沙坪二级电站灯泡贯流式机组自动化系统设计

李 娜，冯 英

(东方电气集团东方电机有限公司，四川德阳 618000)



沙坪二级电站灯泡贯流式机组自动化系统设计

李 娜，冯 英

(东方电气集团东方电机有限公司，四川德阳 618000)

文章对东方电机设计的沙坪二级水轮发电机组油、气、水系统的自动化配置及控制原理进行了介绍，通过对机组关键部位的监测及控制，确保机组安全可靠的运行。

沙坪二级电站；贯流式；机组自动化系统；设计

0 引言

沙坪二级水电站位于四川省乐山市峨边彝族自治县和金口河区境内，是大渡河规划的22个阶梯水电站中的第20级沙坪梯级水电站的第二级。电站不承担防洪、通航、灌溉供水等任务，主要任务为发电。电站共有6台水轮发电机组，单机容量58 MW，总装机容量348 MW， 额定水头14.3 m，额定转速88.2 r/min，是目前国内单机容量最大的灯泡贯流式水轮发电机组。电站6台水轮发电机组及机组自动化系统全部由东方电机设计、制造。

1 机组自动化系统介绍

根据灯泡贯流式机组的结构、运行特点及控制要求，机组自动化系统主要分为油、气、水三大系统及其它温度、转速、状态监测、消防等辅助监视控制系统。本文仅对机组油、气、水系统做相应的介绍。

1.1 油系统

机组油系统主要包括轴承润滑油供排油系统、轴承高压减载系统、轮毂补油系统和集油系统这四大部分，由高低压稀油站、高位油箱、高位轮毂油箱、机组集油箱、管路及相关的自动化元件等组成。实现对油系统液位、温度、流量、压力等实时监测、报警及控制。油系统自动化配置如图1所示。

1) 轴承润滑油供排油系统

轴承润滑油供排油系统由机组高低压稀油站、高位油箱、机组组合轴承、水导轴承及之间相连的管路组成一个闭合循环回路，用于机组轴承润滑油供排油及收纳高位油箱的溢油。高低压稀油站则将低位油箱、油冷却器、油过滤器、低压供油泵组、高压油减载装置、自动化元件等部件集成在一起。

高低压稀油站的低压供油泵组设置了2台轴承润滑油循环泵(一主一备)，保证向高位油箱进行不间断供油。为防止油内污渍及杂质进入轴瓦，在油泵管路上装设了双联油过滤器，当杂质过多发生堵塞时，差压开关发出报警，提示运行人员切换滤筒并清洗堵塞的滤芯。在轴承润滑油供油管路上设置电动球阀、流量开关、挡板式流量计、压力开关来实现轴承润滑油供排油系统的自动开启和关闭。为监测油站内油位情况，在油站侧面装设了带磁性开关的磁翻板液位计和油位变送器。为防止油冷却器冷却水渗漏至油站，在油站底部装设有油混水信号器。为降低冬天低温状态下轴承润滑油的粘度，在油站内设置了3个电加热器，当油温低于下限整定值时，自动投入电加热器，对其进行加热。

高位油箱放置在电站550.0 m高程，利用与机组轴承之间的高程落差，以重力自流方式向机组轴承供油，润滑、冷却运行中的轴瓦。由于本电站轴承润滑油采用喷淋式方式，轴承内无存油，一旦润滑油断流，轴瓦与主轴之间无油膜，出现干摩擦，导致烧瓦。因此在高位油箱侧面装设了带磁性开关的磁翻板液位计和油位变送器，输出液位位置的开关量报警信号和模拟量信号送至机组监测系统和机组轴承油系统控制柜。该油箱同时也设置了油混水信号器和3个电加热器用于油箱中油混水和油温监视控制。

1.磁翻板液位计；2.液位变送器；3.油混水信号器；4.加热器；5.温度计；6.电动阀；7.流量开关；8.流量计；9.压力表；10.压力开关；11.过滤器图1 机组油系统自动化配置图

