蒲石河抽水蓄能電站油壓裝置控制邏輯與應用

李承龍，任　偉，王少華，郭　陽，張　楠，左　建

（遼寧蒲石河抽水蓄能有限公司，遼寧 丹東 118216）

蒲石河抽水蓄能電站油壓裝置控制邏輯與應用

李承龍，任偉，王少華，郭陽，張楠，左建

（遼寧蒲石河抽水蓄能有限公司，遼寧 丹東 118216）

摘要：蒲石河抽水蓄能電站的調速器、非同步導葉及主進水閥系統共用1套油壓裝置。為保證3個獨立油壓操作系統的壓力和液位時刻滿足工作需要，對油壓裝置壓力油泵啟停的控制邏輯提出了較高的要求。控制器根據現地壓力、液位測值的變化控制油泵啟停，并合理控制泵的輪轉次序，保證每臺泵的合理使用時間，同時，還具備油罐補氣和油站加熱的控制邏輯，以及針對油泵、油罐出口隔離閥故障等事故應急操作控制。經實踐論證，該控制邏輯可以很好的完成對油壓裝置各部分的控制，保證機組穩定運行。

關鍵詞：抽水蓄能電站；油壓裝置；可編程邏輯控制器；自動控制

0　引言

遼寧蒲石河抽水蓄能電站（以下簡稱蒲石河電站）位于遼寧寬甸滿族自治縣境內，據丹東60 km，總裝機容量為1 200MW，單機容量為300MW。2012 年1月首臺機組投入商業運行，截止至同年9月，其余3臺機組陸續投產。由于蒲石河電站是東北第一座大型純抽水蓄能電站，它對東北電網的穩定運行起著舉足輕重的作用。當電網對負荷需求較大時，蒲石河電站能夠起到“調峰”作用，由于抽水蓄能機組啟動速度較快，同時擔當事故備用的重任。在東北火電機組冬季承擔供熱作用，同時風電盛行，此時在用電低谷期，它又可消耗過剩電量，將水從下水庫抽至上水庫，實現能量儲存。

蒲石河每臺機組設有油壓裝置1套，供調速器、非同步導葉及主進水閥系統使用。眾所周知，調速器控制機組啟停機、負荷調整，操作的主要動力來源于油壓裝置建立的壓力。與此同時還要保證另外2個獨立的操作系統的壓力和液位時刻符合操作要求，對油壓裝置自動化控制邏輯，提出了較高的要求。油壓裝置良好正確的運行，決定機組開機成功率，更是保證機組穩定運行的重要條件。

1　油壓裝置的組成

蒲石河電站的油壓裝置包括2個獨立的壓力油罐、2個蓄能器和1個液壓泵站。2個壓力油罐分別供調速器接力器和主進水閥接力器使用，同時兼顧其他液壓閥操作壓力；油罐上部是壓縮空氣，由廠內空氣壓縮系統提供；下部是防銹汽輪機油作為液壓操作的介質，可通過3臺90 kW螺桿油泵從集油箱打入油罐內。蓄能器實為2個較小的油罐，為非同步導葉的接力器提供操作壓力。蓄能器中上部為1個壓縮氮氣囊，下部是防銹汽輪機油，由2臺功率為11 kW的螺桿泵打入蓄能器罐。

為保證以上操作系統油罐的壓力和液位時刻滿足操作需求，這就需要自動化控制系統來完成。蒲石河電站針對油壓裝置控制需求，采用輔機單獨控制形式，設有獨立的油壓裝置控制柜，由PLC可編程邏輯控制器來控制油壓裝置運行，與監控系統上位機使用RS-485方式通信。

2　控制對象及信號采集

油壓裝置控制柜PLC的控制邏輯中，控制目的是保證操作壓力在5.2MPa~6.4MPa之間，液位與氣體占有罐體積的比例在1：2左右。控制對象也是執行機構為：5個泵、5個空載閥和2個油罐出口隔離閥。系統采用油壓控制為主，輔以油位控制方式。由PLC根據壓力油罐上自動化元件所提供的壓力、油位信號對油泵、油泵空載閥、油罐隔離閥進行操作，實現對壓力油罐自動補油、補氣、事故應急控制，從而使壓力油罐的油壓、油位保持在正常的范圍內，整個水輪機組得以正常運行。

2.1壓力信號

2.1.1壓力油罐壓力開關

壓力信號取自壓力油罐上的壓力開關，調速器油罐和主進水閥油罐上分別設有6個壓力開關，壓力開關設定值和PLC對應的控制邏輯作用如表1。

表1

2.1.2壓力管路壓力開關

調速器操作油路和主進水閥操作油路在集油箱內共用一條壓力管路，但彼此之間有逆止閥隔離，管路上設有壓力開關，定值設定為6.0MPa，用于啟泵后管路壓力上升到此定值時，作為滿足自動開啟隔離閥條件。

