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OMRON CP1H控制水輪發電機組的設計 朱文杰(下)

    (續上期)
    3.2 控制程序
    圖1所示以混流式機組、采用T-100型調速器,發電機為“三導”懸式結構并采用空氣冷卻器,推力軸承為剛性支柱式結構、水導軸承為稀油潤滑,設有過速限制器,裝有蝴蝶閥(或進水口快速閘門)、可動水關閉(防飛逸的保護)的情況來設計停機轉發電、發電轉停機的操作程序。這種典型的機組控制程序方案,考慮了以下因素:
    (1)擴大機組的控制功能,以利于水電站實現綜合自動化
    在控制程序中,一個操作指令自動完成種常見運行操作中的任何一種,即停機→發電、發電→停機、發電→調相、調相→發電、停機→調相和調相→停機。這有利于實現與水電站遠動裝置、系統自動裝置、控制機等的接口,有利于發揮機組自動控制作為水電站綜合自動化基礎的作用。
    (2)完善控制程序,有利于運行及事故處理
    ①在開機過程中,如發現起動機組出現異常現象,或在停機過程中電力系統出現事故(制動閘還未投入),可由運行人員或自動裝置進行相反的操作。
    ②開度限制機構中可以增設了遠方手動控制開關(圖中未示出),電力系統出現振蕩時,運行人員可及時操作此開關壓負荷,以消除電力系統的振蕩,但應研究水輪機的動力特性,以免出現薩彥·舒申斯克2009.8.17事故惡果。
    ③在停機過程中,如導水葉剪斷銷被剪斷,則制動閘不解除,以避免水輪機組蠕動而使推力軸承潤滑條件惡化。
    ④若采用負曲率導葉、結構上可以實現無油自動關機,可以在事故低油壓時只發信號,或將機組由發電運行改為調相運行。
    ⑤單回路連接電力系統的水電站,當機組調相運行又與電力系統解列時,可將調相機轉為發電運行,以保自用電及近區負荷的連續供電。
    (3)盡可能在滿足控制要求的前提下簡化控制程序與操作
    在滿足控制系統要求的前提下,力求使控制系統簡單、經濟,使用及維修方便。(見圖1)
    4 機組自動控制程序的解析
    以下我們來說明各種操作的程序以及各回路的動作。
    4.1 機組起動操作
    機組處于起動準備狀態時,應具備下列條件:
    (1)蝴蝶閥(或進水口快速閘門)全開,其位置狀態存儲位W51.00置位(回路08),動合接點閉合。
    (2)導水葉操作接力器鎖錠在拔出位置,其位置狀態存儲位W20.01未置位(回路01),動斷接點閉合。
    (3)機組制動系統無壓力,監視制動系統壓力的傳感器狀態存儲位W20.02未置位(回路01),動斷接點閉合。
    (4)機組無事故,其事故狀態存儲位W50.00未置位(回路01),動斷接點閉合。
    (5)發電機斷路器在跳閘位置,其位置狀態存儲位W20.03未置位(回路01),動斷接點閉合。
    上述條件具備時,機組啟動準備狀態存儲位W50.01置位(回路01),接通中控室開機準備燈(黃),同時機組啟動準備狀態重復存儲位W10.07置位(回路02)并自保持(回路03)。若此時操作開、停機控制開關41SA發出開機命令,使X:0.00置位(回路04),機組起動狀態存儲位W50.02置位(回路04)、W50.01復位(回路01)、T15開始計時(回路03),1s后才解除W10.07的自保持(回路02),這時W50.02已經自保持(回路06)并作用于以下各處:
    (1)由Y:100.00置位接通總冷卻水電磁閥開啟線圈(回路07),開啟閥門,向各軸承冷卻器和發電機空氣冷卻器供水。
    (2)投入發電機勵磁系統。
    (3)接入準同期裝置的調整回路,為投入自動準同期裝置做好準備。
    (4)接通開度限制機構KX的開啟回路(回路20),為機組同期并列后自動打開開度限制機構做好準備。
    (5)接通轉速調整機構ZT的增速回路(27),為機組同期并列后帶上預定負荷做好準備。
