油壓裝置油氣比例的冗余控制

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(wǎng)新源水電有限公司，北京 100761；3.武漢四創(chuàng)自動(dòng)控制技術(shù)有限責(zé)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(bǔ)氣方式分兩種：一種是利用油泵與壓力油罐之間的中間補(bǔ)氣罐補(bǔ)氣；另一種是利用自動(dòng)補(bǔ)氣裝置補(bǔ)氣。如今前者已很少使用，這里主要探討設(shè)置自動(dòng)補(bǔ)氣裝置的非隔離式油壓裝置的油氣比例控制。

《水輪機(jī)控制系統(tǒng)技術(shù)條件》第4.5.3項(xiàng)規(guī)定[1]：“在正常工作油壓上限，非隔離式壓力罐內(nèi)油和空氣體積比通常為1/3～1/2。”保持油壓裝置油氣比例的穩(wěn)定，是油壓裝置安全、可靠工作的前提。油氣比例調(diào)整主要依靠油泵和自動(dòng)補(bǔ)氣裝置來實(shí)現(xiàn)。目前，油泵及其控制技術(shù)比較成熟，但自動(dòng)補(bǔ)氣裝置問題比較多，導(dǎo)致大多數(shù)水電站的自動(dòng)補(bǔ)氣裝置仍處于手動(dòng)工作狀態(tài)。以富春江水力發(fā)電廠為例，6臺機(jī)組調(diào)速器的油壓裝置每周都要人工調(diào)整油氣比例6次，無形中增加了運(yùn)行人員的工作量和出錯(cuò)概率，與全廠綜合自動(dòng)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(jī)油壓裝置進(jìn)行了局部改造，實(shí)現(xiàn)了油氣比例的冗余控制。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

富春江水力發(fā)電廠2號機(jī)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(dòng)機(jī)、油泵、組合閥、壓力油罐(含一個(gè)氣罐)及其附件、回油箱及其附件和各種自動(dòng)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(bǔ)氣裝置、1個(gè)進(jìn)氣壓力傳感器、2個(gè)漏氣流量傳感器、1個(gè)油泵流量傳感器、1個(gè)油混水傳感器、1個(gè)油質(zhì)監(jiān)測儀、1個(gè)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(gè)、導(dǎo)葉和槳葉接力器開關(guān)腔傳感器4個(gè)。多重安全補(bǔ)氣裝置用于自動(dòng)、手動(dòng)補(bǔ)氣，進(jìn)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(dòng)補(bǔ)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(zhì)監(jiān)測儀用于監(jiān)測油含雜質(zhì)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(guān)構(gòu)成冗余液位檢測；導(dǎo)葉和槳葉接力器開關(guān)腔傳感器4個(gè)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(chǎn)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(dòng)器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(dòng)器和電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，操作終端由觸摸屏更換為工控機(jī)。控制系統(tǒng)根據(jù)檢測到的壓力、液位、流量和位置信號，控制油泵電動(dòng)機(jī)和自動(dòng)補(bǔ)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(nèi)，為水輪機(jī)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(nèi)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(nèi)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(guān)系，必須通過補(bǔ)油、補(bǔ)氣、排氣來調(diào)節(jié)壓力油罐油氣比例處于合理范圍內(nèi)。

2.1 補(bǔ)油的冗余控制

控制系統(tǒng)設(shè)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(dāng)油壓低于主用起泵壓力時(shí)，主用油泵起動(dòng)補(bǔ)油；當(dāng)油壓低于備用起泵壓力時(shí)，備用油泵起動(dòng)補(bǔ)油；當(dāng)油壓大于等于停泵壓力時(shí)，主用或備用油泵停止補(bǔ)油，當(dāng)油壓低于事故低油壓時(shí)，會自動(dòng)發(fā)信號進(jìn)行事故低油壓緊急停機(jī)。

如圖2所示，油壓裝置有2路補(bǔ)油回路，每路包括電機(jī)、油泵和組合閥。2路補(bǔ)油回路互為主備用，主用回路運(yùn)行達(dá)到設(shè)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(zhuǎn)為主用。補(bǔ)油回路故障主要包括電機(jī)故障和油泵及組合閥故障。電機(jī)故障由軟起動(dòng)器檢測判斷，主要包括電機(jī)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(dāng)油泵輸出流量小于額定流量的40%時(shí)，表明油泵及組合閥故障，可能的原因包括油泵效率下降嚴(yán)重、組合閥卸載功能失常和組合閥的溢流閥誤動(dòng)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(bǔ)氣的冗余控制

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一套多重安全補(bǔ)氣裝置，如圖2虛線框所示，主要包括進(jìn)氣壓力傳感器、進(jìn)口空氣過濾器、A套自動(dòng)補(bǔ)氣回路、B套自動(dòng)補(bǔ)氣回路、單向閥、自動(dòng)排氣電動(dòng)球閥、自動(dòng)補(bǔ)氣回路進(jìn)出口截止閥、手動(dòng)補(bǔ)氣閥、手動(dòng)排氣閥和出口空氣過濾器。 A、B自動(dòng)補(bǔ)氣回路包括自動(dòng)補(bǔ)氣電動(dòng)球閥、電磁閥、排背壓電動(dòng)球閥、單向閥和漏氣傳感器。