2.1.3非同步導葉管路壓力傳感器

非同步導葉在機組運行中不頻繁開啟或關閉，而且單次操作用油量較小，因此不需要頻繁補充壓力和液位，蓄能器不設自動隔離閥，蓄能器和操作管路始終接通。用一壓力傳感器裝設在壓力管路上，即可監視整個操作系統的壓力。該傳感器送出4~20mA模擬量至油壓裝置PLC模擬量輸入模塊，對應0~21MPa壓力。PLC根據此壓力值來控制主泵是否加載，備泵是否啟動。

2.1.4調速器和主進水閥系統壓力傳感器

調速器和主進水閥系統的油罐和管路上共裝有4個壓力傳感器，該傳感器送出4~20mA模擬量至油壓裝置PLC模擬量輸入模塊，對應0~7.0MPa壓力。PLC將此模擬量轉換為通訊量送至監控系統上位機。同時PLC也應用此壓力判斷油罐是否需要自動補氣。

2.2液位信號

2.2.1壓力油罐液位開關

調速器與主進水閥油罐上各設有磁翻板式液位計1個，磁翻板液位計內設有浮球，根據聯通器原理，磁性浮球可漂浮在油中，它在油尺中上下移動可反應實際的油位變化。油尺側面不同刻度處裝有8個磁記憶開關，當磁性浮球經過開關時會使開關中的接點變化，從而準確的將油位的開關量送給PLC開入模塊。液位開關設定值和PLC對應的控制邏輯作用如表2。

2.2.2油壓裝置集油箱液位開關

表2

油壓裝置集油箱中設有3個浮子式液位開關，3個開關安裝高度和PLC邏輯作用如下：

≤160mm液位過低停泵，≤300mm液位低報警，≥700mm液位高報警。

3　邏輯設計

PLC程序設計分為7段：啟動條件、泵的輪轉、泵與油罐隔離閥控制、非同步導葉油泵控制、自動補氣系統控制、故障報警、通訊程序。實際完成控制需要程序間互相配合。

3.1油站啟動和油泵的輪轉

3.1.1啟動油站

由監控發來油站啟動令，油壓裝置控制權在遠方時，并且無大故障，此時油站啟動，啟動令做自閉鎖，啟動令為一脈沖量無需保持，只有發來停止令才會使油站停止；判斷油站油位正常，主進水閥油罐和調速器油罐的壓力和液位正常（不在最高最低）。此時需要啟動1號、2號和3號泵中其中1個，供球閥、調速器的壓力管路使用；4號和5號泵啟動1個，供非同步導葉管路使用。

3.1.2泵的輪轉與定義

為保證泵的運行時間均衡，泵實行輪轉使用規則：在程序中規定選擇運行時間最短的泵為此次啟動油站的主用泵，具體規則如下：如果3臺泵中，1號泵運行時間最短，則定義1號泵為主用泵，2號泵為備用，3號泵為緊急備用；如過2號泵運行時間最短，則定義2號泵為主用泵，3號泵為備用泵，1號泵為緊急備用；同理3號為主用泵時，1號為備用泵，2號為緊急備用泵；3臺泵的輪轉邏輯雖然更為復雜，但是有緊急備用泵的存在，更好的保證了油壓裝置的穩定運行。

程序中是應用以下邏輯完成計數和輪轉的：泵的運行時間計算環節應用了TP功能塊和CTU功能塊，TP功能塊用于生成一個具有已定義持續時間的脈沖。CTU功能塊用于遞增計數。

以1號泵為例（圖1），當1號泵啟動，TP模塊發出脈沖M21并開始計時，當內部時間達到PT處終止時間時，M21脈沖終止，并重新發送。這樣就做到1號泵從開始運行后，每分鐘都有脈沖發出。此脈沖送入CTU計數功能塊，CU處每1min跳變1次，CV處就計數1次。這樣就可以知道1號泵當前運行了MW 201分鐘。當3臺泵運行時間都超過10000min，計數器清零，重新計數。

圖1 TP 和CTU 功能塊在泵運行時間計數中的使用

上文提到根據3個泵的時間比較并加以定義，當某臺泵運行時間確定最短時，另外2臺便有了固定的備用和緊急備用的搭配，這樣就免除了進一步的時間比較，使程序更加簡練明確。

3.2油泵啟動條件和控制

確定好泵的定義后，程序自動檢測泵是否準備好，泵準備好的條件為：泵和對應空載閥在自動控制，泵過濾器兩端壓力正常，并且泵電源正常且無故障。如果主泵、備泵、緊急備用泵中有1臺沒有準備好，會有報警發出。當以上條件均滿足，泵便有了啟動的條件，調速器系統及主進水閥系統共用3臺泵。3臺泵的啟、停以及泵對應空載閥動作程序完全一致，具體運行方式根據泵的定義確定后，選擇不同的啟停方式。

