鳳灘水電廠油壓裝置自動(dòng)控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)與應(yīng)用

楊建明

（湖南鳳灘水力發(fā)電廠，湖南 沅陵 419621）

0 引言

機(jī)組油壓裝置是為水電站水輪發(fā)電機(jī)組提供動(dòng)力油源的裝置，是水利機(jī)械設(shè)備的重要組成部分。作為水輪發(fā)電機(jī)組正常起動(dòng)、停止、負(fù)荷調(diào)節(jié)、事故等工況下操作設(shè)備的操作能源，它的工作品質(zhì)關(guān)系到機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。為保證和維護(hù)機(jī)組操作所需要的工作能力，壓力油槽內(nèi)壓縮空氣和透平油要適當(dāng)成比例，壓力油槽容積的60%～70%是壓縮空氣，30%～40%為透平油。因?yàn)閴嚎s空氣具有良好的彈性，能儲(chǔ)存一定的機(jī)械能，保證壓力油槽在因機(jī)組操作等原因油容積減少時(shí)仍能維持一定的壓力，而不需要頻繁啟動(dòng)壓油泵。因此，自動(dòng)可靠地維持壓油槽內(nèi)氣與油一定的容積比例，實(shí)際上是保證操作能源的可靠和穩(wěn)定所必須的，是目前水電站實(shí)現(xiàn)“少人值守”亟待解決的技術(shù)問(wèn)題。如何安全可靠實(shí)現(xiàn)油壓裝置自動(dòng)補(bǔ)氣功能，是水電廠自動(dòng)控制的技術(shù)難題。

1 油壓裝置工作的原理

依據(jù)帕斯卡定理可知，作為液體的油能夠在相通油路的任何一點(diǎn)傳遞壓力。壓力油槽內(nèi)油在油壓裝置系統(tǒng)內(nèi)主要功能是作為壓力傳遞的介質(zhì)，而真正產(chǎn)生壓力是來(lái)源于壓力油槽內(nèi)的壓縮空氣。壓力油槽內(nèi)油與氣體容積比正常時(shí)應(yīng)維持1：2的水平，這樣既可保證壓力油槽內(nèi)空氣有足夠的壓縮空間，又可保證壓力油槽內(nèi)油能滿足調(diào)速器事故情況下的最大需油量。油壓裝置用氣體方程pV=nRT，式中p 為壓強(qiáng)，V 為體積，n 為摩爾數(shù)，R 為常量，T 為絕對(duì)溫度。而n=M/Mmol，M為質(zhì)量，Mmol 為摩爾質(zhì)量。由方程pV=nRT 可推出p=nRT/V，從此方程看出，氣體的壓強(qiáng)與其單位體積內(nèi)的氣體質(zhì)量成正比。也就是說(shuō)，油壓裝置要維持其壓力在正常范圍，就必須保證在壓力油槽容積里有足夠的空氣質(zhì)量。如果既要保證壓力油槽油壓在正常范圍，又要維持壓力油槽油位在正常范圍內(nèi)保持這種平衡狀態(tài)，就必須保證壓力油槽內(nèi)空氣質(zhì)量的恒定。事實(shí)上，由于壓力油槽不是絕對(duì)密閉的容器，其內(nèi)部壓縮空氣的質(zhì)量不是恒定的，從而導(dǎo)致壓力油槽內(nèi)油位上升，氣體體積縮小才能維持壓力油槽的正常油壓。

2 油壓裝置自動(dòng)補(bǔ)氣的原理

從上可知，破壞壓力油槽油壓與油位平衡關(guān)系的是壓力油槽內(nèi)壓縮空氣質(zhì)量的變化。影響壓力油槽內(nèi)空氣質(zhì)量變化的主要因素有兩點(diǎn)：一、壓力容器上的表計(jì)、閥門(mén)等連接處漏氣。二、水輪機(jī)組接力器用油帶走的空氣。事實(shí)上，在油壓裝置投運(yùn)前，都要做保壓試驗(yàn)，就是要檢查油壓裝置是否有漏油漏氣現(xiàn)象發(fā)生，因此大量漏氣現(xiàn)象應(yīng)很少發(fā)生。其次，空氣幾乎不溶于油，因此接力器用油帶走的空氣也是很微量的。綜合上述，壓力油槽內(nèi)空氣質(zhì)量的減少是一個(gè)漸慢的的積累過(guò)程。所以，自動(dòng)補(bǔ)氣的目的只是補(bǔ)壓力容器的少量漏氣和接力器用油帶走少量的氣，從而維持壓力油槽內(nèi)壓縮空氣質(zhì)量的恒定。

