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OMRON CP1H控制水轮发电机组的设计 朱文杰(下)

    (续上期)
    3.2 控制程序
    图1所示以混流式机组、采用T-100型调速器,发电机为“三导”悬式结构并采用空气冷却器,推力轴承为刚性支柱式结构、水导轴承为稀油润滑,设有过速限制器,装有蝴蝶阀(或进水口快速闸门)、可动水关闭(防飞逸的保护)的情况来设计停机转发电、发电转停机的操作程序。这种典型的机组控制程序方案,考虑了以下因素:
    (1)扩大机组的控制功能,以利于水电站实现综合自动化
    在控制程序中,一个操作指令自动完成种常见运行操作中的任何一种,即停机→发电、发电→停机、发电→调相、调相→发电、停机→调相和调相→停机。这有利于实现与水电站远动装置、系统自动装置、控制机等的接口,有利于发挥机组自动控制作为水电站综合自动化基础的作用。
    (2)完善控制程序,有利于运行及事故处理
    ①在开机过程中,如发现起动机组出现异常现象,或在停机过程中电力系统出现事故(制动闸还未投入),可由运行人员或自动装置进行相反的操作。
    ②开度限制机构中可以增设了远方手动控制开关(图中未示出),电力系统出现振荡时,运行人员可及时操作此开关压负荷,以消除电力系统的振荡,但应研究水轮机的动力特性,以免出现萨彥·舒申斯克2009.8.17事故恶果。
    ③在停机过程中,如导水叶剪断销被剪断,则制动闸不解除,以避免水轮机组蠕动而使推力轴承润滑条件恶化。
    ④若采用负曲率导叶、结构上可以实现无油自动关机,可以在事故低油压时只发信号,或将机组由发电运行改为调相运行。
    ⑤单回路连接电力系统的水电站,当机组调相运行又与电力系统解列时,可将调相机转为发电运行,以保自用电及近区负荷的连续供电。
    (3)尽可能在满足控制要求的前提下简化控制程序与操作
    在满足控制系统要求的前提下,力求使控制系统简单、经济,使用及维修方便。(见图1)
    4 机组自动控制程序的解析
    以下我们来说明各种操作的程序以及各回路的动作。
    4.1 机组起动操作
    机组处于起动准备状态时,应具备下列条件:
    (1)蝴蝶阀(或进水口快速闸门)全开,其位置状态存储位W51.00置位(回路08),动合接点闭合。
    (2)导水叶操作接力器锁锭在拔出位置,其位置状态存储位W20.01未置位(回路01),动断接点闭合。
    (3)机组制动系统无压力,监视制动系统压力的传感器状态存储位W20.02未置位(回路01),动断接点闭合。
    (4)机组无事故,其事故状态存储位W50.00未置位(回路01),动断接点闭合。
    (5)发电机断路器在跳闸位置,其位置状态存储位W20.03未置位(回路01),动断接点闭合。
    上述条件具备时,机组启动准备状态存储位W50.01置位(回路01),接通中控室开机准备灯(黄),同时机组启动准备状态重复存储位W10.07置位(回路02)并自保持(回路03)。若此时操作开、停机控制开关41SA发出开机命令,使X:0.00置位(回路04),机组起动状态存储位W50.02置位(回路04)、W50.01复位(回路01)、T15开始计时(回路03),1s后才解除W10.07的自保持(回路02),这时W50.02已经自保持(回路06)并作用于以下各处:
    (1)由Y:100.00置位接通总冷却水电磁阀开启线圈(回路07),开启阀门,向各轴承冷却器和发电机空气冷却器供水。
    (2)投入发电机励磁系统。
    (3)接入准同期装置的调整回路,为投入自动准同期装置做好准备。
    (4)接通开度限制机构KX的开启回路(回路20),为机组同期并列后自动打开开度限制机构做好准备。
