貫流式水輪發電機組自動控制系統

王 國 清

（哈爾濱電機廠有限責任公司，哈爾濱 150040）

前言

貫流式水輪發電機組自動控制系統，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速器裝置、勵磁裝置等組成，并與電站其他設備配合實現機組的工況轉換。當機組發生故障時能自動發出相應的報警信號(或投入備用設備)，能自動事故停機，以確保機組安全、穩定運行。機組自動控制系統與監控系統控制流程緊密相關的控制單元主要有軸承潤滑油、高壓油頂起、機組循環水、機組過速保護、主軸密封水、空氣圍帶充氣、風機及機艙加熱等系統，這些系統工作的可靠性直接關系到機組的安全、穩定運行。

1 軸承潤滑油裝置組成和控制原理

1.1 組成

軸承潤滑油循環系統可分為大循環和小循環兩種方式供油，大循環是由高位油箱，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，高位油箱內儲油份4路分別給機組正向推力軸承，反向推力軸承，發電機導軸承，水輪機導軸承供油，低位油箱裝配有液位信號計，油混水信號器，電機油泵，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，高位油箱到各軸承管路上裝有電動球閥，手動節流閥和流量計，在軸承到回油箱管路上裝有流量計，小循環潤滑油不通過高位油箱，直接由低位油箱上的油泵給機組各軸承供潤滑油。

1.2 控制原理

高位油箱設置4個油位，高位報警油位，正常工作油位，低位報警油位，緊急停機油位，由液位信號計監控輸出油位信號，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，在緊急停機油位以下機組停機。

機組運行前，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，保證機組潤滑油供應正常。在滿足上述要求后，就能設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，直至油位達到正常油位才停備用油泵，而主用油泵繼續運行。在機組停機狀態時，高位油箱油位低于報警油位，啟動備用油泵，直到油位達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，即減輕監控系統負擔、又優化系統設計，潤滑油泵控制屏PLC接受監控系統開機令/停機令后，執行其相應的控制方式。在PLC中編制油泵運行輪換程序，當油泵每一輪運行完畢后，均自動切換主備用狀態，使2臺油泵能均衡工作。機組運行時，備用軸承油泵啟動后，立即切換主備用狀態，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，延長其啟停間隔，機組停機復歸時，切換2臺軸承油泵的主備用狀態，保證機組正常運行完畢后，在下一輪能換另一臺軸承油泵工作。機組停機狀態時，備用油泵啟停1次，才切換2臺軸承油泵的主備用狀態，在機組長時間運行時，根據泵的累計運行時間自動切換油泵或人為手動切換油泵。停機狀態最多只有1臺油泵工作。

1.3 潤滑油流量監控

貫流式機組由于結構特殊，必須有一循環系統為水導軸承、發導軸承、正反推力軸承提供足夠的潤滑油，并保證熱交換正常進行。傳統的潤滑油流量計安裝在各軸承的進口處，運行實踐證明，這樣的安裝方式常會因為潤滑油系統漏油或軸承油箱未充滿油而導致無潤滑油開機燒瓦事故。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事故的發生，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組開機回路、事故停機回路及事故報警回路，當機組有開機令，油閥打開，各軸承流量達到開機流量，在其他開機條件滿足時立即開啟調速器，機組轉速上升，在機組轉速上升到額定轉速之前，流量信號只指示不報警，事故停機回路不動作。在機組達到額定轉速之后，當流量信號低于報警流量、高于事故流量時，只報警但事故停機回路不動作，當該流量信號低于事故流量時，立即報警且事故停機回路動作關機，在潤滑油完全中斷前及時事故停機。在停機狀態時，油閥關閉，該流量信號只指示不報警，事故停機回路不動作。

1.4 潤滑油開機流量的控制

機組開機準備時，潤滑油流量正常，當機組開始轉動時，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流量，而機組在50% 額定轉速以上運行時，潤滑油流量穩定。因此在現地控制單元(LCU)控制程序中對潤滑油流量信號作出特殊處理，在機組開始轉動至 80%額定轉速的過程中，潤滑油流量連續 10s小于停機流量時才發事故停機令，而機組在其他運行狀態時，潤滑油流量瞬間小于停機流量即發停機令。這樣，既能保證機組正常開機，又確保機組安全運行，這在監控系統程序設計中非常重要。

