調(diào)速器油壓裝置控制邏輯優(yōu)化

魏凱杰

（中國第十一工程局有限公司，河南 鄭州 450001）

1 概 述

調(diào)速器油壓裝置是水電站控制系統(tǒng)的重要組成部分，由回油箱和壓力油罐組成，為調(diào)速器操作提供壓力能源，是水電廠發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的唯一動(dòng)力來源。其中壓力油罐內(nèi)的液壓油和壓縮空氣是按一定比例分配的，系統(tǒng)在運(yùn)行過程中既要控制好壓力油的輸出壓力，同時(shí)又要控制好罐內(nèi)油氣的占比。壓力油罐內(nèi)氣體過多容易引起接力器油缸進(jìn)氣，引起導(dǎo)葉抽動(dòng)；反之如果油罐內(nèi)油過多則會(huì)導(dǎo)致罐內(nèi)壓力緩存減小，在調(diào)速器操作過程中，壓力罐內(nèi)壓力下降快，壓力輸出不穩(wěn)定[1]。根據(jù)規(guī)范《GB/T 9652.1-2019 水輪機(jī)控制系統(tǒng)技術(shù)條件》要求，正常情況下壓力油罐內(nèi)氣/油體積比例應(yīng)為2∶1，波動(dòng)范圍為2～3 之間。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

帕圖卡III 水電站安裝2 臺軸流轉(zhuǎn)漿式機(jī)組，總裝機(jī)容量為2×52 MW，2 臺機(jī)組分別設(shè)置1 套油壓裝置，為導(dǎo)葉接力器和槳葉接力器提供操作油，根據(jù)導(dǎo)葉接力器及槳葉控制用油量，壓力油罐設(shè)計(jì)容積為6 000L，正常工況下油罐內(nèi)儲(chǔ)油量為2 000 L，其余為壓縮空氣。壓力罐本體安裝多個(gè)壓力開關(guān)及油位開關(guān)，用于控制油泵和補(bǔ)氣閥；系統(tǒng)配套回油箱容積為7 500 L，用于回收操作油管回油和漏油箱油；系統(tǒng)配備一套外部中壓氣系統(tǒng)，作為油壓裝置的補(bǔ)氣氣源，中壓氣系統(tǒng)額定壓力為6.3 MPa，系統(tǒng)詳細(xì)參數(shù)及結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

壓力罐壓力開關(guān)設(shè)定值如表1 所示。

表1 油罐壓力開關(guān)定值 MPa

在正常工況下，油泵按照設(shè)定的壓力信號啟停油泵。油罐內(nèi)壓力小于5.9 MPa 時(shí)，系統(tǒng)啟動(dòng)主油泵工作，油罐內(nèi)壓力小于5.6 MPa 時(shí)，系統(tǒng)啟動(dòng)備用泵工作，在更嚴(yán)重情況下，當(dāng)油罐內(nèi)壓力小于5.4 MPa 時(shí)，系統(tǒng)同時(shí)開啟3 臺油泵，保證緊急情況下調(diào)速器的供油；當(dāng)油罐內(nèi)壓力急劇下降至5.3 MPa 時(shí)，調(diào)速器系統(tǒng)及SCADA 系統(tǒng)直接進(jìn)入緊急停機(jī)流程，機(jī)組與電網(wǎng)解列并關(guān)停機(jī)組，防止事故的進(jìn)一步擴(kuò)大。

另外，由于壓力油罐內(nèi)氣體微量泄露，系統(tǒng)在長時(shí)間工作后，在相同壓力情況下，油罐內(nèi)氣體體積占比會(huì)變小，導(dǎo)致氣/油比下降，此時(shí)需要打開補(bǔ)氣閥，對油罐進(jìn)行補(bǔ)氣，系統(tǒng)設(shè)定開補(bǔ)氣閥條件為補(bǔ)氣壓力和補(bǔ)氣油位。

正常情況下當(dāng)油罐壓力在5.95 MPa 時(shí)，油罐內(nèi)油位在設(shè)定開補(bǔ)氣閥油位值以下；在長時(shí)間工作后，在相同壓力情況下，壓力油罐內(nèi)的油位慢慢上升，當(dāng)系統(tǒng)在5.95 MPa 壓力下，油罐內(nèi)的油位高于設(shè)定的開補(bǔ)氣閥油位值，此時(shí)系統(tǒng)判定油罐需要進(jìn)行補(bǔ)氣并開啟補(bǔ)氣閥[2]，待油罐補(bǔ)氣至6.3 MPa 壓力后，停止補(bǔ)氣。

