淺析水電站球閥控制系統(tǒng)

2013-08-21 甘福珍東方電機控制設(shè)備有限公司

1、引言

　　進水閥在水輪發(fā)電機組中起著非常重要的作用：當(dāng)機組停機時，關(guān)閉進水閥門用于減小水流損失；當(dāng)機組發(fā)生故障而調(diào)速器失靈時，能在動水下緊急關(guān)閉，迅速切斷水流，避免事故的繼續(xù)擴大。

　　球閥是進水閥的一種。近年來隨著我國大型沖擊式水輪發(fā)電機組的不斷發(fā)展，對制造和控制技術(shù)的要求也日益提高，對進水球閥的控制就顯得尤為重要。早期的球閥控制系統(tǒng)在電氣控制上采用常規(guī)的繼電器邏輯控制方式，由于組成的元器件均組裝在大小不同的盤柜中，轉(zhuǎn)接點多、配線復(fù)雜，從而導(dǎo)致控制裝置的故障易發(fā)，可靠性欠佳，且邏輯關(guān)系復(fù)雜，控制方式單一，信息量少，僅能滿足基本功能;在機械液壓控制上采用管路加閥門的方式，配管復(fù)雜，有可能產(chǎn)生大的泄漏，互換性、通用性差，使用壓力范圍窄。目前電廠對機組的自動化要求不斷提高，傳統(tǒng)控制方式已不能滿足用戶要求。針對這一現(xiàn)象，東方電機控制公司對球閥控制進行了大量的改進，采用現(xiàn)代電子控制技術(shù)和二通插裝閥與專用集成控制閥塊結(jié)構(gòu)，開發(fā)出新型球閥控制裝置，現(xiàn)已成功應(yīng)用于金窩電站、仁宗海電站等大中型沖擊式機組。本文對該控制裝置的組成、功能、特點等作一簡要介紹。

2、球閥控制系統(tǒng)的組成

　　球閥控制系統(tǒng)主要由電氣控制系統(tǒng)和液壓控制系統(tǒng)組成"電氣控制系統(tǒng)一般采用PLC電氣控制，液壓控制系統(tǒng)一般采用液壓控制閥組。其主要部件特點分述如下：

2.1、電氣控制系統(tǒng)

　　電氣控制系統(tǒng)采用PLC電氣控制柜或壁掛式PLC電氣控制箱。PLC電氣控制柜是電氣控制系統(tǒng)的核心部件，采用PLC可編程序控制器，柜體面板上的顯示采用工業(yè)觸摸屏，這種方式成本較高且占用空間較大，但功能完善，方便使用和維護;壁掛式PLC電氣控制箱是可編程序控制器只作為核心控制部件，其余顯示部分仍采用指示燈等，這種方式結(jié)構(gòu)較簡單，成本也較低，功能也很強大且對現(xiàn)場空間要求不高。所以一般機組如無特殊要求我公司均采用壁掛式PLC電氣控制箱，本文就只對PLC電氣控制箱做簡要介紹。

　　壁掛式PLC電氣控制箱內(nèi)裝有高性能可編程序控制器與輸入輸出接口，其正面板上裝有現(xiàn)地和遠方控制轉(zhuǎn)換開關(guān)、聯(lián)動和非聯(lián)動轉(zhuǎn)換開關(guān)、球閥開啟控制按鈕!球閥關(guān)閉控制按鈕以及各種狀態(tài)指示燈。

　　(1)可編程序控制器

　　可編程序控制器(PLC)屬整個電氣控制裝置的核心，其性能優(yōu)劣和性價比直接影響到控制裝置的品質(zhì)。球閥控制系統(tǒng)電氣控制裝置采用日本KOYO公司生產(chǎn)的DZ-250-1型PLC，供電電源為安全可靠的24VDC或22OVDC，該產(chǎn)品外形尺寸緊湊，安裝布置方便，具有很好的性價比。同時，它支持220VAC電源供電，尤其適合水電廠電源環(huán)境，其大容量繼電器輸出模塊具有250VAC/5A的接點負(fù)載能力，可直接操作交流接觸器和電動閥門，取消中間繼電器，簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

　　PLC主要技術(shù)指標(biāo)有：

　　工作電壓 220VAC/220VDC通用，24VDC

　　累加器規(guī)格32位(bit)

