陳 楠，張成華，陳啟明，孫 杰，王華軍，蔣 路，黃麗琴，趙志杰，呂在生，丁 偉

(1.富春江水力發(fā)電廠，浙江 桐廬 311504；2.國網新源水電有限公司，北京 100761；3.武漢四創(chuàng)自動控制技術有限責任公司，湖北 武漢 430063)

油壓裝置的壓力油罐分隔離式和非隔離式，非隔離式油壓裝置補氣方式分兩種：一種是利用油泵與壓力油罐之間的中間補氣罐補氣；另一種是利用自動補氣裝置補氣。如今前者已很少使用，這里主要探討設置自動補氣裝置的非隔離式油壓裝置的油氣比例控制。

《水輪機控制系統(tǒng)技術條件》第4.5.3項規(guī)定[1]：“在正常工作油壓上限，非隔離式壓力罐內油和空氣體積比通常為1/3～1/2?！北３钟蛪貉b置油氣比例的穩(wěn)定，是油壓裝置安全、可靠工作的前提。油氣比例調整主要依靠油泵和自動補氣裝置來實現(xiàn)。目前，油泵及其控制技術比較成熟，但自動補氣裝置問題比較多，導致大多數(shù)水電站的自動補氣裝置仍處于手動工作狀態(tài)。以富春江水力發(fā)電廠為例，6臺機組調速器的油壓裝置每周都要人工調整油氣比例6次，無形中增加了運行人員的工作量和出錯概率，與全廠綜合自動化控制和管理模式相違背。

有鑒于此，對富春江水力發(fā)電廠2號機油壓裝置進行了局部改造，實現(xiàn)了油氣比例的冗余控制。

1 系統(tǒng)構成

富春江水力發(fā)電廠2號機油壓裝置原系統(tǒng)框圖如圖1所示，主要由油壓裝置控制柜、電動機、油泵、組合閥、壓力油罐(含一個氣罐)及其附件、回油箱及其附件和各種自動化元件等組成。

圖1 原油壓裝置系統(tǒng)框圖[2]

改造后的油壓裝置系統(tǒng)如圖2所示，增加了1套多重安全補氣裝置、1個進氣壓力傳感器、2個漏氣流量傳感器、1個油泵流量傳感器、1個油混水傳感器、1個油質監(jiān)測儀、1個回油箱油位傳感器、壓力油罐液位傳感器和壓力傳感器各1個、導葉和槳葉接力器開關腔傳感器4個。多重安全補氣裝置用于自動、手動補氣，進氣壓力傳感器用于監(jiān)測氣源的壓力，漏氣流量傳感器用于監(jiān)測2路自動補氣回路是否漏氣，油泵流量傳感器用于監(jiān)測油泵輸出流量，油混水傳感器用于監(jiān)測回油箱油含水量，油質監(jiān)測儀用于監(jiān)測油含雜質的顆粒度；回油箱和壓力油罐油位傳感器輸出4～20 mA電流，監(jiān)測回油箱和壓力油罐液位，與原磁翻板液位開關構成冗余液位檢測；導葉和槳葉接力器開關腔傳感器4個用于監(jiān)測各腔油壓的變化，用以診斷接力器用油情況。

改造后的油壓裝置控制系統(tǒng)如圖3所示，控制核心為ABB公司生產的PLC，主要包括CPU模塊、A/D模塊、輸入模塊、輸出模塊、通信模塊、軟起動器、電機驅動模塊和操作終端，在原控制柜上增加了部分A/D模塊、輸入模塊、輸出模塊、通信模塊、軟起動器和電機驅動模塊，操作終端由觸摸屏更換為工控機?？刂葡到y(tǒng)根據檢測到的壓力、液位、流量和位置信號，控制油泵電動機和自動補氣閥起、停，從而保持壓力油罐的油壓和油氣比例穩(wěn)定在工作范圍內，為水輪機控制系統(tǒng)提供穩(wěn)定的壓力油源。

