淺析水電站球閥控制系統(tǒng)

2013-08-21 甘福珍東方電機(jī)控制設(shè)備有限公司

1、引言

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

　　球閥是進(jìn)水閥的一種。近年來隨著我國(guó)大型沖擊式水輪發(fā)電機(jī)組的不斷發(fā)展，對(duì)制造和控制技術(shù)的要求也日益提高，對(duì)進(jìn)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(diǎn)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(jī)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(duì)機(jī)組的自動(dòng)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(duì)這一現(xiàn)象，東方電機(jī)控制公司對(duì)球閥控制進(jìn)行了大量的改進(jìn)，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(jī)組。本文對(duì)該控制裝置的組成、功能、特點(diǎn)等作一簡(jiǎn)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(diǎn)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(hù);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(jiǎn)單，成本也較低，功能也很強(qiáng)大且對(duì)現(xiàn)場(chǎng)空間要求不高。所以一般機(jī)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(duì)PLC電氣控制箱做簡(jiǎn)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(yuǎn)方控制轉(zhuǎn)換開關(guān)、聯(lián)動(dòng)和非聯(lián)動(dòng)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(gè)電氣控制裝置的核心，其性能優(yōu)劣和性價(jià)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(jià)比。同時(shí)，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(diǎn)負(fù)載能力，可直接操作交流接觸器和電動(dòng)閥門，取消中間繼電器，簡(jiǎn)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(chǔ)容量7680語

　　數(shù)據(jù)寄存器 8320字

　　輸入輸出點(diǎn)數(shù)256點(diǎn)

　　內(nèi)部繼電器數(shù)1024點(diǎn)

　　定時(shí)器數(shù) 256

　　計(jì)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(gè)通訊口，支持RS232C/RS485?MODBUS協(xié)議，平均無故障運(yùn)行時(shí)間5000h，可根據(jù)水電站球閥控制裝置的輸入、輸出容量對(duì)PLC的電源框架和輸入、輸出模塊進(jìn)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(jì)改進(jìn)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(dòng)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(dòng)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(dòng)換向閥等采用國(guó)際知名品牌，閥體、閥芯均采用不銹鋼材料，確保該閥組長(zhǎng)期可靠運(yùn)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(diǎn)如下：

　　(1)系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(hù)成本。

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

　　(5)旁通閥開、關(guān)時(shí)間和球閥接力器開、關(guān)時(shí)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(qiáng)，標(biāo)準(zhǔn)化程度高，使用壓力范圍廣。

　　(7)僅靠純機(jī)械液壓過速保護(hù)裝置過來的外控液壓信號(hào)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(gè)差壓開關(guān)和兩塊壓力表，用于監(jiān)測(cè)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(hào);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(jìn)口電動(dòng)球閥，避免機(jī)組在停機(jī)狀態(tài)下發(fā)生誤動(dòng)作，確保機(jī)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(cè)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(gè)電站實(shí)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(shí)現(xiàn)現(xiàn)地和遠(yuǎn)距離自動(dòng)操作球閥的開啟和關(guān)閉。

　　球閥控制系統(tǒng)具有電動(dòng)液壓和機(jī)動(dòng)液壓雙重控制功能，它既能接受電氣控制命令進(jìn)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(jī)械液壓過速保護(hù)裝置機(jī)動(dòng)換向閥的液壓控制命令進(jìn)行緊急關(guān)閉球閥操作，以保護(hù)機(jī)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(yuǎn)方控制轉(zhuǎn)換開關(guān)，聯(lián)動(dòng)和非聯(lián)動(dòng)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(yuǎn)方控制方式時(shí)，控制箱接受遠(yuǎn)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(shí)，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(jī)組出現(xiàn)緊急事故停機(jī)時(shí)(比如機(jī)組過速或者按動(dòng)機(jī)組緊急事故停機(jī)按鈕)，不管是現(xiàn)地控制方式還是遠(yuǎn)方控制方式，都會(huì)關(guān)閉球閥以保證機(jī)組安全。