    (5)接通转速调整机构ZT的增速回路(27),为机组同期并列后带上预定负荷做好准备。
    (6)起动开停机过程监视计时器(回路48),当机组在整定时间内未完成开机过程时,发出开机未完成的故障信号。
    冷却水投入后,示流信号器状态存储位W13.00置位,其动合接点闭合,将开度限制机构打开至起动开度位置(回路19);同时通过Y:100.02置位接通调速器开停机电磁阀开启线圈(回路09、08),机组随即按T型调速器起动装置的快-慢-快控制特性起动。
    当机组转速达到90%额定转速时,自动投入同期装置,发电机以准同期方式并入系统。并列后,通过断路器位置状态存储位W12.03(回路18)置位后的动合接点作用以下各处:
    (1)开度限制机构KX自动转至全开(回路21),为机组带负荷运行创造条件。
    (2)转速调整机构ZT正转带上一定负荷(回路27),使机组并入系统后较快稳定下来。
    (3)发电运行状态存储位W50.03置位(回路34),使中控室发电运行指示灯亮。
    由于W50.03的动断接点断开,使机组起动状态存储位W50.02复位(回路06),为下次开机创造条件。机组启动继电器W50.02复位后,其动合接点断开,使监视开、停机过程的计时器复位(回路48),机组起动过程至此结束。
     有功功率的调节,可借助远方控制开关42SA(回路28和32)进行操作(X:0.04或X:0.05置位),亦可利用有功功率自动调节器YGJT进行控制,以驱动转速调整机构ZT,使机组带上给定的负荷。
    机组起动操作程序流程图如图2所示。
    4.2 机组停机操作
    机组停机包括正常停机和事故停机。
    正常停机时,操作开、停机控制开关41SA发出停机命令,使X:0.01置位(回路11),机组停机状态存储位W50.04置位(回路10)且动合接点闭合而自保持(回路10),使W50.04的置位状态不会因41SA停机接点的复位而复归,然后按以下步骤完成全部停机操作。  
    (1)起动开、停机过程监视计时器(回路49),监视停机过程。  
    (2)使转速调整机构ZT反转(回路30),卸负荷至空载。  
    (3)当导水叶关至空载位置时,由于W50.04的动合接点和导叶空载位置W13.07的动合接点都闭合,使发电机DL跳闸,机组与系统解列。  
    (4)导水叶关至空载位置以及机组与系统解列后,由于W50.04的动合接点、断路器位置W12.03的动合接点和导叶空载稍上W12.07的动断接点都闭合(回路14),使开停机电磁阀关闭线圈通过Y:100.03接通而励磁,导水叶关至全关;同时由于W12.03的动断接点和W50.04的动断接点都闭合(回路24),所以开限伺服电机反转至开限全关。  
    (5)机组转速下降至35%额定转速时,W12.05动断接点闭合,Y:100.04置位使制动系统电磁空气阀开启线圈励磁(回路11),打开电空阀,压缩空气进入制动闸对机组进行制动;同时制动压力信号存储位W12.02的动合接点闭合,若导叶剪断销无剪断,其存储位W12.06动断接点也是闭合的,从而启动TIM16计时(回路12右侧),监视制动时间。  
    (6)计时器16的预置值90s达到后,T0016的动断接点断开(回路10),使W50.04解除自保持而复归,进而Y:100.05置位,制动电空阀关闭线圈励磁并关阀(回路13),从而解除制动;T0016的动合接点闭合(回路17),使Y:100.01置位而关闭总冷却水电磁阀;监视开停机过程计时器TIM17(回路49、48)和制动时间计时器TIM16(回路12)复归,机组停机过程结束。此时机组重新处于准备开机状态,起动准备状态存储位W50.01又置位,中控室开机准备灯点亮,为下一次起动创造了必要条件。  
    在机组运行过程中,如果调速器系统和控制系统中的机械设备或电气元件发生事故,则机组事故状态存储位W50.00将置位,从而迫使机组事故停机。  
