某电厂主变冷却器控制模式优化

2022-08-02罗金嵩李光耀周雨童

水电站机电技术 2022年7期

罗金嵩，李光耀，李琛，周雨童

（中国长江电力股份有限公司三峡水力发电厂，湖北宜昌 443133）

0 引言

某电厂主变压器冷却方式采用强迫油循环水冷方式，每台主变配置6 台强油循环水冷却器。主变冷却器的布置: 由于主变压器低压侧电流大、顶部油温高，因此是从主变油箱低压侧处引出两根出油管进入主变冷却器，而高压侧的底部油温最低，因此从冷却器出来的冷油便通过两根回油管导入高压侧底部。主变冷却器的强迫油循环泵安装在冷却器进油口处，冷却器的冷却水正向进口电动阀（简称水阀）装设在冷却器的上方。

冷却器采用防堵型双重管变压器冷却装置。冷却器采用双层管，内层管流水，外层管通油。该冷却器水流具有双流向功能，上下布置2 个水箱。冷却器能承受水压力试验为1.2 MPa，持续时间30 min；左岸电站供给变压器冷却器的水源是从机组压力钢管取上游水库的水，通过滤水器和减压阀供给变压器水冷却器。主变冷却器原开启模式为先打开外部技术供水为冷却器水箱冲水，再开启主变冷却器运行。此开启顺序由于存在水锤效应，会导致水箱承受过大的水压，长期如此会导致水箱焊缝受损，存在爆裂风险。

1 某厂主变冷却器故障分析

1.1 冷却器水箱故障漏水现象及分析

某厂主变压器为西门子（保变）生产，冷却器为德国GEA 生产，冷却器水最大工作压力1.6 MPa，变压器运行中发现变压器下端水箱裂缝漏水，裂缝长度几乎贯穿整个水箱（水箱长度4.5 m）。

图1 水箱焊缝开裂现场照片

主变冷却器依靠水阀连通上下两个水箱，原冷却器的开启流程为先开启技术供水为冷却器水箱充水，再打开冷却器运行，冷却器运行后，油泵开启运行的同时，水阀打开到全开位置。在技术供水为冷却器水箱充水的瞬间，压力值陡增，根据监测，变压器冷却水压力最高达到1.58 MPa，接近冷却器水最大工作压力1.6 MPa，为正常压力10 倍（正常运行压力0.13 MPa）。由于水箱为不锈钢管，截面为方形，焊缝长等同于水箱长度，开机充水过程中水压的波动对水箱焊缝产生了破坏性影响。

图2 冷却器开启过程中主进水管压力变化

1.2 原冷却器启动控制模式

主变冷却器的控制为油泵与水阀联动，水阀电机可双向转动。当开启油泵后，油泵开启接触器K11 吸合，水阀开启回路开始运行，当水阀开启到位后，限位开关常闭接点断开，电机停转，限位开关常开接点闭合，水阀开启信号灯回路闭合，显示水阀开启状态。此时冷却器水由于外部压力存在，可进到水路中，油泵电机保持运行，使得油路中的热油被冷却。水阀的闭合控制同理。

图3 改进前的主变冷却器油泵水阀控制回路

1.3 主变冷却器现有方式的优点分析

水阀与油泵联动，符合现场运行实际需求，现场温度低于40℃时，仅有3 组冷却器油泵水阀开启，另外3 组冷却器水阀油泵处于关闭状态，即仅在油泵开启，有油循环的冷却器中，流入冷却水对油进行降温，避免了水阀常开时水资源的浪费。联动模式使得油路和水路始终保持同步性，使得油流、水流、油压、水压的状态始终保持一致，方便现场运维人员发现缺陷以及异常现象。且联动模式使得回路简单、元器件数量少，降低了缺陷率。

变压器主变冷却器控制回路元器件连接多、接线复杂、维护工作量大，且易出现设计不足和功能缺陷。

该联动模式已经在电站运行及推广多年，冷却器设备总体运行稳定可靠，贸然取消6 组冷却器油泵水阀的联动模式，不仅在回路设计、现场运维、设备故障率等方面存在诸多不确定性，而且对于PLC程序的设计提出巨大挑战。原本冷却器油泵的程序控制就受到启停条件、循环轮换、温度启动、故障启动、冷却器全停、远方现地、自动/程控/手动、电源切换等逻辑的影响，现再加入6 组水阀的PLC 控制，会使得程序复杂程度出现几何数级的增加，不利于现场运行对于自动化程度高、缺陷率低的需求。

故在后续的优化方案选择上，尽量只考虑修改一组冷却器的油泵水阀控制回路，且尽量减少对原PLC 程序的改动，在保持原有冷却器控制模式不改动的基础上，思考如何做到在冷却器开启前，保持一台水阀的开启；在冷却器停运过程中，也保持一台水阀的开启，通过优化二次回路以及PLC 程序控制，使得水锤效应对冷却器水箱的影响减到最小。

2 主变冷却器控制模式优化方案

现优化主变冷却器控制模式，通过取消油泵与水阀的联动模式。考虑现场实际情况，来确保主变技术供水开启前，以及主变冷却器投入运行前，有一台冷却器的水阀在开启状态，联通上下两个水箱。在主变冷却器停止运行后，以及主变技术供水关闭前，仍旧有一台冷却器的水阀在开启状态。且该水阀的开启状态，不影响6 组冷却器的启停条件、循环轮换、温度启动、故障启动、冷却器全停、远方现地、自动/程控/手动、电源切换模式。

