巨型水電站輔助設(shè)備配置及控制邏輯標(biāo)準(zhǔn)化探討

吳 瀟，陳才龍，趙碧誠

（中國長江電力股份有限公司白鶴灘電廠籌建處，四川 涼山615400）

隨著國家對(duì)生態(tài)環(huán)境的重視，尤其碳排放量指標(biāo)的嚴(yán)格控制，現(xiàn)階段我國正積極有序推進(jìn)一大批巨型水電基地建設(shè)[1]。巨型水電站具有單機(jī)容量大、運(yùn)行方式復(fù)雜、系統(tǒng)地位重要等特點(diǎn)，這對(duì)電站自動(dòng)化控制的可靠性、靈活性和快速性提出了更高的 要求[2]。

水電站輔助設(shè)備的可靠運(yùn)行是保證電站安全運(yùn)行的重要條件[3]，但是目前不同水電站輔助設(shè)備的配置、控制方式和邏輯不同，甚至在同一水電站因?yàn)闄C(jī)型的不同，輔助設(shè)備的配置、控制方式及邏輯也有較大差異，不利于運(yùn)維人員對(duì)電站機(jī)組的監(jiān)視和維護(hù)[4]。本文將對(duì)水電站幾種重要的輔助設(shè)備的控制方式和控制邏輯標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)行探討，并提出一種簡(jiǎn)單、可靠、適用范圍廣的控制方案，對(duì)于水電站機(jī)組輔助設(shè)備的設(shè)計(jì)和運(yùn)維都是一件有意義的工作。

1 設(shè)計(jì)原則

1.1 動(dòng)力電源

機(jī)組輔助設(shè)備應(yīng)配置發(fā)電機(jī)動(dòng)力柜和水輪機(jī)動(dòng)力柜各1 面。發(fā)電機(jī)動(dòng)力柜主要為高壓油泵、推導(dǎo)外循環(huán)油泵、推導(dǎo)油霧吸收裝置、制動(dòng)風(fēng)閘粉塵收集裝置、機(jī)坑加熱器等設(shè)備提供動(dòng)力電源；水輪機(jī)動(dòng)力柜主要為水導(dǎo)油外循環(huán)泵、頂蓋排水泵、主軸密封水加壓泵等輔助設(shè)備提供動(dòng)力電源。

1.2 控制電源

控制電源通過2 個(gè)電源模塊和1 個(gè)電源隔離模塊進(jìn)行電源轉(zhuǎn)換，一個(gè)電源模塊進(jìn)線端220 V AC取自動(dòng)力柜交流電源，另一個(gè)電源模塊進(jìn)線端220 V DC 取自電站直流配電盤。2 個(gè)電源模塊輸出24 V DC 電源，并通過電源隔離模塊后輸出24 V DC作為控制電源，控制電源輸出的正負(fù)端均通過短接端子排引入、引出。

圖1 DC 24 V 電源冗余裝置示意圖

1.3 控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

發(fā)電機(jī)輔助設(shè)備設(shè)計(jì)1 套PLC、1 套觸摸屏，應(yīng)用于推導(dǎo)外循環(huán)和高壓油頂起系統(tǒng)等。水輪機(jī)輔助設(shè)備設(shè)計(jì)1 套PLC、1 套觸摸屏，應(yīng)用于水導(dǎo)外循環(huán)系統(tǒng)、主軸密封控制系統(tǒng)和頂蓋排水控制系統(tǒng)等。為了保證電站運(yùn)維人員技術(shù)傳承、備品備件的統(tǒng)一，電站輔助設(shè)備PLC 的選型應(yīng)保持一致。

監(jiān)控系統(tǒng)下達(dá)到各子系統(tǒng)的啟動(dòng)、停止命令均為脈沖信號(hào)，各子系統(tǒng)應(yīng)長期保持，在機(jī)組動(dòng)力電源切換后以及動(dòng)力柜電源失電恢復(fù)后，各子系統(tǒng)能自動(dòng)恢復(fù)此前的工作狀態(tài)。