　　命令種數(shù) 189

　　處理速度 2ms/lk語

　　程序存儲容量7680語

　　數(shù)據(jù)寄存器 8320字

　　輸入輸出點數(shù)256點

　　內(nèi)部繼電器數(shù)1024點

　　定時器數(shù) 256

　　計數(shù)器數(shù) 128

　　累加器規(guī)格 32位(bit)

　　該系列可編程序控制器有兩個通訊口，支持RS232C/RS485?MODBUS協(xié)議，平均無故障運行時間5000h，可根據(jù)水電站球閥控制裝置的輸入、輸出容量對PLC的電源框架和輸入、輸出模塊進行選配。例如，就文中所述的情況而言，選擇槽5框架，模塊配置如下表所示：

PLC模塊配置

　　(2)其他電氣部件

　　組成電氣控制裝置的其他部件，如選擇開關(guān)、按鈕、指示燈、開關(guān)電源等。

2.2、液壓控制系統(tǒng)

　　液壓控制系統(tǒng)采用我公司最新設(shè)計改進的液壓控制閥組，閥組上裝有操作球閥接力器開啟的電液換向閥和關(guān)閉的電液換向閥、二通插裝閥、單向閥、液動換向閥、還裝有操作球閥工作密封投入與退出的電液換向閥，操作旁通閥開啟和關(guān)閉的電液換向閥!單向節(jié)流閥以及操作檢修密封投入和退出的手動換向閥，該閥組上所有的電液換向閥、二通插裝閥、單向閥、液動換向閥等采用國際知名品牌，閥體、閥芯均采用不銹鋼材料，確保該閥組長期可靠運行。閥組供油油壓為2.5~10MPa。閥組上端裝有壓力表，用來顯示壓力油源油壓。該閥組主要結(jié)構(gòu)特點如下：

　　(1)系統(tǒng)設(shè)計靈活、可靠性高、穩(wěn)定性好。

　　(2)外形尺寸小，連接方便，安裝成本低。

　　(3)消除了外泄漏，并減少了內(nèi)泄漏，降低了液壓系統(tǒng)維護成本。

　　(4)設(shè)置快速測試接頭能隨時監(jiān)測球閥接力器開啟腔、關(guān)閉腔油壓及各重要部分動作情況。

　　(5)旁通閥開、關(guān)時間和球閥接力器開、關(guān)時間連續(xù)可調(diào)，調(diào)節(jié)范圍廣，可滿足要求。

　　(6)采用可靠的、批量生產(chǎn)的、功能單一的標(biāo)準(zhǔn)液壓元件，裝置的互換性、通用性強，標(biāo)準(zhǔn)化程度高，使用壓力范圍廣。

　　(7)僅靠純機械液壓過速保護裝置過來的外控液壓信號就可直接液壓關(guān)閉球閥。

2.3、其他控制部件

　　在球閥的前后裝有一個差壓開關(guān)和兩塊壓力表，用于監(jiān)測和顯示球閥前!后端水壓，差壓開關(guān)為PLC控制系統(tǒng)提供球閥開啟前的平壓信號;在球閥的操作油管路上裝有控制球閥的接力器開腔和旁通閥開腔開!閉的進口電動球閥，避免機組在停機狀態(tài)下發(fā)生誤動作，確保機組的安全可靠;此外，還設(shè)有球閥!旁通閥!工作密封和檢修密封位置開關(guān)，用于監(jiān)測其所處的狀態(tài)"其中差壓開關(guān)的選擇要注意根據(jù)各個電站實際情況選擇合適的量程。

3、球閥控制系統(tǒng)的功能

　　球閥控制系統(tǒng)可以實現(xiàn)現(xiàn)地和遠距離自動操作球閥的開啟和關(guān)閉。

　　球閥控制系統(tǒng)具有電動液壓和機動液壓雙重控制功能，它既能接受電氣控制命令進行球閥的開啟和關(guān)閉操作，又能在電氣控制命令失靈或控制和操作電源消失的情況下，直接接受機械液壓過速保護裝置機動換向閥的液壓控制命令進行緊急關(guān)閉球閥操作，以保護機組的安全。