3 油壓裝置自動(dòng)補(bǔ)氣功能的開(kāi)發(fā)

近年來(lái)，隨著可編程控制器的普遍應(yīng)用，由PLC 對(duì)油壓裝置進(jìn)行自動(dòng)控制成為發(fā)展必然。2006年，鳳灘電廠決定憑借自己技術(shù)力量，開(kāi)發(fā)一套PLC 油壓裝置自動(dòng)控制系統(tǒng)，并要求具有自動(dòng)補(bǔ)氣功能。

3.1 機(jī)組油壓控制裝置的組成

控制屏柜：自己組屏（三菱FX－2N/32 可編程及擴(kuò)展4路AD 輸入模塊、西門(mén)子3R22W 軟起動(dòng)器、24 V 開(kāi)關(guān)電源、24 V歐姆龍繼電器、油泵控制轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)、運(yùn)行及故障信號(hào)燈等）。

壓力油槽：配有壓力變送器、液位變送器、壓力開(kāi)關(guān)、液位開(kāi)關(guān)以及液位指示器。

補(bǔ)氣裝置：補(bǔ)氣電磁閥組B302（西安江河6.3MPa，DC220V）。

3.2 控制系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用油壓控制為主，輔以油位控制方式。由PLC 根據(jù)壓力油槽自動(dòng)化元件所提供的壓力、油位信號(hào)對(duì)油泵、補(bǔ)氣電磁閥進(jìn)行自動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力油槽內(nèi)的油壓、油位保持在正常的范圍內(nèi)。

3.2.1 油壓控制功能

油壓自動(dòng)控制采用油壓模擬量和開(kāi)關(guān)量?jī)陕穮⑴c控制，模擬量?jī)?yōu)先控制的原則，當(dāng)程序判定模擬量故障時(shí)，自動(dòng)切換到開(kāi)關(guān)量控制。兩臺(tái)油泵通過(guò)控制把手切換為自動(dòng)/手動(dòng)/停止三種方式運(yùn)行，其中手動(dòng)不通過(guò)PLC 控制直接啟動(dòng)軟起動(dòng)器運(yùn)行。兩臺(tái)泵相互自動(dòng)輪換，一臺(tái)主用時(shí)，另一臺(tái)自動(dòng)為備用狀態(tài)。當(dāng)主用泵故障或油壓降低到備用泵啟動(dòng)值時(shí)，備用泵自動(dòng)投入運(yùn)行。停泵回路串有高壓切泵接點(diǎn)，作為防止停泵接點(diǎn)粘死造成壓力油槽過(guò)壓的一種保護(hù)。

