贯流式水轮发电机组自动控制系统

王 国 清

（哈尔滨电机厂有限责任公司，哈尔滨 150040）

前言

贯流式水轮发电机组自动控制系统，由轴承润滑油装置、高压油顶起装置、制动装置及自动化元件和配套的调速器装置、励磁装置等组成，并与电站其他设备配合实现机组的工况转换。当机组发生故障时能自动发出相应的报警信号(或投入备用设备)，能自动事故停机，以确保机组安全、稳定运行。机组自动控制系统与监控系统控制流程紧密相关的控制单元主要有轴承润滑油、高压油顶起、机组循环水、机组过速保护、主轴密封水、空气围带充气、风机及机舱加热等系统，这些系统工作的可靠性直接关系到机组的安全、稳定运行。

1 轴承润滑油装置组成和控制原理

1.1 组成

轴承润滑油循环系统可分为大循环和小循环两种方式供油，大循环是由高位油箱，低位油箱，油泵控制屏，油管路及自动化元件组成，高位油箱装配有液位信号计，油混水信号器，测温电阻和加热器，高位油箱内储油份4路分别给机组正向推力轴承，反向推力轴承，发电机导轴承，水轮机导轴承供油，低位油箱装配有液位信号计，油混水信号器，电机油泵，测温电阻和加热器，低位油箱功能是给高位油箱注油，接收各轴承润滑油回油。油管路在低位油箱到高位油箱管路上装有过滤器，冷却器，流量计和压力开关，高位油箱到各轴承管路上装有电动球阀，手动节流阀和流量计，在轴承到回油箱管路上装有流量计，小循环润滑油不通过高位油箱，直接由低位油箱上的油泵给机组各轴承供润滑油。

1.2 控制原理

高位油箱设置4个油位，高位报警油位，正常工作油位，低位报警油位，紧急停机油位，由液位信号计监控输出油位信号，在高位报警油位以上停主用油泵，在正常工作油位以下启动主用泵，以上停备用油泵，在低位报警油位以下启动备用油泵，在紧急停机油位以下机组停机。

机组运行前，首先打开电动球阀向各轴承投入润滑油，启动主用泵向高位油箱注油，在高位油箱设置溢流管道，溢流面略高于油位正常工作油位，低于高位报警油位。当主用轴承油泵投入而油压过低，说明主用轴承油泵有故障，须及时投入备用轴承油泵，保证机组润滑油供应正常。在满足上述要求后，就能设计出比较合理的高位油箱油位及轴承油泵的控制方式。在机组正常运行时，不间断运行主用轴承油泵供油，使高位油箱油位控制在溢流面与正常油位之间若油泵均正常，而是由于其他特殊故障的原因使高位油箱油位低于报警油位，则启动备用油泵，并保持2台轴承油泵同时工作，直至油位达到正常油位才停备用油泵，而主用油泵继续运行。在机组停机状态时，高位油箱油位低于报警油位，启动备用油泵，直到油位达到正常油位才停备用油泵，使高位油箱油位控制在油位下限与正常油位之间。

随着自动化控制元件的发展，润滑油泵控制屏采用可编程逻辑控制器(PLC)作为核心控制元件，即减轻监控系统负担、又优化系统设计，润滑油泵控制屏PLC接受监控系统开机令/停机令后，执行其相应的控制方式。在PLC中编制油泵运行轮换程序，当油泵每一轮运行完毕后，均自动切换主备用状态，使2台油泵能均衡工作。机组运行时，备用轴承油泵启动后，立即切换主备用状态，可保证在特殊故障情况下备用轴承油泵由2台油泵轮流充当，延长其启停间隔，机组停机复归时，切换2台轴承油泵的主备用状态，保证机组正常运行完毕后，在下一轮能换另一台轴承油泵工作。机组停机状态时，备用油泵启停1次，才切换2台轴承油泵的主备用状态，在机组长时间运行时，根据泵的累计运行时间自动切换油泵或人为手动切换油泵。停机状态最多只有1台油泵工作。

