供水电站调速器油泵控制系统升级改造——以萍乡市山口岩供水电站为例

陈沛东

供水电站调速器油泵控制系统升级改造——以萍乡市山口岩供水电站为例

陈沛东

（萍乡市山口岩水利枢纽管理中心，江西 萍乡 337000）

山口岩供水电站是尾水高程高于进水口高程的特殊水电站，调速器油泵控制系统是实现供水的重要系统。目前调速器属于第一代产品，故障率较高，且电接点压力表接触不好，甚至出现卡表现象，已经无法满足当前电站继电保护系统的要求。在多次更换电接点压力表后，得出结论：主要原因是调速器油泵控制系统中的控制电流过大，监控范围过小。为了提高油压监测和运行的可靠性，采用稳定、安全的小电流电源作为整个系统的控制电源，并设置分段检测区域。在充分利用原厂家设计的基础上，增加了一套油压监测保护系统和光电报警系统。通过新增加的保护系统和报警系统，优化了油泵控制系统的局限性，消除了原系统调节不灵敏、正常工作油压下不及时泵油、多误报警等安全隐患，确保了油泵控制系统的准确运行。

水电站；调速器；技术改造；安全运行

1 电站简介

2 调速器系统的主要功能结构

调速器具备正常运行、故障运行及紧急停机功能[1]。采用PLC+电液随动系统的系统结构，调节运算功能由PLC完成，电液随动系统实现功率放大，推动接力器调大或小，从而调节机组频率和负荷。其中电液随动系统由微机控制器、比例数字阀、接力器、位移传感器构成。在调速器的电液压随动系统中，油压装置是提供调速器及主阀操作能源的设备，要求其要有足够的容量、可靠的压力和清洁的油质[3]。由于机组导叶较多，且机组导叶长期受水流冲击受压不平衡，故调速器在调整机组导叶开度时需要很大的推力；在运行中，需要保持一定的工作油压来稳定机组的导叶开度（无须外部调节），然后根据电站的工程设计，一般采用调速器液压油来控制导叶开度。此外，为了避免调速器油泵控制系统中的精密部件（单向阀、电磁阀等）和油管堵塞，必须保持液压油的油质清洁。

3 调速器油泵控制系统的工作原理

油泵控制系统的正常工作油压范围为14～16MPa。当油压低至14MPa时，电接点压力表下限接点接通，油泵电机接触器闭合，油泵开始泵油。当油压升至16MPa时，电接点压力表上限接点接通，控制油泵电机接触器断开，油泵停止泵油。当泵油系统出现问题，油压低至12.5MPa时，调速器发出油压低报警信号。当继续降至12MPa时，调速器将发出事故低油压报警信号，并启动紧急停机保护功能。调速器紧急停机保护功能是电站自控系统继电保护的重要组成部分，是机组保护停机的条件之一。因此，当调速器启动紧急停机保护功能时，水轮发电机组同时启动紧急停机保护，机组出口断路器跳闸（与电网分离），励磁系统跳闸断电（使机组不带电）全关机组进水蝶阀（关闭机组进水）和全关机组导叶开度（降速至0 r/s），确保整个机组停止运行，以保护人员和设备的安全。

4 调速器油泵控制系统存在的问题

4.1 调速器油泵不泵油

由于调速器控制系统油压监测范围小，系统不灵敏，不能及时响应，精确控制油泵的启停。当油泵不泵油时，调速器油压会随着调节导叶开度时所消耗的油压而逐渐降低，导致工作油压不足，无法在随后的导叶开度过程中调节接力器的伸缩，从而失去实时调节能力，这是调节系统的重大安全隐患。因为工作油压也是机组停机过程的重要组成部分。系统失去油压后，在紧急情况下，当调速器启动急停保护时，由于调速器油泵不泵油，导叶的开度不能迅速减小，转速不会立即降到安全范围。在严重情况下，机组将发生危险的飞车事故。此时，必须立即手动泵油，以增加油压来控制调速器导叶，将开度降低到安全转速范围。如有必要，还需要手动启动调速器的机械制动装置，以控制机组转速再次降低或关闭机组。手动泵油耗费大量人力和时间（约20分钟），效率低，且机组运行速度快，对厂内设备和值班人员构成安全威胁；此外，如果同时发生手动泵油时，油路故障或操纵杆损坏，导叶开度无法实时控制，机组转速处于不稳定状态，旋转不规则或抖动，容易出现高速和低速两种极端情况。高速（>1000r/s）是对人员和设备的重大安全隐患；在低速（<300r/s）下，它会永久性地损坏机组的性能，并且容易损坏机组的内部器件。