    事故停机与正常停机的不同之处在于,前者不仅使W50.04置位(回路12、10),而且通过Y:100.03置位(回路16、14),不等到卸负荷至空载并跳开断路器就立即使调速器开停机电磁阀关闭线圈励磁,从而大大缩短了停机时间,但应注意不能因导叶关闭过快而引起引水管和尾水管的联合直接水击,造成类似萨彥2009.08.17悲剧。  
    如果发电机内部短路使差动保护动作,保护出口即使机组事故状态存储位W50.00置位,又使发电机DL及FMK跳开,达到水轮机和发电机都得到保护及避免发生重大事故的目的。
    机组正常停机操作程序流程图如图3所示。
    4.3 发电转调相操作
    操作按钮41QA使X:0.06置位发出调相命令,调相启动状态存储位W50.05置位(回路47)并自保持(回路46),使W50.05不因X:0.06复位而复位,通过其接点的切换,作用以下各处:
    (1)使转速调整机构ZT反转(回路31),卸去全部负荷至空载(回路30的W13.06断开)。
    (2)当导水叶关至空载位置时,由于W50.05的动合接点(回路15)和W12.07的动断接点(回路14)均闭合,使Y:100.03置位(回路14),开停机电磁阀关闭线圈励磁,全关导水叶;同时由于回路23中的W13.07在导叶开度空载以下闭合、W50.05的动合接点也已闭合,所以开限机构KX反转,自动全关。
    由于机组停机状态存储位W50.04未置位,故机组仍然与电力系统并列,且冷却水照常供给,机组即作调相运行,从电力系统吸收有功,通过改变励磁来调节无功。此时W12.04(导叶全关)闭合、W12.03(DL合闸)也闭合,调相运行状态存储位W50.06置位(回路35)并自保持(回路36),同时复位调相启动状态存储位W50.05(回路46),另外点亮调相运行指示灯。
    在调相运行过程中,当转轮室水位在考虑“风扇效应”的上限值时,上限水位状态存储位W14.01置位、动合接点闭合,计时器TIM12启动,若持续8s(水位不是瞬时上限)则计时器动作并自保持(回路38),经T0012闭合使Y:101.02置位(回路39)而开启调相主供气阀,压缩空气进入转轮室,将水位压低;当转轮室水位下降至考虑“封水效应”的下限值时,下限水位状态存储位W14.02复位、动断接点闭合,计时器TIM13启动,若持续2s(不是瞬时)则TIM13动作(回路40),通过T0013(回路43)使Y:101.03置位(回路42)而关闭调相主供气阀,压缩空气即停止进入转轮室。此后由于压缩空气的漏损、“溶解”而逸出,使转轮室水位又回复到上限值,则又重复上述操作过程。
    转轮室非密闭容器,为了避免调相给气阀频繁起动,与主供气阀并联一只小的辅助供气阀,补气量接近但略小于漏失量。调相运行期间,Y:101.04置位使辅助供气阀始终开启(回路44),以弥补漏损、逸失;调相结束后,Y:101.05置位使辅助供气阀关闭(回路45)。
    机组由发电运行切换到调相运行的操作程序流程如图4所示。
    4.4 调相转发电操作
    调相转发电操作分解为①调速器KX机构开至空载稍上同时导水叶开至起动开度,是为“充水”过程,之后实质进入发电状态;②关闭调相主供气阀和辅助供气阀,并切除转轮室水位传感器及阀门电源;③KX机构开至全开或指定开度,带上AGC分配的负荷。此三步过程用时应控制在15s左右,利用事故备用机组闲时作调相运行,可补充电力系统无功,系统事故时进行“热起动”(借用火力发电术语,代指水轮机组由调相转发电)相比“冷起动”(借用火力发电术语,代指水轮机组由停机转发电)能更快进入发电状态,对确保电力系统安全增加了保证,因为这里省掉了同期并网检测时间和断路器合闸时间。
