陳沛東
供水電站調(diào)速器油泵控制系統(tǒng)升級(jí)改造——以萍鄉(xiāng)市山口巖供水電站為例
陳沛東
(萍鄉(xiāng)市山口巖水利樞紐管理中心,江西 萍鄉(xiāng) 337000)
山口巖供水電站是尾水高程高于進(jìn)水口高程的特殊水電站,調(diào)速器油泵控制系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)供水的重要系統(tǒng)。目前調(diào)速器屬于第一代產(chǎn)品,故障率較高,且電接點(diǎn)壓力表接觸不好,甚至出現(xiàn)卡表現(xiàn)象,已經(jīng)無法滿足當(dāng)前電站繼電保護(hù)系統(tǒng)的要求。在多次更換電接點(diǎn)壓力表后,得出結(jié)論:主要原因是調(diào)速器油泵控制系統(tǒng)中的控制電流過大,監(jiān)控范圍過小。為了提高油壓監(jiān)測(cè)和運(yùn)行的可靠性,采用穩(wěn)定、安全的小電流電源作為整個(gè)系統(tǒng)的控制電源,并設(shè)置分段檢測(cè)區(qū)域。在充分利用原廠家設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上,增加了一套油壓監(jiān)測(cè)保護(hù)系統(tǒng)和光電報(bào)警系統(tǒng)。通過新增加的保護(hù)系統(tǒng)和報(bào)警系統(tǒng),優(yōu)化了油泵控制系統(tǒng)的局限性,消除了原系統(tǒng)調(diào)節(jié)不靈敏、正常工作油壓下不及時(shí)泵油、多誤報(bào)警等安全隱患,確保了油泵控制系統(tǒng)的準(zhǔn)確運(yùn)行。
水電站;調(diào)速器;技術(shù)改造;安全運(yùn)行
調(diào)速器具備正常運(yùn)行、故障運(yùn)行及緊急停機(jī)功能[1]。采用PLC+電液隨動(dòng)系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu),調(diào)節(jié)運(yùn)算功能由PLC完成,電液隨動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功率放大,推動(dòng)接力器調(diào)大或小,從而調(diào)節(jié)機(jī)組頻率和負(fù)荷。其中電液隨動(dòng)系統(tǒng)由微機(jī)控制器、比例數(shù)字閥、接力器、位移傳感器構(gòu)成。在調(diào)速器的電液壓隨動(dòng)系統(tǒng)中,油壓裝置是提供調(diào)速器及主閥操作能源的設(shè)備,要求其要有足夠的容量、可靠的壓力和清潔的油質(zhì)[3]。由于機(jī)組導(dǎo)葉較多,且機(jī)組導(dǎo)葉長(zhǎng)期受水流沖擊受壓不平衡,故調(diào)速器在調(diào)整機(jī)組導(dǎo)葉開度時(shí)需要很大的推力;在運(yùn)行中,需要保持一定的工作油壓來穩(wěn)定機(jī)組的導(dǎo)葉開度(無須外部調(diào)節(jié)),然后根據(jù)電站的工程設(shè)計(jì),一般采用調(diào)速器液壓油來控制導(dǎo)葉開度。此外,為了避免調(diào)速器油泵控制系統(tǒng)中的精密部件(單向閥、電磁閥等)和油管堵塞,必須保持液壓油的油質(zhì)清潔。
油泵控制系統(tǒng)的正常工作油壓范圍為14~16MPa。當(dāng)油壓低至14MPa時(shí),電接點(diǎn)壓力表下限接點(diǎn)接通,油泵電機(jī)接觸器閉合,油泵開始泵油。當(dāng)油壓升至16MPa時(shí),電接點(diǎn)壓力表上限接點(diǎn)接通,控制油泵電機(jī)接觸器斷開,油泵停止泵油。當(dāng)泵油系統(tǒng)出現(xiàn)問題,油壓低至12.5MPa時(shí),調(diào)速器發(fā)出油壓低報(bào)警信號(hào)。當(dāng)繼續(xù)降至12MPa時(shí),調(diào)速器將發(fā)出事故低油壓報(bào)警信號(hào),并啟動(dòng)緊急停機(jī)保護(hù)功能。