一、機組潤滑和冷卻系統(tǒng)的自動化

    1．機組潤滑和冷卻系統(tǒng)的概況與控制要求

    水輪發(fā)電機組一般設(shè)有推力軸承、上導軸承、下導軸承和水輪機導軸承。推力軸承和上、下導軸承采用30號稀油潤滑的巴氏合金軸瓦（錫銻軸承合金、鉛銻軸承合金統(tǒng)稱巴氏合金、鎢金或白合金），1990年以后也常采用彈性金屬氟塑料瓦。水輪機導軸承有的采用稀油潤滑的鎢金瓦，有的則采用水潤滑的橡膠軸瓦。機組運轉(zhuǎn)時，巴氏合金軸瓦因摩擦產(chǎn)生的熱量靠軸承內(nèi)油冷卻器的循環(huán)冷卻水帶走。采用橡膠軸瓦時，水不僅起潤滑作用，同時也起冷卻作用，由于結(jié)構(gòu)上的不同，兩種軸承對自動化控制亦有了不同的要求。

    采用油潤滑的巴氏合金軸瓦的軸承時，要求軸承內(nèi)的油位保持一定高度，且軸瓦的溫度不應(yīng)超過規(guī)定的允許值，如不正常則應(yīng)發(fā)出相應(yīng)的故障信號或事故停機信號。冷卻水中斷時不要求立即停機，只需發(fā)故障信號，以通知運行人員進行處理。為了節(jié)約用水，冷卻水在開機運轉(zhuǎn)時才投入，其投入和切除由機組總冷卻水電磁配壓閥（帶ZT電磁鐵）控制，軸承冷卻水不單獨設(shè)操作閥。這部分的自動化比較簡單。

    采用水潤滑的橡膠軸承時，即使?jié)櫥�水短時間中斷，也會引起軸瓦溫度急劇升高，導致軸承的損壞，因此需要立即投入備用潤滑水，并發(fā)出相應(yīng)的信號。如果備用潤滑水電磁配壓閥（帶ZT電磁鐵）啟動后仍無水流，則經(jīng)過一定時間（例如3s）后應(yīng)作用于事故停機。

    對于低水頭電廠（站）來說，若節(jié)約用水不那么重要，為簡化操作控制和提高可靠性，可以采用經(jīng)常性供給潤滑水的方式，即不切除電磁閥。

    除了軸承需要冷卻水以外，發(fā)電機也需要帶走運行時內(nèi)部銅鐵損所產(chǎn)生熱量的冷卻系統(tǒng)。發(fā)電機冷卻方式一般有三種：其一是空氣冷卻方式，例如丹江口150MW機組采用密閉式自循環(huán)通風，借助循環(huán)于空氣冷卻器的冷風帶出發(fā)電機內(nèi)部產(chǎn)生的熱量，而空氣冷卻器則靠內(nèi)管冷卻水進行冷卻；其二是水內(nèi)冷方式，例如三峽機組采用的冷卻方式有半水內(nèi)冷，經(jīng)過處理的循環(huán)冷卻水直接通人定子繞組的空心導線內(nèi)部和鐵心中的冷卻水管，將運行時內(nèi)部銅鐵損產(chǎn)生的熱量帶走，控制系統(tǒng)應(yīng)保證冷卻水的供應(yīng)和水質(zhì)合格；其三是蒸發(fā)冷卻，如李家峽400MW機組顯示出蒸發(fā)冷卻技術(shù)應(yīng)用于大容量機組的優(yōu)勢。由于采用的冷卻介質(zhì)屬于氟利昂類產(chǎn)品，所含氯元素對大氣的臭氧層有破壞作用，目前限制使用F11、F12、F13。為了提高冷卻效果，并出于保護環(huán)境的考慮，新型無毒、無污染的冷卻介質(zhì)將在實際機組中使用。

    采用空氣冷卻方式時，空氣冷卻器的冷卻水由機組總冷卻水電磁閥供應(yīng)，開機時打開總冷卻水電磁閥，停機時關(guān)閉總冷卻水電磁閥。用示流傳感器進行監(jiān)視，中斷時發(fā)出故障信號，但不作用于事故停機。這部分比較簡單。