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

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

2路自動(dòng)補(bǔ)氣回路互為主備用，主用回路運(yùn)行達(dá)到設(shè)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(zhuǎn)為主用。補(bǔ)氣回路故障主要包括自動(dòng)補(bǔ)氣電動(dòng)閥門故障、電磁閥故障和排背壓電動(dòng)球閥故障。自動(dòng)補(bǔ)氣和排背壓電動(dòng)球閥故障由球閥位置開關(guān)和漏氣傳感器檢測判斷，主要包括全開不到位、全關(guān)不到位和全關(guān)時(shí)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(dòng)作不正常。

當(dāng)選擇“手動(dòng)補(bǔ)氣”時(shí)，即可手動(dòng)接通/截止補(bǔ)氣通道，起動(dòng)/停止補(bǔ)氣。

自動(dòng)排氣時(shí)，由PLC自動(dòng)控制排氣電動(dòng)球閥接通/斷開排氣通道。當(dāng)油壓大于等于停泵油壓，且壓力油罐油位低于排氣油位時(shí)即接通排氣通道，開始排氣；當(dāng)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(shí)即斷開排氣通道，停止排氣。

若要手動(dòng)排氣，即可手動(dòng)接通/截止排氣通道，起動(dòng)/停止排氣。

圖4 多重安全自動(dòng)補(bǔ)氣裝置系統(tǒng)框圖

2.3 補(bǔ)氣與補(bǔ)油的邏輯關(guān)系

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

當(dāng)油位快速上升或下降時(shí)，實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)反應(yīng)壓力油罐的實(shí)際液位變化，滯后2 min左右。所以，在調(diào)速器大量用油，導(dǎo)致油壓低于備用起泵壓力時(shí)，控制系統(tǒng)會停止補(bǔ)氣，只補(bǔ)油，避免過補(bǔ)氣。當(dāng)油壓大于備用起泵壓力時(shí)，只有主用泵在工作時(shí)，油位變化不快，補(bǔ)氣和補(bǔ)油則可以同時(shí)進(jìn)行。

3 油氣參量的冗余檢測及參數(shù)設(shè)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(jìn)行了冗余配置，分別具有模擬量和開關(guān)量檢測輸出，這種互為冗余，相互驗(yàn)證，使每路自動(dòng)補(bǔ)氣回路均配置1個(gè)漏氣傳感器，保證漏氣回路的自動(dòng)補(bǔ)氣元件可以得到及時(shí)維護(hù)。

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

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

富春江水力發(fā)電廠2號機(jī)壓力油罐容積為20 m3，直徑為1 800 mm，停止補(bǔ)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(bǔ)氣油位降100 mm即可到停止補(bǔ)氣油位。

根據(jù)玻耳定律有：

PVK=C

式中：P為壓力容器內(nèi)壓縮空氣的絕對壓力，MPa；V為壓力容器內(nèi)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(jù)壓力容器內(nèi)氣體壓縮和膨脹過程的特點(diǎn)而確定的。油壓裝置在運(yùn)行過程中，壓力油罐內(nèi)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(jù)國內(nèi)電站的統(tǒng)計(jì)規(guī)律，取多變指數(shù)K=1.3，即PV1.3=C[3]。

設(shè)補(bǔ)氣壓力為P1，則根據(jù)補(bǔ)氣起、停時(shí)刻的油壓和壓縮空氣的容積可得下式：

由上式計(jì)算可得P1=2.44 MPa。

所以，表1中補(bǔ)氣壓力設(shè)為2.44 MPa。當(dāng)補(bǔ)氣完成時(shí)，壓力油罐的油氣比例在1/3至1/2之間，滿足國家標(biāo)準(zhǔn)《水輪機(jī)控制系統(tǒng)技術(shù)條件》(GB/T9652.1-2007)要求。

4 應(yīng)用效果

現(xiàn)場設(shè)備安裝完成后，做了各種試驗(yàn)，主要包括油泵的起停控制、主/備用油泵的切換、自動(dòng)補(bǔ)氣的起?？刂啤⒅?備用補(bǔ)氣回路的切換、傳感器的檢測、故障模擬、手動(dòng)操作和操作終端畫面的測試等。根據(jù)現(xiàn)場模擬測試，當(dāng)壓力油罐液位達(dá)到補(bǔ)氣液位，油壓等于2.44 MPa時(shí)，控制系統(tǒng)補(bǔ)氣8 min即可完成油氣比例調(diào)整，達(dá)到改造目的。

5 結(jié) 語

富春江水力發(fā)電廠裝機(jī)6臺60 MW軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)，機(jī)組調(diào)節(jié)用油量比較大，油氣比例調(diào)整相比混流式機(jī)組要頻繁，改造后的油壓裝置增加了軟啟動(dòng)器和油泵流量傳感器，使油氣參量實(shí)現(xiàn)了冗余檢測，優(yōu)化了補(bǔ)氣與補(bǔ)油的邏輯關(guān)系，實(shí)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(yùn)行人員人工補(bǔ)氣的工作量，降低出錯(cuò)概率，也有利于全廠綜合自動(dòng)化的實(shí)現(xiàn)，值得推廣應(yīng)用。