貫流式水輪發(fā)電機(jī)組自動控制系統(tǒng)

王 國 清

（哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司，哈爾濱 150040）

前言

貫流式水輪發(fā)電機(jī)組自動控制系統(tǒng)，由軸承潤滑油裝置、高壓油頂起裝置、制動裝置及自動化元件和配套的調(diào)速器裝置、勵磁裝置等組成，并與電站其他設(shè)備配合實現(xiàn)機(jī)組的工況轉(zhuǎn)換。當(dāng)機(jī)組發(fā)生故障時能自動發(fā)出相應(yīng)的報警信號(或投入備用設(shè)備)，能自動事故停機(jī)，以確保機(jī)組安全、穩(wěn)定運行。機(jī)組自動控制系統(tǒng)與監(jiān)控系統(tǒng)控制流程緊密相關(guān)的控制單元主要有軸承潤滑油、高壓油頂起、機(jī)組循環(huán)水、機(jī)組過速保護(hù)、主軸密封水、空氣圍帶充氣、風(fēng)機(jī)及機(jī)艙加熱等系統(tǒng)，這些系統(tǒng)工作的可靠性直接關(guān)系到機(jī)組的安全、穩(wěn)定運行。

1 軸承潤滑油裝置組成和控制原理

1.1 組成

軸承潤滑油循環(huán)系統(tǒng)可分為大循環(huán)和小循環(huán)兩種方式供油，大循環(huán)是由高位油箱，低位油箱，油泵控制屏，油管路及自動化元件組成，高位油箱裝配有液位信號計，油混水信號器，測溫電阻和加熱器，高位油箱內(nèi)儲油份4路分別給機(jī)組正向推力軸承，反向推力軸承，發(fā)電機(jī)導(dǎo)軸承，水輪機(jī)導(dǎo)軸承供油，低位油箱裝配有液位信號計，油混水信號器，電機(jī)油泵，測溫電阻和加熱器，低位油箱功能是給高位油箱注油，接收各軸承潤滑油回油。油管路在低位油箱到高位油箱管路上裝有過濾器，冷卻器，流量計和壓力開關(guān)，高位油箱到各軸承管路上裝有電動球閥，手動節(jié)流閥和流量計，在軸承到回油箱管路上裝有流量計，小循環(huán)潤滑油不通過高位油箱，直接由低位油箱上的油泵給機(jī)組各軸承供潤滑油。

1.2 控制原理

高位油箱設(shè)置4個油位，高位報警油位，正常工作油位，低位報警油位，緊急停機(jī)油位，由液位信號計監(jiān)控輸出油位信號，在高位報警油位以上停主用油泵，在正常工作油位以下啟動主用泵，以上停備用油泵，在低位報警油位以下啟動備用油泵，在緊急停機(jī)油位以下機(jī)組停機(jī)。

機(jī)組運行前，首先打開電動球閥向各軸承投入潤滑油，啟動主用泵向高位油箱注油，在高位油箱設(shè)置溢流管道，溢流面略高于油位正常工作油位，低于高位報警油位。當(dāng)主用軸承油泵投入而油壓過低，說明主用軸承油泵有故障，須及時投入備用軸承油泵，保證機(jī)組潤滑油供應(yīng)正常。在滿足上述要求后，就能設(shè)計出比較合理的高位油箱油位及軸承油泵的控制方式。在機(jī)組正常運行時，不間斷運行主用軸承油泵供油，使高位油箱油位控制在溢流面與正常油位之間若油泵均正常，而是由于其他特殊故障的原因使高位油箱油位低于報警油位，則啟動備用油泵，并保持2臺軸承油泵同時工作，直至油位達(dá)到正常油位才停備用油泵，而主用油泵繼續(xù)運行。在機(jī)組停機(jī)狀態(tài)時，高位油箱油位低于報警油位，啟動備用油泵，直到油位達(dá)到正常油位才停備用油泵，使高位油箱油位控制在油位下限與正常油位之間。

隨著自動化控制元件的發(fā)展，潤滑油泵控制屏采用可編程邏輯控制器(PLC)作為核心控制元件，即減輕監(jiān)控系統(tǒng)負(fù)擔(dān)、又優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計，潤滑油泵控制屏PLC接受監(jiān)控系統(tǒng)開機(jī)令/停機(jī)令后，執(zhí)行其相應(yīng)的控制方式。在PLC中編制油泵運行輪換程序，當(dāng)油泵每一輪運行完畢后，均自動切換主備用狀態(tài)，使2臺油泵能均衡工作。機(jī)組運行時，備用軸承油泵啟動后，立即切換主備用狀態(tài)，可保證在特殊故障情況下備用軸承油泵由2臺油泵輪流充當(dāng)，延長其啟停間隔，機(jī)組停機(jī)復(fù)歸時，切換2臺軸承油泵的主備用狀態(tài)，保證機(jī)組正常運行完畢后，在下一輪能換另一臺軸承油泵工作。機(jī)組停機(jī)狀態(tài)時，備用油泵啟停1次，才切換2臺軸承油泵的主備用狀態(tài)，在機(jī)組長時間運行時，根據(jù)泵的累計運行時間自動切換油泵或人為手動切換油泵。停機(jī)狀態(tài)最多只有1臺油泵工作。