2 各輔助設(shè)備系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求

2.1 水導(dǎo)外循環(huán)系統(tǒng)

2.1.1 控制方式

水導(dǎo)外循環(huán)系統(tǒng)每臺(tái)水導(dǎo)外循環(huán)油泵應(yīng)配置“自動(dòng)/手動(dòng)/切除”控制方式切換開關(guān)，要求如下：

（1）“自動(dòng)”方式下，接受機(jī)組監(jiān)控系統(tǒng)的啟動(dòng)、停止命令（脈沖）。相關(guān)控制邏輯由現(xiàn)地控制柜的PLC 實(shí)現(xiàn)?！白詣?dòng)”切換至“手動(dòng)”控制方式時(shí)，不應(yīng)改變水導(dǎo)油泵當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)。

（2）“手動(dòng)”方式下由盤面布置的按鈕進(jìn)行“啟動(dòng)/停止”的操作；手動(dòng)控制應(yīng)采用硬接線回路實(shí)現(xiàn)控制功能，不得經(jīng)過PLC 控制。應(yīng)確保在PLC 失電和故障時(shí)，水導(dǎo)外循環(huán)油泵仍能正常運(yùn)行。

（3）“切除”方式為檢修態(tài)，即遠(yuǎn)方、現(xiàn)地操作均無效。

2.1.2 控制邏輯

在“自動(dòng)”方式下，監(jiān)控發(fā)令投入水導(dǎo)外循環(huán)系統(tǒng)時(shí)，啟動(dòng)當(dāng)前主用泵；監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)令退出水導(dǎo)外循環(huán)系統(tǒng)時(shí)，停止水導(dǎo)外循環(huán)油泵。當(dāng)前主用泵故障時(shí)，切換泵的主備用關(guān)系；在“自動(dòng)”模式時(shí)，監(jiān)控發(fā)令倒換水導(dǎo)外循環(huán)油泵時(shí)，切換泵的主備用關(guān)系；“手動(dòng)”模式時(shí)，可通過手動(dòng)啟動(dòng)油泵來切換泵主備用關(guān)系。

自動(dòng)模式下，如果1～2 號(hào)水導(dǎo)外循環(huán)油泵都發(fā)生油壓未建立故障，則判斷為單臺(tái)水導(dǎo)外循環(huán)油泵無法滿足水導(dǎo)油槽正常冷卻油流量，則同時(shí)啟動(dòng)兩臺(tái)油泵。

圖2 水導(dǎo)外循環(huán)控制流程

當(dāng)壓力開關(guān)動(dòng)作與泵運(yùn)行情況不一致時(shí)，例如：1 號(hào)油泵未運(yùn)行，而1 號(hào)油泵出口壓力開關(guān)長期動(dòng)作，則判斷1 號(hào)油泵出口壓力開關(guān)故障；2 號(hào)油泵出口壓力開關(guān)同理。

當(dāng)水導(dǎo)外循環(huán)系統(tǒng)投入命令有效時(shí)（監(jiān)控投水導(dǎo)外循環(huán)系統(tǒng)時(shí)鎖存，監(jiān)控退水導(dǎo)外循環(huán)系統(tǒng)時(shí)復(fù)歸），保證有1 臺(tái)水導(dǎo)油泵運(yùn)行。

2.2 主軸密封水系統(tǒng)

2.2.1 控制方式

主軸密封水系統(tǒng)每臺(tái)增壓泵和濾水器應(yīng)設(shè)置“自動(dòng)/手動(dòng)/切除”控制方式切換開關(guān)，要求如下：

（1）“自動(dòng)”方式下，監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)令自動(dòng)控制主軸密封水系統(tǒng)運(yùn)行。

