一、機(jī)組潤滑和冷卻系統(tǒng)的自動(dòng)化

    1．機(jī)組潤滑和冷卻系統(tǒng)的概況與控制要求

    水輪發(fā)電機(jī)組一般設(shè)有推力軸承、上導(dǎo)軸承、下導(dǎo)軸承和水輪機(jī)導(dǎo)軸承。推力軸承和上、下導(dǎo)軸承采用30號(hào)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(jī)導(dǎo)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(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，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(shí)，水不僅起潤滑作用，同時(shí)也起冷卻作用，由于結(jié)構(gòu)上的不同，兩種軸承對自動(dòng)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(shí)，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(hào)或事故停機(jī)信號(hào)。冷卻水中斷時(shí)不要求立即停機(jī)，只需發(fā)故障信號(hào)，以通知運(yùn)行人員進(jìn)行處理。為了節(jié)約用水，冷卻水在開機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)才投入，其投入和切除由機(jī)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(dú)設(shè)操作閥。這部分的自動(dòng)化比較簡單。

    采用水潤滑的橡膠軸承時(shí)，即使?jié)櫥�水短時(shí)間中斷，也會(huì)引起軸瓦溫度急劇升高，導(dǎo)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(hào)。如果備用潤滑水電磁配壓閥（帶ZT電磁鐵）啟動(dòng)后仍無水流，則經(jīng)過一定時(shí)間（例如3s）后應(yīng)作用于事故停機(jī)。

    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(jī)也需要帶走運(yùn)行時(shí)內(nèi)部銅鐵損所產(chǎn)生熱量的冷卻系統(tǒng)。發(fā)電機(jī)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(jī)組采用密閉式自循環(huán)通風(fēng)，借助循環(huán)于空氣冷卻器的冷風(fēng)帶出發(fā)電機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生的熱量，而空氣冷卻器則靠內(nèi)管冷卻水進(jìn)行冷卻；其二是水內(nèi)冷方式，例如三峽機(jī)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(dǎo)線內(nèi)部和鐵心中的冷卻水管，將運(yùn)行時(shí)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(jī)組顯示出蒸發(fā)冷卻技術(shù)應(yīng)用于大容量機(jī)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(hù)環(huán)境的考慮，新型無毒、無污染的冷卻介質(zhì)將在實(shí)際機(jī)組中使用。

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

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

    2．自動(dòng)化元器件配置

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

    (1)信號(hào)元件（信號(hào)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(jì)，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(yuǎn)傳，又如銀億通水流開關(guān)式傳感器；水導(dǎo)潤滑冷卻水監(jiān)視用示流傳感器1只；監(jiān)視上導(dǎo)推力、下導(dǎo)上限和下限油位用開關(guān)式傳感器共4只；監(jiān)式上導(dǎo)推力、下導(dǎo)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(diǎn)；另外，水輪發(fā)電機(jī)組的“機(jī)組開機(jī)繼電器”、“機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)標(biāo)識(shí)”、“機(jī)組停機(jī)復(fù)歸標(biāo)識(shí)”等信號(hào)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(dòng)鐵心動(dòng)作時(shí)短時(shí)通電，吸引線圈與脫扣線圈分別用PLC的兩個(gè)輸出點(diǎn)控制；上導(dǎo)推力槽油位上限信號(hào)器1只；上導(dǎo)推力槽油位下限信號(hào)器1只；下導(dǎo)槽油位上限信號(hào)器1只；下導(dǎo)槽油位下限信號(hào)器1只；上導(dǎo)推力軸承溫度過熱（如55℃）指示器1只；上導(dǎo)推力軸承溫度過高（如70℃）指示器1只；下導(dǎo)軸承溫度過熱（如55℃）指示器1只；下導(dǎo)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(diǎn)）；總冷卻水管內(nèi)冷卻水中斷報(bào)警輸出1點(diǎn)；潤滑水中斷事故警輸出1點(diǎn)；水輪機(jī)組潤滑和冷卻系統(tǒng)各事故停機(jī)信號(hào)匯總輸出1點(diǎn)。共需PLC之輸出開關(guān)量16點(diǎn)。

    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(hào)的采集及輸出控制沒有使用模擬量，當(dāng)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(jìn)行比較，比較結(jié)果作為控制的動(dòng)作條件。