1.3 潤滑油流量監(jiān)控

貫流式機(jī)組由于結(jié)構(gòu)特殊，必須有一循環(huán)系統(tǒng)為水導(dǎo)軸承、發(fā)導(dǎo)軸承、正反推力軸承提供足夠的潤滑油，并保證熱交換正常進(jìn)行。傳統(tǒng)的潤滑油流量計安裝在各軸承的進(jìn)口處，運行實踐證明，這樣的安裝方式常會因為潤滑油系統(tǒng)漏油或軸承油箱未充滿油而導(dǎo)致無潤滑油開機(jī)燒瓦事故。正確的安裝方式是將油流量計安裝在各軸承的出口處，這樣可有效地防止無潤滑油開機(jī)事故的發(fā)生，安裝位置選擇在軸承潤滑油出口管路水平段靠近低位油箱的位置。潤滑油流量信號參與機(jī)組開機(jī)回路、事故停機(jī)回路及事故報警回路，當(dāng)機(jī)組有開機(jī)令，油閥打開，各軸承流量達(dá)到開機(jī)流量，在其他開機(jī)條件滿足時立即開啟調(diào)速器，機(jī)組轉(zhuǎn)速上升，在機(jī)組轉(zhuǎn)速上升到額定轉(zhuǎn)速之前，流量信號只指示不報警，事故停機(jī)回路不動作。在機(jī)組達(dá)到額定轉(zhuǎn)速之后，當(dāng)流量信號低于報警流量、高于事故流量時，只報警但事故停機(jī)回路不動作，當(dāng)該流量信號低于事故流量時，立即報警且事故停機(jī)回路動作關(guān)機(jī)，在潤滑油完全中斷前及時事故停機(jī)。在停機(jī)狀態(tài)時，油閥關(guān)閉，該流量信號只指示不報警，事故停機(jī)回路不動作。

1.4 潤滑油開機(jī)流量的控制

機(jī)組開機(jī)準(zhǔn)備時，潤滑油流量正常，當(dāng)機(jī)組開始轉(zhuǎn)動時，潤滑油出口流量瞬間的波動較大，使流量信號輸出瞬間小于停機(jī)流量，而機(jī)組在50% 額定轉(zhuǎn)速以上運行時，潤滑油流量穩(wěn)定。因此在現(xiàn)地控制單元(LCU)控制程序中對潤滑油流量信號作出特殊處理，在機(jī)組開始轉(zhuǎn)動至 80%額定轉(zhuǎn)速的過程中，潤滑油流量連續(xù) 10s小于停機(jī)流量時才發(fā)事故停機(jī)令，而機(jī)組在其他運行狀態(tài)時，潤滑油流量瞬間小于停機(jī)流量即發(fā)停機(jī)令。這樣，既能保證機(jī)組正常開機(jī)，又確保機(jī)組安全運行，這在監(jiān)控系統(tǒng)程序設(shè)計中非常重要。

2 高壓油頂起控制系統(tǒng)

2.1 控制原理

貫流式機(jī)組高壓油頂起系統(tǒng)主要是確保在機(jī)組啟動和停機(jī)過程的低轉(zhuǎn)速區(qū)機(jī)組軸瓦能建立保護(hù)油膜。貫流式機(jī)組的額定轉(zhuǎn)速低，轉(zhuǎn)動慣量小，機(jī)組啟動和停機(jī)過程短，轉(zhuǎn)速變化快。高壓油頂起油泵離機(jī)組軸承較遠(yuǎn)，高壓油頂起建壓有一定的延時。為充分發(fā)揮高壓油頂起系統(tǒng)的作用，提高機(jī)組運行的可靠性，高壓油頂起系統(tǒng)通常安裝有2臺高壓油泵，一臺主用，一臺備用。高壓油泵的自動開/停由高壓油頂起控制箱PLC程序控制，在PLC程序中編制油泵運行輪換程序，當(dāng)主用泵啟動30s后，在3種情況下啟動備用油泵，①.拱起壓力開關(guān)沒有動作時，②.拱起壓力開關(guān)沒有復(fù)位，③.低于泄流壓力的壓力開關(guān)復(fù)位，任一種情況發(fā)生后立即啟動備用泵。機(jī)組在開機(jī)準(zhǔn)備時投入高壓油頂起，壓力開關(guān)依次動作后，拱起壓力開關(guān)和高于泄流壓力的壓力開關(guān)復(fù)位，判為高壓油頂起正常。以此作為機(jī)組開啟的必要條件，直至額定轉(zhuǎn)速停止高壓油頂起。正常停機(jī)時，接到停機(jī)命令后立即投入高壓油頂起，壓力開關(guān)依次動作后，拱起壓力開關(guān)和高于泄流壓力的壓力開關(guān)復(fù)位，判為高壓油頂起正常。調(diào)速器動作關(guān)閉，直至機(jī)組完全停止轉(zhuǎn)動并延時3min后退出高壓油頂起，否則退出正常停機(jī)過程（事故停機(jī)除外），退出高壓油頂起，確保無高壓油頂起不正常停機(jī)，提高機(jī)組安全系數(shù)，事故停機(jī)時不論任何情況(低于90%額定轉(zhuǎn)速)立即投入高壓油頂起，保持至機(jī)組完全停止轉(zhuǎn)動并延時3min后退出高壓油頂起。機(jī)組停機(jī)時高壓油頂起即時投入，可以克服因貫流式機(jī)組從 90%額定轉(zhuǎn)速至低轉(zhuǎn)速區(qū)時，由于時間很短而引起的不安全因素，特別對因潤滑油中斷引起的事故停機(jī)大有好處，盡可能降低對軸承的損傷。