2.1 二次控制回路优化

选择1 号水阀作为常开水阀，来联通上下2 个冷却器水箱。对1 号水阀开启与关闭回路进行修改，在回路加入水阀开启与关闭的继电器K47 的两对接点，K47 继电器为双位置锁存继电器，开启与关闭接点分别由PLC 输出DO 脉冲进行控制。

S21 把手切现地控制模式后，K47 继电器13-14接点被短接，K47 继电器21-22 接点被断开，该回路恢复到与旧控制回路相同的状态，可以手动实现1 号油泵与水阀的开启关闭操作。即该回路设计方案实现了冷却器控制切现地后，1 号水阀开关控制模式与原模式一致。

图4 改进后的1 号主变冷却器油泵水阀控制回路

图5 改进后新增主变冷却器PLC 开出DO 回路

S21 把手切远方控制模式会在下文结合PLC 程序修改进行分析。

2.2 PLC 控制程序优化

通过修改PLC 程序实现对水阀的开启与关闭的控制，仅需增加一行程序即可实现上述需求的控制方式，使得1 号水阀作为常开水阀。DI_LQ2_PYX 至DI_LQ6_PYX 为2 号～6 号共5 台冷却器的油泵开启接触器的常开接点，TON 为延时输出，TP为1 s 脉冲计时器。

图6 冷却器控制PLC 新增程序逻辑

2.2.1 冷却器开停机过程分析

（1）正常运行时，远方自动模式下，若1 号冷却器处于运行状态，1 号水阀打开。当主变冷却器收到监控停运令后，所有正在运行的冷却器油泵接触器返回，油泵电机停运，油泵接触器常开接点返回，左侧与逻辑连通，右侧上方1 号水阀远方保护开令连通，输出1 s 脉冲，K47 继电器1 号水阀远方保护开DO 励磁，K47 的21-22 接点闭合，对照二次控制回路，1 号水阀关闭回路断开，1 号水阀开启回路接通，直至1 号水阀开启到位。即1 号水阀能够实现在冷却器停运瞬间自动开启，且保持在开启状态，直至下一次开机前。

（2）接上面的状态，下一次开机时，1 号水阀保持在开启状态。远方自动模式下，若1 号冷却器为开启的运行组之一，在2～6 号任意一台冷却器开启后，左侧与逻辑断开，延时10 s 右侧下方1 号水阀远方自动控令连通，输出1 s 脉冲，K47 继电器1 号水阀远方自动控DO 励磁，K47 的13-14 接点闭合，对照二次控制回路，1 号水阀关闭与开启回路与旧回路完全相同。即整个冷却器开启过程，1 号水阀保持开启状态，1 号水阀和油泵保持联动开启状态。

（3）下一次开机时，1 号水阀保持在开启状态。远方自动模式下，若1 号冷却器为非运行组，在2～6号任意一台冷却器开启后，左侧与逻辑断开，延时10 s 右侧下方1 号水阀远方自动控令连通，输出1 s脉冲，K47 继电器1 号水阀远方自动控DO 励磁，K47 的13-14 接点闭合，对照二次控制回路，1 号水阀关闭与开启回路与旧回路完全相同。即整个冷却器开启过程，1 号水阀保持开启状态10 s，10 s 后其他冷却器水阀已经开启到位，之后1 号水阀和油泵保持联动关闭状态。

根据上述分析，正常运行时，远方自动模式下，若1 号冷却器处于停运状态，1 号水阀会保持在关闭状态。当主变冷却器收到监控停运令后，所有正在运行的冷却器油泵接触器返回，油泵电机停运，油泵接触器常开接点返回，左侧与逻辑连通，右侧上方1 号水阀开启令连通，输出1 s 脉冲，即1 号主变冷却器的水阀在所有油泵停运瞬间会自动开启，且在冷却器完全停运后仍旧保持在开启状态，直至下一次开机前。

综合上述分析，在冷却器开停机的整个过程，均能保证6 组中有水阀处于开启状态。

2.2.2 其余运行工况分析

包括正常的操作与极端工况条件下对水阀控制模式的分析。

（1）冷却器正常轮换：正常轮换过程中，2～6 号油泵总有处于运行的，K47 继电器1 号水阀远方自动控DO 励磁，回路排除了K47 继电器接点的影响，与原控制模式相同。

（2）交流电源切换过程：交流电源的切换会导致水阀电机回路短暂失电，但由于水阀控制回路的K47 继电器为锁存继电器，故当电源恢复后，水阀仍旧维持失电前的模式。

（3）两路直流消失：由于K47 继电器为锁存继电器，该继电器失电前状态可以保持，若K47 继电器1 号水阀远方自动控DO 励磁，则失电后水阀保持原开启关闭状态；若K47 继电器1 号水阀远方保护开DO 励磁，则失电后1 号水阀开启回路接通，1 号水阀关闭回路可靠断开。

（4）全停故障恢复：全停故障发生后，由于所有油泵与水阀均失电，水阀均保持在失电前的状态，在交流电源恢复后，随着油泵电机的开启，对应的水阀保持在开启状态。

（5）PLC 故障：此时为避免冷却器出现全停，运行人员会将冷却器控制模式切至现地，并手动开启冷却器，前文已分析现地模式下，与原控制模式完全相同。