3.1、PLC電氣控制箱

　　PLC電氣控制箱(見圖1)內(nèi)裝有可編程序控制器，開關(guān)電源，電源斷路器，電源監(jiān)視器等，球閥的開啟與關(guān)閉流程由可編程序控制器程序控閥開啟控制按鈕，球閥關(guān)閉控制按鈕以及用來指制邏輯自行完成。控制箱的前面板上裝有現(xiàn)地和示球閥、旁通閥、工作密封和檢修密封全開與全遠方控制轉(zhuǎn)換開關(guān)，聯(lián)動和非聯(lián)動轉(zhuǎn)換開關(guān)，球關(guān)狀態(tài)的指示燈。

圖1 PLC電氣控制箱

　　當(dāng)把轉(zhuǎn)換開關(guān)切換到遠方控制方式時，控制箱接受遠方監(jiān)控系統(tǒng)的控制，由監(jiān)控系統(tǒng)給出開啟或者關(guān)閉球閥的命令，球閥控制系統(tǒng)通過PLC程序控制邏輯完成球閥的開啟或關(guān)閉流程。當(dāng)把轉(zhuǎn)換開關(guān)切換到現(xiàn)地控制方式時，由PLC電氣控制箱面板上的萬啟與關(guān)閉控制按鈕現(xiàn)地操作球閥的開啟與關(guān)閉"當(dāng)機組出現(xiàn)緊急事故停機時(比如機組過速或者按動機組緊急事故停機按鈕)，不管是現(xiàn)地控制方式還是遠方控制方式，都會關(guān)閉球閥以保證機組安全。

　　控制系統(tǒng)還設(shè)置了一個聯(lián)動與非聯(lián)動控制方式選擇開關(guān)，它可用來決定球閥是否隨機組啟停而開啟和關(guān)閉"當(dāng)把轉(zhuǎn)換開關(guān)切換到聯(lián)動方式，機組開機命令到來時，開啟球閥;機組停機命令到來時，關(guān)閉球閥"當(dāng)把轉(zhuǎn)換開關(guān)切換到非聯(lián)動方式，球閥的開啟只接受遠方監(jiān)控系統(tǒng)“遠方開啟球閥”命令或現(xiàn)地開啟球閥控制按鈕的控制;球閥的關(guān)閉只接受遠方監(jiān)控系統(tǒng)“錘方關(guān)閉球閥”命令或現(xiàn)地關(guān)閉球周控制按鈕的控制。

　　控制系統(tǒng)除了在PLC電氣控制箱面板上設(shè)有相應(yīng)的狀態(tài)指示燈以外，它還提供如下狀態(tài)信號，可反饋至中央控制室或者其他需要該信號的設(shè)備：

　　球閥的全開、全關(guān)位置信號;

　　旁通閥的全開、全關(guān)位置信號;

　　工作密封投入、退出狀態(tài)信號;

　　檢修密封投入、退出狀態(tài)信號;

　　PLC退出運行時故障報警信號。

3.2、球閥液壓控制閥組

　　(1)球閥液壓控制閥組(見圖2)是由二通插裝閥，開啟球閥的電液換向閥1DPK(單線圈)，關(guān)閉球閥的電液換向閥1DPG(單線圈)，球閥開、關(guān)時間調(diào)節(jié)裝置，液動換向閥，控制旁通閥開、關(guān)的電液換向閥ZDP(雙線圈)，調(diào)節(jié)旁通閥開、關(guān)時間的單向節(jié)流閥，控制工作密封投入、退出的電液換向閥3DP(雙線圈)，控制檢修密封投入、退出的帶鎖旋鈕手動換向閥SHP，壓力表，測壓接頭，外接法蘭，管接頭等液壓元器件和主閥塊、頂塊組成。全部液壓元器件集中安裝在主閥塊和頂塊上，成為一個球閥液壓控制閥組。閥組上還配有安裝底板，用于整個閥組的安裝固定。

　　(2)球閥液壓控制閥組有13個外接油口，其中Al接接力器開啟腔;Bl接接力器關(guān)閉腔;P0接壓力油源;功接回油箱;X0為外控油口，接機械液壓過速保護裝置的機動換向閥，用于接受機械液壓過速保護裝置的液壓控制信號;X(X)為外控油口，接球閥接力器全關(guān)位置機動換向閥，用于接受球閥接力器全關(guān)裝置的液壓控制信號;A2接旁通閥關(guān)閉腔;BZ接旁通閥開啟腔;A3接工作密封投入腔;B3接工作密封退出腔;A4接檢修密封退出腔;B4接檢修密封投入腔;T01接集油裝置。此外，球閥液壓控制閥組上，還設(shè)有6個微型測壓接頭，可用于在現(xiàn)場調(diào)試時，監(jiān)測壓力油源、接力器開腔、接力器關(guān)腔!外控液壓信號的壓力及液動閥所處狀態(tài)。

