調(diào)速器油壓裝置控制邏輯優(yōu)化

魏凱杰

（中國第十一工程局有限公司，河南 鄭州 450001）

1 概 述

調(diào)速器油壓裝置是水電站控制系統(tǒng)的重要組成部分，由回油箱和壓力油罐組成，為調(diào)速器操作提供壓力能源，是水電廠發(fā)電機組轉速調(diào)節(jié)的唯一動力來源。其中壓力油罐內(nèi)的液壓油和壓縮空氣是按一定比例分配的，系統(tǒng)在運行過程中既要控制好壓力油的輸出壓力，同時又要控制好罐內(nèi)油氣的占比。壓力油罐內(nèi)氣體過多容易引起接力器油缸進氣，引起導葉抽動；反之如果油罐內(nèi)油過多則會導致罐內(nèi)壓力緩存減小，在調(diào)速器操作過程中，壓力罐內(nèi)壓力下降快，壓力輸出不穩(wěn)定[1]。根據(jù)規(guī)范《GB/T 9652.1-2019 水輪機控制系統(tǒng)技術條件》要求，正常情況下壓力油罐內(nèi)氣/油體積比例應為2∶1，波動范圍為2～3 之間。

2 系統(tǒng)結構及工作原理

帕圖卡III 水電站安裝2 臺軸流轉漿式機組，總裝機容量為2×52 MW，2 臺機組分別設置1 套油壓裝置，為導葉接力器和槳葉接力器提供操作油，根據(jù)導葉接力器及槳葉控制用油量，壓力油罐設計容積為6 000L，正常工況下油罐內(nèi)儲油量為2 000 L，其余為壓縮空氣。壓力罐本體安裝多個壓力開關及油位開關，用于控制油泵和補氣閥；系統(tǒng)配套回油箱容積為7 500 L，用于回收操作油管回油和漏油箱油；系統(tǒng)配備一套外部中壓氣系統(tǒng)，作為油壓裝置的補氣氣源，中壓氣系統(tǒng)額定壓力為6.3 MPa，系統(tǒng)詳細參數(shù)及結構如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)結構圖

壓力罐壓力開關設定值如表1 所示。

表1 油罐壓力開關定值 MPa

在正常工況下，油泵按照設定的壓力信號啟停油泵。油罐內(nèi)壓力小于5.9 MPa 時，系統(tǒng)啟動主油泵工作，油罐內(nèi)壓力小于5.6 MPa 時，系統(tǒng)啟動備用泵工作，在更嚴重情況下，當油罐內(nèi)壓力小于5.4 MPa 時，系統(tǒng)同時開啟3 臺油泵，保證緊急情況下調(diào)速器的供油；當油罐內(nèi)壓力急劇下降至5.3 MPa 時，調(diào)速器系統(tǒng)及SCADA 系統(tǒng)直接進入緊急停機流程，機組與電網(wǎng)解列并關停機組，防止事故的進一步擴大。

另外，由于壓力油罐內(nèi)氣體微量泄露，系統(tǒng)在長時間工作后，在相同壓力情況下，油罐內(nèi)氣體體積占比會變小，導致氣/油比下降，此時需要打開補氣閥，對油罐進行補氣，系統(tǒng)設定開補氣閥條件為補氣壓力和補氣油位。

正常情況下當油罐壓力在5.95 MPa 時，油罐內(nèi)油位在設定開補氣閥油位值以下；在長時間工作后，在相同壓力情況下，壓力油罐內(nèi)的油位慢慢上升，當系統(tǒng)在5.95 MPa 壓力下，油罐內(nèi)的油位高于設定的開補氣閥油位值，此時系統(tǒng)判定油罐需要進行補氣并開啟補氣閥[2]，待油罐補氣至6.3 MPa 壓力后，停止補氣。

3 補氣油位定值計算

根據(jù)波義耳定律，在密閉容器中的定量氣體，在恒溫下，氣體的壓強和體積成反比關系，氣體的體積與壓強的乘積成為一定的常數(shù)，即：PV=常數(shù)。

壓力油罐內(nèi)氣體并非理想氣體，考慮到油罐溫度變化、泄露量等因素，對上述公式進行改進[3]，改進后公式如下：P1V1n=P2V2n=常數(shù)n（取1.2） （1）式中 P1、P2——不同狀態(tài)下的氣罐壓力；

V1、V2——相應工作壓力的氣體體積。

罐內(nèi)氣體體積V 的計算分為兩部分，封頭段氣體體積V0及直筒段氣體體積，氣體體積計算公式如下：

式中 h——油罐內(nèi)油位高度；

R——油罐內(nèi)半徑。

根據(jù)氣罐總體積及直筒段體積，可計算出油罐內(nèi)兩端頭的體積V0為0.689 m3。

在初始額定狀態(tài)下，根據(jù)標準要求，氣油比為2∶1，此時油罐內(nèi)氣體體積為4 m3。根據(jù)式（2）可計算出此時油罐內(nèi)的油位高度為652 mm，在此油位和額定壓力基礎上，根據(jù)式（1），可以計算出，當油罐內(nèi)壓力降低至5.95 MPa 時，油罐油位高度為555 mm。

為保證系統(tǒng)的正常工作，開補氣閥油位設定值要高于計算值，綜合考慮設定開補氣油位值為570 mm，當系統(tǒng)第一次補氣完畢后，罐內(nèi)油位仍為570 mm，此時可計算罐內(nèi)的氣/油比值為2.27。