1.3 润滑油流量监控

贯流式机组由于结构特殊，必须有一循环系统为水导轴承、发导轴承、正反推力轴承提供足够的润滑油，并保证热交换正常进行。传统的润滑油流量计安装在各轴承的进口处，运行实践证明，这样的安装方式常会因为润滑油系统漏油或轴承油箱未充满油而导致无润滑油开机烧瓦事故。正确的安装方式是将油流量计安装在各轴承的出口处，这样可有效地防止无润滑油开机事故的发生，安装位置选择在轴承润滑油出口管路水平段靠近低位油箱的位置。润滑油流量信号参与机组开机回路、事故停机回路及事故报警回路，当机组有开机令，油阀打开，各轴承流量达到开机流量，在其他开机条件满足时立即开启调速器，机组转速上升，在机组转速上升到额定转速之前，流量信号只指示不报警，事故停机回路不动作。在机组达到额定转速之后，当流量信号低于报警流量、高于事故流量时，只报警但事故停机回路不动作，当该流量信号低于事故流量时，立即报警且事故停机回路动作关机，在润滑油完全中断前及时事故停机。在停机状态时，油阀关闭，该流量信号只指示不报警，事故停机回路不动作。

1.4 润滑油开机流量的控制

机组开机准备时，润滑油流量正常，当机组开始转动时，润滑油出口流量瞬间的波动较大，使流量信号输出瞬间小于停机流量，而机组在50% 额定转速以上运行时，润滑油流量稳定。因此在现地控制单元(LCU)控制程序中对润滑油流量信号作出特殊处理，在机组开始转动至 80%额定转速的过程中，润滑油流量连续 10s小于停机流量时才发事故停机令，而机组在其他运行状态时，润滑油流量瞬间小于停机流量即发停机令。这样，既能保证机组正常开机，又确保机组安全运行，这在监控系统程序设计中非常重要。

2 高压油顶起控制系统

2.1 控制原理

贯流式机组高压油顶起系统主要是确保在机组启动和停机过程的低转速区机组轴瓦能建立保护油膜。贯流式机组的额定转速低，转动惯量小，机组启动和停机过程短，转速变化快。高压油顶起油泵离机组轴承较远，高压油顶起建压有一定的延时。为充分发挥高压油顶起系统的作用，提高机组运行的可靠性，高压油顶起系统通常安装有2台高压油泵，一台主用，一台备用。高压油泵的自动开/停由高压油顶起控制箱PLC程序控制，在PLC程序中编制油泵运行轮换程序，当主用泵启动30s后，在3种情况下启动备用油泵，①.拱起压力开关没有动作时，②.拱起压力开关没有复位，③.低于泄流压力的压力开关复位，任一种情况发生后立即启动备用泵。机组在开机准备时投入高压油顶起，压力开关依次动作后，拱起压力开关和高于泄流压力的压力开关复位，判为高压油顶起正常。以此作为机组开启的必要条件，直至额定转速停止高压油顶起。正常停机时，接到停机命令后立即投入高压油顶起，压力开关依次动作后，拱起压力开关和高于泄流压力的压力开关复位，判为高压油顶起正常。调速器动作关闭，直至机组完全停止转动并延时3min后退出高压油顶起，否则退出正常停机过程（事故停机除外），退出高压油顶起，确保无高压油顶起不正常停机，提高机组安全系数，事故停机时不论任何情况(低于90%额定转速)立即投入高压油顶起，保持至机组完全停止转动并延时3min后退出高压油顶起。机组停机时高压油顶起即时投入，可以克服因贯流式机组从 90%额定转速至低转速区时，由于时间很短而引起的不安全因素，特别对因润滑油中断引起的事故停机大有好处，尽可能降低对轴承的损伤。

2.2 压力监控

机组高压油顶起压力开关在传统设计中的整定，是以机组静止时高压油拱起的压力和泄流压力作为依据。运行实践表明，贯流式机组在开停机过程中发导、水导高压油顶起分管有不同的高压油顶起压力，机组停机过程中高压油顶起启动后，顶起压力往往达不到开机时的压力定值，因此按照该顶起压力进行整定是不能满足要求的，常导致开/停机不成功，有必要对开停机过程中高压油顶起的总管和分管的压力分别进行监视，在高压油顶起控制箱PLC接受压力开关信号根据开/停机状态分别判断，确保开/停机过程中高压油能正常顶起。选择具有2组整定值及开关接点输出的压力开关就能满足上述要求。机组运行证明，2组整定值的控制方式提高了高压油顶起动作的可靠性及机组开/停机的成功率。

