淺談水電廠自動化元件的配置與優(yōu)化運行
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企業(yè)：控制網(wǎng)
行業(yè)：建筑樓宇
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介紹了如何配置與優(yōu)化水電廠的自動化元件，其配置選型應以可靠實用、結(jié)構(gòu)簡單、便于維護為原則，同時還應結(jié)合電廠的各種介質(zhì)特點、設備運行方式、控制方式等因素綜合考慮。
1 引言
水電廠水輪發(fā)電機自動化元件是主機及輔助設備的邏輯控制、監(jiān)控必不可少的設備，也是水電廠實現(xiàn)綜合自動化、運動及計算機控制的基礎，自動化元件的配置與優(yōu)化是水電廠綜合自動化系統(tǒng)重要環(huán)節(jié)，是水電廠綜合自動化系統(tǒng)成敗的關鍵，尤其是在計算機監(jiān)控技術(shù)的長期發(fā)展和廣泛應用的今天，基礎自動化元件選型配置的不合理，直接導致水電廠綜合自動化系統(tǒng)出現(xiàn)“四肢簡單、頭腦發(fā)達”的問題。因此，自動化元件的配置、選型和運行維護一直是所有水電廠自動化設計、開發(fā)和運行維護人員所關注的熱點。
水電廠自動化元件作為整個綜合自動化系統(tǒng)的基礎，其造型、配置應以工作長期穩(wěn)定可靠、靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡單、運行維護方便為原則，同時應結(jié)合電廠的各種介質(zhì)特點、設備運行方式、控制方式等因素綜合考慮。
隨著水電廠運行方式的不斷深入，“無人值班，少人值守”乃至“無人值守，關門運行”已成為發(fā)展趨勢，對水電廠綜合的自動化系統(tǒng)提出了更高的要求。同時綜合自動化元件的配置也增加了新的內(nèi)容。筆者經(jīng)過長期對國內(nèi)外自動化元件的了解并結(jié)合所在電站的自動化元件選型經(jīng)驗淺談自己的看法，供各位同行參考。
總體來說，水電廠基礎自動化元件可以為自動化執(zhí)行元件和自動化監(jiān)測（發(fā)信）元件兩大類。自動化執(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，可根據(jù)實際情況選擇合適的廠家的產(chǎn)品，本文不進行專門討論。
2 自動化監(jiān)測元件
自動化監(jiān)測（發(fā)信）元件主要是用來監(jiān)視機組本體及油水風輔助系統(tǒng)的溫度、轉(zhuǎn)速、壓力、液流、液位、位移等參數(shù)，在機組程序自動化控制中執(zhí)行某一給定任務，并實現(xiàn)越限報警，這一類自動化元件主要包括：振動信號、轉(zhuǎn)速信號、流量信號、壓力信號、液位信號、溫度信號、剪斷銷信號、導葉位置信號及位置信號等。
2.1 振動監(jiān)測
振動是水電機組較為常見的問題，它的分布也較為廣泛，機組從上到下，從轉(zhuǎn)動部件到固定部件均可能發(fā)生振動。較大的振動直接影響著機組的安全運行，因此它是評定機組運行質(zhì)量的一個重要指標。從振動理論上講，振動由三個參數(shù)來表征，即幅值、頻率和相位。振動幅值表征振動大小，振動頻率表征振動產(chǎn)生的原因，振動相位表征振動方式，但通常在振動監(jiān)測中只監(jiān)測振動幅值，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)設備落后，同時又缺乏必要的監(jiān)測設備，特別是絕對振動的測量根本無法滿足要求，監(jiān)測儀表實際上成了一種擺設。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)電機組的振動頻率較低，目前比較適合水電機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)測點多少選擇單元數(shù)量，功能上是分級的，從國內(nèi)外的實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，這是因為：(1) 國外廠商的售后服務價格非常昂貴；(2) 國外專用軟件升級周期較長；(3) 國外軟件漢化界面不理想。
2.2 轉(zhuǎn)速測量