調(diào)速器緊急停機(jī)保護(hù)功能是電站自控系統(tǒng)繼電保護(hù)的重要組成部分,是機(jī)組保護(hù)停機(jī)的條件之一。因此,當(dāng)調(diào)速器啟動(dòng)緊急停機(jī)保護(hù)功能時(shí),水輪發(fā)電機(jī)組同時(shí)啟動(dòng)緊急停機(jī)保護(hù),機(jī)組出口斷路器跳閘(與電網(wǎng)分離),勵(lì)磁系統(tǒng)跳閘斷電(使機(jī)組不帶電)全關(guān)機(jī)組進(jìn)水蝶閥(關(guān)閉機(jī)組進(jìn)水)和全關(guān)機(jī)組導(dǎo)葉開度(降速至0 r/s),確保整個(gè)機(jī)組停止運(yùn)行,以保護(hù)人員和設(shè)備的安全。
由于調(diào)速器控制系統(tǒng)油壓監(jiān)測(cè)范圍小,系統(tǒng)不靈敏,不能及時(shí)響應(yīng),精確控制油泵的啟停。當(dāng)油泵不泵油時(shí),調(diào)速器油壓會(huì)隨著調(diào)節(jié)導(dǎo)葉開度時(shí)所消耗的油壓而逐漸降低,導(dǎo)致工作油壓不足,無法在隨后的導(dǎo)葉開度過程中調(diào)節(jié)接力器的伸縮,從而失去實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)能力,這是調(diào)節(jié)系統(tǒng)的重大安全隱患。因?yàn)楣ぷ饔蛪阂彩菣C(jī)組停機(jī)過程的重要組成部分。系統(tǒng)失去油壓后,在緊急情況下,當(dāng)調(diào)速器啟動(dòng)急停保護(hù)時(shí),由于調(diào)速器油泵不泵油,導(dǎo)葉的開度不能迅速減小,轉(zhuǎn)速不會(huì)立即降到安全范圍。在嚴(yán)重情況下,機(jī)組將發(fā)生危險(xiǎn)的飛車事故。此時(shí),必須立即手動(dòng)泵油,以增加油壓來控制調(diào)速器導(dǎo)葉,將開度降低到安全轉(zhuǎn)速范圍。如有必要,還需要手動(dòng)啟動(dòng)調(diào)速器的機(jī)械制動(dòng)裝置,以控制機(jī)組轉(zhuǎn)速再次降低或關(guān)閉機(jī)組。手動(dòng)泵油耗費(fèi)大量人力和時(shí)間(約20分鐘),效率低,且機(jī)組運(yùn)行速度快,對(duì)廠內(nèi)設(shè)備和值班人員構(gòu)成安全威脅;此外,如果同時(shí)發(fā)生手動(dòng)泵油時(shí),油路故障或操縱桿損壞,導(dǎo)葉開度無法實(shí)時(shí)控制,機(jī)組轉(zhuǎn)速處于不穩(wěn)定狀態(tài),旋轉(zhuǎn)不規(guī)則或抖動(dòng),容易出現(xiàn)高速和低速兩種極端情況。高速(>1000r/s)是對(duì)人員和設(shè)備的重大安全隱患;在低速(<300r/s)下,它會(huì)永久性地?fù)p壞機(jī)組的性能,并且容易損壞機(jī)組的內(nèi)部器件。
由于油泵控制電源電流過大,控制箱內(nèi)的繼電器、單向閥等精密裝置長(zhǎng)時(shí)間處于大電流狀態(tài),其裝置觸點(diǎn)容易發(fā)熱,導(dǎo)致吸合不分離,功能喪失,甚至燒毀。一旦吸合,油泵將不會(huì)停止,因此油泵控制系統(tǒng)也將失去自動(dòng)控制功能。此時(shí)需要手動(dòng)調(diào)整油泵的啟停,這將失去調(diào)整的準(zhǔn)確性和及時(shí)性,增加工作強(qiáng)度。
調(diào)速器油壓報(bào)警監(jiān)控信號(hào)區(qū)域狹窄,導(dǎo)致控制系統(tǒng)無法及時(shí)判斷,控制能力降低。調(diào)速器油壓過低時(shí),調(diào)速器油泵控制系統(tǒng)不報(bào)警,油泵不及時(shí)泵油,導(dǎo)致調(diào)速器油壓失壓,無法實(shí)時(shí)調(diào)整導(dǎo)葉開度值(即當(dāng)前發(fā)電負(fù)荷和水量),影響電站和供水安全。此時(shí),只有通過多次人工巡查和手動(dòng)啟動(dòng)油泵,才能將油壓保持在正常油壓范圍內(nèi),這種情況下也需要大量人力和時(shí)間,不利于電站的安全生產(chǎn)運(yùn)行,也不利于電站經(jīng)濟(jì)效益的提升。