4.2 调速器泵油不停止

由于油泵控制电源电流过大，控制箱内的继电器、单向阀等精密装置长时间处于大电流状态，其装置触点容易发热，导致吸合不分离，功能丧失，甚至烧毁。一旦吸合，油泵将不会停止，因此油泵控制系统也将失去自动控制功能。此时需要手动调整油泵的启停，这将失去调整的准确性和及时性，增加工作强度。

4.3 调速器油压过低时，油泵控制系统不报警

调速器油压报警监控信号区域狭窄，导致控制系统无法及时判断，控制能力降低。调速器油压过低时，调速器油泵控制系统不报警，油泵不及时泵油，导致调速器油压失压，无法实时调整导叶开度值（即当前发电负荷和水量），影响电站和供水安全。此时，只有通过多次人工巡查和手动启动油泵，才能将油压保持在正常油压范围内，这种情况下也需要大量人力和时间，不利于电站的安全生产运行，也不利于电站经济效益的提升。

5 调速器油泵控制系统升级改造

5.1 新型调速器油泵控制系统的设计思路

根据调速器原油泵控制系统存在的问题及其现有功能，在不干扰原系统功能的情况下，增加了一个额外的油泵控制系统和一个油压报警系统。新系统的压力设定需要避免开原系统压力的设定值。在原系统中，调速器油泵控制系统的正常工作压力为14MPa至16MPa，新油泵系统的工作油压设定为13.5MPa至16MPa，即当油压降至13.5MPa时，新油泵控制系统可以控制油泵泵油，与原系统没有冲突，当原系统不泵油（油压<14MPa）时，新系统及时泵油。原系统设置12.5MPa为低油压报警信号，新油压报警系统信号设置为13MPa，提高了报警油压值，可实新系统现优先报警。同时，还可以保证当新的报警系统信号失效时，可以启用原系统的低油压报警信号和事故低油压报警信号及功能。（设计思路见图1）

图1 设计思路图

如图1所示，当油压低至13.5MPa时，原油泵控制系统不动作，即无法泵油。此时，新的油泵控制系统开始泵油，整个油泵系统工作正常；当油压持续下降至13MPa时，新增的非接触式报警系统开始报警，并提示值班人员及时处理故障；当油压低至12.5MPa时，原报警系统开始报警，提醒值班人员处理故障；当油压低至12MPa时，判断原油压控制系统发生事故并启动紧急停机保护。