    采用水內(nèi)冷卻方式時，由于對冷卻水的水質(zhì)、水壓、流量有嚴格要求，故需單獨設(shè)置供水系統(tǒng)。短時間的冷卻水中斷可能導致發(fā)電機溫度急劇上升，因而對供水可靠性的要求非常嚴格。一般有主、備水源，可互相切換，冷卻水中斷超過一定時限后要作用于事故停機。

    2．自動化元器件配置

    考慮機組推力與上導共槽、水導水潤滑、發(fā)電機空冷情況下的需求，需配置以下元器件。

    (1)信號元件（信號傳感器）。冷卻水總管監(jiān)視器具（示流傳感器）1只，如BAR系列抗震型靶式流量計，其公稱口徑為15～3000mm、公稱壓力為0.6MPa～42MPa，內(nèi)置鋰電池或外供24VDC、輸出4～20mA、脈沖0～10V、RS-232/RS-485、GPRS無線遠傳，又如銀億通水流開關(guān)式傳感器；水導潤滑冷卻水監(jiān)視用示流傳感器1只；監(jiān)視上導推力、下導上限和下限油位用開關(guān)式傳感器共4只；監(jiān)式上導推力、下導溫度過熱（如55℃）和過高（如70℃）用開關(guān)式傳感器共4只。共需PLC之輸入開關(guān)量10點；另外，水輪發(fā)電機組的“機組開機繼電器”、“機組運行狀態(tài)標識”、“機組停機復(fù)歸標識”等信號可由通信部分傳送。

    (2)執(zhí)行元件（執(zhí)行器）。總冷卻水管控制用電磁配壓閥1只，其ZT電磁鐵吸引線圈、脫扣線圈分別控制閥的開啟與關(guān)閉，線圈僅在動鐵心動作時短時通電，吸引線圈與脫扣線圈分別用PLC的兩個輸出點控制；上導推力槽油位上限信號器1只；上導推力槽油位下限信號器1只；下導槽油位上限信號器1只；下導槽油位下限信號器1只；上導推力軸承溫度過熱（如55℃）指示器1只；上導推力軸承溫度過高（如70℃）指示器1只；下導軸承溫度過熱（如55℃）指示器1只；下導軸承溫度過高（如70℃）指示器1只；主、備潤滑水投入與切除用的電磁配壓閥各1只（3閥共6點）；總冷卻水管內(nèi)冷卻水中斷報警輸出1點；潤滑水中斷事故警輸出1點；水輪機組潤滑和冷卻系統(tǒng)各事故停機信號匯總輸出1點。共需PLC之輸出開關(guān)量16點。

    顯然選用西門子S7-200 PLC是可以滿足控制需求的。注意這里油位與溫度信號的采集及輸出控制沒有使用模擬量，當然也可采集油位與溫度的模擬量數(shù)值，然后與各設(shè)定數(shù)值進行比較，比較結(jié)果作為控制的動作條件。

    3．PLC輸入／輸出點地址分配

    SF-200 PLC分配輸入／輸出點地址分配見表4-3。

    表4-3    S7-200 PLC輸入/輸出點地址分配

    4．控制程序的初步擬定

    通過分析水輪機組潤滑和冷卻系統(tǒng)的狀況與控制要求，合理選擇PLC控制系統(tǒng)硬件，運用好編程指令就可編制以下控制程序，如圖4-6所示。

    圖4-6    潤滑和冷卻系統(tǒng)的S7-200 PLC控制程序

    水輪機組潤滑和冷卻系統(tǒng)控制程序的語句表如下所示。

    5．程序說明

    開機繼電器M21.0置位或者機組運行標示M21.1置位后，總冷卻水由Q0.0置位而開起，水導主潤滑水由Q0.3置位而開起。若開機或運行過程中冷卻水中斷，則I0.0常閉觸點接通，備用總冷卻水由Q0.1置位而投入，并由Q0.2置位而發(fā)出相應(yīng)信號。若在開機或運行過程中潤滑水中斷，則I0.1常閉觸點接通，水導備用潤滑卻水由Q0.4置位而投入，并由Q0.5置位而發(fā)出水導備用潤滑水投入信號，同時水導備用潤滑水中斷時間用T33記錄，其整定值為3s。若在整定時間(3s)到達時仍無潤滑水，則作用于機組事故停機M31.7置位。