（2）“手動(dòng)”方式下，不接受監(jiān)控系統(tǒng)命令，現(xiàn)地動(dòng)作按鈕控制設(shè)備動(dòng)作。

（3）“切除”方式下為檢修態(tài)。

2.2.2 控制邏輯

主軸密封水系統(tǒng)在接到監(jiān)控系統(tǒng)啟動(dòng)命令后，系統(tǒng)應(yīng)開啟清潔水源相應(yīng)電動(dòng)閥，關(guān)閉技術(shù)供水水源相應(yīng)電動(dòng)閥。并根據(jù)控制方式、實(shí)際工況來設(shè)定增壓泵和濾水器的主備選擇，按相應(yīng)條件進(jìn)行啟停控制。

增壓泵啟動(dòng)條件：主軸密封水流量低、主軸密封水進(jìn)口壓力低或監(jiān)控系統(tǒng)強(qiáng)制啟動(dòng)。

濾水器的排污過程有定時(shí)控制、差壓控制兩種控制方式，控制邏輯如下：

（1）定時(shí)控制排污。依據(jù)PLC 程序設(shè)定的定時(shí)排污周期，啟動(dòng)減速機(jī)進(jìn)行排污排漂，間隔時(shí)間以及每次排污、排漂的時(shí)間可以根據(jù)季節(jié)變化、濾水器運(yùn)行工況等進(jìn)行調(diào)整。

（2）差壓控制排污。根據(jù)設(shè)定的濾水器進(jìn)出口壓差，自動(dòng)控制減速機(jī)和排污閥的啟動(dòng)，自動(dòng)進(jìn)行排污。在定時(shí)排污時(shí)，當(dāng)水中雜質(zhì)多，濾水器前、后壓差大于整定壓力值時(shí)，則差壓控制方式啟動(dòng)，差壓控制結(jié)束后自動(dòng)切回定時(shí)控制模式。

2.3 頂蓋排水系統(tǒng)

2.3.1 控制方式

頂蓋排水系統(tǒng)各頂蓋泵應(yīng)設(shè)置“自動(dòng)/手動(dòng)/切除”控制方式?！白詣?dòng)”方式下，由PLC 和常規(guī)控制回路并列控制，PLC 控制優(yōu)先?！笆謩?dòng)”方式下每臺(tái)頂蓋泵設(shè)置“啟動(dòng)/停止”；“切除”方式為檢修態(tài)，即手動(dòng)、自動(dòng)操作均無效。

2.3.2 控制邏輯

以3 臺(tái)頂蓋排水泵為例，1 號(hào)頂蓋排水泵、2 號(hào)頂蓋排水泵、3 號(hào)頂蓋排水泵以啟動(dòng)次數(shù)決定主備用關(guān)系，啟動(dòng)次數(shù)最少的水泵作為主用泵，啟動(dòng)次數(shù)最多的水泵作為第2 備用泵，啟動(dòng)次數(shù)居中的水泵作為第1 備用泵。在運(yùn)行過程中，若水泵因故障或其他原因切除停運(yùn)后，將對(duì)剩下的水泵按啟動(dòng)次數(shù)進(jìn)行邏輯判斷，并重新確定主備用關(guān)系。

在自動(dòng)方式下，水泵啟停由水位模擬量信號(hào)和水位開關(guān)輸入信號(hào)進(jìn)行控制（優(yōu)先使用模擬量信號(hào)）。當(dāng)“開啟主用泵”水位接點(diǎn)信號(hào)輸入時(shí)，主用泵啟動(dòng)；當(dāng)“開啟第1 備用泵”水位接點(diǎn)信號(hào)輸入時(shí)，主用泵和第1 備用泵同時(shí)啟動(dòng)；當(dāng)“開啟第2 備用泵”水位接點(diǎn)信號(hào)輸入時(shí)，主用泵、第1 備泵和第2備用泵同時(shí)啟動(dòng)。當(dāng)3 臺(tái)交流排水泵均失效，頂蓋水位達(dá)到射流泵啟動(dòng)水位時(shí)，射流泵啟動(dòng)。當(dāng)“射流泵關(guān)閉命令”（該信號(hào)即為所有排水泵的停泵信號(hào)）信號(hào)輸入時(shí)，停止所有運(yùn)行的排水泵。此外，由LCU 監(jiān)控系統(tǒng)給出的啟動(dòng)控制信號(hào)可以直接啟動(dòng)排水泵，LCU 給出的啟動(dòng)控制信號(hào)不經(jīng)過本柜內(nèi)的PLC，直接通過硬接線啟動(dòng)相應(yīng)水泵。

