淺談水電廠自動(dòng)化元件的配置與優(yōu)化運(yùn)行
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企業(yè)：控制網(wǎng)
行業(yè)：建筑樓宇
- 點(diǎn)擊數(shù)：2514 發(fā)布時(shí)間：2007-03-09 22:47:18
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介紹了如何配置與優(yōu)化水電廠的自動(dòng)化元件，其配置選型應(yīng)以可靠實(shí)用、結(jié)構(gòu)簡單、便于維護(hù)為原則，同時(shí)還應(yīng)結(jié)合電廠的各種介質(zhì)特點(diǎn)、設(shè)備運(yùn)行方式、控制方式等因素綜合考慮。
1 引言
水電廠水輪發(fā)電機(jī)自動(dòng)化元件是主機(jī)及輔助設(shè)備的邏輯控制、監(jiān)控必不可少的設(shè)備，也是水電廠實(shí)現(xiàn)綜合自動(dòng)化、運(yùn)動(dòng)及計(jì)算機(jī)控制的基礎(chǔ)，自動(dòng)化元件的配置與優(yōu)化是水電廠綜合自動(dòng)化系統(tǒng)重要環(huán)節(jié)，是水電廠綜合自動(dòng)化系統(tǒng)成敗的關(guān)鍵，尤其是在計(jì)算機(jī)監(jiān)控技術(shù)的長期發(fā)展和廣泛應(yīng)用的今天，基礎(chǔ)自動(dòng)化元件選型配置的不合理，直接導(dǎo)致水電廠綜合自動(dòng)化系統(tǒng)出現(xiàn)“四肢簡單、頭腦發(fā)達(dá)”的問題。因此，自動(dòng)化元件的配置、選型和運(yùn)行維護(hù)一直是所有水電廠自動(dòng)化設(shè)計(jì)、開發(fā)和運(yùn)行維護(hù)人員所關(guān)注的熱點(diǎn)。
水電廠自動(dòng)化元件作為整個(gè)綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的基礎(chǔ)，其造型、配置應(yīng)以工作長期穩(wěn)定可靠、靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行維護(hù)方便為原則，同時(shí)應(yīng)結(jié)合電廠的各種介質(zhì)特點(diǎn)、設(shè)備運(yùn)行方式、控制方式等因素綜合考慮。
隨著水電廠運(yùn)行方式的不斷深入，“無人值班，少人值守”乃至“無人值守，關(guān)門運(yùn)行”已成為發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)水電廠綜合的自動(dòng)化系統(tǒng)提出了更高的要求。同時(shí)綜合自動(dòng)化元件的配置也增加了新的內(nèi)容。筆者經(jīng)過長期對(duì)國內(nèi)外自動(dòng)化元件的了解并結(jié)合所在電站的自動(dòng)化元件選型經(jīng)驗(yàn)淺談自己的看法，供各位同行參考。
總體來說，水電廠基礎(chǔ)自動(dòng)化元件可以為自動(dòng)化執(zhí)行元件和自動(dòng)化監(jiān)測（發(fā)信）元件兩大類。自動(dòng)化執(zhí)行元件主要是各類介質(zhì)的電磁閥，這類元件比較單一，生產(chǎn)廠家也很多。但總體來說，進(jìn)口產(chǎn)品較國內(nèi)產(chǎn)品在制造工藝、使用壽命等方面有較大的優(yōu)勢(shì)，可根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的廠家的產(chǎn)品，本文不進(jìn)行專門討論。
2 自動(dòng)化監(jiān)測元件
自動(dòng)化監(jiān)測（發(fā)信）元件主要是用來監(jiān)視機(jī)組本體及油水風(fēng)輔助系統(tǒng)的溫度、轉(zhuǎn)速、壓力、液流、液位、位移等參數(shù)，在機(jī)組程序自動(dòng)化控制中執(zhí)行某一給定任務(wù)，并實(shí)現(xiàn)越限報(bào)警，這一類自動(dòng)化元件主要包括：振動(dòng)信號(hào)、轉(zhuǎn)速信號(hào)、流量信號(hào)、壓力信號(hào)、液位信號(hào)、溫度信號(hào)、剪斷銷信號(hào)、導(dǎo)葉位置信號(hào)及位置信號(hào)等。
