巨型水電站輔助設備配置及控制邏輯標準化探討

吳 瀟，陳才龍，趙碧誠

（中國長江電力股份有限公司白鶴灘電廠籌建處，四川 涼山615400）

隨著國家對生態環境的重視，尤其碳排放量指標的嚴格控制，現階段我國正積極有序推進一大批巨型水電基地建設[1]。巨型水電站具有單機容量大、運行方式復雜、系統地位重要等特點，這對電站自動化控制的可靠性、靈活性和快速性提出了更高的 要求[2]。

水電站輔助設備的可靠運行是保證電站安全運行的重要條件[3]，但是目前不同水電站輔助設備的配置、控制方式和邏輯不同，甚至在同一水電站因為機型的不同，輔助設備的配置、控制方式及邏輯也有較大差異，不利于運維人員對電站機組的監視和維護[4]。本文將對水電站幾種重要的輔助設備的控制方式和控制邏輯標準化進行探討，并提出一種簡單、可靠、適用范圍廣的控制方案，對于水電站機組輔助設備的設計和運維都是一件有意義的工作。

1 設計原則

1.1 動力電源

機組輔助設備應配置發電機動力柜和水輪機動力柜各1 面。發電機動力柜主要為高壓油泵、推導外循環油泵、推導油霧吸收裝置、制動風閘粉塵收集裝置、機坑加熱器等設備提供動力電源；水輪機動力柜主要為水導油外循環泵、頂蓋排水泵、主軸密封水加壓泵等輔助設備提供動力電源。

1.2 控制電源

控制電源通過2 個電源模塊和1 個電源隔離模塊進行電源轉換，一個電源模塊進線端220 V AC取自動力柜交流電源，另一個電源模塊進線端220 V DC 取自電站直流配電盤。2 個電源模塊輸出24 V DC 電源，并通過電源隔離模塊后輸出24 V DC作為控制電源，控制電源輸出的正負端均通過短接端子排引入、引出。

圖1 DC 24 V 電源冗余裝置示意圖

1.3 控制系統總體設計

發電機輔助設備設計1 套PLC、1 套觸摸屏，應用于推導外循環和高壓油頂起系統等。水輪機輔助設備設計1 套PLC、1 套觸摸屏，應用于水導外循環系統、主軸密封控制系統和頂蓋排水控制系統等。為了保證電站運維人員技術傳承、備品備件的統一，電站輔助設備PLC 的選型應保持一致。

監控系統下達到各子系統的啟動、停止命令均為脈沖信號，各子系統應長期保持，在機組動力電源切換后以及動力柜電源失電恢復后，各子系統能自動恢復此前的工作狀態。

2 各輔助設備系統設計要求

2.1 水導外循環系統

2.1.1 控制方式

水導外循環系統每臺水導外循環油泵應配置“自動/手動/切除”控制方式切換開關，要求如下：

（1）“自動”方式下，接受機組監控系統的啟動、停止命令（脈沖）。相關控制邏輯由現地控制柜的PLC 實現。“自動”切換至“手動”控制方式時，不應改變水導油泵當前的運行狀態。

（2）“手動”方式下由盤面布置的按鈕進行“啟動/停止”的操作；手動控制應采用硬接線回路實現控制功能，不得經過PLC 控制。應確保在PLC 失電和故障時，水導外循環油泵仍能正常運行。

（3）“切除”方式為檢修態，即遠方、現地操作均無效。

2.1.2 控制邏輯

在“自動”方式下，監控發令投入水導外循環系統時，啟動當前主用泵；監控系統發令退出水導外循環系統時，停止水導外循環油泵。當前主用泵故障時，切換泵的主備用關系；在“自動”模式時，監控發令倒換水導外循環油泵時，切換泵的主備用關系；“手動”模式時，可通過手動啟動油泵來切換泵主備用關系。