根據(jù)調(diào)速器原油泵控制系統(tǒng)存在的問題及其現(xiàn)有功能,在不干擾原系統(tǒng)功能的情況下,增加了一個(gè)額外的油泵控制系統(tǒng)和一個(gè)油壓報(bào)警系統(tǒng)。新系統(tǒng)的壓力設(shè)定需要避免開原系統(tǒng)壓力的設(shè)定值。在原系統(tǒng)中,調(diào)速器油泵控制系統(tǒng)的正常工作壓力為14MPa至16MPa,新油泵系統(tǒng)的工作油壓設(shè)定為13.5MPa至16MPa,即當(dāng)油壓降至13.5MPa時(shí),新油泵控制系統(tǒng)可以控制油泵泵油,與原系統(tǒng)沒有沖突,當(dāng)原系統(tǒng)不泵油(油壓<14MPa)時(shí),新系統(tǒng)及時(shí)泵油。原系統(tǒng)設(shè)置12.5MPa為低油壓報(bào)警信號(hào),新油壓報(bào)警系統(tǒng)信號(hào)設(shè)置為13MPa,提高了報(bào)警油壓值,可實(shí)新系統(tǒng)現(xiàn)優(yōu)先報(bào)警。同時(shí),還可以保證當(dāng)新的報(bào)警系統(tǒng)信號(hào)失效時(shí),可以啟用原系統(tǒng)的低油壓報(bào)警信號(hào)和事故低油壓報(bào)警信號(hào)及功能。(設(shè)計(jì)思路見圖1)
圖1 設(shè)計(jì)思路圖
如圖1所示,當(dāng)油壓低至13.5MPa時(shí),原油泵控制系統(tǒng)不動(dòng)作,即無法泵油。此時(shí),新的油泵控制系統(tǒng)開始泵油,整個(gè)油泵系統(tǒng)工作正常;當(dāng)油壓持續(xù)下降至13MPa時(shí),新增的非接觸式報(bào)警系統(tǒng)開始報(bào)警,并提示值班人員及時(shí)處理故障;當(dāng)油壓低至12.5MPa時(shí),原報(bào)警系統(tǒng)開始報(bào)警,提醒值班人員處理故障;當(dāng)油壓低至12MPa時(shí),判斷原油壓控制系統(tǒng)發(fā)生事故并啟動(dòng)緊急停機(jī)保護(hù)。
根據(jù)設(shè)計(jì)思路,原調(diào)速器油泵控制系統(tǒng)(如圖2)存在缺陷,為提高系統(tǒng)的可靠性。在原調(diào)速器控制箱上安裝一個(gè)新的控制箱,并將兩塊新的電接點(diǎn)壓力表連接到24V DC系統(tǒng)。其主要分為兩部分:第一部分是在原油泵控制系統(tǒng)中增加一套電路控制系統(tǒng)。具體操作如下:首先從原系統(tǒng)中取出一相220V AC,然后用整流器和變壓器將其轉(zhuǎn)換為24V DC系統(tǒng),設(shè)置其中一塊新的電接點(diǎn)壓力表,將新表的上限值調(diào)整為16MPa,將新電接點(diǎn)壓力表的下限觸點(diǎn)設(shè)置為13.5MPa;其次將新電接點(diǎn)壓力表的上限觸點(diǎn)(KP2)連接到第二個(gè)繼電器(K2)的線圈上,將該繼電器的常閉觸點(diǎn)與新電接點(diǎn)壓力表的下限觸點(diǎn)(KP1)連接,然后通過第一個(gè)繼電器(K1)的線圈;再次將第一個(gè)繼電器的常開觸點(diǎn)連接到由油泵電機(jī)控制的接觸器(KM)線圈,以控制油泵電機(jī)的啟動(dòng)和停止;最后控制油泵啟停的接觸器(KM)的常開點(diǎn)與新電接點(diǎn)壓力表的下限觸點(diǎn)、報(bào)警系統(tǒng)的串聯(lián)電路和備用泵的運(yùn)行指示燈并聯(lián),實(shí)現(xiàn)低油壓調(diào)速器報(bào)警,啟動(dòng)電機(jī)油泵。第二部分是在原油泵控制系統(tǒng)中加裝和設(shè)置一套新警告系統(tǒng)。改造另一塊新增加的電接點(diǎn)壓力表,連接到槽式光耦系統(tǒng),將光耦光源部分的感應(yīng)信號(hào)帶到電接點(diǎn)壓力表的13MPa油壓位置點(diǎn),并將光接收裝置與無線發(fā)射報(bào)警裝置連接。