5.2 新调速器油泵控制系统的改造过程

根据设计思路，原调速器油泵控制系统（如图2）存在缺陷，为提高系统的可靠性。在原调速器控制箱上安装一个新的控制箱，并将两块新的电接点压力表连接到24V DC系统。其主要分为两部分：第一部分是在原油泵控制系统中增加一套电路控制系统。具体操作如下：首先从原系统中取出一相220V AC，然后用整流器和变压器将其转换为24V DC系统，设置其中一块新的电接点压力表，将新表的上限值调整为16MPa，将新电接点压力表的下限触点设置为13.5MPa；其次将新电接点压力表的上限触点（KP2）连接到第二个继电器（K2）的线圈上，将该继电器的常闭触点与新电接点压力表的下限触点（KP1）连接，然后通过第一个继电器（K1）的线圈；再次将第一个继电器的常开触点连接到由油泵电机控制的接触器（KM）线圈，以控制油泵电机的启动和停止；最后控制油泵启停的接触器（KM）的常开点与新电接点压力表的下限触点、报警系统的串联电路和备用泵的运行指示灯并联，实现低油压调速器报警，启动电机油泵。第二部分是在原油泵控制系统中加装和设置一套新警告系统。改造另一块新增加的电接点压力表，连接到槽式光耦系统，将光耦光源部分的感应信号带到电接点压力表的13MPa油压位置点，并将光接收装置与无线发射报警装置连接。当油压指针超过13MPa时，光耦发光部分开启，光接收装置接收光信号，与之相连的无线发射报警装置开启，报警信号发送至后台监控系统的接收装置，实现及时报警提醒功能。（新增油泵控制系统示意图见图3，新增报警系统示意图见图4。注意事项：油压达到正常范围后，将电源送至光耦系统，否则报警继续。只有在切断电源且油压同时满足13MPa以上两个条件时，才能解除报警。）

如图2所示，在工作状态下，QF2闭合，H1灯亮。当油压低至14MPa时，电接点压力表下限KP1接通，继电器K线圈通电，K常开位置闭合，K常闭位置分离，KM线圈通电，油泵电机启动泵加油。当油压达到16MPa时，KP2接通，KP1分离，继电器K线圈断电，K常开点分离，常闭点闭合，KM线圈断电，油泵电机停泵。但是，如果出现KP1无法分开，泵油不会停止；当KP1无法闭合时，油泵不会启动，因此控制系统存在故障。

图2 原调速器油泵控制系统原理

如图3所示，在正常运行期间，QS、QF1和QF2闭合，工作电源指示灯H1始终亮起。

当油压达到或低于13.5MPa时，KP1电接点压力表下限接点闭合，中间继电器K1线圈通电，中间继电器K1常开接点闭合，接触器KM线圈通电，接触器KM常开接点闭合，油泵电机通电开始泵油。同时，低油压报警灯H2亮，无线扬声器报警装置HE通电报警。当油压达到或超过16MPa时，KP2电接点压力表上限接点闭合，中间继电器K2线圈通电，中间继电器K2常闭接点断开，中间继电器K1线圈断电，中间继电器K1常开接点断开，接触器KM线圈断电，接触器KM常开触点分离，低油压报警灯H2熄灭，无线音频报警装置HE停止报警，同时油泵停止泵油。

图3 新增油泵控制系统原理图

如图4所示，光电报警系统的工作原理如下：QF1、QF4和QF5闭合。当油压下降，油压表指针通过槽式光耦时，光耦的光源部分4-4从on变为off，三极管G断开，场效应管KG接通，继电器C线圈通电，C1-1常开保持触点拉入，c1-2常开触点闭合，无线发射器通电并向发送报警信号，接收设备接收信号，控制继电器K的线圈通电，继电器K的常开触点闭合，报警喇叭鸣响。当油压达到正常范围时，在复位过程中分离QF4。

注意事项：QF4和QF5必须在油压达到正常范围（14MPa～16MPa）后才能闭合。在油压从低到高的过程中，不能先闭合，以免油压表通过槽式光耦引起误报警。由于光耦取的信号点为油压13MPa位置信号，当指针表通过13MPa时，光耦动作。复位过程中，需要分离QF4，断开继电器C线圈，分离C1-1和C1-2的常开点，报警消失。

图4 新增报警系统原理图

5.3 调速器油泵控制系统改造后的试验方法

新油泵控制系统试验：调速器压力释放后，闭合断路器QS、QF1和QF2，使系统通电。调速器油泵应正常启动，停泵至16MPa。

新报警系统测试：检查无线报警发送系统和接收系统是否通电（电源指示灯LED亮）。

方法一：打开调速器的泄压阀。当油压低至报警设定油压时，报警系统报警；

方法二：找到改装后的电接点压力表，调整槽光耦，通过压力表指针上的光障，启动报警。

（注：以上试验只能在水轮发电机组停机时进行。）

改造完成后，进行静态调试：检查电路，接通电源。当机组进水管蝶阀开度和机组导叶关闭时，选择手动操作模式，用针形工具握住控制阀门开度的单向电磁阀，直接连接单向阀回路（类似于将信号直接连接到图3中的KP1，启动油泵泵油），使油压向上推动接力器，打开液压伸缩臂，将导叶开口从0打开至100，观察油压值，各运行指示器指示正确[2]。当油压低至13.5MPa时，油泵自动启动泵油，当油压达到16MPa时，油泵自动停止泵油。