2.1 振動(dòng)監(jiān)測
振動(dòng)是水電機(jī)組較為常見的問題，它的分布也較為廣泛，機(jī)組從上到下，從轉(zhuǎn)動(dòng)部件到固定部件均可能發(fā)生振動(dòng)。較大的振動(dòng)直接影響著機(jī)組的安全運(yùn)行，因此它是評(píng)定機(jī)組運(yùn)行質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)。從振動(dòng)理論上講，振動(dòng)由三個(gè)參數(shù)來表征，即幅值、頻率和相位。振動(dòng)幅值表征振動(dòng)大小，振動(dòng)頻率表征振動(dòng)產(chǎn)生的原因，振動(dòng)相位表征振動(dòng)方式，但通常在振動(dòng)監(jiān)測中只監(jiān)測振動(dòng)幅值，而很少監(jiān)測頻率和相位。國內(nèi)儀表生產(chǎn)廠家又由于普遍存在規(guī)模小，生產(chǎn)設(shè)備落后，同時(shí)又缺乏必要的監(jiān)測設(shè)備，特別是絕對(duì)振動(dòng)的測量根本無法滿足要求，監(jiān)測儀表實(shí)際上成了一種擺設(shè)。從國外的情況來看，也并非是所有生產(chǎn)廠家的產(chǎn)品都能使用，主要原因是水輪發(fā)電機(jī)組的振動(dòng)頻率較低，目前比較適合水電機(jī)組使用的國際著名公司有兩家，一家是德國的SCHENCK公司，另一家是瑞士的VM公司。其主要特點(diǎn)是低頻性能好，傳感器和前置器一體化,系統(tǒng)構(gòu)成靈活，用戶可根據(jù)測點(diǎn)多少選擇單元數(shù)量，功能上是分級(jí)的，從國內(nèi)外的實(shí)際使用情況來看二次儀表和專用軟件由國內(nèi)廠家供貨比較合適，這是因?yàn)椋?1) 國外廠商的售后服務(wù)價(jià)格非常昂貴；(2) 國外專用軟件升級(jí)周期較長；(3) 國外軟件漢化界面不理想。
2.2 轉(zhuǎn)速測量
轉(zhuǎn)速測量是水電機(jī)組最重要的參量之一，它與調(diào)速、勵(lì)磁、同期及控制系統(tǒng)等直接關(guān)聯(lián)，如果轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)發(fā)生故障，將會(huì)直接影響整個(gè)系統(tǒng)，甚至危及設(shè)備安全，這一點(diǎn)對(duì)于“無人值班”電站就顯得更為重要。
以前國內(nèi)轉(zhuǎn)速測量通常有殘壓測頻和同軸聯(lián)接的機(jī)械過速開關(guān)二種，按供貨習(xí)慣通常由主機(jī)廠配套提供，而主機(jī)廠本身并不生產(chǎn)這些產(chǎn)品，所以元器件幾乎都是從市場上購買的，其結(jié)果是殘壓測頻轉(zhuǎn)速信號(hào)器由于抗干擾能力差而頻繁發(fā)生誤動(dòng)。而機(jī)械過速開關(guān)也由于誤差太大、調(diào)試不方便（調(diào)定值時(shí)要反復(fù)的進(jìn)行機(jī)組過速，對(duì)機(jī)組機(jī)械部分壽命不利）而無法正常投入使用。
目前國外轉(zhuǎn)速測量通常有兩種方式，一種是齒盤測速，另一種是發(fā)電機(jī)殘壓測頻。當(dāng)機(jī)組轉(zhuǎn)速大于80%nr（nr為額定轉(zhuǎn)速）時(shí)，調(diào)速器自動(dòng)選擇發(fā)電機(jī)殘壓測頻通道來測量機(jī)組的頻率。齒盤安裝在主軸上，同時(shí)設(shè)有兩個(gè)電氣獨(dú)立的測速探頭，把測得的信號(hào)通過各自的轉(zhuǎn)速傳感器變成具有一定幅度的方波脈沖輸入調(diào)速器中，調(diào)速器經(jīng)過計(jì)算處理求出轉(zhuǎn)速值。