2 油氣比例冗余控制的原理

壓力油罐內油占1/3、壓縮空氣占2/3，其利用壓縮空氣的伸縮性，持續(xù)的向接力器油缸提供壓力油源。只要沒有泄漏，油壓裝置及其用油系統(tǒng)內的總油量是不變的，但是壓縮空氣隨著接力器的操作，會有少部分漸漸混在油中被帶出壓力油罐，這樣就會打破合理的油氣比例關系，必須通過補油、補氣、排氣來調節(jié)壓力油罐油氣比例處于合理范圍內。

2.1 補油的冗余控制

控制系統(tǒng)設置有主用起泵壓力、備用起泵壓力、停泵壓力、過高壓力和事故低油壓信號。當油壓低于主用起泵壓力時，主用油泵起動補油；當油壓低于備用起泵壓力時，備用油泵起動補油；當油壓大于等于停泵壓力時，主用或備用油泵停止補油，當油壓低于事故低油壓時，會自動發(fā)信號進行事故低油壓緊急停機。

如圖2所示，油壓裝置有2路補油回路，每路包括電機、油泵和組合閥。2路補油回路互為主備用，主用回路運行達到設定的次數(shù)后切為備用，備用回路則切為主用。

主用回路故障就會被切除，備用回路轉為主用。補油回路故障主要包括電機故障和油泵及組合閥故障。電機故障由軟起動器檢測判斷，主要包括電機缺相、過流和過壓。油泵及組合閥故障由油泵流量傳感器監(jiān)測，當油泵輸出流量小于額定流量的40%時，表明油泵及組合閥故障，可能的原因包括油泵效率下降嚴重、組合閥卸載功能失常和組合閥的溢流閥誤動排油。

圖2 改造后的油壓系統(tǒng)框圖

圖3 改造后的控制系統(tǒng)框圖

2.2 補氣的冗余控制

本系統(tǒng)設計了一套多重安全補氣裝置，如圖2虛線框所示，主要包括進氣壓力傳感器、進口空氣過濾器、A套自動補氣回路、B套自動補氣回路、單向閥、自動排氣電動球閥、自動補氣回路進出口截止閥、手動補氣閥、手動排氣閥和出口空氣過濾器。 A、B自動補氣回路包括自動補氣電動球閥、電磁閥、排背壓電動球閥、單向閥和漏氣傳感器。

進出口空氣過濾器用于過濾補氣雜質，保證補氣的清潔度；自動補氣電動球閥和電磁閥用于自動補氣，其中電磁閥還具有2路自動補氣回路的切換和失電停止補氣功能；排背壓電動球閥用于停止排氣時排除補氣回路中的背壓，保證單向閥可靠截止，同時，也讓自動補氣回路的漏氣直排空氣中，而不進入壓力油罐。自動排氣電動球閥用于排出壓力油罐過多的氣體。手動補、排氣閥用于手動操作補氣和排氣。

多重安全補氣裝置的系統(tǒng)框圖如圖4所示。自動補氣時，PLC自動控制補氣電動球閥和電磁閥接通/斷開補氣通道。當壓力油罐油位大于等于上限油位而油壓低于補氣油壓時，即接通補氣通道，開始補氣；當壓力油罐油位小于等于停止補氣油位或油壓大于等于停泵油壓時即斷開補氣通道，停止補氣。

2路自動補氣回路互為主備用，主用回路運行達到設定的次數(shù)后切為備用，備用回路則切為主用。

主用回路故障就會被切除，備用回路轉為主用。補氣回路故障主要包括自動補氣電動閥門故障、電磁閥故障和排背壓電動球閥故障。自動補氣和排背壓電動球閥故障由球閥位置開關和漏氣傳感器檢測判斷，主要包括全開不到位、全關不到位和全關時漏氣等故障。電磁閥故障由壓力油罐的壓力傳感器和漏氣傳感器檢測判斷，包括電磁閥漏氣和動作不正常。

當選擇“手動補氣”時，即可手動接通/截止補氣通道，起動/停止補氣。

自動排氣時，由PLC自動控制排氣電動球閥接通/斷開排氣通道。當油壓大于等于停泵油壓，且壓力油罐油位低于排氣油位時即接通排氣通道，開始排氣；當油壓小于等于停止排氣油壓或壓力油罐油位大于等于停止排氣油位時即斷開排氣通道，停止排氣。

