油压装置油气比例的冗余控制

陈 楠，张成华，陈启明，孙 杰，王华军，蒋 路，黄丽琴，赵志杰，吕在生，丁 伟

(1.富春江水力发电厂，浙江 桐庐 311504；2.国网新源水电有限公司，北京 100761；3.武汉四创自动控制技术有限责任公司，湖北 武汉 430063)

油压装置的压力油罐分隔离式和非隔离式，非隔离式油压装置补气方式分两种：一种是利用油泵与压力油罐之间的中间补气罐补气；另一种是利用自动补气装置补气。如今前者已很少使用，这里主要探讨设置自动补气装置的非隔离式油压装置的油气比例控制。

《水轮机控制系统技术条件》第4.5.3项规定[1]：“在正常工作油压上限，非隔离式压力罐内油和空气体积比通常为1/3～1/2。”保持油压装置油气比例的稳定，是油压装置安全、可靠工作的前提。油气比例调整主要依靠油泵和自动补气装置来实现。目前，油泵及其控制技术比较成熟，但自动补气装置问题比较多，导致大多数水电站的自动补气装置仍处于手动工作状态。以富春江水力发电厂为例，6台机组调速器的油压装置每周都要人工调整油气比例6次，无形中增加了运行人员的工作量和出错概率，与全厂综合自动化控制和管理模式相违背。

有鉴于此，对富春江水力发电厂2号机油压装置进行了局部改造，实现了油气比例的冗余控制。

1 系统构成

富春江水力发电厂2号机油压装置原系统框图如图1所示，主要由油压装置控制柜、电动机、油泵、组合阀、压力油罐(含一个气罐)及其附件、回油箱及其附件和各种自动化元件等组成。

图1 原油压装置系统框图[2]

改造后的油压装置系统如图2所示，增加了1套多重安全补气装置、1个进气压力传感器、2个漏气流量传感器、1个油泵流量传感器、1个油混水传感器、1个油质监测仪、1个回油箱油位传感器、压力油罐液位传感器和压力传感器各1个、导叶和桨叶接力器开关腔传感器4个。多重安全补气装置用于自动、手动补气，进气压力传感器用于监测气源的压力，漏气流量传感器用于监测2路自动补气回路是否漏气，油泵流量传感器用于监测油泵输出流量，油混水传感器用于监测回油箱油含水量，油质监测仪用于监测油含杂质的颗粒度；回油箱和压力油罐油位传感器输出4～20 mA电流，监测回油箱和压力油罐液位，与原磁翻板液位开关构成冗余液位检测；导叶和桨叶接力器开关腔传感器4个用于监测各腔油压的变化，用以诊断接力器用油情况。

改造后的油压装置控制系统如图3所示，控制核心为ABB公司生产的PLC，主要包括CPU模块、A/D模块、输入模块、输出模块、通信模块、软起动器、电机驱动模块和操作终端，在原控制柜上增加了部分A/D模块、输入模块、输出模块、通信模块、软起动器和电机驱动模块，操作终端由触摸屏更换为工控机。控制系统根据检测到的压力、液位、流量和位置信号，控制油泵电动机和自动补气阀起、停，从而保持压力油罐的油压和油气比例稳定在工作范围内，为水轮机控制系统提供稳定的压力油源。

2 油气比例冗余控制的原理

压力油罐内油占1/3、压缩空气占2/3，其利用压缩空气的伸缩性，持续的向接力器油缸提供压力油源。只要没有泄漏，油压装置及其用油系统内的总油量是不变的，但是压缩空气随着接力器的操作，会有少部分渐渐混在油中被带出压力油罐，这样就会打破合理的油气比例关系，必须通过补油、补气、排气来调节压力油罐油气比例处于合理范围内。

2.1 补油的冗余控制

控制系统设置有主用起泵压力、备用起泵压力、停泵压力、过高压力和事故低油压信号。当油压低于主用起泵压力时，主用油泵起动补油；当油压低于备用起泵压力时，备用油泵起动补油；当油压大于等于停泵压力时，主用或备用油泵停止补油，当油压低于事故低油压时，会自动发信号进行事故低油压紧急停机。

如图2所示，油压装置有2路补油回路，每路包括电机、油泵和组合阀。2路补油回路互为主备用，主用回路运行达到设定的次数后切为备用，备用回路则切为主用。

主用回路故障就会被切除，备用回路转为主用。补油回路故障主要包括电机故障和油泵及组合阀故障。电机故障由软起动器检测判断，主要包括电机缺相、过流和过压。油泵及组合阀故障由油泵流量传感器监测，当油泵输出流量小于额定流量的40%时，表明油泵及组合阀故障，可能的原因包括油泵效率下降严重、组合阀卸载功能失常和组合阀的溢流阀误动排油。

图2 改造后的油压系统框图

图3 改造后的控制系统框图

2.2 补气的冗余控制

本系统设计了一套多重安全补气装置，如图2虚线框所示，主要包括进气压力传感器、进口空气过滤器、A套自动补气回路、B套自动补气回路、单向阀、自动排气电动球阀、自动补气回路进出口截止阀、手动补气阀、手动排气阀和出口空气过滤器。 A、B自动补气回路包括自动补气电动球阀、电磁阀、排背压电动球阀、单向阀和漏气传感器。