轉(zhuǎn)速測量是水電機組最重要的參量之一，它與調(diào)速、勵磁、同期及控制系統(tǒng)等直接關聯(lián)，如果轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)發(fā)生故障，將會直接影響整個系統(tǒng)，甚至危及設備安全，這一點對于“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)接的機械過速開關二種，按供貨習慣通常由主機廠配套提供，而主機廠本身并不生產(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)速信號器由于抗干擾能力差而頻繁發(fā)生誤動。而機械過速開關也由于誤差太大、調(diào)試不方便（調(diào)定值時要反復的進行機組過速，對機組機械部分壽命不利）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)電機殘壓測頻。當機組轉(zhuǎn)速大于80%nr（nr為額定轉(zhuǎn)速）時，調(diào)速器自動選擇發(fā)電機殘壓測頻通道來測量機組的頻率。齒盤安裝在主軸上，同時設有兩個電氣獨立的測速探頭，把測得的信號通過各自的轉(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)過計算處理求出轉(zhuǎn)速值。這兩個探頭同時測量，一方面可以補償由于水輪機大軸移動（在軸承限制范圍內(nèi)）引起的誤差；另一方面，通過比較兩個環(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)電機端PT來測量發(fā)電機的殘壓，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。機組控制所需的轉(zhuǎn)速信號器都由調(diào)速器的微處理機產(chǎn)生，通過轉(zhuǎn)速繼電器以開關量的形式輸出。轉(zhuǎn)速繼電器的設定值可以通過PC機或LCD終端鍵盤上的+/-按鈕來調(diào)整。
而我國的大多數(shù)電站都習慣采用獨立的測速裝置，現(xiàn)在國內(nèi)的測速裝置也大致可分為齒盤測速和發(fā)電機殘壓測速兩種。裝置本身根據(jù)其原理又有PLC型和單片機型兩類。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)的開關量輸出，還包括轉(zhuǎn)速的LED顯示、轉(zhuǎn)速模擬量的輸出、與機組監(jiān)控系統(tǒng)的通訊接口等，也可以通過面板方便的設置各種參數(shù)。
根據(jù)筆者的經(jīng)驗，一臺機組安裝兩套獨立的測速裝置，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組轉(zhuǎn)速測量的目的。另外，在選用測速裝置時應注意以下幾個方面的問題：(1) 根據(jù)實際應用情況，筆者認為PLC型的裝置較單片機型的裝置工作可靠、抗干擾能力強，在選擇時應優(yōu)先考慮；(2) 在選擇齒盤測速傳感器是應優(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，一是水輪機過機流量，目的在于計算耗水率和機組效率。二是輔機系統(tǒng)管路中的介質(zhì)流量，目的在于掌握技術(shù)供水等輔機系統(tǒng)的狀況。從監(jiān)測的角度出發(fā)，水輪機過機流量有三種方法，一是超聲波法，二是熱力學法，三是蝸殼差壓法。前二種方法國外應用較多，是比較成熟的監(jiān)測方法，但維護不便，造價高。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)，它可通過理論計算或?qū)嶋H試驗獲得。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，筆者認為直接把蝸殼差壓值用差壓變送器輸送至計算機監(jiān)控系統(tǒng)或?qū)ｉT的機組狀態(tài)檢測系統(tǒng)，在計算機監(jiān)控系統(tǒng)或?qū)ｉT的機組狀態(tài)檢測系統(tǒng)中，通過Q=K∫ΔH的關系完成監(jiān)測是比較好的辦法。
管道的流量監(jiān)測有多種，如機械擋板式、電磁式、渦街式、渦輪式及熱導式等，可根據(jù)不同的介質(zhì)、壓力選用合適的流量計。美國FCI公司和德國TURCK公司的流量開關是利用熱擴散原理制造的產(chǎn)品，它沒有活動部件因而具有反應靈敏、動作可靠、使用壽命長等特點，建議在管道的流量測量中應用。當然在實際的應用中，也要根據(jù)機組的容量、對流量檢測的要求以及費用等情況綜合考慮選擇其他的測量設備。
2.4 壓力測量
機組的壓力測點較多，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壓力表，為滿足“無人值班”電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)的要求，目前的壓力測量已逐步采用壓力開關來代替電接壓力表。同時采用壓力變送器（輸出4～20mA）供計算機監(jiān)控記錄、顯示、打印等。壓力變送器目前性能穩(wěn)定，精度高，同時可以現(xiàn)場標定的壓力變送器生產(chǎn)廠家較多，進口的有美國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)自動化股份有限公司等公司的產(chǎn)品，主要品種有壓阻式、擴散硅式和電容式等，選擇余地較大。壓力開關接點容量大，動作可靠和重復精度高的產(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，為了滿足“無人值班”的要求，對有些重要的部位則需要同時輸出模擬量（4～20mA）。而目前進口液位開關和變送器規(guī)格也很多，美國GEMS公司、德國的GOLDERMAN和臺灣的FINE公司生產(chǎn)的產(chǎn)品，這些產(chǎn)品具有接點容量大，動作可靠和精度高、品種多等特點，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)品與進口產(chǎn)品相比，則差距較大。
