凤滩水电厂油压装置自动控制系统开发与应用

杨建明

（湖南凤滩水力发电厂，湖南 沅陵 419621）

0 引言

机组油压装置是为水电站水轮发电机组提供动力油源的装置，是水利机械设备的重要组成部分。作为水轮发电机组正常起动、停止、负荷调节、事故等工况下操作设备的操作能源，它的工作品质关系到机组的安全稳定运行。为保证和维护机组操作所需要的工作能力，压力油槽内压缩空气和透平油要适当成比例，压力油槽容积的60%～70%是压缩空气，30%～40%为透平油。因为压缩空气具有良好的弹性，能储存一定的机械能，保证压力油槽在因机组操作等原因油容积减少时仍能维持一定的压力，而不需要频繁启动压油泵。因此，自动可靠地维持压油槽内气与油一定的容积比例，实际上是保证操作能源的可靠和稳定所必须的，是目前水电站实现“少人值守”亟待解决的技术问题。如何安全可靠实现油压装置自动补气功能，是水电厂自动控制的技术难题。

1 油压装置工作的原理

依据帕斯卡定理可知，作为液体的油能够在相通油路的任何一点传递压力。压力油槽内油在油压装置系统内主要功能是作为压力传递的介质，而真正产生压力是来源于压力油槽内的压缩空气。压力油槽内油与气体容积比正常时应维持1：2的水平，这样既可保证压力油槽内空气有足够的压缩空间，又可保证压力油槽内油能满足调速器事故情况下的最大需油量。油压装置用气体方程pV=nRT，式中p 为压强，V 为体积，n 为摩尔数，R 为常量，T 为绝对温度。而n=M/Mmol，M为质量，Mmol 为摩尔质量。由方程pV=nRT 可推出p=nRT/V，从此方程看出，气体的压强与其单位体积内的气体质量成正比。也就是说，油压装置要维持其压力在正常范围，就必须保证在压力油槽容积里有足够的空气质量。如果既要保证压力油槽油压在正常范围，又要维持压力油槽油位在正常范围内保持这种平衡状态，就必须保证压力油槽内空气质量的恒定。事实上，由于压力油槽不是绝对密闭的容器，其内部压缩空气的质量不是恒定的，从而导致压力油槽内油位上升，气体体积缩小才能维持压力油槽的正常油压。

2 油压装置自动补气的原理

从上可知，破坏压力油槽油压与油位平衡关系的是压力油槽内压缩空气质量的变化。影响压力油槽内空气质量变化的主要因素有两点：一、压力容器上的表计、阀门等连接处漏气。二、水轮机组接力器用油带走的空气。事实上，在油压装置投运前，都要做保压试验，就是要检查油压装置是否有漏油漏气现象发生，因此大量漏气现象应很少发生。其次，空气几乎不溶于油，因此接力器用油带走的空气也是很微量的。综合上述，压力油槽内空气质量的减少是一个渐慢的的积累过程。所以，自动补气的目的只是补压力容器的少量漏气和接力器用油带走少量的气，从而维持压力油槽内压缩空气质量的恒定。

3 油压装置自动补气功能的开发

近年来，随着可编程控制器的普遍应用，由PLC 对油压装置进行自动控制成为发展必然。2006年，凤滩电厂决定凭借自己技术力量，开发一套PLC 油压装置自动控制系统，并要求具有自动补气功能。

3.1 机组油压控制装置的组成

控制屏柜：自己组屏（三菱FX－2N/32 可编程及扩展4路AD 输入模块、西门子3R22W 软起动器、24 V 开关电源、24 V欧姆龙继电器、油泵控制转换开关、运行及故障信号灯等）。

压力油槽：配有压力变送器、液位变送器、压力开关、液位开关以及液位指示器。

补气装置：补气电磁阀组B302（西安江河6.3MPa，DC220V）。

3.2 控制系统功能设计

系统采用油压控制为主，辅以油位控制方式。由PLC 根据压力油槽自动化元件所提供的压力、油位信号对油泵、补气电磁阀进行自动控制，实现对压力油槽内的油压、油位保持在正常的范围内。

3.2.1 油压控制功能

油压自动控制采用油压模拟量和开关量两路参与控制，模拟量优先控制的原则，当程序判定模拟量故障时，自动切换到开关量控制。两台油泵通过控制把手切换为自动/手动/停止三种方式运行，其中手动不通过PLC 控制直接启动软起动器运行。两台泵相互自动轮换，一台主用时，另一台自动为备用状态。当主用泵故障或油压降低到备用泵启动值时，备用泵自动投入运行。停泵回路串有高压切泵接点，作为防止停泵接点粘死造成压力油槽过压的一种保护。