    3．PLC輸入／輸出點(diǎn)地址分配

    SF-200 PLC分配輸入／輸出點(diǎn)地址分配見表4-3。

    表4-3    S7-200 PLC輸入/輸出點(diǎn)地址分配

    4．控制程序的初步擬定

    通過分析水輪機(jī)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(yùn)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(jī)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(jī)繼電器M21.0置位或者機(jī)組運(yùn)行標(biāo)示M21.1置位后，總冷卻水由Q0.0置位而開起，水導(dǎo)主潤滑水由Q0.3置位而開起。若開機(jī)或運(yùn)行過程中冷卻水中斷，則I0.0常閉觸點(diǎn)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(hào)。若在開機(jī)或運(yùn)行過程中潤滑水中斷，則I0.1常閉觸點(diǎn)接通，水導(dǎo)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(dǎo)備用潤滑水投入信號(hào)，同時(shí)水導(dǎo)備用潤滑水中斷時(shí)間用T33記錄，其整定值為3s。若在整定時(shí)間(3s)到達(dá)時(shí)仍無潤滑水，則作用于機(jī)組事故停機(jī)M31.7置位。

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

    當(dāng)機(jī)組停機(jī)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(dǎo)主潤滑水，四使Q2.1置位關(guān)閉可能打開了的水導(dǎo)備用潤滑水。另外，在水導(dǎo)主潤滑水故障修復(fù)后，可以通過水導(dǎo)備用潤滑水手動(dòng)關(guān)閉按鈕置位I1.2，從而使Q2.1置位關(guān)閉水導(dǎo)備用潤滑水。

    二、機(jī)組制動(dòng)系統(tǒng)的自動(dòng)化

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

    通常的制動(dòng)措施是：卸負(fù)荷并導(dǎo)葉全關(guān)后，當(dāng)機(jī)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(shí)，用壓縮空氣頂起設(shè)于發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子下面的制動(dòng)閘瓦，即對轉(zhuǎn)子進(jìn)行機(jī)械制動(dòng)，之所以不在停機(jī)時(shí)就加閘，是為了減少閘瓦的磨損。也可采用電氣制動(dòng)，停機(jī)時(shí)通過專設(shè)的開關(guān)將與系統(tǒng)解列的發(fā)電機(jī)接人制動(dòng)用的三相短路電阻，為了提高低轉(zhuǎn)速時(shí)的電氣制動(dòng)效果，可將發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組由變低了的勵(lì)磁機(jī)電壓改為廠用電整流供給。另外，沖擊式水輪機(jī)一般采用水力制動(dòng)，即設(shè)置專門的制動(dòng)噴嘴，停機(jī)時(shí)打開它，將水流射到水斗的背面進(jìn)行制動(dòng)，這樣可以在停機(jī)一開始就進(jìn)行制動(dòng)以縮短停機(jī)時(shí)間。

    機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)部分完全靜止后，應(yīng)撤除制動(dòng)，以便下次啟動(dòng)。在停機(jī)過程中，如果導(dǎo)葉剪斷銷被剪斷，個(gè)別導(dǎo)葉失去控制而處于全開位置，則為使機(jī)組不致于長時(shí)間低轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)，應(yīng)不撤除制動(dòng)。

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

    表4-4    S7-200 PLC輸入／輸出點(diǎn)地址分配

    圖4-7    機(jī)組制動(dòng)系統(tǒng)自動(dòng)化程序

    機(jī)組制動(dòng)系統(tǒng)控制程序的語句表如下所示。

    程序說明：當(dāng)操作機(jī)組手動(dòng)停機(jī)按鈕I0.0置位或機(jī)組事故停機(jī)M31.7置位時(shí)，機(jī)組停機(jī)繼電器M0.1置位，如果此時(shí)沒有要求再次啟動(dòng)機(jī)組，則開機(jī)繼電器M0.0動(dòng)斷觸點(diǎn)是閉合的，結(jié)合T39的動(dòng)斷觸點(diǎn)，由M0.1動(dòng)合觸點(diǎn)閉合實(shí)現(xiàn)自保持。隨后機(jī)組卸負(fù)荷至空載，跳開發(fā)電機(jī)斷路器QF，QF聯(lián)動(dòng)動(dòng)斷觸點(diǎn)M0.3閉合，導(dǎo)水葉關(guān)至全關(guān)位置后M0.4觸點(diǎn)閉合，機(jī)組轉(zhuǎn)速下降至35%額定值時(shí)M0.5觸點(diǎn)閉合，電磁空氣閥DKF處于關(guān)閉位置時(shí)M0.6動(dòng)斷觸點(diǎn)閉合，故Q0.0置位開啟制動(dòng)用電磁空氣閥，制動(dòng)投入，機(jī)組轉(zhuǎn)速進(jìn)一步下降。制動(dòng)投入后，監(jiān)視壓力的M0.2動(dòng)合觸點(diǎn)閉合，如此時(shí)剪斷銷未剪斷，M0.7動(dòng)斷觸點(diǎn)閉合，則時(shí)間繼電器T39啟動(dòng)記時(shí)。當(dāng)停機(jī)復(fù)歸時(shí)間（一般為2min左右，由試驗(yàn)確定）到達(dá)后，T39動(dòng)斷觸點(diǎn)打開，機(jī)組停機(jī)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(dòng)用電磁空氣閥，撤除制動(dòng)，停機(jī)過程即告結(jié)束。若剪斷銷已剪斷，則T39不啟動(dòng)，M0.1自保持不解除，制動(dòng)不撤除。