當(dāng)油壓指針超過13MPa時(shí),光耦發(fā)光部分開啟,光接收裝置接收光信號(hào),與之相連的無線發(fā)射報(bào)警裝置開啟,報(bào)警信號(hào)發(fā)送至后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)的接收裝置,實(shí)現(xiàn)及時(shí)報(bào)警提醒功能。(新增油泵控制系統(tǒng)示意圖見圖3,新增報(bào)警系統(tǒng)示意圖見圖4。注意事項(xiàng):油壓達(dá)到正常范圍后,將電源送至光耦系統(tǒng),否則報(bào)警繼續(xù)。只有在切斷電源且油壓同時(shí)滿足13MPa以上兩個(gè)條件時(shí),才能解除報(bào)警。)
如圖2所示,在工作狀態(tài)下,QF2閉合,H1燈亮。當(dāng)油壓低至14MPa時(shí),電接點(diǎn)壓力表下限KP1接通,繼電器K線圈通電,K常開位置閉合,K常閉位置分離,KM線圈通電,油泵電機(jī)啟動(dòng)泵加油。當(dāng)油壓達(dá)到16MPa時(shí),KP2接通,KP1分離,繼電器K線圈斷電,K常開點(diǎn)分離,常閉點(diǎn)閉合,KM線圈斷電,油泵電機(jī)停泵。但是,如果出現(xiàn)KP1無法分開,泵油不會(huì)停止;當(dāng)KP1無法閉合時(shí),油泵不會(huì)啟動(dòng),因此控制系統(tǒng)存在故障。
圖2 原調(diào)速器油泵控制系統(tǒng)原理
如圖3所示,在正常運(yùn)行期間,QS、QF1和QF2閉合,工作電源指示燈H1始終亮起。
當(dāng)油壓達(dá)到或低于13.5MPa時(shí),KP1電接點(diǎn)壓力表下限接點(diǎn)閉合,中間繼電器K1線圈通電,中間繼電器K1常開接點(diǎn)閉合,接觸器KM線圈通電,接觸器KM常開接點(diǎn)閉合,油泵電機(jī)通電開始泵油。同時(shí),低油壓報(bào)警燈H2亮,無線揚(yáng)聲器報(bào)警裝置HE通電報(bào)警。當(dāng)油壓達(dá)到或超過16MPa時(shí),KP2電接點(diǎn)壓力表上限接點(diǎn)閉合,中間繼電器K2線圈通電,中間繼電器K2常閉接點(diǎn)斷開,中間繼電器K1線圈斷電,中間繼電器K1常開接點(diǎn)斷開,接觸器KM線圈斷電,接觸器KM常開觸點(diǎn)分離,低油壓報(bào)警燈H2熄滅,無線音頻報(bào)警裝置HE停止報(bào)警,同時(shí)油泵停止泵油。
圖3 新增油泵控制系統(tǒng)原理圖
如圖4所示,光電報(bào)警系統(tǒng)的工作原理如下:QF1、QF4和QF5閉合。當(dāng)油壓下降,油壓表指針通過槽式光耦時(shí),光耦的光源部分4-4從on變?yōu)閛ff,三極管G斷開,場(chǎng)效應(yīng)管KG接通,繼電器C線圈通電,C1-1常開保持觸點(diǎn)拉入,c1-2常開觸點(diǎn)閉合,無線發(fā)射器通電并向發(fā)送報(bào)警信號(hào),接收設(shè)備接收信號(hào),控制繼電器K的線圈通電,繼電器K的常開觸點(diǎn)閉合,報(bào)警喇叭鳴響。當(dāng)油壓達(dá)到正常范圍時(shí),在復(fù)位過程中分離QF4。
注意事項(xiàng):QF4和QF5必須在油壓達(dá)到正常范圍(14MPa~16MPa)后才能閉合。在油壓從低到高的過程中,不能先閉合,以免油壓表通過槽式光耦引起誤報(bào)警。由于光耦取的信號(hào)點(diǎn)為油壓13MPa位置信號(hào),當(dāng)指針表通過13MPa時(shí),光耦動(dòng)作。復(fù)位過程中,需要分離QF4,斷開繼電器C線圈,分離C1-1和C1-2的常開點(diǎn),報(bào)警消失。
圖4 新增報(bào)警系統(tǒng)原理圖
新油泵控制系統(tǒng)試驗(yàn):調(diào)速器壓力釋放后,閉合斷路器QS、QF1和QF2,使系統(tǒng)通電。調(diào)速器油泵應(yīng)正常啟動(dòng),停泵至16MPa。
新報(bào)警系統(tǒng)測(cè)試:檢查無線報(bào)警發(fā)送系統(tǒng)和接收系統(tǒng)是否通電(電源指示燈LED亮)。
