報。這就需要檢查潤滑油中是否含有水分、潤滑油冷卻器是否泄漏、空氣系統是否過度潮濕及油霧探測器底板內的加熱器是否工作正常等。近幾年來,通過對高油霧跳機事件的分析發現,真正高油霧跳機為0%,高水份跳機為98%(而且最后檢查,95%都是因潤滑油冷卻器的泄漏引起的),其余故障為2%(如電子板故障、繼電器誤動等)。所以如果在潤滑油進機管道上加裝一套高靈敏度的水份檢測裝置用于報警,就可以在水份過高時及時提醒運行人員,降低具有破壞性的跳機次數,增加電網的穩定性。

1.3.4 裝設油霧探測器裝置的根本目的是監測柴油機本身曲軸箱內部的工作狀況是否發生變化。比如活塞環失效(包括剝落、異常磨耗、折斷)造成缸套漏氣到曲軸箱,形成高油霧。這時要檢查缸套及活塞環,損壞的要更換。又如主軸瓦或連桿軸瓦高溫燒瓦造成局部高溫,造成油霧濃度增大而停機時,要打開防爆人孔門,仔細檢查連桿大端軸承及軸是否有燒傷,必要時更換。

1.3.5  油霧探測器本身的故障類型比較多,這些故障雖不會引起跳機,卻會使柴油機失去重要的保護。根據運行經驗總結,只要做到以下幾點,就可將故障率降低到最低,也可使誤跳率大大降低,并為跳機后的檢查提供第一手資料。

(1) 維護人員應做好定期維護。定期更換空氣濾片、減壓空氣濾片,排出冷凝管的水分,清洗閥箱的油污,用酒精清洗紅外探頭,用壓縮空氣吹掃采樣管、油路、氣路,并做必要的報警試驗及高油霧保護動作(最簡單的方法是從采樣管入口處吹一口香煙的煙霧進去)試驗。

(2) 機組運行時,運行人員應認真監測軸承溫度、潤滑油溫度等有關參數,并定時觀察油霧探測器工作狀況、油霧濃度的指示情況、曲軸箱U形差壓計的差值、曲軸箱透氣裝置有無冒煙、曲軸箱防爆門是否燙手、曲軸箱高壓差有無報警等。如發生高油霧跳機應盡快記錄濃度值、閥箱翻牌情況、曲軸箱差壓計的差值、軸承溫度有無異常及油霧探測器各指示燈的指示情況等。

2 轉速測量保護系統

2.1 系統組成及工作原理

  轉速是柴油發電機設備中最基本、最重要的參數之一,起動時的點火轉速、運行中的轉速調整、超速時的停車保護、甚至負荷的大小也能從轉速的大小上得到體現,因此轉速測定是柴油發電機監控保護的基礎。

 一般柴油機中轉速的測量有二處,一是主機轉速的測量,二是渦輪增壓器轉速的測量。

(1) 傳感器。傳感器是一個近程感應開關,不通過接觸就可以工作。它由振蕩器、觸發器及放大器組成,通過振蕩器電路線圈產生一交變電磁場。在金屬導體接近傳感器時交變磁場就會發生變化,振蕩器的輸出電壓隨之發生變化,頻率也發生變化。主機轉速測量的傳感器共有4個。2個測量轉速并經速度變送器在CMR盤或OCW盤顯示轉速,另外2個供調速器使用。

(2) 速度變送器。將傳感器傳輸來的頻率信號轉換成4~20 mA的電流信號,傳送給轉速表。

(3) 轉速表。顯示轉速。

2.2 優缺點

  這套系統具有很大的優點,尤其是超速系統具有多重保護功能。它的傳感器(測速探頭)和被測量的旋轉物體沒有直接接觸,所以沒有磨損,拆裝維修方便,機組運行時也可以維修更換探頭,接線也方便。其中主機的速度變送器還具有11P1(發電機軸承預潤滑泵)操控、勵磁投入、同期閉鎖、電氣超速跳機(>565 r/min)、調速器超速跳機(>575 r/min)等功能。同時在柴油機本體上還設置了機械超速保護(>595 r/min)系統,在很大程度上保證了柴油機安全穩定運行(額定轉速500 r/min),不會出現飛車事故。但同時也存在一些問題:飛輪高速運轉時的竄動會造成探頭損傷,轉速表經常出現波動甚至無轉速,電氣超速保護誤動等,還出現了由于轉速指示波動使發電機預潤滑泵頻繁啟停(>100 r/min時停,<100 r/min時開),導致燒毀發電機軸承預潤滑泵電機或其接觸器線圈的情況。