动态调试：机组充满水后，选择手动操作模式。机组旋转后，频率逐渐增加，稳定在50Hz后，转为空转，再转为空载，再转为并网发电模式，再转为自动远控[2]。如果调速器在后台通过调节负荷（发电机出水）控制导叶开度，现场油泵控制系统按设计要求启停和报警，则动态试验成功。

6 结论

通过对原油泵控制系统的升级改造，拓宽了油压监测范围和系统控制范围，消除了油泵低油压不泵油、泵油不停止、低油压不报警等隐患。同时，在以下三个方面进行了明显的优化：第一，在无人为操作的情况下，泵油的时间间隔从2～5min延长到30min；第二，在远程调节控制的反馈时间上，从改造前的接受指令操作后3分钟，提升至调节操作后10秒有响应和调节反馈显示；第三，在调速器油泵控制系统的报警和动作方面，消除了改造前在工作油压下多次误报警的现象，以及在低油压下只报警不泵油的安全隐患。

综上所述，新增系统改造简单、周期短、见效快，提高了调速器对负荷增减的灵敏度；开度控制、油压控制和信号传输能力更强，运行更稳定可靠，既保证了电能质量，又消除了原装置的安全隐患，达到了预期目的。此次电站调速器的成功升级，为其他电气自动化控制设备的升级和优化积累了宝贵经验，为电站自动化监测的技术改造奠定了坚实的技术基础。

[1] 肖海峰, 龙周光. 白云山水电站调速器的技术改造[J]. 黑龙江科技信息，2009（29）: 13.

[2] 金培军. 水电站调速装置的技术改造[J]. 农村电气化, 2005（5）: 61–62.

[3] 单文培, 刘孟桦, 洪余和. 水轮发电机组及辅助设备运行与维修: 第1版[M]. 北京：中国水利水电出版社，2005.

Upgrade of Governor Oil Pump Control System in Hydropower Station——A Case Study of Pingxiang Shankouyan Hydropower Station

CHEN Pei-dong

(Shankouyan Water Supply Station, Pingxiang, Jiangxi 33700, China)

Shankouyan hydropower station is a special power station whose tail water elevation is higher than the inlet elevation. To accomplish its main task: water supply, the unit water output (i.e. power generation load) should be adjusted frequently by opening the turbine guide vane in time through the governor, which leads to the frequent work of the governor oil pump control system. As a first-generation product, the current governor has been unable to meet the current requirements of the power station relay protection system since its fault rate is increasing, the pressure gauge of electrical contact is not good, and even gets stuck occasionally. After repeatedly replacing the electrical contact pressure gauge, it was concluded that the main reason is the control current in the governor oil pump control system is too large while the monitoring range is too small. In order to improve the monitoring and operation reliability of oil pressure, a stable and safe small-current power supply is used as the control power for the entire system, and a segmented inspection area is set. By making full use of the original manufacturer's design, an oil pressure monitoring and protection system and photoelectric alarm system are added. Through the newly added protection system and alarm system, the limitations of the oil pump control system are optimized and the potential rish such as insensitive regulation of the original system, untimely pumping under normal working oil pressure and multiple false alarms are eliminated to ensure the accurate operation of the oil pump control system.

hydropower station; governor; technical transformation; safe operation

TV734.4

A

2095-9249（2021）06-0040-05

2021-012-08

陈沛东（1991—），男，江西萍乡人，工程师，研究方向：自动控制系统与技术。

〔责任编校：王中兰〕