3.2.1主用泵控制邏輯

主泵收到泵啟動令后，首先空載閥空載，6 s后啟泵。此后主泵保持連續運行。主泵的空載閥是否加載靠壓力判斷，任意1個油罐的壓力低于6.2MPa時加載，當2個壓力油罐壓力達到標準6.4MPa后，此時空載閥勵磁，即空載。

3.2.2備用泵控制邏輯

當油罐液位或壓力低于啟備泵條件時啟動，備泵的空載閥隨備泵啟動就加載，當液位達到停止備用泵時停止，備泵空載閥空載；停油站令發出后備泵立即停止

3.2.3緊急備用泵邏輯

運行中如果主泵故障，則緊急備用泵做主泵運行；如果備用泵故障，則做備用泵運行。緊急備用泵的空載閥邏輯遵循所頂替泵（主或備）的空載邏輯。泵的啟動、停止遵循被頂替泵邏輯。

3.2.4事故應急處理

如果油壓裝置有啟動的命令，但是有集油箱液位過低時，停止任何泵的運行，防止將空氣吸入壓力管路。

3.2.5啟停泵邏輯中使用的功能塊

在條件和控制的程序中大量使用了RS：雙穩功能塊，該功能模塊的優點就是針對同一個控制對象，可以設定啟動或者停止的條件，不需要設置過多的中間變量，就能準確的控制受控對象。

以備用泵啟動條件為例（圖2）：當調速器油罐或者主進水閥油罐的壓力、油位降低至啟動備泵條件，并且油站在啟動狀態，S輸入端為“1”，Q1端輸出為“1”，備泵具備啟動條件。之后壓力和液位會因為泵的啟動而上漲，使啟動備泵的壓力和液位條件會復歸，但是RS儲存器即使輸入S恢復為“0”，此狀態也保持不變。只有2個油罐液位同時達到停備泵液位，或者停機令發出后，R1端輸入為“1”，Q1備泵啟動條件復歸。復位優先也是RS功能塊的特點之一，類似停機等硬性條件，無需考慮使之觸發的條件是否滿足，立刻復位。

圖2 RS功能塊在備用泵啟停條件的應用

3.3隔離閥的開關邏輯及油站恢復功能

油罐出口隔離閥是壓力油罐和集油箱內壓力管路連接與否的有效隔離裝置，因此，能否完成壓力油從集油箱經過油泵進入油罐，或壓力油能否進入操作機構，完全受控于油罐出口隔離閥的控制。

3.3.1隔離閥開啟控制

當啟動油壓裝置令發出且有1個臺泵在運行，泵加載使油管路的壓力達到6.0MPa時，打開2個隔離閥，目的讓隔離閥兩側平壓防止對管路和泵造成沖擊。

3.3.2隔離閥關閉控制

停油站120 s內液位到達“停泵關隔離閥”時關閉隔離閥，當這120 s過去后如果油位沒有達到也關閉隔離閥。如果遇到緊急情況，即使機組還在運行，當某個油罐的液位達到“油位過低，關閉隔離閥”此時關閉隔離閥，靠泵運行將機組停下來。

3.3.3油站的恢復功能

油站停止命令發出后會有120 s的時間用于油站恢復，在這個120 s中：任意一個油罐油位不滿足，主泵運行，空載閥加載補充油罐油位至“可以關閉隔離閥”的液位，后主泵停止，空載閥空載；如果120 s沒有能夠將液位補充至目標也停止主泵。在這120 s后會將所有泵的定義復歸，并且復歸3個大泵的故障信號。

3.4非同步導葉油泵及其空載閥控制

蒲石河機組擁有20個導葉，20個導葉在控制環的作用下受調速器接力器控制，其中5號，6號，15號，16號導葉為非同步導葉，在受控制環的控制同時，也受非同步導葉接力器控制。所以，在原導葉開度的基礎上可以單獨增加5%~15%的開度，根據模型設計，蒲石河機組在導葉開度在14%~24%的時候機組會進入不穩定區域，此時機組振動較大，轉速波動也較大，需要打開非同步導葉，從而改變轉輪兩側水流流態，使機組重新回到穩定運行。非同步導葉開啟與關閉受調速器控制柜控制，執行機構在油壓裝置中。

非同步導葉要求動作快速，同時在水流中受到的力矩較大，為此單獨設計了非同步導葉蓄能器（蓄能器額定壓力為16MPa，設有氮氣囊取代空氣作為能量儲存介質）。為保證蓄能器和操作管路中壓力，油站為此套操作機構單獨配有2個螺桿泵：4號、5號泵，啟動和輪轉與前3臺泵輪轉相同，由3臺泵精簡為2臺后，只需比較4號和5號泵，運行時間短的為主用泵，另外1個則為備用。

