鳳灘水電廠油壓裝置自動控制系統(tǒng)開發(fā)與應用

楊建明

（湖南鳳灘水力發(fā)電廠，湖南 沅陵 419621）

0 引言

機組油壓裝置是為水電站水輪發(fā)電機組提供動力油源的裝置，是水利機械設備的重要組成部分。作為水輪發(fā)電機組正常起動、停止、負荷調(diào)節(jié)、事故等工況下操作設備的操作能源，它的工作品質(zhì)關系到機組的安全穩(wěn)定運行。為保證和維護機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成比例，壓力油槽容積的60%～70%是壓縮空氣，30%～40%為透平油。因為壓縮空氣具有良好的彈性，能儲存一定的機械能，保證壓力油槽在因機組操作等原因油容積減少時仍能維持一定的壓力，而不需要頻繁啟動壓油泵。因此，自動可靠地維持壓油槽內(nèi)氣與油一定的容積比例，實際上是保證操作能源的可靠和穩(wěn)定所必須的，是目前水電站實現(xiàn)“少人值守”亟待解決的技術問題。如何安全可靠實現(xiàn)油壓裝置自動補氣功能，是水電廠自動控制的技術難題。

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應維持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，V 為體積，n 為摩爾數(shù)，R 為常量，T 為絕對溫度。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，氣體的壓強與其單位體積內(nèi)的氣體質(zhì)量成正比。也就是說，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。事實上，由于壓力油槽不是絕對密閉的容器，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 油壓裝置自動補氣的原理

從上可知，破壞壓力油槽油壓與油位平衡關系的是壓力油槽內(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：一、壓力容器上的表計、閥門等連接處漏氣。二、水輪機組接力器用油帶走的空氣。事實上，在油壓裝置投運前，都要做保壓試驗，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)量的減少是一個漸慢的的積累過程。所以，自動補氣的目的只是補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 油壓裝置自動補氣功能的開發(fā)

近年來，隨著可編程控制器的普遍應用，由PLC 對油壓裝置進行自動控制成為發(fā)展必然。2006年，鳳灘電廠決定憑借自己技術力量，開發(fā)一套PLC 油壓裝置自動控制系統(tǒng)，并要求具有自動補氣功能。

3.1 機組油壓控制裝置的組成

控制屏柜：自己組屏（三菱FX－2N/32 可編程及擴展4路AD 輸入模塊、西門子3R22W 軟起動器、24 V 開關電源、24 V歐姆龍繼電器、油泵控制轉(zhuǎn)換開關、運行及故障信號燈等）。

壓力油槽：配有壓力變送器、液位變送器、壓力開關、液位開關以及液位指示器。

補氣裝置：補氣電磁閥組B302（西安江河6.3MPa，DC220V）。

3.2 控制系統(tǒng)功能設計

系統(tǒng)采用油壓控制為主，輔以油位控制方式。由PLC 根據(jù)壓力油槽自動化元件所提供的壓力、油位信號對油泵、補氣電磁閥進行自動控制，實現(xiàn)對壓力油槽內(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

油壓自動控制采用油壓模擬量和開關量兩路參與控制，模擬量優(yōu)先控制的原則，當程序判定模擬量故障時，自動切換到開關量控制。兩臺油泵通過控制把手切換為自動/手動/停止三種方式運行，其中手動不通過PLC 控制直接啟動軟起動器運行。兩臺泵相互自動輪換，一臺主用時，另一臺自動為備用狀態(tài)。當主用泵故障或油壓降低到備用泵啟動值時，備用泵自動投入運行。停泵回路串有高壓切泵接點，作為防止停泵接點粘死造成壓力油槽過壓的一種保護。

3.2.2 補氣控制功能

補氣控制采用自動和手動運行兩種方式，通過控制把手切換為自動/手動/停止三種控制方式運行。其中手動補氣時不通過PLC 控制直接啟動繼電器接通補氣電磁閥。自動補氣采用油壓模擬量和油位模擬量共同參與控制，當任一路模擬量故障時退出自動補氣流程。因為根據(jù)經(jīng)驗所知油位開關是磁記憶接點，其接點動作不可靠，經(jīng)常保持不能復歸，給自動補氣帶來隱患。為了防止油泵打油時，壓力油槽油位變動快，影響模擬量采樣數(shù)據(jù)的真實性，采取任何一臺油泵啟動都閉鎖自動補氣。設置了一個啟動自動補氣油位定值，具有自保持功能，并串有油位下限開關量，防止補氣過多，油位過低。設置了一個復歸啟動補氣油位定值，此定值就是正常油壓時的正常油位。當壓力油槽油壓與高壓氣系統(tǒng)壓差過小時，氣體是很難補進壓力油槽內(nèi)；因此設置了一個開始自動補氣油壓定值，此定值略高于油泵啟泵定值0.05 MPa。設置了補氣電磁閥每次運行時間不超過10 min，增加補氣閥的動作計數(shù)功能。即：補氣時間若超過10 min，還沒有達到補氣的停止值，補氣閥計數(shù)器反轉(zhuǎn)一次，強行斷開補氣閥電源，直到任何一臺油泵曾經(jīng)啟動打油一次，才復歸補氣閥計數(shù)器，這樣可有效避免燒壞電磁閥。這樣的自動補氣設計理念，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氣時機；同時每次啟動補氣只補一點點氣體，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)量恢復到正常數(shù)值，這與油壓裝置為什么需要自動補氣的目的相一致，只要補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到正常水平。