    由于机组已处于调相运行状态,调相运行状态存储位W50.06已置位(回路5),故此时可操作开、停机控制开关41SA发出重新开机命令(X:0.00置位),使机组起动状态存储位W50.02置位并自保持(回路04、06),同时作用以下各处:
    (1) 使开度限制机构KX正转,开至起动开度(回路19),Y:100.06置位。之后导叶稍稍开启使W12.04断开(回路35),导叶开度接近空载使W14.07又断开(回路36),结果使调相运行继电器W50.06复位(回路35),开度限制机构KX自动全开(回路21)。
    调相运行状态存储位W50.06复位后,还使Y:101.03(回路42)、Y:101.04(回路45)置位,将调相主供气阀和辅助供气阀都关闭。
    (2) 通过W50.02使Y:100.02置位(回路09、08),开停机电磁阀开启线圈励磁,重新打开导水叶。
    (3) 通过W12.03(DL合闸)、W50.02(机组启动继电器)、W13.04(ZT空载稍上)置位,使Y:101.00置位(回路27),转速调整机构ZT正转至空载稍上,机组自动带上一定负荷。
    这样,机组即转为发电方式运行,此时发电运行状态存储位W50.03因W12.07(导叶开度空载稍上)的动合接点闭合而置位(回路34),其动断接点断开又使机组启动状态存储位W50.02(回路04)的自保持(回路06)解除而复位,另外还点亮中控室发电运行指示灯。
    机组调相转发电操作程序的流程图如图5所示。
    4.5 停机转调相操作
    停机转调相操作是停机转发电和发电转调相的连续过程,即有存在。执行情况是首先打开导叶至空载、同期并网进入零负荷发电状态运行,旋即全关KX 机构及导水叶进入压水调相状态,此过程用时一般在2min 左右。
    当机组处于开机准备状态时,操作按钮使X:0.06(回路47)动合接点接通而发出调相开机命令,调相启动状态存储位W50.05置位并自保持(回路46),使机组启动状态存储位W50.02置位并自保持(回路05、04和06)。此后机组的起动和同期并列这一段自动操作过程与前述停机→发电自动操作过程相同,机组并列后机组启动继电器存储位W50.02复位,通过调相启动状态存储位W50.05(其复归时间较W50.02稍晚)的动合接点接通和W50.02的动断接点接通,立即使Y:100.03(回路16、15)置位,开停机电磁阀关闭线圈励磁并将开度限制机构KX全关(回路23),将导水叶重新关闭,使机组转入调相运行,调相运行状态存储位W50.06置位(回路35)并自保持(回路36),点亮中控室调相运行灯;W50.06的动断接点断开(回路46),使调相启动状态存储位W50.05因自保持解除而复位(回路46)。
    调相压水给气的自动控制过程与发电转调相的控制过程相同,此不赘述。
    4.6 调相转停机操作
    调相转停机操作是调相转发电和发电转停机的连续过程,即有存在。执行时首先放开导叶至空载进入零负荷发电状态运行,旋即断路器跳闸、KX机构驱使导叶至全关,按发电转停机方式实现停机,即所谓“先充水、后停机”,目的是加速调相机的正常停机与事故停机过程,缩短低速惰转时间,减少推力瓦磨损。此过程耗时一般在2min左右。
    操作开、停机控制开关41SA使X:0.01(回路11)置位发出停机命令,机组停机状态存储位W50.04置位并自保持(回路10),接着将开度限制机构KX打开至起动开度(回路19),使机组转为发电运行。当导水叶开至空载开度时,W14.00断开(回路36),调相运行状态存储位W50.06解除自保持而复位,发电机DL跳闸、W12.03动断接点接通(回路24、14),开度限制机构KX立即全关(回路23),同时开停机电磁阀关闭线圈励磁(回路14),将导水叶全关,机组转速随即下降,以下过程与发电→停机过程相同。
    5 机组事故保护机故障信号系统
    机组的事故保护及故障信号系统一般包括:水力机械事故保护、紧急事故保护、水力机械故障信号。