    若達到推力軸承油位上限，則I0.2置位，再使Q0.6置位而報警。若達到推力軸承油位下限，則I0.3復(fù)位，再使Q0.7置位而報警。若達到下導軸承油位上限，則I0.4置位，再使Q1.0置位而報警。若達到下導軸承油位下限，則I0.5復(fù)位，再使Q1.1置位而報警。若推力軸承溫度過熱(55℃)，則I0.6置位，再使Q1.2置位而報警。若推力軸承溫度過高(70℃)，則I0.7置位，一使M31.7置位而進行機組事故停機，二使Q1.3而發(fā)出推力軸承溫度過高信號。若下導軸承溫度過熱(55℃)，則I1.0置位，再使Q1.4置位而報警。若下導軸承溫度過高(70℃)，則I1.1置位，一使M31.7置位而進行機組事故停機，二使Q1.5而發(fā)出下導軸承溫度過高信號。

    當機組停機過程完成后，M21.2置位，一使Q1.6置位而關(guān)閉主冷卻水，二使Q1.7置位而關(guān)閉可能打開了的備用冷卻水，三使Q2.0置位關(guān)閉水導主潤滑水，四使Q2.1置位關(guān)閉可能打開了的水導備用潤滑水。另外，在水導主潤滑水故障修復(fù)后，可以通過水導備用潤滑水手動關(guān)閉按鈕置位I1.2，從而使Q2.1置位關(guān)閉水導備用潤滑水。

    二、機組制動系統(tǒng)的自動化

    機組與系統(tǒng)解列后，由于轉(zhuǎn)子的巨大轉(zhuǎn)動慣量儲存著較大的機械能量，且風阻、液阻在轉(zhuǎn)速變低后大幅度下降，故若不采取任何制動措施，則轉(zhuǎn)子將較長時間處于低轉(zhuǎn)速運行狀態(tài)，這樣對推力軸瓦潤滑極為不利，有可能導致軸瓦在干摩擦或半干摩擦狀態(tài)下運轉(zhuǎn)，因此有必要采取制動措施以縮短停機時間。

    通常的制動措施是：卸負荷并導葉全關(guān)后，當機組轉(zhuǎn)速下降至35%nr（有液壓減載裝置的設(shè)置為10%nr）左右時，用壓縮空氣頂起設(shè)于發(fā)電機轉(zhuǎn)子下面的制動閘瓦，即對轉(zhuǎn)子進行機械制動，之所以不在停機時就加閘，是為了減少閘瓦的磨損。也可采用電氣制動，停機時通過專設(shè)的開關(guān)將與系統(tǒng)解列的發(fā)電機接人制動用的三相短路電阻，為了提高低轉(zhuǎn)速時的電氣制動效果，可將發(fā)電機勵磁繞組由變低了的勵磁機電壓改為廠用電整流供給。另外，沖擊式水輪機一般采用水力制動，即設(shè)置專門的制動噴嘴，停機時打開它，將水流射到水斗的背面進行制動，這樣可以在停機一開始就進行制動以縮短停機時間。

    機組轉(zhuǎn)動部分完全靜止后，應(yīng)撤除制動，以便下次啟動。在停機過程中，如果導葉剪斷銷被剪斷，個別導葉失去控制而處于全開位置，則為使機組不致于長時間低轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)，應(yīng)不撤除制動。

    S7-200 PLC輸入／輸出點地址分配見表4-4，然后根據(jù)以上要求初步擬定的機組制動系統(tǒng)自動化程序如圖4-7所示。

    表4-4    S7-200 PLC輸入／輸出點地址分配

    圖4-7    機組制動系統(tǒng)自動化程序

    機組制動系統(tǒng)控制程序的語句表如下所示。

    程序說明：當操作機組手動停機按鈕I0.0置位或機組事故停機M31.7置位時，機組停機繼電器M0.1置位，如果此時沒有要求再次啟動機組，則開機繼電器M0.0動斷觸點是閉合的，結(jié)合T39的動斷觸點，由M0.1動合觸點閉合實現(xiàn)自保持。隨后機組卸負荷至空載，跳開發(fā)電機斷路器QF，QF聯(lián)動動斷觸點M0.3閉合，導水葉關(guān)至全關(guān)位置后M0.4觸點閉合，機組轉(zhuǎn)速下降至35%額定值時M0.5觸點閉合，電磁空氣閥DKF處于關(guān)閉位置時M0.6動斷觸點閉合，故Q0.0置位開啟制動用電磁空氣閥，制動投入，機組轉(zhuǎn)速進一步下降。制動投入后，監(jiān)視壓力的M0.2動合觸點閉合，如此時剪斷銷未剪斷，M0.7動斷觸點閉合，則時間繼電器T39啟動記時。當停機復(fù)歸時間（一般為2min左右，由試驗確定）到達后，T39動斷觸點打開，機組停機繼電器M0.1自保持回路斷開，M0.1復(fù)歸并使Q0.1置位，關(guān)閉制動用電磁空氣閥，撤除制動，停機過程即告結(jié)束。若剪斷銷已剪斷，則T39不啟動，M0.1自保持不解除，制動不撤除。