　　控制系統(tǒng)還設(shè)置了一個(gè)聯(lián)動(dòng)與非聯(lián)動(dòng)控制方式選擇開關(guān)，它可用來決定球閥是否隨機(jī)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(dòng)方式，機(jī)組開機(jī)命令到來時(shí)，開啟球閥;機(jī)組停機(jī)命令到來時(shí)，關(guān)閉球閥"當(dāng)把轉(zhuǎn)換開關(guān)切換到非聯(lián)動(dòng)方式，球閥的開啟只接受遠(yuǎn)方監(jiān)控系統(tǒng)“遠(yuǎn)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(yuǎn)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(hào)，可反饋至中央控制室或者其他需要該信號(hào)的設(shè)備：

　　球閥的全開、全關(guān)位置信號(hào);

　　旁通閥的全開、全關(guān)位置信號(hào);

　　工作密封投入、退出狀態(tài)信號(hào);

　　檢修密封投入、退出狀態(tài)信號(hào);

　　PLC退出運(yùn)行時(shí)故障報(bào)警信號(hào)。

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(shí)間調(diào)節(jié)裝置，液動(dòng)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(shí)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(dòng)換向閥SHP，壓力表，測(cè)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(gè)球閥液壓控制閥組。閥組上還配有安裝底板，用于整個(gè)閥組的安裝固定。

　　(2)球閥液壓控制閥組有13個(gè)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(jī)械液壓過速保護(hù)裝置的機(jī)動(dòng)換向閥，用于接受機(jī)械液壓過速保護(hù)裝置的液壓控制信號(hào);X(X)為外控油口，接球閥接力器全關(guān)位置機(jī)動(dòng)換向閥，用于接受球閥接力器全關(guān)裝置的液壓控制信號(hào);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(gè)微型測(cè)壓接頭，可用于在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試時(shí)，監(jiān)測(cè)壓力油源、接力器開腔、接力器關(guān)腔!外控液壓信號(hào)的壓力及液動(dòng)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(jìn)行球閥的開、關(guān)操作。當(dāng)球閥液壓控制系統(tǒng)在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試時(shí)，也可以分別手動(dòng)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(jìn)行操作。

　　(4)在球閥液壓控制閥組上，設(shè)置有球閥開、關(guān)時(shí)間調(diào)節(jié)裝置，用于球閥開啟!關(guān)閉過程時(shí)間調(diào)節(jié)。球閥的開、關(guān)時(shí)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(shí)間調(diào)節(jié)是通過裝于閥組上的單向節(jié)流閥進(jìn)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(jī)導(dǎo)葉在全關(guān)位置，球閥在全關(guān)位置，機(jī)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(yuǎn)方發(fā)出開啟命令后，PLC電氣控制箱開啟控制程序啟動(dòng)，首先，開啟球閥開啟腔電動(dòng)閥，再開啟旁通閥開啟腔電動(dòng)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(shí)，差壓開關(guān)動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(yuǎn)方發(fā)出關(guān)閉命令或機(jī)組事故拭機(jī)組事故包括：機(jī)組過速!機(jī)組事故停機(jī)、機(jī)械液壓過速保護(hù)動(dòng)作)，PLC電氣控制箱關(guān)閉程序啟動(dòng)，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(dòng)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(dòng)閥，關(guān)閉旁通閥開啟腔電動(dòng)閥，至此球閥關(guān)閉操作結(jié)束。

3.3.3、機(jī)械液壓過速保護(hù)動(dòng)作

　　機(jī)械液壓過速保護(hù)裝置的機(jī)動(dòng)換向閥的液壓控制信號(hào)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(jī)械液壓過速保護(hù)裝置未動(dòng)作)，外控油口X0是通過機(jī)械液壓過速保護(hù)裝置的機(jī)動(dòng)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(jī)動(dòng)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(jī)動(dòng)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(jī)動(dòng)換向閥2JP與回油相通處于無壓狀態(tài)。當(dāng)水輪發(fā)電機(jī)組過速時(shí)，機(jī)械液壓過速保護(hù)裝置動(dòng)作后，機(jī)動(dòng)換向閥1JP閥位發(fā)生切換，外控油口X0通過機(jī)動(dòng)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(hào)自動(dòng)將球閥關(guān)閉，當(dāng)球閥接力器關(guān)至全關(guān)時(shí)，球閥全關(guān)位置機(jī)動(dòng)換向閥2JP閥位發(fā)生切換，外控油口X00通過機(jī)動(dòng)換向閥與壓力油相通，操作液動(dòng)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(shí)現(xiàn)機(jī)械液壓過速保護(hù)緊急關(guān)閉球閥的目的。