自動模式下，如果1～2 號水導外循環油泵都發生油壓未建立故障，則判斷為單臺水導外循環油泵無法滿足水導油槽正常冷卻油流量，則同時啟動兩臺油泵。

圖2 水導外循環控制流程

當壓力開關動作與泵運行情況不一致時，例如：1 號油泵未運行，而1 號油泵出口壓力開關長期動作，則判斷1 號油泵出口壓力開關故障；2 號油泵出口壓力開關同理。

當水導外循環系統投入命令有效時（監控投水導外循環系統時鎖存，監控退水導外循環系統時復歸），保證有1 臺水導油泵運行。

2.2 主軸密封水系統

2.2.1 控制方式

主軸密封水系統每臺增壓泵和濾水器應設置“自動/手動/切除”控制方式切換開關，要求如下：

（1）“自動”方式下，監控系統發令自動控制主軸密封水系統運行。

（2）“手動”方式下，不接受監控系統命令，現地動作按鈕控制設備動作。

（3）“切除”方式下為檢修態。

2.2.2 控制邏輯

主軸密封水系統在接到監控系統啟動命令后，系統應開啟清潔水源相應電動閥，關閉技術供水水源相應電動閥。并根據控制方式、實際工況來設定增壓泵和濾水器的主備選擇，按相應條件進行啟停控制。

增壓泵啟動條件：主軸密封水流量低、主軸密封水進口壓力低或監控系統強制啟動。

濾水器的排污過程有定時控制、差壓控制兩種控制方式，控制邏輯如下：

（1）定時控制排污。依據PLC 程序設定的定時排污周期，啟動減速機進行排污排漂，間隔時間以及每次排污、排漂的時間可以根據季節變化、濾水器運行工況等進行調整。

（2）差壓控制排污。根據設定的濾水器進出口壓差，自動控制減速機和排污閥的啟動，自動進行排污。在定時排污時，當水中雜質多，濾水器前、后壓差大于整定壓力值時，則差壓控制方式啟動，差壓控制結束后自動切回定時控制模式。

2.3 頂蓋排水系統

2.3.1 控制方式

頂蓋排水系統各頂蓋泵應設置“自動/手動/切除”控制方式。“自動”方式下，由PLC 和常規控制回路并列控制，PLC 控制優先。“手動”方式下每臺頂蓋泵設置“啟動/停止”；“切除”方式為檢修態，即手動、自動操作均無效。

2.3.2 控制邏輯

以3 臺頂蓋排水泵為例，1 號頂蓋排水泵、2 號頂蓋排水泵、3 號頂蓋排水泵以啟動次數決定主備用關系，啟動次數最少的水泵作為主用泵，啟動次數最多的水泵作為第2 備用泵，啟動次數居中的水泵作為第1 備用泵。在運行過程中，若水泵因故障或其他原因切除停運后，將對剩下的水泵按啟動次數進行邏輯判斷，并重新確定主備用關系。

在自動方式下，水泵啟停由水位模擬量信號和水位開關輸入信號進行控制（優先使用模擬量信號）。當“開啟主用泵”水位接點信號輸入時，主用泵啟動；當“開啟第1 備用泵”水位接點信號輸入時，主用泵和第1 備用泵同時啟動；當“開啟第2 備用泵”水位接點信號輸入時，主用泵、第1 備泵和第2備用泵同時啟動。當3 臺交流排水泵均失效，頂蓋水位達到射流泵啟動水位時，射流泵啟動。當“射流泵關閉命令”（該信號即為所有排水泵的停泵信號）信號輸入時，停止所有運行的排水泵。此外，由LCU 監控系統給出的啟動控制信號可以直接啟動排水泵，LCU 給出的啟動控制信號不經過本柜內的PLC，直接通過硬接線啟動相應水泵。

用戶通過觸摸屏選擇頂蓋水位模擬量信號是否參與排水泵控制。當選擇水位模擬量信號參與控制時，只要水位模擬量信號正常或者整定參數設置正確，就優先以水位模擬量信號進行控制。當水位模擬量信號源故障（＜4 mA 或者＞20 mA）或者采集的水位信號與整定參數比較后的輸出邏輯與開關量輸入信號明顯沖突時，將認定“水位采集故障或參數設置錯誤！”，此時，將自動切換到水位開關輸入信號控制排水泵的啟動與停止，直到用戶復歸故障為止。

