摘要：水导轴承是水泵水轮机的重要组成部分，水导轴承用来约束轴线位移和防止轴的摆动。由于主轴运行与水导瓦之间摩擦作用，随着运行时间的变化，水导瓦温持续升高，油的冷却就非常重要。水导瓦的冷却效果与油量密切相关，可见开展水导轴承油位的监视对于水泵水轮机组的安全稳定运行具有重要的意义。本文主要说明一种新型的四线制LTC电容式液位变送器在宝泉电站水泵水轮机水导轴承油位监视中的应用。
关键词：水泵水轮机；水导轴承；油位；液位变送器
1概述
宝泉抽水蓄能电站（简称宝泉电站）总装机容量为4×300MW，设置4台水泵水轮-发电电动机组，承担电网调峰、填谷、调频、调相以及事故备用等任务。宝泉电站水泵水轮机组由法国ALSTOM公司提供，立轴、单级、混流可逆式，额定水头510m，额定扬程528.6m，额定转速500r/min。
由于水导轴承的结构和作用，在机组运行过程中，水导瓦安全稳定运行取决于冷却油油量，如果油量减少，可能导致水导瓦烧瓦，机组震动过大事故停机。因此设置水导轴承油位监视系统，及时掌握水导轴承油量，以便第一时间做出紧急处理，防止事故进一步扩大。但因宝泉电站机组高水头、高转速的特性，顶盖内振动较大，水导轴承油盆油位波动剧烈，电站原有磁感应式传感器运行稳定性不好，油位磁场浮子经常卡塞或误动，多次造成油位信号故障，闭锁启机或报警，接近跳机风险，严重影响机组的运行稳定性。为解决上述问题，经过各方面技术分析，进行设备改造，将原磁感应式传感器更换成一种四线制LTC电容式液位变送器，大大提高了水导轴承油位监视的准确性，可靠性。该新型液位变送器科技含量高，工作可靠稳定，充分体现新型电子技术对电力生产的促进作用。
2改造前的水导轴承油位变送器
2.1磁感应式传感器
宝泉电站每台机组安装一个水导轴承油位变送器，油位计位于水车室内，竖直安装在水导轴承轴承油盆上盖板外部边缘处。水导轴承油位计由三部分组成，分别是测量筒（直径Φ50mm），磁性浮球（Φ40mm），模拟量传感器（长200mm）。磁性浮球在测量筒内上下浮动，模拟量传感器紧贴测量筒外部。
图1 磁感应式传感器
图2 磁感应式传感器原理图
磁感应式传感器的工作原理：依靠油盆内部油位的上、下浮动带动油位计测量筒内部磁性浮球，浮球上、下移动对外部的传感器形成磁感应，从而使得传感器输出4-20mA模拟量信号至监控系统。详见图1、图2。
2.2监控控制逻辑
在监控控制逻辑中，水导油位信号设置有三个功能：
（1）油位高报警（114.5mm）：在停机状态下，如果探测到油位高信号，则闭锁机组启动。
（2）油位低报警（70mm）：如果探测到油位低信号，发出报警，存在较大跳机风险。
（3）油位太低跳机（40mm）：如果探测到油位太低信号，则延时10S后机械停机信号动作，造成机械停机。
2.3存在问题
（1）此油位计依靠磁性浮球上、下移动对外部的传感器形成磁感应，从而使得传感器输出4-20mA模拟量信号。机组运行过程中顶盖内震动较大，浮球受震动影响，小范围内上下来回运动，显示信号波动较大，非常不稳定，不能有效监视水导轴承油位。
（2）此油位计有磁浮球机构和外部感应传感器两部分组成，通过管箍进行连接，结构繁杂。随着机组运行震动影响，管箍松懈断裂，外传感器位移发生变化，导致水导轴承油位监视不准确，存在跳机风险。
（3）顶盖内部振动较大，磁浮球长时间与管壁发生摩擦，易造成磁浮球变形，最终导致磁浮球卡涩不动，失去对水导轴承油位监视。
（4）自08年首台机组投产以来，4台机组水导轴承传感器多次出现损坏或接线、管箍断裂异常，对机组安全稳定运行造成严重影响。经综合分析，电站于2016年开始对4台机组水导轴承油位变送器进行升级改造，更换为机构简单的四线制LTC电容式液位变送器。
3 LTC电容式液位变送器的应用
3.1工作原理