2 高壓油頂起控制系統

2.1 控制原理

貫流式機組高壓油頂起系統主要是確保在機組啟動和停機過程的低轉速區機組軸瓦能建立保護油膜。貫流式機組的額定轉速低，轉動慣量小，機組啟動和停機過程短，轉速變化快。高壓油頂起油泵離機組軸承較遠，高壓油頂起建壓有一定的延時。為充分發揮高壓油頂起系統的作用，提高機組運行的可靠性，高壓油頂起系統通常安裝有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.拱起壓力開關沒有動作時，②.拱起壓力開關沒有復位，③.低于泄流壓力的壓力開關復位，任一種情況發生后立即啟動備用泵。機組在開機準備時投入高壓油頂起，壓力開關依次動作后，拱起壓力開關和高于泄流壓力的壓力開關復位，判為高壓油頂起正常。以此作為機組開啟的必要條件，直至額定轉速停止高壓油頂起。正常停機時，接到停機命令后立即投入高壓油頂起，壓力開關依次動作后，拱起壓力開關和高于泄流壓力的壓力開關復位，判為高壓油頂起正常。調速器動作關閉，直至機組完全停止轉動并延時3min后退出高壓油頂起，否則退出正常停機過程（事故停機除外），退出高壓油頂起，確保無高壓油頂起不正常停機，提高機組安全系數，事故停機時不論任何情況(低于90%額定轉速)立即投入高壓油頂起，保持至機組完全停止轉動并延時3min后退出高壓油頂起。機組停機時高壓油頂起即時投入，可以克服因貫流式機組從 90%額定轉速至低轉速區時，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大有好處，盡可能降低對軸承的損傷。

2.2 壓力監控

機組高壓油頂起壓力開關在傳統設計中的整定，是以機組靜止時高壓油拱起的壓力和泄流壓力作為依據。運行實踐表明，貫流式機組在開停機過程中發導、水導高壓油頂起分管有不同的高壓油頂起壓力，機組停機過程中高壓油頂起啟動后，頂起壓力往往達不到開機時的壓力定值，因此按照該頂起壓力進行整定是不能滿足要求的，常導致開/停機不成功，有必要對開停機過程中高壓油頂起的總管和分管的壓力分別進行監視，在高壓油頂起控制箱PLC接受壓力開關信號根據開/停機狀態分別判斷，確保開/停機過程中高壓油能正常頂起。選擇具有2組整定值及開關接點輸出的壓力開關就能滿足上述要求。機組運行證明，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組開/停機的成功率。

3 冷卻水泵控制系統

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

4 機組過速保護系統

由機械液壓過速保護裝置或機械過速開關，電氣過速信號及過速限制器組成的防止機組過速（飛逸）的保護系統。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，在機組過速時，用來迅速切換油路——封閉來自調速器主配壓閥的油路、將接力器關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。機組過速保護系統標準設計選用三級過速保護，第一級過速保護；當機組轉速上升到115%額定轉速，又遇到調速器失控(主配拒動)、電動控制過速限制器動作，機組停機，第二級過速保護；當機組轉速上升到145%額定轉速，電動控制過速限制器動作，機組停機，第三級過速保護；當機組轉速上升到160%額定轉速，機械液壓過速保護器動作通過高壓回路控制過速限制器聯動，機組停機。

5 機組制動系統

貫流式機組制動系統的控制原理及控制過程。當機組接到開機令時，機組復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，制動器復歸腔接壓力氣源，保證機組開機運行過程中制動器在復歸位置。當機組停機，導葉全關，轉速降至 30%額定轉速時，機械制動投入，機組制動腔電磁閥的投入線圈、復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，機組制動。制動腔、復歸腔電接點壓力表常開接點與制動器投入復歸行程開關組合判斷，即可準確反映每個制動器工作是否正常。值得注意的是，常規設計是在機組停機制動完畢，且機組無事故的情況下，制動系統會使制動器復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，使制動器復歸。運行實踐表明，這樣的設計存在著安全隱患，由于貫流式機組額定轉速低，轉動慣量小，導葉稍有漏水即可使機組蠕動，若機組制動不長期投入，極可能導致燒瓦事故，因此在機組蠕動保護不可靠或不完善的情況下，機組的制動系統還是停機后長期投入為好。

6 機組加熱器、除濕器控制

為防止機組軸承潤滑油溫度過低，在軸承回油箱、高位油箱設有加熱器。機組運行時退出加熱器，機組停機狀態，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行。為保證機組發電機能在干燥的環境中運行，燈泡頭設有除濕器。機組處于停機狀態時，除濕器投入，機組處于開機狀態時，除濕器退出。其控制也可手動進行。

7 機組冷卻風機的自動控制

機組運行時投入冷卻風機，機組停機完成時延時退出冷卻風機，6路冷卻風機對稱分2路控制。正常時全部投入，并可以根據實際情況靈活控制。

8 其他輔助系統

其他輔助系統如主軸密封水、空氣圍帶、鎖錠等控制系統設計與立式機組基本一致。需要注意的是，主軸密封水供水管路上宜設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，便于監視密封水流量，監控系統能將流量分為機組開機啟動流量、報警流量(投入備用密封水)及停機流量。這對提高密封水監視的可靠性有重要意義。

9 結語

通過深入分析貫流式機組自動化系統中出現的問題以及經過大量的現場試驗，我們采用國內外先進技術（用PLC控制油泵運行及信息處理，實現智能控制）和國內尚未使用過的技術（機組開停機高壓油頂起壓力信號分別檢測和處理），對原機組自動化系統的設計進行了必要的改進。這些新技術的應用，提高了機組開/停機成功率，有效地遏制了因機組自動化元件誤動而導致的非正常停機，對電站水輪機組的穩定，經濟運行和維修，維護提供了重要保證。