若要手動排氣，即可手動接通/截止排氣通道，起動/停止排氣。

圖4 多重安全自動補氣裝置系統(tǒng)框圖

2.3 補氣與補油的邏輯關系

目前大多數(shù)水電站補氣和補油是互鎖的，補油時不補氣，補氣時不補油。其實，在一定的油壓和液位變化范圍內，補氣和補油并不矛盾，兩者同時進行反而有利于油壓快速建立，更加安全。

當油位快速上升或下降時，實時監(jiān)測壓力油罐的磁翻板液位傳感器的采樣值，發(fā)現(xiàn)其不能實時反應壓力油罐的實際液位變化，滯后2 min左右。所以，在調速器大量用油，導致油壓低于備用起泵壓力時，控制系統(tǒng)會停止補氣，只補油，避免過補氣。當油壓大于備用起泵壓力時，只有主用泵在工作時，油位變化不快，補氣和補油則可以同時進行。

3 油氣參量的冗余檢測及參數(shù)設定

油氣比例的穩(wěn)定控制離不開油氣參量的可靠檢測，這里對壓力油罐的油壓、液位和回油箱的液位進行了冗余配置，分別具有模擬量和開關量檢測輸出，這種互為冗余，相互驗證，使每路自動補氣回路均配置1個漏氣傳感器，保證漏氣回路的自動補氣元件可以得到及時維護。

表1是富春江水力發(fā)電廠油氣比例控制的各參量設定值，補氣氣源壓力由原來的2.5 MPa提高到2.8 MPa，以提高補氣速度。

表1 富春江水力發(fā)電廠2號機油壓裝置控制系統(tǒng)的參量設定值

富春江水力發(fā)電廠2號機壓力油罐容積為20 m3，直徑為1 800 mm，停止補氣油位為壓力油罐容積的1/3，工作油壓上限(即停泵壓力)為2.5 MPa。由表1可知，從補氣油位降100 mm即可到停止補氣油位。

根據玻耳定律有：

PVK=C

式中：P為壓力容器內壓縮空氣的絕對壓力，MPa；V為壓力容器內壓縮空氣的體積，m3；K為多變指數(shù)；C為常數(shù)。

多變指數(shù)K是根據壓力容器內氣體壓縮和膨脹過程的特點而確定的。油壓裝置在運行過程中，壓力油罐內的壓縮空氣既不是按等溫規(guī)律變化，也不是按絕熱規(guī)律變化，而是介于二者之間的中間狀態(tài)變化。根據國內電站的統(tǒng)計規(guī)律，取多變指數(shù)K=1.3，即PV1.3=C[3]。

設補氣壓力為P1，則根據補氣起、停時刻的油壓和壓縮空氣的容積可得下式：

由上式計算可得P1=2.44 MPa。

所以，表1中補氣壓力設為2.44 MPa。當補氣完成時，壓力油罐的油氣比例在1/3至1/2之間，滿足國家標準《水輪機控制系統(tǒng)技術條件》(GB/T9652.1-2007)要求。

4 應用效果

現(xiàn)場設備安裝完成后，做了各種試驗，主要包括油泵的起停控制、主/備用油泵的切換、自動補氣的起?？刂?、主/備用補氣回路的切換、傳感器的檢測、故障模擬、手動操作和操作終端畫面的測試等。根據現(xiàn)場模擬測試，當壓力油罐液位達到補氣液位，油壓等于2.44 MPa時，控制系統(tǒng)補氣8 min即可完成油氣比例調整，達到改造目的。

5 結 語

富春江水力發(fā)電廠裝機6臺60 MW軸流轉槳式水輪機，機組調節(jié)用油量比較大，油氣比例調整相比混流式機組要頻繁，改造后的油壓裝置增加了軟啟動器和油泵流量傳感器，使油氣參量實現(xiàn)了冗余檢測，優(yōu)化了補氣與補油的邏輯關系，實現(xiàn)了油泵的冗余控制和故障切換，提高了油壓裝置工作的可靠性，有利于減少運行人員人工補氣的工作量，降低出錯概率，也有利于全廠綜合自動化的實現(xiàn)，值得推廣應用。