    (6)起動開停機過程監視計時器(回路48),當機組在整定時間內未完成開機過程時,發出開機未完成的故障信號。
    冷卻水投入后,示流信號器狀態存儲位W13.00置位,其動合接點閉合,將開度限制機構打開至起動開度位置(回路19);同時通過Y:100.02置位接通調速器開停機電磁閥開啟線圈(回路09、08),機組隨即按T型調速器起動裝置的快-慢-快控制特性起動。
    當機組轉速達到90%額定轉速時,自動投入同期裝置,發電機以準同期方式并入系統。并列后,通過斷路器位置狀態存儲位W12.03(回路18)置位后的動合接點作用以下各處:
    (1)開度限制機構KX自動轉至全開(回路21),為機組帶負荷運行創造條件。
    (2)轉速調整機構ZT正轉帶上一定負荷(回路27),使機組并入系統后較快穩定下來。
    (3)發電運行狀態存儲位W50.03置位(回路34),使中控室發電運行指示燈亮。
    由于W50.03的動斷接點斷開,使機組起動狀態存儲位W50.02復位(回路06),為下次開機創造條件。機組啟動繼電器W50.02復位后,其動合接點斷開,使監視開、停機過程的計時器復位(回路48),機組起動過程至此結束。
     有功功率的調節,可借助遠方控制開關42SA(回路28和32)進行操作(X:0.04或X:0.05置位),亦可利用有功功率自動調節器YGJT進行控制,以驅動轉速調整機構ZT,使機組帶上給定的負荷。
    機組起動操作程序流程圖如圖2所示。
    4.2 機組停機操作
    機組停機包括正常停機和事故停機。
    正常停機時,操作開、停機控制開關41SA發出停機命令,使X:0.01置位(回路11),機組停機狀態存儲位W50.04置位(回路10)且動合接點閉合而自保持(回路10),使W50.04的置位狀態不會因41SA停機接點的復位而復歸,然后按以下步驟完成全部停機操作。  
    (1)起動開、停機過程監視計時器(回路49),監視停機過程。  
    (2)使轉速調整機構ZT反轉(回路30),卸負荷至空載。  
    (3)當導水葉關至空載位置時,由于W50.04的動合接點和導葉空載位置W13.07的動合接點都閉合,使發電機DL跳閘,機組與系統解列。  
    (4)導水葉關至空載位置以及機組與系統解列后,由于W50.04的動合接點、斷路器位置W12.03的動合接點和導葉空載稍上W12.07的動斷接點都閉合(回路14),使開停機電磁閥關閉線圈通過Y:100.03接通而勵磁,導水葉關至全關;同時由于W12.03的動斷接點和W50.04的動斷接點都閉合(回路24),所以開限伺服電機反轉至開限全關。  
    (5)機組轉速下降至35%額定轉速時,W12.05動斷接點閉合,Y:100.04置位使制動系統電磁空氣閥開啟線圈勵磁(回路11),打開電空閥,壓縮空氣進入制動閘對機組進行制動;同時制動壓力信號存儲位W12.02的動合接點閉合,若導葉剪斷銷無剪斷,其存儲位W12.06動斷接點也是閉合的,從而啟動TIM16計時(回路12右側),監視制動時間。  
    (6)計時器16的預置值90s達到后,T0016的動斷接點斷開(回路10),使W50.04解除自保持而復歸,進而Y:100.05置位,制動電空閥關閉線圈勵磁并關閥(回路13),從而解除制動;T0016的動合接點閉合(回路17),使Y:100.01置位而關閉總冷卻水電磁閥;監視開停機過程計時器TIM17(回路49、48)和制動時間計時器TIM16(回路12)復歸,機組停機過程結束。此時機組重新處于準備開機狀態,起動準備狀態存儲位W50.01又置位,中控室開機準備燈點亮,為下一次起動創造了必要條件。  
    在機組運行過程中,如果調速器系統和控制系統中的機械設備或電氣元件發生事故,則機組事故狀態存儲位W50.00將置位,從而迫使機組事故停機。  