這兩個(gè)探頭同時(shí)測量，一方面可以補(bǔ)償由于水輪機(jī)大軸移動(dòng)（在軸承限制范圍內(nèi)）引起的誤差；另一方面，通過比較兩個(gè)環(huán)節(jié)測得的轉(zhuǎn)速值，可以監(jiān)視轉(zhuǎn)速傳感器是否正常工作。殘壓測頻是通過發(fā)電機(jī)端PT來測量發(fā)電機(jī)的殘壓，然后把測得的殘壓通過隔離、限制和濾波，最后輸入到調(diào)速器中。機(jī)組控制所需的轉(zhuǎn)速信號(hào)器都由調(diào)速器的微處理機(jī)產(chǎn)生，通過轉(zhuǎn)速繼電器以開關(guān)量的形式輸出。轉(zhuǎn)速繼電器的設(shè)定值可以通過PC機(jī)或LCD終端鍵盤上的+/-按鈕來調(diào)整。
而我國的大多數(shù)電站都習(xí)慣采用獨(dú)立的測速裝置，現(xiàn)在國內(nèi)的測速裝置也大致可分為齒盤測速和發(fā)電機(jī)殘壓測速兩種。裝置本身根據(jù)其原理又有PLC型和單片機(jī)型兩類。但不管是哪種形式的裝置，都提供了較為豐富的功能，除了傳統(tǒng)的開關(guān)量輸出，還包括轉(zhuǎn)速的LED顯示、轉(zhuǎn)速模擬量的輸出、與機(jī)組監(jiān)控系統(tǒng)的通訊接口等，也可以通過面板方便的設(shè)置各種參數(shù)。
根據(jù)筆者的經(jīng)驗(yàn)，一臺(tái)機(jī)組安裝兩套獨(dú)立的測速裝置，其中一套齒盤測速，另一套用殘壓測速，兩套裝置互為備用，就可以很好的滿足機(jī)組轉(zhuǎn)速測量的目的。另外，在選用測速裝置時(shí)應(yīng)注意以下幾個(gè)方面的問題：(1) 根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況，筆者認(rèn)為PLC型的裝置較單片機(jī)型的裝置工作可靠、抗干擾能力強(qiáng)，在選擇時(shí)應(yīng)優(yōu)先考慮；(2) 在選擇齒盤測速傳感器是應(yīng)優(yōu)先選擇直徑較大的傳感器，這樣傳感器距離的調(diào)節(jié)比較方便。
2.3 流量監(jiān)測
流量監(jiān)測分為兩大方面，一是水輪機(jī)過機(jī)流量，目的在于計(jì)算耗水率和機(jī)組效率。二是輔機(jī)系統(tǒng)管路中的介質(zhì)流量，目的在于掌握技術(shù)供水等輔機(jī)系統(tǒng)的狀況。從監(jiān)測的角度出發(fā)，水輪機(jī)過機(jī)流量有三種方法，一是超聲波法，二是熱力學(xué)法，三是蝸殼差壓法。前二種方法國外應(yīng)用較多，是比較成熟的監(jiān)測方法，但維護(hù)不便，造價(jià)高。蝸殼差壓法是由差壓變送器和二次儀表組成，利用流量Q=K∫ΔH的關(guān)系完成流量監(jiān)測。K值是蝸殼流量系數(shù)，它可通過理論計(jì)算或?qū)嶋H試驗(yàn)獲得。但由于國內(nèi)配套的二次儀表所顯示的數(shù)據(jù)誤差很大，筆者認(rèn)為直接把蝸殼差壓值用差壓變送器輸送至計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)或?qū)ｉT的機(jī)組狀態(tài)檢測系統(tǒng)，在計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)或?qū)ｉT的機(jī)組狀態(tài)檢測系統(tǒng)中，通過Q=K∫ΔH的關(guān)系完成監(jiān)測是比較好的辦法。
管道的流量監(jiān)測有多種，如機(jī)械擋板式、電磁式、渦街式、渦輪式及熱導(dǎo)式等，可根據(jù)不同的介質(zhì)、壓力選用合適的流量計(jì)。美國FCI公司和德國TURCK公司的流量開關(guān)是利用熱擴(kuò)散原理制造的產(chǎn)品，它沒有活動(dòng)部件因而具有反應(yīng)靈敏、動(dòng)作可靠、使用壽命長等特點(diǎn)，建議在管道的流量測量中應(yīng)用。當(dāng)然在實(shí)際的應(yīng)用中，也要根據(jù)機(jī)組的容量、對(duì)流量檢測的要求以及費(fèi)用等情況綜合考慮選擇其他的測量設(shè)備。
