淺析水電站球閥控制系統

2013-08-21 甘福珍東方電機控制設備有限公司

1、引言

　　進水閥在水輪發電機組中起著非常重要的作用：當機組停機時，關閉進水閥門用于減小水流損失；當機組發生故障而調速器失靈時，能在動水下緊急關閉，迅速切斷水流，避免事故的繼續擴大。

　　球閥是進水閥的一種。近年來隨著我國大型沖擊式水輪發電機組的不斷發展，對制造和控制技術的要求也日益提高，對進水球閥的控制就顯得尤為重要。早期的球閥控制系統在電氣控制上采用常規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，轉接點多、配線復雜，從而導致控制裝置的故障易發，可靠性欠佳，且邏輯關系復雜，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，配管復雜，有可能產生大的泄漏，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，傳統控制方式已不能滿足用戶要求。針對這一現象，東方電機控制公司對球閥控制進行了大量的改進，采用現代電子控制技術和二通插裝閥與專用集成控制閥塊結構，開發出新型球閥控制裝置，現已成功應用于金窩電站、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、球閥控制系統的組成

　　球閥控制系統主要由電氣控制系統和液壓控制系統組成"電氣控制系統一般采用PLC電氣控制，液壓控制系統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

　　電氣控制系統采用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，這種方式結構較簡單，成本也較低，功能也很強大且對現場空間要求不高。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，其正面板上裝有現地和遠方控制轉換開關、聯動和非聯動轉換開關、球閥開啟控制按鈕!球閥關閉控制按鈕以及各種狀態指示燈。

　　(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，其性能優劣和性價比直接影響到控制裝置的品質。球閥控制系統電氣控制裝置采用日本KOYO公司生產的DZ-250-1型PLC，供電電源為安全可靠的24VDC或22OVDC，該產品外形尺寸緊湊，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境，其大容量繼電器輸出模塊具有250VAC/5A的接點負載能力，可直接操作交流接觸器和電動閥門，取消中間繼電器，簡化系統結構。

　　PLC主要技術指標有：

　　工作電壓 220VAC/220VDC通用，24VDC

　　累加器規格32位(bit)

　　命令種數 189

　　處理速度 2ms/lk語

　　程序存儲容量7680語

　　數據寄存器 8320字

　　輸入輸出點數256點

　　內部繼電器數1024點

　　定時器數 256

　　計數器數 128

　　累加器規格 32位(bit)

　　該系列可編程序控制器有兩個通訊口，支持RS232C/RS485?MODBUS協議，平均無故障運行時間5000h，可根據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、按鈕、指示燈、開關電源等。

2.2、液壓控制系統

　　液壓控制系統采用我公司最新設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閉的電液換向閥!單向節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。該閥組主要結構特點如下：

　　(1)系統設計靈活、可靠性高、穩定性好。

　　(2)外形尺寸小，連接方便，安裝成本低。

　　(3)消除了外泄漏，并減少了內泄漏，降低了液壓系統維護成本。

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

　　(5)旁通閥開、關時間和球閥接力器開、關時間連續可調，調節范圍廣，可滿足要求。

　　(6)采用可靠的、批量生產的、功能單一的標準液壓元件，裝置的互換性、通用性強，標準化程度高，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和兩塊壓力表，用于監測和顯示球閥前!后端水壓，差壓開關為PLC控制系統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下發生誤動作，確保機組的安全可靠;此外，還設有球閥!旁通閥!工作密封和檢修密封位置開關，用于監測其所處的狀態"其中差壓開關的選擇要注意根據各個電站實際情況選擇合適的量程。

3、球閥控制系統的功能

　　球閥控制系統可以實現現地和遠距離自動操作球閥的開啟和關閉。

　　球閥控制系統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)內裝有可編程序控制器，開關電源，電源斷路器，電源監視器等，球閥的開啟與關閉流程由可編程序控制器程序控閥開啟控制按鈕，球閥關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換開關，聯動和非聯動轉換開關，球關狀態的指示燈。

圖1 PLC電氣控制箱

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

　　控制系統還設置了一個聯動與非聯動控制方式選擇開關，它可用來決定球閥是否隨機組啟停而開啟和關閉"當把轉換開關切換到聯動方式，機組開機命令到來時，開啟球閥;機組停機命令到來時，關閉球閥"當把轉換開關切換到非聯動方式，球閥的開啟只接受遠方監控系統“遠方開啟球閥”命令或現地開啟球閥控制按鈕的控制;球閥的關閉只接受遠方監控系統“錘方關閉球閥”命令或現地關閉球周控制按鈕的控制。

　　控制系統除了在PLC電氣控制箱面板上設有相應的狀態指示燈以外，它還提供如下狀態信號，可反饋至中央控制室或者其他需要該信號的設備：

　　球閥的全開、全關位置信號;

　　旁通閥的全開、全關位置信號;

　　工作密封投入、退出狀態信號;

　　檢修密封投入、退出狀態信號;

　　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)，關閉球閥的電液換向閥1DPG(單線圈)，球閥開、關時間調節裝置，液動換向閥，控制旁通閥開、關的電液換向閥ZDP(雙線圈)，調節旁通閥開、關時間的單向節流閥，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，接球閥接力器全關位置機動換向閥，用于接受球閥接力器全關裝置的液壓控制信號;A2接旁通閥關閉腔;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，還設有6個微型測壓接頭，可用于在現場調試時，監測壓力油源、接力器開腔、接力器關腔!外控液壓信號的壓力及液動閥所處狀態。

　　(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、關操作。當球閥液壓控制系統在現場調試時，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、關旁通閥，退出、投入工作密封，開、關球閥;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，設置有球閥開、關時間調節裝置，用于球閥開啟!關閉過程時間調節。球閥的開、關時間應當嚴格按照有關技術要求設定。旁通閥開啟和關閉時間調節是通過裝于閥組上的單向節流閥進行調節的。

3.3、球閥的操作

3.3.1、球閥開啟

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

　　當開啟條件全部滿足，且現地或遠方發出開啟命令后，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，當球閥前后端水壓的差壓值鑊30%全水壓力值時，差壓開關動作，控制3DP電液換向閥退出工作密封，工作密封退出，其位置開關動作后，控制1DPK電液換向閥開啟球閥接力器，當球閥開到全開位置，其位置開關動作后，操作ZDP電液換向閥關閉旁通閥到全關位置，至此球閥開啟操作結束。

3.3.2球閥關閉

　　當現地或遠方發出關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電氣控制箱關閉程序啟動，首先控制1DPG電液換向閥關閉球閥，當球閥關到全關位置，其位置開關動作，控制3DP電液換向閥投入工作密封到投入位置，再關閉球閥開啟腔電動閥，關閉旁通閥開啟腔電動閥，至此球閥關閉操作結束。

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閉。在球閥液壓控制閥組上，設有外控油口X0和X00。正常狀態下(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。外控油口X00與球閥全關位置機動換向閥2JP相連接，球閥關到全關位置，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;球閥在全關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。當水輪發電機組過速時，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閉，當球閥接力器關至全關時，球閥全關位置機動換向閥2JP閥位發生切換，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使之發生切換，通過電液換向閥3DP投入工作密封，實現機械液壓過速保護緊急關閉球閥的目的。