用戶通過觸摸屏選擇頂蓋水位模擬量信號(hào)是否參與排水泵控制。當(dāng)選擇水位模擬量信號(hào)參與控制時(shí)，只要水位模擬量信號(hào)正?；蛘哒▍?shù)設(shè)置正確，就優(yōu)先以水位模擬量信號(hào)進(jìn)行控制。當(dāng)水位模擬量信號(hào)源故障（＜4 mA 或者＞20 mA）或者采集的水位信號(hào)與整定參數(shù)比較后的輸出邏輯與開關(guān)量輸入信號(hào)明顯沖突時(shí)，將認(rèn)定“水位采集故障或參數(shù)設(shè)置錯(cuò)誤！”，此時(shí)，將自動(dòng)切換到水位開關(guān)輸入信號(hào)控制排水泵的啟動(dòng)與停止，直到用戶復(fù)歸故障為止。

2.4 高壓油系統(tǒng)

2.4.1 控制方式

應(yīng)對(duì)每臺(tái)高壓油泵設(shè)置“自動(dòng)/手動(dòng)/切除”控制方式切換開關(guān)，要求如下：

（1）“自動(dòng)”方式下，接受機(jī)組監(jiān)控系統(tǒng)的啟動(dòng)、停止開出命令（脈沖）。相關(guān)控制邏輯由現(xiàn)地控制柜的PLC 實(shí)現(xiàn)?！白詣?dòng)”切換至“手動(dòng)”控制方式，不應(yīng)改變油泵當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)。

（2）“手動(dòng)”方式下由盤柜的按鈕手動(dòng)進(jìn)行“啟動(dòng)/停止”的操作；手動(dòng)控制不得經(jīng)過PLC 控制，需采用硬接線方式實(shí)現(xiàn)控制功能。應(yīng)確保在PLC故障、停止運(yùn)行時(shí)，仍能通過手動(dòng)方式控制高壓油泵。

（3）“切除”方式為檢修態(tài)，即遠(yuǎn)方、現(xiàn)地操作均無效。

2.4.2 控制邏輯

高壓油系統(tǒng)接到監(jiān)控系統(tǒng)啟動(dòng)令后，主泵投入運(yùn)行，30 s 以內(nèi)，高壓油系統(tǒng)建壓成功（圖3），則一直維持主泵的運(yùn)行，直至監(jiān)控發(fā)出停止令。在主泵運(yùn)行的過程中，主泵故障或建壓未成功則主泵停止運(yùn)行，啟動(dòng)備泵。如備泵當(dāng)前無故障且建壓成功，備泵保持運(yùn)行，直至監(jiān)控發(fā)停止令。在備泵運(yùn)行的過程中，備泵故障或建壓仍不成功，立即啟動(dòng)原主泵并保持運(yùn)行，并向監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)出建壓失敗報(bào)警，直至監(jiān)控發(fā)出停止令。

圖3 高壓油啟動(dòng)油壓波動(dòng)曲線

2.5 機(jī)組制動(dòng)控制系統(tǒng)

2.5.1 控制方式

機(jī)械制動(dòng)控制方式包括純手動(dòng)方式控制和電氣控制。純手動(dòng)方式下通過直接操作相應(yīng)純機(jī)械閥門進(jìn)行制動(dòng)閘投入/退出操作；電氣控制應(yīng)設(shè)置“現(xiàn) 地/遠(yuǎn)方/切除”控制方式切換開關(guān)，要求如下：