    5.1 水力机械事故保护
    如图14-26所示,机组遇有下列情况之一时,即进行事故停机:
    (1) 推力-上导、下导和水导等轴承过热(回路55、56、57),机组事故状态存储位W50.0置位。
    (2) 调相运行解列:机组作调相运行时,为了防止由于系统电源消失而造成调相机组长时间低转速旋转,使轴承损坏,故通常装设调相解列保护。机组调相运行时,如转速低于80%额定转速,则W15.03的动断接点闭合(回路58),使机组事故状态存储位W50.0置位。
    (3) 油压装置油压事故下降:当油压事故低时,W15.04的动合接点闭合(回路59),使机组事故状态存储位W50.00置位。
    (4) 过速限制器动作:机组转速110%存储位W14.05、过速限制器(44DP)动作存储位W15.05动合接点闭合(回路60),使机组事故状态存储位W50.00置位。
    (5) 电气事故:差动保护动作时,保护出口W15.06动合接点闭合(回路61),使机组事故状态存储位W50.00置位。
    机组发电运行时,事故停机的引出,除直接作用于开停机电磁阀(回路16)加速停机外,还同时作用于正常停机回路,使机组停机状态存储位W50.04置位(回路12),进行正常停机操作。还可发出相应事故音响和灯光信号,以通知运行人员并指出事故性质。
    机组作调相运行时出现事故停机命令,则按调相→停机操作过程进行,首先打开导水叶至空载使机组转为发电运行,使机组调相运行状态存储位W50.06复位,然后再作用于开停机电磁阀和开度限制机构,按发电→停机操作方式停机。
    5.2 紧急事故停机
    机组遇有下列情况之一时,即进行紧急事故停机:
    (1) 机组事故停机过程中剪断销剪断时,由W50.00与W12.06发出紧急事故停机信号(回路65)。
    (2) 机组过速达到140%额定转速时,W15.07动合接点闭合,发出过速紧急事故停机信号(回路66)。
    紧急事故停机在以上条件下动作,然后作用于关闭蝴蝶阀(或进水口快速闸门),并同时作用于一般事故状态存储位W50.00(回路64),按前述事故停机过程停机。此外,亦可通过紧急停机按钮X:1.04(回路63)进行手动紧急停机;还可通过紧急事故停机按钮X:1.05(回路67)进行手动紧急事故停机。
    在机组事故状态存储位W50.00置位并自保持(回路62)后,直到事故消除并通过复归按钮X:1.03手动解除自保持以前,不允许进行开机,即维持停机状态,以防止事故扩大。
    5.3 水力机械事故障
    机组在运行过程中遇有下列情况之一时,即发出故障音响及灯光信号,通知运行人员,指出故障性质:①上导、推力、下导、下导轴承及发电机热风温度过高;②上导、推力、下导、水导油槽油位过高或过低,回油箱油位过高或过低;③漏油箱油位过高;④上导、推力、下导、水导轴承冷却水中断;⑤导叶剪断销剪断;⑥开、停机未完成。故障消除后,手动解除故障信号。这部分控制程序非常简单,读者可自行拟出。
    
    参考文献
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    [12]朱文杰.S7-1200型PLC控制水轮发电机组.中国水利水电市场[J],2014(08/09)。
    
    作者简介
    朱文杰,男,汉族,长沙人,华中理工大学电力工程系毕业(1981-1985年),高级职称(1999年),中国管理科学研究院研究员(2002年)兼长沙理工大学教授。1985年开始从事了《水电站自动化》、《可编程序控制器》、《电力电子技术》等多门课程的高等教学与研究,开展了新技术在电力系统的应用设计,至2017年初编著十部。
    

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