3.2.3 故障報警功能

油壓裝置控制系統(tǒng)引入了油泵軟起動器故障報警功能閉鎖油泵啟動，油位、油壓模擬量故障報警功能，壓力油槽油位過高、過低故障報警功能，備用泵啟動報警，高壓切泵報警，事故低油壓報警，開關電源消失等故障報警功能。這些報警信號動作后點亮控制柜信號指示燈，同時報警信號進機組現(xiàn)地LCU單元，在監(jiān)控系統(tǒng)上位機發(fā)報警信息。報警信息動作后具有自保持功能，需要人員在現(xiàn)地控制柜按復歸按鈕才能解除報警。

4 油壓裝置自動控制功能的應用

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)場進行程序調(diào)試，油壓控制程序分模擬量和開關量兩種方式來檢查。用排油方式模擬油壓降低，檢查油泵能否正常啟動。模擬量試驗時，退出油壓開關量啟泵接點，排油降低油壓，油泵能正常啟停。開關量試驗時，解開油壓變送器接線，模擬量故障報警信號燈亮，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，各信號燈指示正常。

4.1.2 補氣控制程序調(diào)試

在現(xiàn)場進行程序調(diào)試，用人為手動排氣來抬高壓力油槽油位達到補氣油位，用排油降低油壓，啟動補氣試驗。補氣電磁閥運行10min 后，通過模擬量檢查油壓數(shù)值，發(fā)現(xiàn)沒有效果。分析原因主要是氣源壓力與壓力油槽壓力之間壓差過小，加上補氣管道過小幾乎很難補氣進壓力油槽內(nèi)。經(jīng)技術可行性分析決定抬高高壓氣源壓力值，將原來高壓氣機啟泵壓力值由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)過抬高氣源壓力后進行補氣試驗，發(fā)現(xiàn)補氣效果還是不明顯。考慮到進一步抬高壓氣源壓力會影響到設備的安全運行。經(jīng)技術可行性分析決定適當降低油泵啟動值，同樣可以增加補氣時壓差。決定將模擬量控制時油泵啟動值進行修改，而開關量啟泵值保持不變，因為模擬量控制更準確，開關量控制存在一定的誤差。將原來模擬量啟泵壓力值由2.3 MPa 修改為2.2 MPa，同時將開始補氣油壓值由小于2.35MPa 修改為小于2.25MPa。經(jīng)過修改后進行補氣試驗，發(fā)現(xiàn)補氣效果顯著，補氣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，可以說明壓力油槽內(nèi)空氣質(zhì)量有所增加，這完全達到了增補壓力油槽漏氣的效果。

4.2 油壓裝置自動控制系統(tǒng)的運行

由于運行經(jīng)驗的不足，運行過程中出現(xiàn)了老廠1號、4號機補氣電磁閥頻繁燒壞，事后經(jīng)過程序檢查和原因分析，發(fā)現(xiàn)主要的如下三點。

（1）機組壓力油槽檢修后，運行人員在恢復壓力油槽時，沒有加入足量氣體，致使壓力油槽油位在剛投運時就一直處在高油位運行；而完全需要自動補氣裝置來加入大量的氣體。因此在機組檢修后，自動補氣油位條件滿足，每啟動一次油泵后且壓力降到補氣油壓下時就會啟動補氣電磁閥動作一次，油位很難恢復到正常油位；自動補氣裝置就頻繁動作，造成補氣電磁閥的燒壞。這完全與自動補氣裝置只是補壓力油槽運行過程中的漏氣相違背。

（2）補氣油位參數(shù)設置的不合理，造成一旦補氣油位動作后，就很難恢復到正常油位值。也就是補氣啟動油位到復歸補氣油位的這段區(qū)間過大，造成補氣電磁閥要經(jīng)過連續(xù)多次動作才將壓力油槽油位恢復正常水平。

（3）補氣電磁閥每次運行時間10 min 可能過長。事后通過修改補氣程序?qū)⒀a氣時間修改為8 min，減少補氣電磁閥線圈每次工作的發(fā)熱量。

5 結(jié)束語

鳳灘水電廠油壓裝置控制系統(tǒng)經(jīng)改造后投入運行，投運3年多來一直運行可靠、穩(wěn)定；解決了運行手動調(diào)節(jié)壓力油槽油位的問題，提高了全廠的生產(chǎn)自動化水平，取得了良好的經(jīng)濟效益和社會效益。該控制系統(tǒng)是自主開發(fā)創(chuàng)新項目，特別是自動補氣控制理念符合壓力油槽需補氣的客觀規(guī)律；完全可以作為同類型水電站水輪機組油壓裝置自動控制系統(tǒng)改造所借鑒和參考。