调速器油压装置控制逻辑优化

2020-09-17魏凯杰

湖南水利水电 2020年4期

魏凯杰

（中国第十一工程局有限公司，河南郑州 450001）

1 概述

调速器油压装置是水电站控制系统的重要组成部分，由回油箱和压力油罐组成，为调速器操作提供压力能源，是水电厂发电机组转速调节的唯一动力来源。其中压力油罐内的液压油和压缩空气是按一定比例分配的，系统在运行过程中既要控制好压力油的输出压力，同时又要控制好罐内油气的占比。压力油罐内气体过多容易引起接力器油缸进气，引起导叶抽动；反之如果油罐内油过多则会导致罐内压力缓存减小，在调速器操作过程中，压力罐内压力下降快，压力输出不稳定[1]。根据规范《GB/T 9652.1-2019 水轮机控制系统技术条件》要求，正常情况下压力油罐内气/油体积比例应为2∶1，波动范围为2～3 之间。

2 系统结构及工作原理

帕图卡III 水电站安装2 台轴流转浆式机组，总装机容量为2×52 MW，2 台机组分别设置1 套油压装置，为导叶接力器和桨叶接力器提供操作油，根据导叶接力器及桨叶控制用油量，压力油罐设计容积为6 000L，正常工况下油罐内储油量为2 000 L，其余为压缩空气。压力罐本体安装多个压力开关及油位开关，用于控制油泵和补气阀；系统配套回油箱容积为7 500 L，用于回收操作油管回油和漏油箱油；系统配备一套外部中压气系统，作为油压装置的补气气源，中压气系统额定压力为6.3 MPa，系统详细参数及结构如图1 所示。

图1 系统结构图

压力罐压力开关设定值如表1 所示。

表1 油罐压力开关定值 MPa

在正常工况下，油泵按照设定的压力信号启停油泵。油罐内压力小于5.9 MPa 时，系统启动主油泵工作，油罐内压力小于5.6 MPa 时，系统启动备用泵工作，在更严重情况下，当油罐内压力小于5.4 MPa 时，系统同时开启3 台油泵，保证紧急情况下调速器的供油；当油罐内压力急剧下降至5.3 MPa 时，调速器系统及SCADA 系统直接进入紧急停机流程，机组与电网解列并关停机组，防止事故的进一步扩大。

另外，由于压力油罐内气体微量泄露，系统在长时间工作后，在相同压力情况下，油罐内气体体积占比会变小，导致气/油比下降，此时需要打开补气阀，对油罐进行补气，系统设定开补气阀条件为补气压力和补气油位。

正常情况下当油罐压力在5.95 MPa 时，油罐内油位在设定开补气阀油位值以下；在长时间工作后，在相同压力情况下，压力油罐内的油位慢慢上升，当系统在5.95 MPa 压力下，油罐内的油位高于设定的开补气阀油位值，此时系统判定油罐需要进行补气并开启补气阀[2]，待油罐补气至6.3 MPa 压力后，停止补气。

3 补气油位定值计算

根据波义耳定律，在密闭容器中的定量气体，在恒温下，气体的压强和体积成反比关系，气体的体积与压强的乘积成为一定的常数，即：PV=常数。

压力油罐内气体并非理想气体，考虑到油罐温度变化、泄露量等因素，对上述公式进行改进[3]，改进后公式如下：P1V1n=P2V2n=常数n（取1.2）（1）式中 P1、P2——不同状态下的气罐压力；

V1、V2——相应工作压力的气体体积。

罐内气体体积V 的计算分为两部分，封头段气体体积V0及直筒段气体体积，气体体积计算公式如下：

式中 h——油罐内油位高度；

R——油罐内半径。

根据气罐总体积及直筒段体积，可计算出油罐内两端头的体积V0为0.689 m3。

在初始额定状态下，根据标准要求，气油比为2∶1，此时油罐内气体体积为4 m3。根据式（2）可计算出此时油罐内的油位高度为652 mm，在此油位和额定压力基础上，根据式（1），可以计算出，当油罐内压力降低至5.95 MPa 时，油罐油位高度为555 mm。

为保证系统的正常工作，开补气阀油位设定值要高于计算值，综合考虑设定开补气油位值为570 mm，当系统第一次补气完毕后，罐内油位仍为570 mm，此时可计算罐内的气/油比值为2.27。

系统补气完毕后，在下次补气条件满足前，油泵按设定压力工作。当油罐内油位接近570 mm，油罐压力小于5.95 MPa，此时系统处于补气阀开启的临界条件，系统仍只启动油泵，待压力达到6.3 MPa 时油泵停止，此时根据式（1）可计算出在额定停泵压力下，油罐油位达到666 mm，此时油罐的气/油比值为1.96。

根据上述计算，油罐内油位定值设定如表2。

表2 油罐油位开关定值 mm

4 存在的问题及控制逻辑优化

根据压力油泵和补气工作过程分析，并考虑所有可能出现的状况，发现系统控制逻辑存在两个问题：

1）补气和油泵同时工作

在补气过程中，若遇调速器紧急动作，油罐内压力突然下降低于5.9 MPa，此时油泵和补气同时工作。或者在油泵工作过程中，补气条件满足，系统打开补气阀补气，此时油泵和补气同时工作。

按规范要求补气和油泵不能同时进行[4]，因此系统的控制逻辑上要进行优化，避免此种情况的发生，否则可能出现严重后果。

在补气过程中，若机组遇严重事故，调速器频繁动作且耗油量大，此时油罐内油位会急剧下降，同时在外部气源的补给下，油罐压力始终大于5.3 MPa，机组不能快速停机，此压力保护失去作用。在极限情况下会导致油罐内充满气体，压缩气体进入压力油管内，破坏压力管道密封，造成更严重的破坏，严重影响调速器的安全运行。

2）油气比不稳定

根据油位定值计算，在额定压力状况下，压力油罐内的气/油比是一个连续变动量，该值在1.96～2.27 之间变换，变化过程如图2 所示。

图2 油气比变化过程

为了更好地控制油罐内油气比的波动范围，同时避免油泵和补气阀同时工作的情况出现，对油泵和补气阀的控制逻辑进行调整。

首先我们以额定状态油位为650 mm 为基础，将开补气阀油位值调整为略高于此，设定为660 mm，当系统由于漏气原因导致油罐内油位超过660 mm 时，系统补气阀开启。此时由于油罐内油位高于正常值650 mm，所以补气停止压力要稍大于油泵工作停止压力，否则在额定停油泵压力下油罐油位会始终高于660 mm，造成系统频繁补气。

我们以额定停泵压力油位650 mm 为基础，在不考虑油罐漏气状况下，结合式（1）和式（2）可以计算出，油位在660 mm 时油罐内压力为6.34 MPa，因此我们可以设定停补气压力为6.35 MPa，调整后压力定值和油位定值如表3 和表4。