3 冷却水泵控制系统

贯流式机组因其结构的特殊性，其冷却是通过冷却水管路中的循环水在发电机的空气冷却器及油冷却器中进行热交换，再通过机组冷却套进行热量交换，从而达到发电机及机组润滑油系统冷却的目的，因此冷却水泵的正常工作对保证冷却水的正常循环、保证机组的冷却效果非常重要。循环水中损失的部分由冷却水系统的均衡水箱补充。通常配置2台循环水泵，一主、一备，循环水流采用流量计(模拟量)和示流信号器(开关量)2种检测方式，控制程序以模拟量信号为主，开关量为辅的冗余信号进行控制，当流量计故障时可自动切换至开关量控制方式，保证冷却水泵可靠运转。冷却水泵的切换有 3种方式：①当开机无冷却水时经延时启动备用泵，②根据泵的累计运行时间自动切换，③人为手动切换。

4 机组过速保护系统

由机械液压过速保护装置或机械过速开关，电气过速信号及过速限制器组成的防止机组过速（飞逸）的保护系统。过速限制器由事故配压阀、电磁换向阀及油阀组成（或集成）的，在机组过速时，用来迅速切换油路——封闭来自调速器主配压阀的油路、将接力器关闭腔直接连通压力油，而将接力器开启腔接通回油的切换装置。机组过速保护系统标准设计选用三级过速保护，第一级过速保护；当机组转速上升到115%额定转速，又遇到调速器失控(主配拒动)、电动控制过速限制器动作，机组停机，第二级过速保护；当机组转速上升到145%额定转速，电动控制过速限制器动作，机组停机，第三级过速保护；当机组转速上升到160%额定转速，机械液压过速保护器动作通过高压回路控制过速限制器联动，机组停机。

5 机组制动系统

贯流式机组制动系统的控制原理及控制过程。当机组接到开机令时，机组复归腔电磁阀的投入线圈、制动腔电磁阀的退出线圈同时得电，制动器复归腔接压力气源，保证机组开机运行过程中制动器在复归位置。当机组停机，导叶全关，转速降至 30%额定转速时，机械制动投入，机组制动腔电磁阀的投入线圈、复归腔电磁阀的退出线圈同时得电，制动器制动腔接压力气源，制动器在制动位置，机组制动。制动腔、复归腔电接点压力表常开接点与制动器投入复归行程开关组合判断，即可准确反映每个制动器工作是否正常。值得注意的是，常规设计是在机组停机制动完毕，且机组无事故的情况下，制动系统会使制动器复归腔电磁阀的退出线圈、制动腔电磁阀的退出线圈同时得电，使制动器复归。运行实践表明，这样的设计存在着安全隐患，由于贯流式机组额定转速低，转动惯量小，导叶稍有漏水即可使机组蠕动，若机组制动不长期投入，极可能导致烧瓦事故，因此在机组蠕动保护不可靠或不完善的情况下，机组的制动系统还是停机后长期投入为好。

6 机组加热器、除湿器控制

为防止机组轴承润滑油温度过低，在轴承回油箱、高位油箱设有加热器。机组运行时退出加热器，机组停机状态，温度过低时加热，温度过高则停止加热。加热器的控制也可手动进行。为保证机组发电机能在干燥的环境中运行，灯泡头设有除湿器。机组处于停机状态时，除湿器投入，机组处于开机状态时，除湿器退出。其控制也可手动进行。

7 机组冷却风机的自动控制

机组运行时投入冷却风机，机组停机完成时延时退出冷却风机，6路冷却风机对称分2路控制。正常时全部投入，并可以根据实际情况灵活控制。

8 其他辅助系统

其他辅助系统如主轴密封水、空气围带、锁锭等控制系统设计与立式机组基本一致。需要注意的是，主轴密封水供水管路上宜设置工作可靠性较高的电磁流量计，代替通常使用的示流信号器，便于监视密封水流量，监控系统能将流量分为机组开机启动流量、报警流量(投入备用密封水)及停机流量。这对提高密封水监视的可靠性有重要意义。

9 结语

通过深入分析贯流式机组自动化系统中出现的问题以及经过大量的现场试验，我们采用国内外先进技术（用PLC控制油泵运行及信息处理，实现智能控制）和国内尚未使用过的技术（机组开停机高压油顶起压力信号分别检测和处理），对原机组自动化系统的设计进行了必要的改进。这些新技术的应用，提高了机组开/停机成功率，有效地遏制了因机组自动化元件误动而导致的非正常停机，对电站水轮机组的稳定，经济运行和维修，维护提供了重要保证。