3 補(bǔ)氣油位定值計(jì)算

根據(jù)波義耳定律，在密閉容器中的定量氣體，在恒溫下，氣體的壓強(qiáng)和體積成反比關(guān)系，氣體的體積與壓強(qiáng)的乘積成為一定的常數(shù)，即：PV=常數(shù)。

壓力油罐內(nèi)氣體并非理想氣體，考慮到油罐溫度變化、泄露量等因素，對上述公式進(jìn)行改進(jìn)[3]，改進(jìn)后公式如下：P1V1n=P2V2n=常數(shù)n（取1.2） （1）式中 P1、P2——不同狀態(tài)下的氣罐壓力；

V1、V2——相應(yīng)工作壓力的氣體體積。

罐內(nèi)氣體體積V 的計(jì)算分為兩部分，封頭段氣體體積V0及直筒段氣體體積，氣體體積計(jì)算公式如下：

式中 h——油罐內(nèi)油位高度；

R——油罐內(nèi)半徑。

根據(jù)氣罐總體積及直筒段體積，可計(jì)算出油罐內(nèi)兩端頭的體積V0為0.689 m3。

在初始額定狀態(tài)下，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求，氣油比為2∶1，此時(shí)油罐內(nèi)氣體體積為4 m3。根據(jù)式（2）可計(jì)算出此時(shí)油罐內(nèi)的油位高度為652 mm，在此油位和額定壓力基礎(chǔ)上，根據(jù)式（1），可以計(jì)算出，當(dāng)油罐內(nèi)壓力降低至5.95 MPa 時(shí)，油罐油位高度為555 mm。

為保證系統(tǒng)的正常工作，開補(bǔ)氣閥油位設(shè)定值要高于計(jì)算值，綜合考慮設(shè)定開補(bǔ)氣油位值為570 mm，當(dāng)系統(tǒng)第一次補(bǔ)氣完畢后，罐內(nèi)油位仍為570 mm，此時(shí)可計(jì)算罐內(nèi)的氣/油比值為2.27。

系統(tǒng)補(bǔ)氣完畢后，在下次補(bǔ)氣條件滿足前，油泵按設(shè)定壓力工作。當(dāng)油罐內(nèi)油位接近570 mm，油罐壓力小于5.95 MPa，此時(shí)系統(tǒng)處于補(bǔ)氣閥開啟的臨界條件，系統(tǒng)仍只啟動(dòng)油泵，待壓力達(dá)到6.3 MPa 時(shí)油泵停止，此時(shí)根據(jù)式（1）可計(jì)算出在額定停泵壓力下，油罐油位達(dá)到666 mm，此時(shí)油罐的氣/油比值為1.96。

根據(jù)上述計(jì)算，油罐內(nèi)油位定值設(shè)定如表2。

表2 油罐油位開關(guān)定值 mm

4 存在的問題及控制邏輯優(yōu)化

根據(jù)壓力油泵和補(bǔ)氣工作過程分析，并考慮所有可能出現(xiàn)的狀況，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)控制邏輯存在兩個(gè)問題：

1）補(bǔ)氣和油泵同時(shí)工作

在補(bǔ)氣過程中，若遇調(diào)速器緊急動(dòng)作，油罐內(nèi)壓力突然下降低于5.9 MPa，此時(shí)油泵和補(bǔ)氣同時(shí)工作?；蛘咴谟捅霉ぷ鬟^程中，補(bǔ)氣條件滿足，系統(tǒng)打開補(bǔ)氣閥補(bǔ)氣，此時(shí)油泵和補(bǔ)氣同時(shí)工作。

按規(guī)范要求補(bǔ)氣和油泵不能同時(shí)進(jìn)行[4]，因此系統(tǒng)的控制邏輯上要進(jìn)行優(yōu)化，避免此種情況的發(fā)生，否則可能出現(xiàn)嚴(yán)重后果。

在補(bǔ)氣過程中，若機(jī)組遇嚴(yán)重事故，調(diào)速器頻繁動(dòng)作且耗油量大，此時(shí)油罐內(nèi)油位會(huì)急劇下降，同時(shí)在外部氣源的補(bǔ)給下，油罐壓力始終大于5.3 MPa，機(jī)組不能快速停機(jī)，此壓力保護(hù)失去作用。在極限情況下會(huì)導(dǎo)致油罐內(nèi)充滿氣體，壓縮氣體進(jìn)入壓力油管內(nèi)，破壞壓力管道密封，造成更嚴(yán)重的破壞，嚴(yán)重影響調(diào)速器的安全運(yùn)行。

2）油氣比不穩(wěn)定

根據(jù)油位定值計(jì)算，在額定壓力狀況下，壓力油罐內(nèi)的氣/油比是一個(gè)連續(xù)變動(dòng)量，該值在1.96～2.27 之間變換，變化過程如圖2 所示。