2.4 壓力測量
機(jī)組的壓力測點(diǎn)較多，油、氣、水各系統(tǒng)均有壓力測量。傳統(tǒng)的壓力測量方法是電接點(diǎn)壓力表，為滿足“無人值班”電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的要求，目前的壓力測量已逐步采用壓力開關(guān)來代替電接壓力表。同時(shí)采用壓力變送器（輸出4～20mA）供計(jì)算機(jī)監(jiān)控記錄、顯示、打印等。壓力變送器目前性能穩(wěn)定，精度高，同時(shí)可以現(xiàn)場標(biāo)定的壓力變送器生產(chǎn)廠家較多，進(jìn)口的有美國FOXBORO、ROSEMOUNT和德國的E+H公司，國內(nèi)的有中美合資陜西麥克傳感器有限公司（以下簡稱麥克公司），上海威爾泰工業(yè)自動(dòng)化股份有限公司等公司的產(chǎn)品，主要品種有壓阻式、擴(kuò)散硅式和電容式等，選擇余地較大。壓力開關(guān)接點(diǎn)容量大，動(dòng)作可靠和重復(fù)精度高的產(chǎn)品有美國的CCS等公司。
2.5 液位測量
液位測量有上、下、水導(dǎo)軸承油箱油位、集油槽油位、壓油槽油位和頂蓋水位等。常規(guī)測量均采用液位開關(guān)，為了滿足“無人值班”的要求，對(duì)有些重要的部位則需要同時(shí)輸出模擬量（4～20mA）。而目前進(jìn)口液位開關(guān)和變送器規(guī)格也很多，美國GEMS公司、德國的GOLDERMAN和臺(tái)灣的FINE公司生產(chǎn)的產(chǎn)品，這些產(chǎn)品具有接點(diǎn)容量大，動(dòng)作可靠和精度高、品種多等特點(diǎn)，目前已被廣泛采用，其它麥克公司生產(chǎn)的液位變送器質(zhì)量也比較好，而國內(nèi)其它產(chǎn)品與進(jìn)口產(chǎn)品相比，則差距較大。
2.6 溫度測量
溫度作為設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的重要指標(biāo)而倍受關(guān)注, 水電機(jī)組主要測量對(duì)象是油、氣、水及軸瓦的溫度。目前，一般均采用（鉑）熱電阻（Pt100）測量，它反映靈敏且精度高，按結(jié)構(gòu)可分為片狀電阻和管狀電阻兩種，片狀電阻用于定子測量，管狀電阻則用于其它部位的溫度測量；有人認(rèn)為測量點(diǎn)越多越好，而且要求把水溫和油溫都配上二次儀表并直接作用于報(bào)警和事故停機(jī)；實(shí)際上有許多地方測量點(diǎn)越多，危害就越大。如軸瓦每個(gè)RTD都需要鉆一個(gè)孔，測點(diǎn)越多，孔也就越多，對(duì)軸瓦的影響也就越大, 而如果把瓦溫和油溫都直接作用于報(bào)警（或事故停機(jī)），則存在油溫報(bào)警設(shè)定值如何與瓦溫設(shè)定值相一致的問題，實(shí)際上要做到一致是非常困難的。所以在有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中都沒有把這些列入與瓦溫一樣的范疇，故筆者建議按有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)配置，同時(shí)適當(dāng)考慮冗余量。所有測溫電阻分二部分，一部分（鉑）熱電阻（如上導(dǎo)、推力、下導(dǎo)及水導(dǎo)瓦溫和空冷器冷風(fēng)溫度的測量電阻）與單點(diǎn)顯示報(bào)警的二次儀表配合，它能顯示被測點(diǎn)的溫度，當(dāng)溫度超過設(shè)定值時(shí)能分別發(fā)出報(bào)警和事故停機(jī)信號(hào)（該儀表應(yīng)同時(shí)具有斷阻、斷電保護(hù)功能）。另一部分測溫電阻統(tǒng)一送至機(jī)組溫度巡檢裝置。目前國內(nèi)生產(chǎn)的測溫電阻，在質(zhì)量上已完全可以替代進(jìn)口產(chǎn)品，故已沒有必要從國外進(jìn)口。
2.7 軸電流檢測