2) 轴承高压减载系统

轴承高压减载系统负责在机组启动和停机过程中，向发电机组合轴承和水导轴承提供高压油源，以便顶起整个旋转轴系，利于轴瓦油膜的生成，保护轴瓦在低速状态下不被烧毁。该系统配置有2台高压油泵(一主一备)，并在每个轴承高压油供油管上装设了压力表和压力开关。

整个轴承高压减载装置集成在高低压稀油站。

3) 轮毂补油系统

高位轮毂油箱用于转轮轮毂保压及密封，分别设置液位位置的开关量报警信号和模拟量信号。如开关发出油位低或过低信号，则水轮机转轮体内可能存在漏油故障，需从调速器压力油管减压后给高位轮毂油箱补油。

4) 集油系统

机组集油箱用于收集机组接力器回油和受油器的漏油，配置有2台油泵(一主一备)，向调速器回油箱打油。设置了液位位置的开关量报警信号和模拟量信号送至机组轴承油系统控制柜。当油位下降至低油位时，启动主用泵；当油位下降至过低油位时，停止主用泵；当油位上升至高液位时，启动备用泵。

上述油系统中所有辅助设备的控制均由机组轴承油系统现场控制柜集中控制。

1.2 气系统

机组低压气系统主要包括发电机机械制动系统和水轮机检修密封系统两部分，气源取自电站公用气系统提供的0.5～0.8 MPa压缩空气。 气系统自动化元件配置如图2所示。

1) 机组机械制动系统

机组机械制动系统由制动闸、制动控制系统、管路及相关的自动化元件组成。机组机械制动系统是水轮发电机组最重要控制系统之一，是否可靠，便于操作，将直接影响到机组的开机、停机过程。

长期以来，制动控制系统的全部元器件组装在一个柜体中， 简称制动柜。老式分离元件式的制动控制系统，存在管路多、阀门多、接头多、容易泄漏，检修、更换不方便等诸多问题。本电站采用了我公司最新研发的集成式机组制动控制单元，全部控制器件集成在一起。新型的集成式机组制动控制单元操作简单，手动、自动功能齐全，管路少 ，阀门少，泄漏点少，且能将配置的压力变送器、压力开关、压力表全部直接安装在本体上，对制动气源、制动腔和复位腔的压力进行监控，并发出开关量报警信号和模拟量信号供监控系统。整个制动柜布局简洁、美观，操作方便、简单，电站运行人员易上手。

1.过滤器；2.压力表；3.压力变送器；4.压力开关；5.电磁阀图2 机组气系统自动化配置图

为了监控机组制动闸位置状态，每个制动闸上腔和下腔均配有一个位置监测开关。只有当闸块都可靠复位，监控系统收到每个闸块复位位置开关的动作信号后才能正常开机。

2) 水轮机检修密封系统

本电站水轮机主轴检修密封采用加压式实心空气围带的结构，是一种新型的检修密封结构。传统的主轴检修密封为空心橡胶的空气围带结构，其缺点是橡胶压制件的截面尺寸不易保证，进气咀及围带容易漏气，橡胶易老化，围带充气后不能与主轴充分“抱紧”，密封效果差，且围带放气后不能有效回弹，造成空气围带磨损失效等。采用加压式空气围带，其结构简单，安装方便，进气咀与围带分开，不容易产生漏气问题。

每台机组设置一套现场安装的集成式实心围带控制装置用于围带的充气、排气控制。本控制装置同样具有操作简单，阀门少，泄漏少的特点和手动、自动控制的功能。配置的压力开关、压力表全部直接安装在本体上，对气源和围带压力进行监控，发出开关量报警信号到监控系统。由于其结构精简，体积小巧，便于现场安装、布置。

1.3 水系统

机组水系统主要包括机组冷却水系统和水轮机主轴密封水系统两部分，供水设备由电站公用系统提供。水系统自动化元件配置如图3所示。

1) 机组冷却水系统

机组冷却水系统分别向发电机冷却系统和轴承润滑油冷却系统提供冷却水，并在机组冷却水进水总管路上设有电动阀、压力开关、压力变送器、压力表、流量计等自动化元件。机组下达开机令后，电动阀开启，并自动监视冷却水流量和水压，当出现异常时，能发出报警信号到机组监控系统。