2.4 高壓油系統

2.4.1 控制方式

應對每臺高壓油泵設置“自動/手動/切除”控制方式切換開關，要求如下：

（1）“自動”方式下，接受機組監控系統的啟動、停止開出命令（脈沖）。相關控制邏輯由現地控制柜的PLC 實現。“自動”切換至“手動”控制方式，不應改變油泵當前的運行狀態。

（2）“手動”方式下由盤柜的按鈕手動進行“啟動/停止”的操作；手動控制不得經過PLC 控制，需采用硬接線方式實現控制功能。應確保在PLC故障、停止運行時，仍能通過手動方式控制高壓油泵。

（3）“切除”方式為檢修態，即遠方、現地操作均無效。

2.4.2 控制邏輯

高壓油系統接到監控系統啟動令后，主泵投入運行，30 s 以內，高壓油系統建壓成功（圖3），則一直維持主泵的運行，直至監控發出停止令。在主泵運行的過程中，主泵故障或建壓未成功則主泵停止運行，啟動備泵。如備泵當前無故障且建壓成功，備泵保持運行，直至監控發停止令。在備泵運行的過程中，備泵故障或建壓仍不成功，立即啟動原主泵并保持運行，并向監控系統發出建壓失敗報警，直至監控發出停止令。

圖3 高壓油啟動油壓波動曲線

2.5 機組制動控制系統

2.5.1 控制方式

機械制動控制方式包括純手動方式控制和電氣控制。純手動方式下通過直接操作相應純機械閥門進行制動閘投入/退出操作；電氣控制應設置“現 地/遠方/切除”控制方式切換開關，要求如下：

（1）現地方式下由盤柜的切換開關進行制動閘投入/退出的操作。

（2）遠方方式下，接受機組監控系統發出的制動閘投入/退出。

（3）“切除”方式為檢修態，即遠方、現地操作均無效。

2.5.2 配置要求

制動閘投入電磁閥勵磁的電氣回路中應串入機組轉速＜15%的硬觸點，防止監控系統和現地盤柜電氣操作誤投入制動閘。應通過LED 端子（接通點亮）和制動閘狀態監測信號裝置反映每塊制動閘的當前狀態。制動閘狀態監測信號裝置應安裝在機組機械制動柜內，裝置應采用紅色指示燈表示單個制動閘投入狀態，綠色指示燈表示單個制動閘退出狀態。任一單個制動閘投入表示機械制動閘系統投入；所有制動閘均退出表示機械制動閘系統退出。

2.6 推力外循環系統

2.6.1 控制方式

推導油外循環系統每臺推導油循環油泵應設置“自動/手動/切除”控制方式切換開關，要求如下：

（1）“手動”方式下，由盤柜的按鈕手動進行“啟動/停止”的操作；手動控制不得經過PLC 控制，需采用硬接線方式實現控制功能。應確保在PLC 故障、停止運行時，仍能通過手動方式控制推導外循環油泵。

（2）“自動”方式下，接受機組監控系統的啟動、停止開出命令（脈沖）；相關控制邏輯由現地控制柜的PLC 實現。“自動”切換至“手動”控制方式，不應改變油泵當前的運行狀態。

（3）“切除”方式為檢修態，即遠方、現地操作均無效。

2.6.2 控制邏輯

當監控發系統啟動令，主備泵同時啟動并保持運行1 h。運行1 h 后，停止備泵運行，備泵停止運行后，當系統總管壓力低、油流量低和主泵動力電源故障動作，則啟動備泵，延時30 s 后停主泵，備泵運行并保持，直至監控發停止令。系統故障需通過監控系統或現地盤柜按鈕進行復歸確認。

3 總結

本文重點探討了水電站輔助設備的控制方式、控制邏輯以及配置方面的標準化，對未來巨型水電站輔助設備的控制具有重要的參考意義。運行簡單、可靠、穩定及自動化程度高的輔助設備，有利于水電站“無人值班，少人值守”管理模式的高效運行。