上文提到非同步導葉系統壓力由壓力變送器送至PLC，根據當前模擬量壓力值來控制泵的邏輯，當壓力大于等于16.2MPa時，主泵空載；當壓力小于15.2MPa，時主泵加載；當壓力低于13.0MPa時啟動備泵，備用泵的空載閥隨泵啟、停而加載或空載；當壓力小于11.0MPa時，壓力低報警停機。

3.5壓力油罐的自動補氣邏輯

由于油壓裝置的壓力油罐存在不可避免的少量漏氣的情況，為保證壓力油罐中油位和氣體始終保持1:2的比例，設計有自動補氣裝置，該裝置啟停邏輯是根據油壓裝置的不同運行狀態，當壓力或者液位偏移時進行補氣。壓力測值取自油罐上壓力變送器送給PLC的模擬量，液位取自磁翻板液位計的磁記憶開關送給PLC的開關量。

3.5.1在運行的自動補氣條件

判斷油壓裝置是否在使用，最主要的是要判斷油罐出口的隔離閥狀態。自動補氣邏輯規定：當隔離閥處于開位，認為油壓裝置正在使用。當油位信號有“油位過高，補氣并報警”的開關量輸入，并且油罐壓力低于6.6MPa，自動補氣若在自動運行，則補氣條件滿足。這樣做可以抑制為了滿足油罐壓力保持在6.4MPa，油泵不斷向油罐打油的趨勢。保證在運行中壓力多次循環也可以很好地控制油罐內液位和壓縮空氣的比例。

3.5.2不在運行的自動補氣條件

當隔離閥處于關位，認為油壓裝置不在使用。此時油罐油位信號中“低于空載油位，啟主泵”的開關未動作，但是壓力開關“低于空載壓力，主泵加載”動作，自動補氣在自動時，則補氣條件滿足。這樣的設計是為了確定壓力油罐不存在漏油的情況，但是壓力降低則需要補氣。這樣在停機過程中油罐就時刻保持滿足自動啟動的壓力。

3.5.3自定補氣時間的控制

根據以上兩種條件，在油壓裝置處于運行和非運行時都可以自動補氣，但是補氣量的多少的控制非常關鍵。補氣量較少起不到設計的作用，補氣過多導致壓力波動大，則會影響油站正常油泵的控制。所以，補氣邏輯采用多次少量的循環方式，即當補氣條件滿足，自動補氣開始補氣20 s，補氣結束后等待40 s。若補氣條件依然滿足繼續循環，直到不需要補氣為止。

3.6報警和停機

視油壓裝置各分系統自動化元件采集的信息，可以時刻掌握油站的健康狀態，報警分為兩個等級：報警和停機。顧名思義根據油壓裝置設計中各系統允許運行的壓力和液位范圍，在超出范圍時油壓裝置自動完成報警和保護性停機。

3.6.1報警條件

以下為程序定義的報警點：1~5號泵未準備好；油罐油位過高補氣并報警；油罐油位低啟備泵；油罐壓力低啟備泵；集油箱油位高報警；集油箱油混水。此類報警在運行中定義為小故障，不影響油站運行。3.6.2停機條件

以下為程序定義的停機點：開機令發出20 s時沒有泵啟動，延時2 s停機；開機令發出180 s時油壓裝置沒有準備好，延時120 s停機（準備好的條件包括油罐壓力和液位建立可以開機，油罐隔離閥打開，非同步導葉管路壓力正常，3臺大泵和2臺小泵均有1臺在運行）；開機令發出后60 s隔離閥未打開，延時2 s停機；油壓裝置集油箱液位過低，延時5 s停機；油罐液位開關“油位過低，關閉隔離閥”或“油位低，停機”動作，延時5 s停機；油罐壓力過低或過高動作，延時5 s停機。

4　結語

截止至2012年12月31日24∶00，蒲石河電站全年累計發電量5.19億kW·h，抽水用電6.32億kW·h。4臺機組投入商業運行以來，機組啟停頻繁，其中，發電啟動700次，抽水啟動488次。充分發揮了抽水蓄能電站調峰、填谷、調頻、調相和事故備用的重要作用，保障了東北電網的安全穩定。4臺機組在這一年的運行中，油壓裝置運行穩定，為調速器系統的導葉接力器、非同步導葉接力器、主進水閥接力器的操作提供了穩定的壓力保障。

中圖分類號：TV736

文獻標識碼：B

文章編號：1672-5387（2015）07-0051-05

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2015.07.015

收稿日期：2015-04-30

作者簡介：李承龍（1988-），男，助理工程師，從事水電機組運行及維護工作。