发电机冷却系统采用一次水循环直接冷却方式，通风系统采用密闭强迫自循环混合方式，发电机冷却及通风系统由轴流风机、空气冷却器、管路及相关自动化元件等组成。在发电机的上游侧设置有8个轴流风机，将由8个空冷器冷却水冷却后的冷风加压后进入发电机，形成循环风路，达到对发电机定转子冷却降温的目的。机组开机时，投入轴流风机，风机的控制由机组辅助设备集中控制，当机组在运行过程中，如果有2台风机同时退出运行，需启动机组事故停机。同时在空冷器冷却水管路上设置流量开关用于冷却水流量监视。

1.电动阀；2.压力开关；3.压力表；4.压力变送器；5.流量计；6.流量开关；7.过滤器；8.压力调节阀；9.电磁阀图3 机组水系统自动化配置图

轴承润滑油冷却水系统由油冷却器、管路及相关自动化元件组成，集成在机组高低压稀油站上，保证润滑油和轴承温度在规定的范围内运行。在润滑油冷却水进水管路上设置电动阀和压力开关，排水管路上设置流量开关和流量计，冷却器冷却水的通断由电动阀控制。

2) 水轮机主轴密封水系统

水轮机主轴密封采用盘根径向密封和水压端面密封组合的结构形式。主轴密封水对主轴密封既起润滑、冷却作用，又起压力封水作用，因此主轴密封水对水流连续性、水质、水压和水流量都有较高要求。本电站为保证水流连续性，水源采用主用、备用双冗余方式，主用水源取自机组技术供水，备用水源取自机组消防供水，每路水源各设置1个电动阀。在机组运行过程中，由主用水源进行供水，只有当主用密封水源故障或密封水的压力和流量不足时，才由备用水源供水。为防止水源中各种杂质、颗粒进入主轴密封，造成主轴密封磨损，在管路上装设了双联过滤器，当过滤器堵塞时，可发出报警信号提示运行人员切换滤筒并清洗堵塞的滤芯。经过过滤后的密封水分两路，一路进入盘根密封，一路进入水压端面密封。在两路密封水的水管上分别设置了压力表、压力开关、压力变送器和流量开关，用于对其压力、流量进行连续监测及输出报警信号。

为了满足本电站“无人值班，少人值守”的系统控制要求，机组油、气、水系统中所配置的自动化元件、辅助设备控制系统在选型和设计时，就已经考虑将所有监控量(包括开关量、模拟量、数字量)全部输入到监控系统进行统一的数据采集和处理，并实现与监控系统上位机的通讯。鉴于沙坪电站为贯流式机组，辅助设备多，控制逻辑复杂，该电站机组辅助设备的控制系统直接采用可编程控制器(PLC)，使复杂的控制逻辑通过PLC编程简单实现。由于PLC的功能模块取代了常规控制系统中大量继电器和中间继电器等，简化了控制系统的结构，减少了故障点，在增加了控制系统可靠性的前提下，使现场操作和维护更为简便和人性化，对电站运行人员的素质提出了更高的要求。运行人员在中央控制室内，通过大屏幕就可以很清晰、明了的掌握整个机组的运行情况。一旦出现异常，监控系统立即发出报警信号，提醒运行人员，及时处理和解决相关问题，而不再需要大量运行人员，通过“24 h三班互倒制度”对现场设备进行无休值班，只需定期派出少量人员进行巡视和维护保养设备。

2 结语

机组油、气、水系统作为水轮发电机组的重要组成部分，它的正常、可靠直接关系到电站的安全和经济运行。本文涉及的沙坪二级电站机组油、气、水系统是按照“无人值班，少人值守”的原则进行设计和配置，通过对各系统液位、压力、流量、温度等的合理监视及控制，在确保机组安全运行的同时，有效减少电站的运行维护人员数量和运行人员的维护工作量，大大降低了电站的管理成本，提升了效率。

刘宁，男，1983年生，现任职国电联合动力技术有限责任公司，研究方向为风力发电设备状态监测与故障诊断。