进出口空气过滤器用于过滤补气杂质，保证补气的清洁度；自动补气电动球阀和电磁阀用于自动补气，其中电磁阀还具有2路自动补气回路的切换和失电停止补气功能；排背压电动球阀用于停止排气时排除补气回路中的背压，保证单向阀可靠截止，同时，也让自动补气回路的漏气直排空气中，而不进入压力油罐。自动排气电动球阀用于排出压力油罐过多的气体。手动补、排气阀用于手动操作补气和排气。

多重安全补气装置的系统框图如图4所示。自动补气时，PLC自动控制补气电动球阀和电磁阀接通/断开补气通道。当压力油罐油位大于等于上限油位而油压低于补气油压时，即接通补气通道，开始补气；当压力油罐油位小于等于停止补气油位或油压大于等于停泵油压时即断开补气通道，停止补气。

2路自动补气回路互为主备用，主用回路运行达到设定的次数后切为备用，备用回路则切为主用。

主用回路故障就会被切除，备用回路转为主用。补气回路故障主要包括自动补气电动阀门故障、电磁阀故障和排背压电动球阀故障。自动补气和排背压电动球阀故障由球阀位置开关和漏气传感器检测判断，主要包括全开不到位、全关不到位和全关时漏气等故障。电磁阀故障由压力油罐的压力传感器和漏气传感器检测判断，包括电磁阀漏气和动作不正常。

当选择“手动补气”时，即可手动接通/截止补气通道，起动/停止补气。

自动排气时，由PLC自动控制排气电动球阀接通/断开排气通道。当油压大于等于停泵油压，且压力油罐油位低于排气油位时即接通排气通道，开始排气；当油压小于等于停止排气油压或压力油罐油位大于等于停止排气油位时即断开排气通道，停止排气。

若要手动排气，即可手动接通/截止排气通道，起动/停止排气。

图4 多重安全自动补气装置系统框图

2.3 补气与补油的逻辑关系

目前大多数水电站补气和补油是互锁的，补油时不补气，补气时不补油。其实，在一定的油压和液位变化范围内，补气和补油并不矛盾，两者同时进行反而有利于油压快速建立，更加安全。

当油位快速上升或下降时，实时监测压力油罐的磁翻板液位传感器的采样值，发现其不能实时反应压力油罐的实际液位变化，滞后2 min左右。所以，在调速器大量用油，导致油压低于备用起泵压力时，控制系统会停止补气，只补油，避免过补气。当油压大于备用起泵压力时，只有主用泵在工作时，油位变化不快，补气和补油则可以同时进行。

3 油气参量的冗余检测及参数设定

油气比例的稳定控制离不开油气参量的可靠检测，这里对压力油罐的油压、液位和回油箱的液位进行了冗余配置，分别具有模拟量和开关量检测输出，这种互为冗余，相互验证，使每路自动补气回路均配置1个漏气传感器，保证漏气回路的自动补气元件可以得到及时维护。

表1是富春江水力发电厂油气比例控制的各参量设定值，补气气源压力由原来的2.5 MPa提高到2.8 MPa，以提高补气速度。

表1 富春江水力发电厂2号机油压装置控制系统的参量设定值

富春江水力发电厂2号机压力油罐容积为20 m3，直径为1 800 mm，停止补气油位为压力油罐容积的1/3，工作油压上限(即停泵压力)为2.5 MPa。由表1可知，从补气油位降100 mm即可到停止补气油位。

根据玻耳定律有：

PVK=C

式中：P为压力容器内压缩空气的绝对压力，MPa；V为压力容器内压缩空气的体积，m3；K为多变指数；C为常数。

多变指数K是根据压力容器内气体压缩和膨胀过程的特点而确定的。油压装置在运行过程中，压力油罐内的压缩空气既不是按等温规律变化，也不是按绝热规律变化，而是介于二者之间的中间状态变化。根据国内电站的统计规律，取多变指数K=1.3，即PV1.3=C[3]。

设补气压力为P1，则根据补气起、停时刻的油压和压缩空气的容积可得下式：

由上式计算可得P1=2.44 MPa。

所以，表1中补气压力设为2.44 MPa。当补气完成时，压力油罐的油气比例在1/3至1/2之间，满足国家标准《水轮机控制系统技术条件》(GB/T9652.1-2007)要求。

4 应用效果

现场设备安装完成后，做了各种试验，主要包括油泵的起停控制、主/备用油泵的切换、自动补气的起停控制、主/备用补气回路的切换、传感器的检测、故障模拟、手动操作和操作终端画面的测试等。根据现场模拟测试，当压力油罐液位达到补气液位，油压等于2.44 MPa时，控制系统补气8 min即可完成油气比例调整，达到改造目的。

5 结 语

富春江水力发电厂装机6台60 MW轴流转桨式水轮机，机组调节用油量比较大，油气比例调整相比混流式机组要频繁，改造后的油压装置增加了软启动器和油泵流量传感器，使油气参量实现了冗余检测，优化了补气与补油的逻辑关系，实现了油泵的冗余控制和故障切换，提高了油压装置工作的可靠性，有利于减少运行人员人工补气的工作量，降低出错概率，也有利于全厂综合自动化的实现，值得推广应用。