3.2.2 补气控制功能

补气控制采用自动和手动运行两种方式，通过控制把手切换为自动/手动/停止三种控制方式运行。其中手动补气时不通过PLC 控制直接启动继电器接通补气电磁阀。自动补气采用油压模拟量和油位模拟量共同参与控制，当任一路模拟量故障时退出自动补气流程。因为根据经验所知油位开关是磁记忆接点，其接点动作不可靠，经常保持不能复归，给自动补气带来隐患。为了防止油泵打油时，压力油槽油位变动快，影响模拟量采样数据的真实性，采取任何一台油泵启动都闭锁自动补气。设置了一个启动自动补气油位定值，具有自保持功能，并串有油位下限开关量，防止补气过多，油位过低。设置了一个复归启动补气油位定值，此定值就是正常油压时的正常油位。当压力油槽油压与高压气系统压差过小时，气体是很难补进压力油槽内；因此设置了一个开始自动补气油压定值，此定值略高于油泵启泵定值0.05 MPa。设置了补气电磁阀每次运行时间不超过10 min，增加补气阀的动作计数功能。即：补气时间若超过10 min，还没有达到补气的停止值，补气阀计数器反转一次，强行断开补气阀电源，直到任何一台油泵曾经启动打油一次，才复归补气阀计数器，这样可有效避免烧坏电磁阀。这样的自动补气设计理念，充分抓住了压力油槽内油位高、油压低，与气源压差较大的最佳补气时机；同时每次启动补气只补一点点气体，而是靠慢慢地多次累积的效果，从而使压力油槽内气体质量恢复到正常数值，这与油压装置为什么需要自动补气的目的相一致，只要补气的速度大于漏气的速度，就一定能使压力油槽油压与油位达到正常水平。

3.2.3 故障报警功能

油压装置控制系统引入了油泵软起动器故障报警功能闭锁油泵启动，油位、油压模拟量故障报警功能，压力油槽油位过高、过低故障报警功能，备用泵启动报警，高压切泵报警，事故低油压报警，开关电源消失等故障报警功能。这些报警信号动作后点亮控制柜信号指示灯，同时报警信号进机组现地LCU单元，在监控系统上位机发报警信息。报警信息动作后具有自保持功能，需要人员在现地控制柜按复归按钮才能解除报警。

4 油压装置自动控制功能的应用

4.1 PLC 控制程序的调试与参数的修改

4.1.1 油压控制程序调试

在现场进行程序调试，油压控制程序分模拟量和开关量两种方式来检查。用排油方式模拟油压降低，检查油泵能否正常启动。模拟量试验时，退出油压开关量启泵接点，排油降低油压，油泵能正常启停。开关量试验时，解开油压变送器接线，模拟量故障报警信号灯亮，然后排油降低油压，油泵能正常启停。工作泵与备用泵轮换正常，各信号灯指示正常。

4.1.2 补气控制程序调试

在现场进行程序调试，用人为手动排气来抬高压力油槽油位达到补气油位，用排油降低油压，启动补气试验。补气电磁阀运行10min 后，通过模拟量检查油压数值，发现没有效果。分析原因主要是气源压力与压力油槽压力之间压差过小，加上补气管道过小几乎很难补气进压力油槽内。经技术可行性分析决定抬高高压气源压力值，将原来高压气机启泵压力值由2.3 MPa修改为2.35 MPa，停泵压力值由2.5 MPa 修改为2.55 MPa。经过抬高气源压力后进行补气试验，发现补气效果还是不明显。考虑到进一步抬高压气源压力会影响到设备的安全运行。经技术可行性分析决定适当降低油泵启动值，同样可以增加补气时压差。决定将模拟量控制时油泵启动值进行修改，而开关量启泵值保持不变，因为模拟量控制更准确，开关量控制存在一定的误差。将原来模拟量启泵压力值由2.3 MPa 修改为2.2 MPa，同时将开始补气油压值由小于2.35MPa 修改为小于2.25MPa。经过修改后进行补气试验，发现补气效果显著，补气10 min 后压力值上升约0.02～0.03MPa。从压力油槽压力值的稍微上升，可以说明压力油槽内空气质量有所增加，这完全达到了增补压力油槽漏气的效果。

4.2 油压装置自动控制系统的运行

由于运行经验的不足，运行过程中出现了老厂1号、4号机补气电磁阀频繁烧坏，事后经过程序检查和原因分析，发现主要的如下三点。

（1）机组压力油槽检修后，运行人员在恢复压力油槽时，没有加入足量气体，致使压力油槽油位在刚投运时就一直处在高油位运行；而完全需要自动补气装置来加入大量的气体。因此在机组检修后，自动补气油位条件满足，每启动一次油泵后且压力降到补气油压下时就会启动补气电磁阀动作一次，油位很难恢复到正常油位；自动补气装置就频繁动作，造成补气电磁阀的烧坏。这完全与自动补气装置只是补压力油槽运行过程中的漏气相违背。

（2）补气油位参数设置的不合理，造成一旦补气油位动作后，就很难恢复到正常油位值。也就是补气启动油位到复归补气油位的这段区间过大，造成补气电磁阀要经过连续多次动作才将压力油槽油位恢复正常水平。

（3）补气电磁阀每次运行时间10 min 可能过长。事后通过修改补气程序将补气时间修改为8 min，减少补气电磁阀线圈每次工作的发热量。

5 结束语

凤滩水电厂油压装置控制系统经改造后投入运行，投运3年多来一直运行可靠、稳定；解决了运行手动调节压力油槽油位的问题，提高了全厂的生产自动化水平，取得了良好的经济效益和社会效益。该控制系统是自主开发创新项目，特别是自动补气控制理念符合压力油槽需补气的客观规律；完全可以作为同类型水电站水轮机组油压装置自动控制系统改造所借鉴和参考。