    三、機組調(diào)相壓水系統(tǒng)的自動化

    電力系統(tǒng)缺乏無功功率時，可以利用水電站的閑置機組（如系統(tǒng)無事故時的備用機組、枯水期不能發(fā)電的機組、負荷低谷時的調(diào)峰與調(diào)頻機組）作調(diào)相運行機組，此時機組從系統(tǒng)吸收少量有功功率，而輸出較多的無功功率。水輪發(fā)電機組作調(diào)相運行時，導水葉是全關(guān)的，為了減少阻力和電能損耗，必須將水輪機轉(zhuǎn)輪室水位壓低，使轉(zhuǎn)輪在空氣中旋轉(zhuǎn)。對機組調(diào)相壓水系統(tǒng)自動化的要求如下所示。

    (1)當機組轉(zhuǎn)為調(diào)相運行時，打開主給氣閥（可考慮與治理抬機用電動調(diào)節(jié)補氣閥合二為一）將壓縮空氣送人轉(zhuǎn)輪室將水位壓下，下降至“封水效應(yīng)”容許的下限水位時，關(guān)閉主給氣閥。

    (2)由于流道逸氣、攜氣，轉(zhuǎn)輪室水位逐漸上升至“風扇效應(yīng)”容許的上限水位時，又自動開啟主給氣閥，將水位再次壓低至下限水位。

    (3)為避免主給氣閥操作過于頻繁，在主給氣閥處并聯(lián)一只由電磁配壓閥控制的較小的輔助液壓給氣閥（進氣流量略小于逸氣流量+攜氣流量），它在調(diào)相過程中一直開啟。

    S7-200 PLC輸入／輸出點地址分配見表4-5，然后根據(jù)以上要求初步擬定的機組調(diào)相壓水系統(tǒng)的自動控制程序如圖4-8所示。

    圖4-8    機組調(diào)相壓水系統(tǒng)的自動控制程序

    表4-5    S7-200 PLC輸入/輸出點地址分配

    調(diào)相壓水系統(tǒng)控制程序的語句表如下所示。

    程序說明：當機組轉(zhuǎn)入調(diào)相工況運行時M10.0置位，初始時轉(zhuǎn)輪室充滿著水（由于反汽蝕需要采用負吸出高），水位高于轉(zhuǎn)輪室上限值時，M10.1置位并啟動時間繼電器T33，延時4s（確認不是瞬時情況）后T33置位（并自保持到轉(zhuǎn)輪室下限水位M10.2動合觸點斷開），加上調(diào)相給氣閥聯(lián)動動斷觸點M10.3閉合，使Q0.0置位，開啟調(diào)相給氣閥，向轉(zhuǎn)輪室送入壓縮空氣，將水位壓下。當水位降至下限水位以下時，M10.2動斷觸點閉合以啟動時間繼電器T34，延時4s（確認不是瞬間情況）后T34置位，加上調(diào)相給氣閥聯(lián)動動合觸點M10.3在閥開時已閉合，使Q0.1置位，關(guān)閉調(diào)相給氣閥，停止給氣。

    同時，機組轉(zhuǎn)入調(diào)相運行后，M10.0置位，加上調(diào)相補氣閥聯(lián)動動斷觸點M10.4閉合，使Q0.2置位而開啟調(diào)相補氣閥，只要機組處于調(diào)相工況運行，補氣閥就一直打開。如果補氣量不夠，經(jīng)過相當長的一段時間后，轉(zhuǎn)輪室水位又上升至上限水位，M10.1置位、T33置位，使Q0.0置位又再次打開調(diào)相給氣閥，將水位重新壓下。

    直到機組停止作調(diào)相運行，M10.0動斷觸點接通，Q0.3置位而關(guān)閉調(diào)相補氣閥，此時Q0.1置位也關(guān)閉調(diào)相給氣閥。