3.2.2 補(bǔ)氣控制功能

補(bǔ)氣控制采用自動(dòng)和手動(dòng)運(yùn)行兩種方式，通過(guò)控制把手切換為自動(dòng)/手動(dòng)/停止三種控制方式運(yùn)行。其中手動(dòng)補(bǔ)氣時(shí)不通過(guò)PLC 控制直接啟動(dòng)繼電器接通補(bǔ)氣電磁閥。自動(dòng)補(bǔ)氣采用油壓模擬量和油位模擬量共同參與控制，當(dāng)任一路模擬量故障時(shí)退出自動(dòng)補(bǔ)氣流程。因?yàn)楦鶕?jù)經(jīng)驗(yàn)所知油位開(kāi)關(guān)是磁記憶接點(diǎn)，其接點(diǎn)動(dòng)作不可靠，經(jīng)常保持不能復(fù)歸，給自動(dòng)補(bǔ)氣帶來(lái)隱患。為了防止油泵打油時(shí)，壓力油槽油位變動(dòng)快，影響模擬量采樣數(shù)據(jù)的真實(shí)性，采取任何一臺(tái)油泵啟動(dòng)都閉鎖自動(dòng)補(bǔ)氣。設(shè)置了一個(gè)啟動(dòng)自動(dòng)補(bǔ)氣油位定值，具有自保持功能，并串有油位下限開(kāi)關(guān)量，防止補(bǔ)氣過(guò)多，油位過(guò)低。設(shè)置了一個(gè)復(fù)歸啟動(dòng)補(bǔ)氣油位定值，此定值就是正常油壓時(shí)的正常油位。當(dāng)壓力油槽油壓與高壓氣系統(tǒng)壓差過(guò)小時(shí)，氣體是很難補(bǔ)進(jìn)壓力油槽內(nèi)；因此設(shè)置了一個(gè)開(kāi)始自動(dòng)補(bǔ)氣油壓定值，此定值略高于油泵啟泵定值0.05 MPa。設(shè)置了補(bǔ)氣電磁閥每次運(yùn)行時(shí)間不超過(guò)10 min，增加補(bǔ)氣閥的動(dòng)作計(jì)數(shù)功能。即：補(bǔ)氣時(shí)間若超過(guò)10 min，還沒(méi)有達(dá)到補(bǔ)氣的停止值，補(bǔ)氣閥計(jì)數(shù)器反轉(zhuǎn)一次，強(qiáng)行斷開(kāi)補(bǔ)氣閥電源，直到任何一臺(tái)油泵曾經(jīng)啟動(dòng)打油一次，才復(fù)歸補(bǔ)氣閥計(jì)數(shù)器，這樣可有效避免燒壞電磁閥。這樣的自動(dòng)補(bǔ)氣設(shè)計(jì)理念，充分抓住了壓力油槽內(nèi)油位高、油壓低，與氣源壓差較大的最佳補(bǔ)氣時(shí)機(jī)；同時(shí)每次啟動(dòng)補(bǔ)氣只補(bǔ)一點(diǎn)點(diǎn)氣體，而是靠慢慢地多次累積的效果，從而使壓力油槽內(nèi)氣體質(zhì)量恢復(fù)到正常數(shù)值，這與油壓裝置為什么需要自動(dòng)補(bǔ)氣的目的相一致，只要補(bǔ)氣的速度大于漏氣的速度，就一定能使壓力油槽油壓與油位達(dá)到正常水平。

3.2.3 故障報(bào)警功能

油壓裝置控制系統(tǒng)引入了油泵軟起動(dòng)器故障報(bào)警功能閉鎖油泵啟動(dòng)，油位、油壓模擬量故障報(bào)警功能，壓力油槽油位過(guò)高、過(guò)低故障報(bào)警功能，備用泵啟動(dòng)報(bào)警，高壓切泵報(bào)警，事故低油壓報(bào)警，開(kāi)關(guān)電源消失等故障報(bào)警功能。這些報(bào)警信號(hào)動(dòng)作后點(diǎn)亮控制柜信號(hào)指示燈，同時(shí)報(bào)警信號(hào)進(jìn)機(jī)組現(xiàn)地LCU單元，在監(jiān)控系統(tǒng)上位機(jī)發(fā)報(bào)警信息。報(bào)警信息動(dòng)作后具有自保持功能，需要人員在現(xiàn)地控制柜按復(fù)歸按鈕才能解除報(bào)警。

4 油壓裝置自動(dòng)控制功能的應(yīng)用

4.1 PLC 控制程序的調(diào)試與參數(shù)的修改

4.1.1 油壓控制程序調(diào)試

在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行程序調(diào)試，油壓控制程序分模擬量和開(kāi)關(guān)量?jī)煞N方式來(lái)檢查。用排油方式模擬油壓降低，檢查油泵能否正常啟動(dòng)。模擬量試驗(yàn)時(shí)，退出油壓開(kāi)關(guān)量啟泵接點(diǎn)，排油降低油壓，油泵能正常啟停。開(kāi)關(guān)量試驗(yàn)時(shí)，解開(kāi)油壓變送器接線，模擬量故障報(bào)警信號(hào)燈亮，然后排油降低油壓，油泵能正常啟停。工作泵與備用泵輪換正常，各信號(hào)燈指示正常。