圖2 油氣比變化過程

為了更好地控制油罐內(nèi)油氣比的波動(dòng)范圍，同時(shí)避免油泵和補(bǔ)氣閥同時(shí)工作的情況出現(xiàn)，對油泵和補(bǔ)氣閥的控制邏輯進(jìn)行調(diào)整。

首先我們以額定狀態(tài)油位為650 mm 為基礎(chǔ)，將開補(bǔ)氣閥油位值調(diào)整為略高于此，設(shè)定為660 mm，當(dāng)系統(tǒng)由于漏氣原因?qū)е掠凸迌?nèi)油位超過660 mm 時(shí)，系統(tǒng)補(bǔ)氣閥開啟。此時(shí)由于油罐內(nèi)油位高于正常值650 mm，所以補(bǔ)氣停止壓力要稍大于油泵工作停止壓力，否則在額定停油泵壓力下油罐油位會(huì)始終高于660 mm，造成系統(tǒng)頻繁補(bǔ)氣。

我們以額定停泵壓力油位650 mm 為基礎(chǔ)，在不考慮油罐漏氣狀況下，結(jié)合式（1）和式（2）可以計(jì)算出，油位在660 mm 時(shí)油罐內(nèi)壓力為6.34 MPa，因此我們可以設(shè)定停補(bǔ)氣壓力為6.35 MPa，調(diào)整后壓力定值和油位定值如表3 和表4。

表4 修改后油罐油位開關(guān)定值 mm

相對于原設(shè)計(jì)方案，新方案主要調(diào)整如下：

●增加停補(bǔ)氣油位：防止補(bǔ)氣過程中，遇機(jī)組事故狀態(tài)調(diào)速器用油量極大情況下，油罐內(nèi)油位急劇下降，導(dǎo)致油罐內(nèi)充滿氣體，嚴(yán)重影響機(jī)組的安全運(yùn)行。

●增加停油泵油位控制信號，直接控制油罐內(nèi)油位在控制范圍內(nèi)變化。

●增加補(bǔ)氣閥和油泵之間的閉鎖，避免兩者同時(shí)工作的可能。

●增加強(qiáng)制啟動(dòng)油泵功能，當(dāng)系統(tǒng)檢測到油罐壓力過低后，直接啟動(dòng)油泵并閉鎖補(bǔ)氣閥開啟，及時(shí)為系統(tǒng)補(bǔ)充操作油。

●增加6.35 MPa 停補(bǔ)氣壓力，使系統(tǒng)補(bǔ)氣后壓力略大于停泵壓力定值。

●取消5.95 MPa 補(bǔ)氣壓力開關(guān)信號，并調(diào)整開補(bǔ)氣閥油位定值。

調(diào)整后油泵和補(bǔ)發(fā)系統(tǒng)的控制邏輯如下：

●油泵控制邏輯：

油泵啟動(dòng)條件：油罐壓力過低或啟泵壓力滿足且油位高未報(bào)警且補(bǔ)氣閥關(guān)閉狀態(tài)；

油泵停止條件：停泵壓力或停泵油位或油位高報(bào)警。

●補(bǔ)氣控制邏輯：

開補(bǔ)氣閥條件：開補(bǔ)氣閥油位動(dòng)作且油壓未達(dá)停補(bǔ)氣壓力且油泵停止?fàn)顟B(tài)；

關(guān)補(bǔ)氣閥條件：停補(bǔ)氣壓力或停補(bǔ)氣油位或油罐油位過低或油泵運(yùn)行。

使用新方案時(shí)，不論是油泵工作或者補(bǔ)氣閥工作，每次油罐達(dá)到額定壓力后，油罐內(nèi)的油位都在650～660 mm 之間變化，氣/油比始終接近2∶1；同時(shí)新增加的強(qiáng)啟油泵功能和閉鎖功能，可滿足緊急情況下調(diào)速器用油需求，且避免了油罐內(nèi)充滿氣體的狀況發(fā)生，使系統(tǒng)的安全性和可靠性有了更好的保障。

5 結(jié) 語

油壓裝置是系統(tǒng)的核心，要防止控制邏輯和設(shè)計(jì)缺陷對系統(tǒng)造成損壞。本文將調(diào)速器油壓裝置壓力信號及油位信號進(jìn)行了相關(guān)閉鎖，并以油罐油位作為判定開補(bǔ)氣的條件，很好地控制了壓力油罐輸出壓力和油罐內(nèi)的油氣比，保證了裝置的運(yùn)行可靠性，系統(tǒng)優(yōu)化過程可供其他類似工程借鑒。