    事故停機與正常停機的不同之處在于,前者不僅使W50.04置位(回路12、10),而且通過Y:100.03置位(回路16、14),不等到卸負荷至空載并跳開斷路器就立即使調速器開停機電磁閥關閉線圈勵磁,從而大大縮短了停機時間,但應注意不能因導葉關閉過快而引起引水管和尾水管的聯合直接水擊,造成類似薩彥2009.08.17悲劇。  
    如果發電機內部短路使差動保護動作,保護出口即使機組事故狀態存儲位W50.00置位,又使發電機DL及FMK跳開,達到水輪機和發電機都得到保護及避免發生重大事故的目的。
    機組正常停機操作程序流程圖如圖3所示。
    4.3 發電轉調相操作
    操作按鈕41QA使X:0.06置位發出調相命令,調相啟動狀態存儲位W50.05置位(回路47)并自保持(回路46),使W50.05不因X:0.06復位而復位,通過其接點的切換,作用以下各處:
    (1)使轉速調整機構ZT反轉(回路31),卸去全部負荷至空載(回路30的W13.06斷開)。
    (2)當導水葉關至空載位置時,由于W50.05的動合接點(回路15)和W12.07的動斷接點(回路14)均閉合,使Y:100.03置位(回路14),開停機電磁閥關閉線圈勵磁,全關導水葉;同時由于回路23中的W13.07在導葉開度空載以下閉合、W50.05的動合接點也已閉合,所以開限機構KX反轉,自動全關。
    由于機組停機狀態存儲位W50.04未置位,故機組仍然與電力系統并列,且冷卻水照常供給,機組即作調相運行,從電力系統吸收有功,通過改變勵磁來調節無功。此時W12.04(導葉全關)閉合、W12.03(DL合閘)也閉合,調相運行狀態存儲位W50.06置位(回路35)并自保持(回路36),同時復位調相啟動狀態存儲位W50.05(回路46),另外點亮調相運行指示燈。
    在調相運行過程中,當轉輪室水位在考慮“風扇效應”的上限值時,上限水位狀態存儲位W14.01置位、動合接點閉合,計時器TIM12啟動,若持續8s(水位不是瞬時上限)則計時器動作并自保持(回路38),經T0012閉合使Y:101.02置位(回路39)而開啟調相主供氣閥,壓縮空氣進入轉輪室,將水位壓低;當轉輪室水位下降至考慮“封水效應”的下限值時,下限水位狀態存儲位W14.02復位、動斷接點閉合,計時器TIM13啟動,若持續2s(不是瞬時)則TIM13動作(回路40),通過T0013(回路43)使Y:101.03置位(回路42)而關閉調相主供氣閥,壓縮空氣即停止進入轉輪室。此后由于壓縮空氣的漏損、“溶解”而逸出,使轉輪室水位又回復到上限值,則又重復上述操作過程。
    轉輪室非密閉容器,為了避免調相給氣閥頻繁起動,與主供氣閥并聯一只小的輔助供氣閥,補氣量接近但略小于漏失量。調相運行期間,Y:101.04置位使輔助供氣閥始終開啟(回路44),以彌補漏損、逸失;調相結束后,Y:101.05置位使輔助供氣閥關閉(回路45)。
    機組由發電運行切換到調相運行的操作程序流程如圖4所示。
    4.4 調相轉發電操作
    調相轉發電操作分解為①調速器KX機構開至空載稍上同時導水葉開至起動開度,是為“充水”過程,之后實質進入發電狀態;②關閉調相主供氣閥和輔助供氣閥,并切除轉輪室水位傳感器及閥門電源;③KX機構開至全開或指定開度,帶上AGC分配的負荷。此三步過程用時應控制在15s左右,利用事故備用機組閑時作調相運行,可補充電力系統無功,系統事故時進行“熱起動”(借用火力發電術語,代指水輪機組由調相轉發電)相比“冷起動”(借用火力發電術語,代指水輪機組由停機轉發電)能更快進入發電狀態,對確保電力系統安全增加了保證,因為這里省掉了同期并網檢測時間和斷路器合閘時間。
    由于機組已處于調相運行狀態,調相運行狀態存儲位W50.06已置位(回路5),故此時可操作開、停機控制開關41SA發出重新開機命令(X:0.00置位),使機組起動狀態存儲位W50.02置位并自保持(回路04、06),同時作用以下各處:
    (1) 使開度限制機構KX正轉,開至起動開度(回路19),Y:100.06置位。之后導葉稍稍開啟使W12.04斷開(回路35),導葉開度接近空載使W14.07又斷開(回路36),結果使調相運行繼電器W50.06復位(回路35),開度限制機構KX自動全開(回路21)。
    調相運行狀態存儲位W50.06復位后,還使Y:101.03(回路42)、Y:101.04(回路45)置位,將調相主供氣閥和輔助供氣閥都關閉。
    (2) 通過W50.02使Y:100.02置位(回路09、08),開停機電磁閥開啟線圈勵磁,重新打開導水葉。
    (3) 通過W12.03(DL合閘)、W50.02(機組啟動繼電器)、W13.04(ZT空載稍上)置位,使Y:101.00置位(回路27),轉速調整機構ZT正轉至空載稍上,機組自動帶上一定負荷。
    這樣,機組即轉為發電方式運行,此時發電運行狀態存儲位W50.03因W12.07(導葉開度空載稍上)的動合接點閉合而置位(回路34),其動斷接點斷開又使機組啟動狀態存儲位W50.02(回路04)的自保持(回路06)解除而復位,另外還點亮中控室發電運行指示燈。
    機組調相轉發電操作程序的流程圖如圖5所示。
    4.5 停機轉調相操作
    停機轉調相操作是停機轉發電和發電轉調相的連續過程,即有存在。執行情況是首先打開導葉至空載、同期并網進入零負荷發電狀態運行,旋即全關KX 機構及導水葉進入壓水調相狀態,此過程用時一般在2min 左右。
    當機組處于開機準備狀態時,操作按鈕使X:0.06(回路47)動合接點接通而發出調相開機命令,調相啟動狀態存儲位W50.05置位并自保持(回路46),使機組啟動狀態存儲位W50.02置位并自保持(回路05、04和06)。此后機組的起動和同期并列這一段自動操作過程與前述停機→發電自動操作過程相同,機組并列后機組啟動繼電器存儲位W50.02復位,通過調相啟動狀態存儲位W50.05(其復歸時間較W50.02稍晚)的動合接點接通和W50.02的動斷接點接通,立即使Y:100.03(回路16、15)置位,開停機電磁閥關閉線圈勵磁并將開度限制機構KX全關(回路23),將導水葉重新關閉,使機組轉入調相運行,調相運行狀態存儲位W50.06置位(回路35)并自保持(回路36),點亮中控室調相運行燈;W50.06的動斷接點斷開(回路46),使調相啟動狀態存儲位W50.05因自保持解除而復位(回路46)。
    調相壓水給氣的自動控制過程與發電轉調相的控制過程相同,此不贅述。
    4.6 調相轉停機操作
    調相轉停機操作是調相轉發電和發電轉停機的連續過程,即有存在。執行時首先放開導葉至空載進入零負荷發電狀態運行,旋即斷路器跳閘、KX機構驅使導葉至全關,按發電轉停機方式實現停機,即所謂“先充水、后停機”,目的是加速調相機的正常停機與事故停機過程,縮短低速惰轉時間,減少推力瓦磨損。此過程耗時一般在2min左右。
    操作開、停機控制開關41SA使X:0.01(回路11)置位發出停機命令,機組停機狀態存儲位W50.04置位并自保持(回路10),接著將開度限制機構KX打開至起動開度(回路19),使機組轉為發電運行。當導水葉開至空載開度時,W14.00斷開(回路36),調相運行狀態存儲位W50.06解除自保持而復位,發電機DL跳閘、W12.03動斷接點接通(回路24、14),開度限制機構KX立即全關(回路23),同時開停機電磁閥關閉線圈勵磁(回路14),將導水葉全關,機組轉速隨即下降,以下過程與發電→停機過程相同。
    5 機組事故保護機故障信號系統
    機組的事故保護及故障信號系統一般包括:水力機械事故保護、緊急事故保護、水力機械故障信號。
    5.1 水力機械事故保護
    如圖14-26所示,機組遇有下列情況之一時,即進行事故停機:
    (1) 推力-上導、下導和水導等軸承過熱(回路55、56、57),機組事故狀態存儲位W50.0置位。