發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)，由于定子、轉(zhuǎn)子之間氣隙不相等，以及由于定子鐵芯分片和磁極配置不對(duì)稱等原因，引起磁通不平衡。該不平衡磁通與軸承切割產(chǎn)生軸電勢(shì)，由于大軸內(nèi)阻很小，如果它沿軸承和底板成閉合回路，軸電流可達(dá)很大數(shù)值，它將導(dǎo)致油質(zhì)變化、變質(zhì)、軸承擺度增大、軸瓦嚴(yán)重?zé)龘p等事故的發(fā)生。因此，對(duì)于軸電流的檢測顯得非常關(guān)鍵。
第一種方案主要由環(huán)形電流互感器（套在發(fā)電機(jī)大軸上）和配套的二次儀表組成。當(dāng)大軸流過軸電流時(shí)，環(huán)形互感器的負(fù)端將感應(yīng)出電壓，它通過二次儀表發(fā)出報(bào)警信號(hào)，使用該裝置能及時(shí)發(fā)現(xiàn)機(jī)組大軸及各軸承對(duì)地絕緣的好壞，是避免軸瓦燒毀事故發(fā)生的一項(xiàng)有效措施。
另一種方案是通過比較簡單的測量方式即用接地回路檢測軸電流，但用這種方式測到的軸電流只不過是支路電流，因此筆者建議用戶選擇第一種方案。
2.8 剪斷銷信號(hào)器
剪斷銷作為反映水輪機(jī)導(dǎo)水葉的剪斷銷斷裂事故的發(fā)信元件，其選擇主要有主機(jī)廠根據(jù)機(jī)組形式配套提供，目前國內(nèi)常用的有觸點(diǎn)式剪斷銷信號(hào)器、常閉式剪斷銷信號(hào)器，另外還有瑞典KMW型機(jī)組的破斷連桿位置開關(guān)、帶有限位塊的克瓦納導(dǎo)葉摩擦裝置等形式，但不管是什么形式的發(fā)信元件，筆者建議不在配套專門的發(fā)信元件，而是將信號(hào)直接接入計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。當(dāng)然，由于水車室環(huán)境比較潮濕，在安裝的時(shí)候一定要做好絕緣處理，以防止監(jiān)控系統(tǒng)電源接地。
2.9 導(dǎo)葉位置信號(hào)
導(dǎo)葉位置信號(hào)是有機(jī)組主令控制器提供的。傳統(tǒng)的主令控制器都是機(jī)械式LK4系列，近幾年來不斷有電氣式的主令控制器被研發(fā)生產(chǎn)并投入使用。通過實(shí)際運(yùn)行考驗(yàn)，證明這類產(chǎn)品完全可以滿足使用要求。但筆者建議不采用專門的主令控制器，而是有機(jī)組調(diào)速器來輸出控制所需要的導(dǎo)葉位置信號(hào)。這樣不僅使控制系統(tǒng)更為簡單，也可以節(jié)省投資。
2.10 位置信號(hào)
機(jī)組的位置信號(hào)主要包括機(jī)組制動(dòng)風(fēng)閘位置和鎖錠位置。這類信號(hào)主要使用機(jī)械式位置開關(guān)進(jìn)行測量。筆者所在電站曾經(jīng)采用由主機(jī)廠提供的磁記憶干簧接點(diǎn)，但實(shí)踐證明這種方式調(diào)試非常不方便，運(yùn)行過程中經(jīng)常有誤發(fā)信號(hào)和錯(cuò)發(fā)信號(hào)的情況出現(xiàn)，在后來的改造中全部更換為機(jī)械式位置開關(guān)。
3 結(jié)語
綜上所述，水電站要真正實(shí)現(xiàn)“無人值班，少人值守”，它涉及到各個(gè)方面，有許多問題必須在系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段加以考慮。在做機(jī)組自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，除了按要求配置必要的基礎(chǔ)自動(dòng)化元件外。在具體配置時(shí)還考慮了適當(dāng)?shù)娜哂嗔浚源_保系統(tǒng)的可靠性、先進(jìn)性和合理性。
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北京市公安局海淀分局備案號(hào)：11010802023656號(hào)
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