4.1.2 補(bǔ)氣控制程序調(diào)試

在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行程序調(diào)試，用人為手動(dòng)排氣來(lái)抬高壓力油槽油位達(dá)到補(bǔ)氣油位，用排油降低油壓，啟動(dòng)補(bǔ)氣試驗(yàn)。補(bǔ)氣電磁閥運(yùn)行10min 后，通過(guò)模擬量檢查油壓數(shù)值，發(fā)現(xiàn)沒(méi)有效果。分析原因主要是氣源壓力與壓力油槽壓力之間壓差過(guò)小，加上補(bǔ)氣管道過(guò)小幾乎很難補(bǔ)氣進(jìn)壓力油槽內(nèi)。經(jīng)技術(shù)可行性分析決定抬高高壓氣源壓力值，將原來(lái)高壓氣機(jī)啟泵壓力值由2.3 MPa修改為2.35 MPa，停泵壓力值由2.5 MPa 修改為2.55 MPa。經(jīng)過(guò)抬高氣源壓力后進(jìn)行補(bǔ)氣試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)補(bǔ)氣效果還是不明顯。考慮到進(jìn)一步抬高壓氣源壓力會(huì)影響到設(shè)備的安全運(yùn)行。經(jīng)技術(shù)可行性分析決定適當(dāng)降低油泵啟動(dòng)值，同樣可以增加補(bǔ)氣時(shí)壓差。決定將模擬量控制時(shí)油泵啟動(dòng)值進(jìn)行修改，而開(kāi)關(guān)量啟泵值保持不變，因?yàn)槟M量控制更準(zhǔn)確，開(kāi)關(guān)量控制存在一定的誤差。將原來(lái)模擬量啟泵壓力值由2.3 MPa 修改為2.2 MPa，同時(shí)將開(kāi)始補(bǔ)氣油壓值由小于2.35MPa 修改為小于2.25MPa。經(jīng)過(guò)修改后進(jìn)行補(bǔ)氣試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)補(bǔ)氣效果顯著，補(bǔ)氣10 min 后壓力值上升約0.02～0.03MPa。從壓力油槽壓力值的稍微上升，可以說(shuō)明壓力油槽內(nèi)空氣質(zhì)量有所增加，這完全達(dá)到了增補(bǔ)壓力油槽漏氣的效果。

4.2 油壓裝置自動(dòng)控制系統(tǒng)的運(yùn)行

由于運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的不足，運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)了老廠1號(hào)、4號(hào)機(jī)補(bǔ)氣電磁閥頻繁燒壞，事后經(jīng)過(guò)程序檢查和原因分析，發(fā)現(xiàn)主要的如下三點(diǎn)。

（1）機(jī)組壓力油槽檢修后，運(yùn)行人員在恢復(fù)壓力油槽時(shí)，沒(méi)有加入足量氣體，致使壓力油槽油位在剛投運(yùn)時(shí)就一直處在高油位運(yùn)行；而完全需要自動(dòng)補(bǔ)氣裝置來(lái)加入大量的氣體。因此在機(jī)組檢修后，自動(dòng)補(bǔ)氣油位條件滿足，每啟動(dòng)一次油泵后且壓力降到補(bǔ)氣油壓下時(shí)就會(huì)啟動(dòng)補(bǔ)氣電磁閥動(dòng)作一次，油位很難恢復(fù)到正常油位；自動(dòng)補(bǔ)氣裝置就頻繁動(dòng)作，造成補(bǔ)氣電磁閥的燒壞。這完全與自動(dòng)補(bǔ)氣裝置只是補(bǔ)壓力油槽運(yùn)行過(guò)程中的漏氣相違背。

（2）補(bǔ)氣油位參數(shù)設(shè)置的不合理，造成一旦補(bǔ)氣油位動(dòng)作后，就很難恢復(fù)到正常油位值。也就是補(bǔ)氣啟動(dòng)油位到復(fù)歸補(bǔ)氣油位的這段區(qū)間過(guò)大，造成補(bǔ)氣電磁閥要經(jīng)過(guò)連續(xù)多次動(dòng)作才將壓力油槽油位恢復(fù)正常水平。

（3）補(bǔ)氣電磁閥每次運(yùn)行時(shí)間10 min 可能過(guò)長(zhǎng)。事后通過(guò)修改補(bǔ)氣程序?qū)⒀a(bǔ)氣時(shí)間修改為8 min，減少補(bǔ)氣電磁閥線圈每次工作的發(fā)熱量。

5 結(jié)束語(yǔ)

鳳灘水電廠油壓裝置控制系統(tǒng)經(jīng)改造后投入運(yùn)行，投運(yùn)3年多來(lái)一直運(yùn)行可靠、穩(wěn)定；解決了運(yùn)行手動(dòng)調(diào)節(jié)壓力油槽油位的問(wèn)題，提高了全廠的生產(chǎn)自動(dòng)化水平，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。該控制系統(tǒng)是自主開(kāi)發(fā)創(chuàng)新項(xiàng)目，特別是自動(dòng)補(bǔ)氣控制理念符合壓力油槽需補(bǔ)氣的客觀規(guī)律；完全可以作為同類型水電站水輪機(jī)組油壓裝置自動(dòng)控制系統(tǒng)改造所借鑒和參考。