    三、機(jī)組調(diào)相壓水系統(tǒng)的自動(dòng)化

    電力系統(tǒng)缺乏無功功率時(shí)，可以利用水電站的閑置機(jī)組（如系統(tǒng)無事故時(shí)的備用機(jī)組、枯水期不能發(fā)電的機(jī)組、負(fù)荷低谷時(shí)的調(diào)峰與調(diào)頻機(jī)組）作調(diào)相運(yùn)行機(jī)組，此時(shí)機(jī)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(jī)組作調(diào)相運(yùn)行時(shí)，導(dǎo)水葉是全關(guān)的，為了減少阻力和電能損耗，必須將水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪室水位壓低，使轉(zhuǎn)輪在空氣中旋轉(zhuǎn)。對機(jī)組調(diào)相壓水系統(tǒng)自動(dòng)化的要求如下所示。

    (1)當(dāng)機(jī)組轉(zhuǎn)為調(diào)相運(yùn)行時(shí)，打開主給氣閥（可考慮與治理抬機(jī)用電動(dòng)調(diào)節(jié)補(bǔ)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(shí)，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(fēng)扇效應(yīng)”容許的上限水位時(shí)，又自動(dòng)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(jìn)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(diǎn)地址分配見表4-5，然后根據(jù)以上要求初步擬定的機(jī)組調(diào)相壓水系統(tǒng)的自動(dòng)控制程序如圖4-8所示。

    圖4-8    機(jī)組調(diào)相壓水系統(tǒng)的自動(dòng)控制程序

    表4-5    S7-200 PLC輸入/輸出點(diǎn)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(dāng)機(jī)組轉(zhuǎn)入調(diào)相工況運(yùn)行時(shí)M10.0置位，初始時(shí)轉(zhuǎn)輪室充滿著水（由于反汽蝕需要采用負(fù)吸出高），水位高于轉(zhuǎn)輪室上限值時(shí)，M10.1置位并啟動(dòng)時(shí)間繼電器T33，延時(shí)4s（確認(rèn)不是瞬時(shí)情況）后T33置位（并自保持到轉(zhuǎn)輪室下限水位M10.2動(dòng)合觸點(diǎn)斷開），加上調(diào)相給氣閥聯(lián)動(dòng)動(dòng)斷觸點(diǎn)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(dāng)水位降至下限水位以下時(shí)，M10.2動(dòng)斷觸點(diǎn)閉合以啟動(dòng)時(shí)間繼電器T34，延時(shí)4s（確認(rèn)不是瞬間情況）后T34置位，加上調(diào)相給氣閥聯(lián)動(dòng)動(dòng)合觸點(diǎn)M10.3在閥開時(shí)已閉合，使Q0.1置位，關(guān)閉調(diào)相給氣閥，停止給氣。

    同時(shí)，機(jī)組轉(zhuǎn)入調(diào)相運(yùn)行后，M10.0置位，加上調(diào)相補(bǔ)氣閥聯(lián)動(dòng)動(dòng)斷觸點(diǎn)M10.4閉合，使Q0.2置位而開啟調(diào)相補(bǔ)氣閥，只要機(jī)組處于調(diào)相工況運(yùn)行，補(bǔ)氣閥就一直打開。如果補(bǔ)氣量不夠，經(jīng)過相當(dāng)長的一段時(shí)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(jī)組停止作調(diào)相運(yùn)行，M10.0動(dòng)斷觸點(diǎn)接通，Q0.3置位而關(guān)閉調(diào)相補(bǔ)氣閥，此時(shí)Q0.1置位也關(guān)閉調(diào)相給氣閥。