　　(3)球閥液壓控制閥組上的電液換向閥接受PLC電氣控制箱的電氣控制命令進行球閥的開、關(guān)操作。當(dāng)球閥液壓控制系統(tǒng)在現(xiàn)場調(diào)試時，也可以分別手動操作球閥液壓控制閥組上電液換向閥，來開、關(guān)旁通閥，退出、投入工作密封，開、關(guān)球閥;但是必須按照球閥的操作順序進行操作。

　　(4)在球閥液壓控制閥組上，設(shè)置有球閥開、關(guān)時間調(diào)節(jié)裝置，用于球閥開啟!關(guān)閉過程時間調(diào)節(jié)。球閥的開、關(guān)時間應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格按照有關(guān)技術(shù)要求設(shè)定。旁通閥開啟和關(guān)閉時間調(diào)節(jié)是通過裝于閥組上的單向節(jié)流閥進行調(diào)節(jié)的。

3.3、球閥的操作

3.3.1、球閥開啟

　　球閥開啟條件為：水輪機導(dǎo)葉在全關(guān)位置，球閥在全關(guān)位置，機組無事故，球閥檢修密封處于退出狀態(tài).

　　當(dāng)開啟條件全部滿足，且現(xiàn)地或遠方發(fā)出開啟命令后，PLC電氣控制箱開啟控制程序啟動，首先，開啟球閥開啟腔電動閥，再開啟旁通閥開啟腔電動閥，控制ZDP電液換向閥，開啟旁通閥向蝸殼充水平壓，當(dāng)球閥前后端水壓的差壓值鑊30%全水壓力值時，差壓開關(guān)動作，控制3DP電液換向閥退出工作密封，工作密封退出，其位置開關(guān)動作后，控制1DPK電液換向閥開啟球閥接力器，當(dāng)球閥開到全開位置，其位置開關(guān)動作后，操作ZDP電液換向閥關(guān)閉旁通閥到全關(guān)位置，至此球閥開啟操作結(jié)束。

3.3.2球閥關(guān)閉

　　當(dāng)現(xiàn)地或遠方發(fā)出關(guān)閉命令或機組事故拭機組事故包括：機組過速!機組事故停機、機械液壓過速保護動作)，PLC電氣控制箱關(guān)閉程序啟動，首先控制1DPG電液換向閥關(guān)閉球閥，當(dāng)球閥關(guān)到全關(guān)位置，其位置開關(guān)動作，控制3DP電液換向閥投入工作密封到投入位置，再關(guān)閉球閥開啟腔電動閥，關(guān)閉旁通閥開啟腔電動閥，至此球閥關(guān)閉操作結(jié)束。

3.3.3、機械液壓過速保護動作

　　機械液壓過速保護裝置的機動換向閥的液壓控制信號控制球閥關(guān)閉。在球閥液壓控制閥組上，設(shè)有外控油口X0和X00。正常狀態(tài)下(即機械液壓過速保護裝置未動作)，外控油口X0是通過機械液壓過速保護裝置的機動換向閥1JP與壓力油源相連接，即外控油口X0處于有壓狀態(tài)。外控油口X00與球閥全關(guān)位置機動換向閥2JP相連接，球閥關(guān)到全關(guān)位置，外控油口X00通過機動換向閥2JP與壓力油源相通處于有壓狀態(tài);球閥在全關(guān)以上至全開位置外控油口X00通過機動換向閥2JP與回油相通處于無壓狀態(tài)。當(dāng)水輪發(fā)電機組過速時，機械液壓過速保護裝置動作后，機動換向閥1JP閥位發(fā)生切換，外控油口X0通過機動換向閥與回油相通，球閥液壓控制閥組將直接由外控油口X0來的液壓信號自動將球閥關(guān)閉，當(dāng)球閥接力器關(guān)至全關(guān)時，球閥全關(guān)位置機動換向閥2JP閥位發(fā)生切換，外控油口X00通過機動換向閥與壓力油相通，操作液動換向閥YP使之發(fā)生切換，通過電液換向閥3DP投入工作密封，實現(xiàn)機械液壓過速保護緊急關(guān)閉球閥的目的。