系統(tǒng)補氣完畢后，在下次補氣條件滿足前，油泵按設定壓力工作。當油罐內(nèi)油位接近570 mm，油罐壓力小于5.95 MPa，此時系統(tǒng)處于補氣閥開啟的臨界條件，系統(tǒng)仍只啟動油泵，待壓力達到6.3 MPa 時油泵停止，此時根據(jù)式（1）可計算出在額定停泵壓力下，油罐油位達到666 mm，此時油罐的氣/油比值為1.96。

根據(jù)上述計算，油罐內(nèi)油位定值設定如表2。

表2 油罐油位開關定值 mm

4 存在的問題及控制邏輯優(yōu)化

根據(jù)壓力油泵和補氣工作過程分析，并考慮所有可能出現(xiàn)的狀況，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)控制邏輯存在兩個問題：

1）補氣和油泵同時工作

在補氣過程中，若遇調(diào)速器緊急動作，油罐內(nèi)壓力突然下降低于5.9 MPa，此時油泵和補氣同時工作。或者在油泵工作過程中，補氣條件滿足，系統(tǒng)打開補氣閥補氣，此時油泵和補氣同時工作。

按規(guī)范要求補氣和油泵不能同時進行[4]，因此系統(tǒng)的控制邏輯上要進行優(yōu)化，避免此種情況的發(fā)生，否則可能出現(xiàn)嚴重后果。

在補氣過程中，若機組遇嚴重事故，調(diào)速器頻繁動作且耗油量大，此時油罐內(nèi)油位會急劇下降，同時在外部氣源的補給下，油罐壓力始終大于5.3 MPa，機組不能快速停機，此壓力保護失去作用。在極限情況下會導致油罐內(nèi)充滿氣體，壓縮氣體進入壓力油管內(nèi)，破壞壓力管道密封，造成更嚴重的破壞，嚴重影響調(diào)速器的安全運行。

2）油氣比不穩(wěn)定

根據(jù)油位定值計算，在額定壓力狀況下，壓力油罐內(nèi)的氣/油比是一個連續(xù)變動量，該值在1.96～2.27 之間變換，變化過程如圖2 所示。

圖2 油氣比變化過程

為了更好地控制油罐內(nèi)油氣比的波動范圍，同時避免油泵和補氣閥同時工作的情況出現(xiàn)，對油泵和補氣閥的控制邏輯進行調(diào)整。

首先我們以額定狀態(tài)油位為650 mm 為基礎，將開補氣閥油位值調(diào)整為略高于此，設定為660 mm，當系統(tǒng)由于漏氣原因?qū)е掠凸迌?nèi)油位超過660 mm 時，系統(tǒng)補氣閥開啟。此時由于油罐內(nèi)油位高于正常值650 mm，所以補氣停止壓力要稍大于油泵工作停止壓力，否則在額定停油泵壓力下油罐油位會始終高于660 mm，造成系統(tǒng)頻繁補氣。

我們以額定停泵壓力油位650 mm 為基礎，在不考慮油罐漏氣狀況下，結合式（1）和式（2）可以計算出，油位在660 mm 時油罐內(nèi)壓力為6.34 MPa，因此我們可以設定停補氣壓力為6.35 MPa，調(diào)整后壓力定值和油位定值如表3 和表4。

表4 修改后油罐油位開關定值 mm

相對于原設計方案，新方案主要調(diào)整如下：

●增加停補氣油位：防止補氣過程中，遇機組事故狀態(tài)調(diào)速器用油量極大情況下，油罐內(nèi)油位急劇下降，導致油罐內(nèi)充滿氣體，嚴重影響機組的安全運行。

●增加停油泵油位控制信號，直接控制油罐內(nèi)油位在控制范圍內(nèi)變化。

●增加補氣閥和油泵之間的閉鎖，避免兩者同時工作的可能。

●增加強制啟動油泵功能，當系統(tǒng)檢測到油罐壓力過低后，直接啟動油泵并閉鎖補氣閥開啟，及時為系統(tǒng)補充操作油。

●增加6.35 MPa 停補氣壓力，使系統(tǒng)補氣后壓力略大于停泵壓力定值。

●取消5.95 MPa 補氣壓力開關信號，并調(diào)整開補氣閥油位定值。

調(diào)整后油泵和補發(fā)系統(tǒng)的控制邏輯如下：

●油泵控制邏輯：

油泵啟動條件：油罐壓力過低或啟泵壓力滿足且油位高未報警且補氣閥關閉狀態(tài)；

油泵停止條件：停泵壓力或停泵油位或油位高報警。

●補氣控制邏輯：

開補氣閥條件：開補氣閥油位動作且油壓未達停補氣壓力且油泵停止狀態(tài)；

關補氣閥條件：停補氣壓力或停補氣油位或油罐油位過低或油泵運行。

使用新方案時，不論是油泵工作或者補氣閥工作，每次油罐達到額定壓力后，油罐內(nèi)的油位都在650～660 mm 之間變化，氣/油比始終接近2∶1；同時新增加的強啟油泵功能和閉鎖功能，可滿足緊急情況下調(diào)速器用油需求，且避免了油罐內(nèi)充滿氣體的狀況發(fā)生，使系統(tǒng)的安全性和可靠性有了更好的保障。

5 結 語

油壓裝置是系統(tǒng)的核心，要防止控制邏輯和設計缺陷對系統(tǒng)造成損壞。本文將調(diào)速器油壓裝置壓力信號及油位信號進行了相關閉鎖，并以油罐油位作為判定開補氣的條件，很好地控制了壓力油罐輸出壓力和油罐內(nèi)的油氣比，保證了裝置的運行可靠性，系統(tǒng)優(yōu)化過程可供其他類似工程借鑒。