2.2 壓力監(jiān)控

機(jī)組高壓油頂起壓力開關(guān)在傳統(tǒng)設(shè)計中的整定，是以機(jī)組靜止時高壓油拱起的壓力和泄流壓力作為依據(jù)。運行實踐表明，貫流式機(jī)組在開停機(jī)過程中發(fā)導(dǎo)、水導(dǎo)高壓油頂起分管有不同的高壓油頂起壓力，機(jī)組停機(jī)過程中高壓油頂起啟動后，頂起壓力往往達(dá)不到開機(jī)時的壓力定值，因此按照該頂起壓力進(jìn)行整定是不能滿足要求的，常導(dǎo)致開/停機(jī)不成功，有必要對開停機(jī)過程中高壓油頂起的總管和分管的壓力分別進(jìn)行監(jiān)視，在高壓油頂起控制箱PLC接受壓力開關(guān)信號根據(jù)開/停機(jī)狀態(tài)分別判斷，確保開/停機(jī)過程中高壓油能正常頂起。選擇具有2組整定值及開關(guān)接點輸出的壓力開關(guān)就能滿足上述要求。機(jī)組運行證明，2組整定值的控制方式提高了高壓油頂起動作的可靠性及機(jī)組開/停機(jī)的成功率。

3 冷卻水泵控制系統(tǒng)

貫流式機(jī)組因其結(jié)構(gòu)的特殊性，其冷卻是通過冷卻水管路中的循環(huán)水在發(fā)電機(jī)的空氣冷卻器及油冷卻器中進(jìn)行熱交換，再通過機(jī)組冷卻套進(jìn)行熱量交換，從而達(dá)到發(fā)電機(jī)及機(jī)組潤滑油系統(tǒng)冷卻的目的，因此冷卻水泵的正常工作對保證冷卻水的正常循環(huán)、保證機(jī)組的冷卻效果非常重要。循環(huán)水中損失的部分由冷卻水系統(tǒng)的均衡水箱補充。通常配置2臺循環(huán)水泵，一主、一備，循環(huán)水流采用流量計(模擬量)和示流信號器(開關(guān)量)2種檢測方式，控制程序以模擬量信號為主，開關(guān)量為輔的冗余信號進(jìn)行控制，當(dāng)流量計故障時可自動切換至開關(guān)量控制方式，保證冷卻水泵可靠運轉(zhuǎn)。冷卻水泵的切換有 3種方式：①當(dāng)開機(jī)無冷卻水時經(jīng)延時啟動備用泵，②根據(jù)泵的累計運行時間自動切換，③人為手動切換。

4 機(jī)組過速保護(hù)系統(tǒng)

由機(jī)械液壓過速保護(hù)裝置或機(jī)械過速開關(guān)，電氣過速信號及過速限制器組成的防止機(jī)組過速（飛逸）的保護(hù)系統(tǒng)。過速限制器由事故配壓閥、電磁換向閥及油閥組成（或集成）的，在機(jī)組過速時，用來迅速切換油路——封閉來自調(diào)速器主配壓閥的油路、將接力器關(guān)閉腔直接連通壓力油，而將接力器開啟腔接通回油的切換裝置。機(jī)組過速保護(hù)系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計選用三級過速保護(hù)，第一級過速保護(hù)；當(dāng)機(jī)組轉(zhuǎn)速上升到115%額定轉(zhuǎn)速，又遇到調(diào)速器失控(主配拒動)、電動控制過速限制器動作，機(jī)組停機(jī)，第二級過速保護(hù)；當(dāng)機(jī)組轉(zhuǎn)速上升到145%額定轉(zhuǎn)速，電動控制過速限制器動作，機(jī)組停機(jī)，第三級過速保護(hù)；當(dāng)機(jī)組轉(zhuǎn)速上升到160%額定轉(zhuǎn)速，機(jī)械液壓過速保護(hù)器動作通過高壓回路控制過速限制器聯(lián)動，機(jī)組停機(jī)。