方法一:打開調(diào)速器的泄壓閥。當(dāng)油壓低至報(bào)警設(shè)定油壓時(shí),報(bào)警系統(tǒng)報(bào)警;
方法二:找到改裝后的電接點(diǎn)壓力表,調(diào)整槽光耦,通過壓力表指針上的光障,啟動(dòng)報(bào)警。
(注:以上試驗(yàn)只能在水輪發(fā)電機(jī)組停機(jī)時(shí)進(jìn)行。)
改造完成后,進(jìn)行靜態(tài)調(diào)試:檢查電路,接通電源。當(dāng)機(jī)組進(jìn)水管蝶閥開度和機(jī)組導(dǎo)葉關(guān)閉時(shí),選擇手動(dòng)操作模式,用針形工具握住控制閥門開度的單向電磁閥,直接連接單向閥回路(類似于將信號(hào)直接連接到圖3中的KP1,啟動(dòng)油泵泵油),使油壓向上推動(dòng)接力器,打開液壓伸縮臂,將導(dǎo)葉開口從0打開至100,觀察油壓值,各運(yùn)行指示器指示正確[2]。當(dāng)油壓低至13.5MPa時(shí),油泵自動(dòng)啟動(dòng)泵油,當(dāng)油壓達(dá)到16MPa時(shí),油泵自動(dòng)停止泵油。
動(dòng)態(tài)調(diào)試:機(jī)組充滿水后,選擇手動(dòng)操作模式。機(jī)組旋轉(zhuǎn)后,頻率逐漸增加,穩(wěn)定在50Hz后,轉(zhuǎn)為空轉(zhuǎn),再轉(zhuǎn)為空載,再轉(zhuǎn)為并網(wǎng)發(fā)電模式,再轉(zhuǎn)為自動(dòng)遠(yuǎn)控[2]。如果調(diào)速器在后臺(tái)通過調(diào)節(jié)負(fù)荷(發(fā)電機(jī)出水)控制導(dǎo)葉開度,現(xiàn)場(chǎng)油泵控制系統(tǒng)按設(shè)計(jì)要求啟停和報(bào)警,則動(dòng)態(tài)試驗(yàn)成功。
通過對(duì)原油泵控制系統(tǒng)的升級(jí)改造,拓寬了油壓監(jiān)測(cè)范圍和系統(tǒng)控制范圍,消除了油泵低油壓不泵油、泵油不停止、低油壓不報(bào)警等隱患。同時(shí),在以下三個(gè)方面進(jìn)行了明顯的優(yōu)化:第一,在無人為操作的情況下,泵油的時(shí)間間隔從2~5min延長(zhǎng)到30min;第二,在遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)控制的反饋時(shí)間上,從改造前的接受指令操作后3分鐘,提升至調(diào)節(jié)操作后10秒有響應(yīng)和調(diào)節(jié)反饋顯示;第三,在調(diào)速器油泵控制系統(tǒng)的報(bào)警和動(dòng)作方面,消除了改造前在工作油壓下多次誤報(bào)警的現(xiàn)象,以及在低油壓下只報(bào)警不泵油的安全隱患。
綜上所述,新增系統(tǒng)改造簡(jiǎn)單、周期短、見效快,提高了調(diào)速器對(duì)負(fù)荷增減的靈敏度;開度控制、油壓控制和信號(hào)傳輸能力更強(qiáng),運(yùn)行更穩(wěn)定可靠,既保證了電能質(zhì)量,又消除了原裝置的安全隱患,達(dá)到了預(yù)期目的。此次電站調(diào)速器的成功升級(jí),為其他電氣自動(dòng)化控制設(shè)備的升級(jí)和優(yōu)化積累了寶貴經(jīng)驗(yàn),為電站自動(dòng)化監(jiān)測(cè)的技術(shù)改造奠定了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。
[1] 肖海峰, 龍周光. 白云山水電站調(diào)速器的技術(shù)改造[J]. 黑龍江科技信息,2009(29): 13.
[2] 金培軍. 水電站調(diào)速裝置的技術(shù)改造[J]. 農(nóng)村電氣化, 2005(5): 61–62.
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Upgrade of Governor Oil Pump Control System in Hydropower Station——A Case Study of Pingxiang Shankouyan Hydropower Station