2.3 常見故障及防范改進對策

2.3.1 傳感器與飛輪之間的距離太遠或太近一般此距離約為2.5+0.3 mm。距離太遠將有可能感應不到信號,太近有可能磨壞傳感器的工作面。由于飛輪在高速運轉中,會發生徑向(或軸向)竄動,距離太近對傳感器的安全構成極大威脅,曾經發現有幾個探頭的工作面已被刮破。根據實際經驗,該距離一般在2 mm左右較為適宜,可用塞尺測量。

2.3.2 由于傳感器安裝固定架振動,使得測量信號不準確,交變磁場產生不規則變化,引起轉速指示波動。處理方法:加固該支架,可以將其與柴油機本體焊接。

2.3.3 由于飛輪甩出來的油粘在傳感器工作面上,對測量結果產生一定的影響。若在飛輪上加裝防油罩,可起到良好效果。

2.3.4 速度變送器故障,使輸出信號不穩定,造成轉速指示波動甚至無轉速指示,而且由于其工作不穩定和接線頭的接觸不良會觸發電氣超速保護誤動作。對此可用頻率發生器輸入頻率信號對速度變送器進行校驗,端子進行緊固。由于該速度變送器為PLC微電腦控制,必要時可重新調整或更換。

2.3.5 傳感器故障。 在測量好間距之后,開盤車機觀察傳感器上的紅色發光二極管,當飛輪齒通過時,其發光亮度會明顯增強,或不開盤車機用金屬物靠近或遠離傳感器,觀察紅色發光二極管亮度有無變化,如果亮度沒有變化或者根本沒有發光,則可能是傳感器損壞,需要更換。CMR524系統在起動時報“調速器故障”,大都是傳感器故障。

3 溫度及壓力保護系統

3.1 系統簡介

  溫度及壓力的控制在柴油機運行中非常關鍵。

  潤滑油壓力、燃油壓力不足,柴油機將無法運行。目前的大功率中速柴油機大都有一套比較完整的監控檢測系統,對柴油機的一些重要參數(如溫度、壓力等)進行監控,一旦這些參數超出設定范圍就聲光報警或自動停機。

  廈門電廠柴油機組設有氣缸排氣、透平排氣、主軸承、發電機定子、缸套水、潤滑油等溫度監測及燃油、起動空氣、潤滑油、生水、缸套水、油嘴水、進氣等壓力監測。這些溫度及壓力監測、報警及安全停機系統主要由裝在控制屏上的CMR424、CMR524單元組成。

  柴油機在運行中溫度傳感元件眾多,但大致可分為熱電阻(PT100)和熱電偶(Ni-Cr/Ni-Al)2種類型。通過熱電阻傳感器在溫度變化時阻值的變化和熱電偶傳感器在溫度變化時熱電勢的變化,將信號傳送到CMR424系統進行轉化、比較、打印、顯示并作用于報警或跳機。壓力的變送主要是通過現場的壓力變送器將信號傳送到CMR424系統進行轉化、比較、打印、顯示并作用于報警或跳機。

3.2 優缺點

  這套系統體積小、元件少(每一種信號由一個獨立的電路板轉化)、布局集中、便于監視,而且有一部分溫度(如缸套水溫度、潤滑油溫度等)的控制采用PLC微電腦控制,自動化程度比較高。潤滑油壓力和缸套水壓力的控制就地直接采用壓力開關作用于跳機。盡管如此,該系統仍有一定的局限性。對于排氣溫度而言,只有單缸和平均溫度的差值報警,沒有單缸溫度超過設定值的報警,溫度無法實時顯示。傳統的自動記錄儀需要大量的打印紙,打印間隔太長,多種曲線擠在一起不易辯別,且無法數字化等。幾次渦輪增壓器損壞就是因為沒有及時發現溫度上升趨勢致使氣閥損壞而打壞渦輪增壓器的。

3.3 常見故障及防范改進對策

3.3.1 溫度 顯示波動且幅度大,有時顯示-1或1該故障原因有:第一,連接插頭接觸不良,可以擰緊,當插頭松脫時CMR424顯示-1;第二,探頭特性變壞,可以更換探頭,特別當熱電阻探頭短路時CMR424顯示1;第三,電子板需要重新調整。

3.3.2 溫度顯示電子板故障或設定好的溫度發生變化可以用標準電阻箱或毫伏發生器輸入一組標準溫度信號進行檢驗,也可以用恒溫箱輸入一組實際溫度進行校驗。確屬電子板故障的應該更換。設定好的溫度發生微小變化(2%以內)屬于正常情況,是溫度漂移的結果。

4 結束語

  預防性管理是一種先進的管理模式,先進的自動保護系統并不能使運行管理人員高枕無憂,只有正確地認識、維護、利用好這種系統,預防事故的發生,才能為柴油機的安全運行提供可靠的基礎。

 


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