    (2) 調相運行解列:機組作調相運行時,為了防止由于系統電源消失而造成調相機組長時間低轉速旋轉,使軸承損壞,故通常裝設調相解列保護。機組調相運行時,如轉速低于80%額定轉速,則W15.03的動斷接點閉合(回路58),使機組事故狀態存儲位W50.0置位。
    (3) 油壓裝置油壓事故下降:當油壓事故低時,W15.04的動合接點閉合(回路59),使機組事故狀態存儲位W50.00置位。
    (4) 過速限制器動作:機組轉速110%存儲位W14.05、過速限制器(44DP)動作存儲位W15.05動合接點閉合(回路60),使機組事故狀態存儲位W50.00置位。
    (5) 電氣事故:差動保護動作時,保護出口W15.06動合接點閉合(回路61),使機組事故狀態存儲位W50.00置位。
    機組發電運行時,事故停機的引出,除直接作用于開停機電磁閥(回路16)加速停機外,還同時作用于正常停機回路,使機組停機狀態存儲位W50.04置位(回路12),進行正常停機操作。還可發出相應事故音響和燈光信號,以通知運行人員并指出事故性質。
    機組作調相運行時出現事故停機命令,則按調相→停機操作過程進行,首先打開導水葉至空載使機組轉為發電運行,使機組調相運行狀態存儲位W50.06復位,然后再作用于開停機電磁閥和開度限制機構,按發電→停機操作方式停機。
    5.2 緊急事故停機
    機組遇有下列情況之一時,即進行緊急事故停機:
    (1) 機組事故停機過程中剪斷銷剪斷時,由W50.00與W12.06發出緊急事故停機信號(回路65)。
    (2) 機組過速達到140%額定轉速時,W15.07動合接點閉合,發出過速緊急事故停機信號(回路66)。
    緊急事故停機在以上條件下動作,然后作用于關閉蝴蝶閥(或進水口快速閘門),并同時作用于一般事故狀態存儲位W50.00(回路64),按前述事故停機過程停機。此外,亦可通過緊急停機按鈕X:1.04(回路63)進行手動緊急停機;還可通過緊急事故停機按鈕X:1.05(回路67)進行手動緊急事故停機。
    在機組事故狀態存儲位W50.00置位并自保持(回路62)后,直到事故消除并通過復歸按鈕X:1.03手動解除自保持以前,不允許進行開機,即維持停機狀態,以防止事故擴大。
    5.3 水力機械事故障
    機組在運行過程中遇有下列情況之一時,即發出故障音響及燈光信號,通知運行人員,指出故障性質:①上導、推力、下導、下導軸承及發電機熱風溫度過高;②上導、推力、下導、水導油槽油位過高或過低,回油箱油位過高或過低;③漏油箱油位過高;④上導、推力、下導、水導軸承冷卻水中斷;⑤導葉剪斷銷剪斷;⑥開、停機未完成。故障消除后,手動解除故障信號。這部分控制程序非常簡單,讀者可自行擬出。
    
    參考文獻
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    [10]朱文杰.水力發電機組操作自動化分解與PLC控制系統設計.中國水利水電市場[J],2007(11);
    [11]朱文杰.FX3U-PLC控制水輪發電機組.中國水利水電市場[J],2013(04);
    [12]朱文杰.S7-1200型PLC控制水輪發電機組.中國水利水電市場[J],2014(08/09)。
    
    作者簡介
    朱文杰,男,漢族,長沙人,華中理工大學電力工程系畢業(1981-1985年),高級職稱(1999年),中國管理科學研究院研究員(2002年)兼長沙理工大學教授。1985年開始從事了《水電站自動化》、《可編程序控制器》、《電力電子技術》等多門課程的高等教學與研究,開展了新技術在電力系統的應用設計,至2017年初編著十部。
    

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