（1）現(xiàn)地方式下由盤柜的切換開關(guān)進(jìn)行制動(dòng)閘投入/退出的操作。

（2）遠(yuǎn)方方式下，接受機(jī)組監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)出的制動(dòng)閘投入/退出。

（3）“切除”方式為檢修態(tài)，即遠(yuǎn)方、現(xiàn)地操作均無效。

2.5.2 配置要求

制動(dòng)閘投入電磁閥勵(lì)磁的電氣回路中應(yīng)串入機(jī)組轉(zhuǎn)速＜15%的硬觸點(diǎn)，防止監(jiān)控系統(tǒng)和現(xiàn)地盤柜電氣操作誤投入制動(dòng)閘。應(yīng)通過LED 端子（接通點(diǎn)亮）和制動(dòng)閘狀態(tài)監(jiān)測(cè)信號(hào)裝置反映每塊制動(dòng)閘的當(dāng)前狀態(tài)。制動(dòng)閘狀態(tài)監(jiān)測(cè)信號(hào)裝置應(yīng)安裝在機(jī)組機(jī)械制動(dòng)柜內(nèi)，裝置應(yīng)采用紅色指示燈表示單個(gè)制動(dòng)閘投入狀態(tài)，綠色指示燈表示單個(gè)制動(dòng)閘退出狀態(tài)。任一單個(gè)制動(dòng)閘投入表示機(jī)械制動(dòng)閘系統(tǒng)投入；所有制動(dòng)閘均退出表示機(jī)械制動(dòng)閘系統(tǒng)退出。

2.6 推力外循環(huán)系統(tǒng)

2.6.1 控制方式

推導(dǎo)油外循環(huán)系統(tǒng)每臺(tái)推導(dǎo)油循環(huán)油泵應(yīng)設(shè)置“自動(dòng)/手動(dòng)/切除”控制方式切換開關(guān)，要求如下：

（1）“手動(dòng)”方式下，由盤柜的按鈕手動(dòng)進(jìn)行“啟動(dòng)/停止”的操作；手動(dòng)控制不得經(jīng)過PLC 控制，需采用硬接線方式實(shí)現(xiàn)控制功能。應(yīng)確保在PLC 故障、停止運(yùn)行時(shí)，仍能通過手動(dòng)方式控制推導(dǎo)外循環(huán)油泵。

（2）“自動(dòng)”方式下，接受機(jī)組監(jiān)控系統(tǒng)的啟動(dòng)、停止開出命令（脈沖）；相關(guān)控制邏輯由現(xiàn)地控制柜的PLC 實(shí)現(xiàn)?！白詣?dòng)”切換至“手動(dòng)”控制方式，不應(yīng)改變油泵當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)。

（3）“切除”方式為檢修態(tài)，即遠(yuǎn)方、現(xiàn)地操作均無效。

2.6.2 控制邏輯

當(dāng)監(jiān)控發(fā)系統(tǒng)啟動(dòng)令，主備泵同時(shí)啟動(dòng)并保持運(yùn)行1 h。運(yùn)行1 h 后，停止備泵運(yùn)行，備泵停止運(yùn)行后，當(dāng)系統(tǒng)總管壓力低、油流量低和主泵動(dòng)力電源故障動(dòng)作，則啟動(dòng)備泵，延時(shí)30 s 后停主泵，備泵運(yùn)行并保持，直至監(jiān)控發(fā)停止令。系統(tǒng)故障需通過監(jiān)控系統(tǒng)或現(xiàn)地盤柜按鈕進(jìn)行復(fù)歸確認(rèn)。

3 總結(jié)

本文重點(diǎn)探討了水電站輔助設(shè)備的控制方式、控制邏輯以及配置方面的標(biāo)準(zhǔn)化，對(duì)未來巨型水電站輔助設(shè)備的控制具有重要的參考意義。運(yùn)行簡(jiǎn)單、可靠、穩(wěn)定及自動(dòng)化程度高的輔助設(shè)備，有利于水電站“無人值班，少人值守”管理模式的高效運(yùn)行。