2.6 溫度測量
溫度作為設備運行狀態(tài)的重要指標而倍受關注, 水電機組主要測量對象是油、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；有人認為測量點越多越好，而且要求把水溫和油溫都配上二次儀表并直接作用于報警和事故停機；實際上有許多地方測量點越多，危害就越大。如軸瓦每個RTD都需要鉆一個孔，測點越多，孔也就越多，對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警（或事故停機），則存在油溫報警設定值如何與瓦溫設定值相一致的問題，實際上要做到一致是非常困難的。所以在有關標準中都沒有把這些列入與瓦溫一樣的范疇，故筆者建議按有關標準配置，同時適當考慮冗余量。所有測溫電阻分二部分，一部分（鉑）熱電阻（如上導、推力、下導及水導瓦溫和空冷器冷風溫度的測量電阻）與單點顯示報警的二次儀表配合，它能顯示被測點的溫度，當溫度超過設定值時能分別發(fā)出報警和事故停機信號（該儀表應同時具有斷阻、斷電保護功能）。另一部分測溫電阻統(tǒng)一送至機組溫度巡檢裝置。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口產(chǎn)品，故已沒有必要從國外進口。
2.7 軸電流檢測
發(fā)電機運行時，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，由于大軸內(nèi)阻很小，如果它沿軸承和底板成閉合回路，軸電流可達很大數(shù)值，它將導致油質(zhì)變化、變質(zhì)、軸承擺度增大、軸瓦嚴重燒損等事故的發(fā)生。因此，對于軸電流的檢測顯得非常關鍵。
第一種方案主要由環(huán)形電流互感器（套在發(fā)電機大軸上）和配套的二次儀表組成。當大軸流過軸電流時，環(huán)形互感器的負端將感應出電壓，它通過二次儀表發(fā)出報警信號，使用該裝置能及時發(fā)現(xiàn)機組大軸及各軸承對地絕緣的好壞，是避免軸瓦燒毀事故發(fā)生的一項有效措施。
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 剪斷銷信號器
剪斷銷作為反映水輪機導水葉的剪斷銷斷裂事故的發(fā)信元件，其選擇主要有主機廠根據(jù)機組形式配套提供，目前國內(nèi)常用的有觸點式剪斷銷信號器、常閉式剪斷銷信號器，另外還有瑞典KMW型機組的破斷連桿位置開關、帶有限位塊的克瓦納導葉摩擦裝置等形式，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，而是將信號直接接入計算機監(jiān)控系統(tǒng)。當然，由于水車室環(huán)境比較潮濕，在安裝的時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 導葉位置信號
導葉位置信號是有機組主令控制器提供的。傳統(tǒng)的主令控制器都是機械式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。通過實際運行考驗，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，而是有機組調(diào)速器來輸出控制所需要的導葉位置信號。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
機組的位置信號主要包括機組制動風閘位置和鎖錠位置。這類信號主要使用機械式位置開關進行測量。筆者所在電站曾經(jīng)采用由主機廠提供的磁記憶干簧接點，但實踐證明這種方式調(diào)試非常不方便，運行過程中經(jīng)常有誤發(fā)信號和錯發(fā)信號的情況出現(xiàn)，在后來的改造中全部更換為機械式位置開關。
3 結(jié)語
綜上所述，水電站要真正實現(xiàn)“無人值班，少人值守”，它涉及到各個方面，有許多問題必須在系統(tǒng)設計階段加以考慮。在做機組自動控制系統(tǒng)設計時，除了按要求配置必要的基礎自動化元件外。在具體配置時還考慮了適當?shù)娜哂嗔浚源_保系統(tǒng)的可靠性、先進性和合理性。
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