CHEN Pei-dong
(Shankouyan Water Supply Station, Pingxiang, Jiangxi 33700, China)
Shankouyan hydropower station is a special power station whose tail water elevation is higher than the inlet elevation. To accomplish its main task: water supply, the unit water output (i.e. power generation load) should be adjusted frequently by opening the turbine guide vane in time through the governor, which leads to the frequent work of the governor oil pump control system. As a first-generation product, the current governor has been unable to meet the current requirements of the power station relay protection system since its fault rate is increasing, the pressure gauge of electrical contact is not good, and even gets stuck occasionally. After repeatedly replacing the electrical contact pressure gauge, it was concluded that the main reason is the control current in the governor oil pump control system is too large while the monitoring range is too small. In order to improve the monitoring and operation reliability of oil pressure, a stable and safe small-current power supply is used as the control power for the entire system, and a segmented inspection area is set. By making full use of the original manufacturer's design, an oil pressure monitoring and protection system and photoelectric alarm system are added. Through the newly added protection system and alarm system, the limitations of the oil pump control system are optimized and the potential rish such as insensitive regulation of the original system, untimely pumping under normal working oil pressure and multiple false alarms are eliminated to ensure the accurate operation of the oil pump control system.
hydropower station; governor; technical transformation; safe operation
TV734.4
A
2095-9249(2021)06-0040-05
2021-012-08
陳沛東(1991—),男,江西萍鄉(xiāng)人,工程師,研究方向:自動(dòng)控制系統(tǒng)與技術(shù)。
〔責(zé)任編校:王中蘭〕