5 機(jī)組制動系統(tǒng)

貫流式機(jī)組制動系統(tǒng)的控制原理及控制過程。當(dāng)機(jī)組接到開機(jī)令時，機(jī)組復(fù)歸腔電磁閥的投入線圈、制動腔電磁閥的退出線圈同時得電，制動器復(fù)歸腔接壓力氣源，保證機(jī)組開機(jī)運行過程中制動器在復(fù)歸位置。當(dāng)機(jī)組停機(jī)，導(dǎo)葉全關(guān)，轉(zhuǎn)速降至 30%額定轉(zhuǎn)速時，機(jī)械制動投入，機(jī)組制動腔電磁閥的投入線圈、復(fù)歸腔電磁閥的退出線圈同時得電，制動器制動腔接壓力氣源，制動器在制動位置，機(jī)組制動。制動腔、復(fù)歸腔電接點壓力表常開接點與制動器投入復(fù)歸行程開關(guān)組合判斷，即可準(zhǔn)確反映每個制動器工作是否正常。值得注意的是，常規(guī)設(shè)計是在機(jī)組停機(jī)制動完畢，且機(jī)組無事故的情況下，制動系統(tǒng)會使制動器復(fù)歸腔電磁閥的退出線圈、制動腔電磁閥的退出線圈同時得電，使制動器復(fù)歸。運行實踐表明，這樣的設(shè)計存在著安全隱患，由于貫流式機(jī)組額定轉(zhuǎn)速低，轉(zhuǎn)動慣量小，導(dǎo)葉稍有漏水即可使機(jī)組蠕動，若機(jī)組制動不長期投入，極可能導(dǎo)致燒瓦事故，因此在機(jī)組蠕動保護(hù)不可靠或不完善的情況下，機(jī)組的制動系統(tǒng)還是停機(jī)后長期投入為好。

6 機(jī)組加熱器、除濕器控制

為防止機(jī)組軸承潤滑油溫度過低，在軸承回油箱、高位油箱設(shè)有加熱器。機(jī)組運行時退出加熱器，機(jī)組停機(jī)狀態(tài)，溫度過低時加熱，溫度過高則停止加熱。加熱器的控制也可手動進(jìn)行。為保證機(jī)組發(fā)電機(jī)能在干燥的環(huán)境中運行，燈泡頭設(shè)有除濕器。機(jī)組處于停機(jī)狀態(tài)時，除濕器投入，機(jī)組處于開機(jī)狀態(tài)時，除濕器退出。其控制也可手動進(jìn)行。

7 機(jī)組冷卻風(fēng)機(jī)的自動控制

機(jī)組運行時投入冷卻風(fēng)機(jī)，機(jī)組停機(jī)完成時延時退出冷卻風(fēng)機(jī)，6路冷卻風(fēng)機(jī)對稱分2路控制。正常時全部投入，并可以根據(jù)實際情況靈活控制。

8 其他輔助系統(tǒng)

其他輔助系統(tǒng)如主軸密封水、空氣圍帶、鎖錠等控制系統(tǒng)設(shè)計與立式機(jī)組基本一致。需要注意的是，主軸密封水供水管路上宜設(shè)置工作可靠性較高的電磁流量計，代替通常使用的示流信號器，便于監(jiān)視密封水流量，監(jiān)控系統(tǒng)能將流量分為機(jī)組開機(jī)啟動流量、報警流量(投入備用密封水)及停機(jī)流量。這對提高密封水監(jiān)視的可靠性有重要意義。

9 結(jié)語

通過深入分析貫流式機(jī)組自動化系統(tǒng)中出現(xiàn)的問題以及經(jīng)過大量的現(xiàn)場試驗，我們采用國內(nèi)外先進(jìn)技術(shù)（用PLC控制油泵運行及信息處理，實現(xiàn)智能控制）和國內(nèi)尚未使用過的技術(shù)（機(jī)組開停機(jī)高壓油頂起壓力信號分別檢測和處理），對原機(jī)組自動化系統(tǒng)的設(shè)計進(jìn)行了必要的改進(jìn)。這些新技術(shù)的應(yīng)用，提高了機(jī)組開/停機(jī)成功率，有效地遏制了因機(jī)組自動化元件誤動而導(dǎo)致的非正常停機(jī)，對電站水輪機(jī)組的穩(wěn)定，經(jīng)濟(jì)運行和維修，維護(hù)提供了重要保證。