LTC电容式液位变送器是四线制智能型设备，采用电容测量原理，配以微电子智能芯片，并使用LED显示，能实现自由设定参数、自校正、自诊断报警输出，最多八对独立报警接点等功能。探头为圆筒型电容，探头内芯与探头外壁分别构成电容两级，测量液体时，当液体液位改变时，探头的电容量随之改变，变送器内部智能单元将这个变化的信号转换成现地显示和4-20mA电流输出。监控收到电流信号，通过换算成油位显示。
3.2主要技术参数
测量范围： 200-3000mm
测量精度： ≤±0.5%FS
温度影响： ≤0.5%FS/10℃
稳定性： ≤0.3%FS/年
工作电压： 24VDC
最大功耗： 3W
输出信号： 4-20mA
出线方式： 菲尼克斯端子
显示方式： LED显示
负载阻抗： ≤750Ω
绝缘阻抗： 100VDC时，≥100MΩ
工作温度： -10℃-80℃
环境湿度： ≤95%RH,避免强腐蚀性气体
防护等级： 探头IP68，变送器IP65
3.3变送器结构及安装方式
该变送器带有现地显示功能，结构如图4、图5所示。探头与智能变送单位是一体的。探头竖直安装在水导轴承油盆上盖板外部边缘处，取代原磁浮球机构。该电容式油位传感器为四线制，安装时需为该传感器外接电源，且监控模拟量输入由有源输入信号改为无源输入信号。这样变更后，才能保障变送器输出的4~20mA对应油位范围与监控的4~20mA对应的油位范围一致，同为40~120mm，实现现地显示油位与监控显示油位相同。
图3 液位变送器结构
图4 变送器端子分配图
（1）电源接线原理
该传感器外接电源电源取自机组直流分配电柜，该直流开关采用ABB S 282 UC Z16，额定电流为16A,在导叶锁定端子箱03GTU450CR经额定电流为1A的低压空气开关Q3由电源转换模块将220V直流转换为24V直流，再经额定电流为3A的低压空气开关Q4向传感器供电。接线原理图见图5。
图5 电源接线原理图
（2） 监控信号接线原理
由于原水导油位机为两线制接线而该电容式水导油位传感器采用四线制接线，故需将监控模拟量输入卡件ALG 223的%AI INPUT 4的有源信号变更为无源信号。具体更改方式为将原071UI C-F04上的C13接线变更至C14。详见图6。
图6 改造后接线图
3.4变送器优点分析
（1）变送器为整体结构，与旧的通过管箍组装变送器相比，抗震动、抗扰能力强，数据的可靠性、准确性得到有力保障，降低了水导油盆漏油后不能报警跳机导致烧瓦或误动的风险。
（2）变送器具有人机界面，可进行参数设置及现地显示水导轴承油位数值，利用现地巡检观察。
（3）宝泉电站自2016年开始，在4台机组水导轴承陆续应用该液位变送器，经实践验证，该水位变送器精度高，工作稳定。
（4）综上所述，LTC电容式液位变送器体积小巧，安装方便，搞震动防冲撞能力强，利于维护，精度高，工作稳定性好等特点，非常适合在水导轴承油位测量中应用与推广，同时也适用于其它液位系统的测量。
4结束语
新型电容式液位变送器在宝泉电站水导轴承油位监视中得到了实际应用，提高了水导轴承油位监视能力，油位数值观察记录直观、实用，利于油位变化分析，有力保障水导轴承运行安全，也为相关水电生产单位提供参考。随着科技进步，越来越多的新型传感器、控制器在水电生产中得到了应用，提高了机组运行安全及稳定性，带来良好的经济效益。新型水位变送器的应用只是一个开始，宝泉电站将结合实际运行情况，对可靠性较差的自动化元件进行更换，选用工作稳定、维护方便的新型的自动化元件，切实提高设备运行稳定性。
论文作者:张鑫,贾瑞卿,王浩,孙晓伟
论文发表刊物:《电力设备》2019年第11期
论文发表时间:2019/10/18
标签：轴承论文; 传感器论文; 机组论文; 变送器论文; 信号论文; 电站论文; 接线论文; 《电力设备》2019年第11期论文;