一、機組潤滑和冷卻系統的自動化

    1．機組潤滑和冷卻系統的概況與控制要求

    水輪發電機組一般設有推力軸承、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。機組運轉時，巴氏合金軸瓦因摩擦產生的熱量靠軸承內油冷卻器的循環冷卻水帶走。采用橡膠軸瓦時，水不僅起潤滑作用，同時也起冷卻作用，由于結構上的不同，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，要求軸承內的油位保持一定高度，且軸瓦的溫度不應超過規定的允許值，如不正常則應發出相應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，只需發故障信號，以通知運行人員進行處理。為了節約用水，冷卻水在開機運轉時才投入，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，即使潤滑水短時間中斷，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，并發出相應的信號。如果備用潤滑水電磁配壓閥（帶ZT電磁鐵）啟動后仍無水流，則經過一定時間（例如3s）后應作用于事故停機。

    對于低水頭電廠（站）來說，若節約用水不那么重要，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，發電機也需要帶走運行時內部銅鐵損所產生熱量的冷卻系統。發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通風，借助循環于空氣冷卻器的冷風帶出發電機內部產生的熱量，而空氣冷卻器則靠內管冷卻水進行冷卻；其二是水內冷方式，例如三峽機組采用的冷卻方式有半水內冷，經過處理的循環冷卻水直接通人定子繞組的空心導線內部和鐵心中的冷卻水管，將運行時內部銅鐵損產生的熱量帶走，控制系統應保證冷卻水的供應和水質合格；其三是蒸發冷卻，如李家峽400MW機組顯示出蒸發冷卻技術應用于大容量機組的優勢。由于采用的冷卻介質屬于氟利昂類產品，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，并出于保護環境的考慮，新型無毒、無污染的冷卻介質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，開機時打開總冷卻水電磁閥，停機時關閉總冷卻水電磁閥。用示流傳感器進行監視，中斷時發出故障信號，但不作用于事故停機。這部分比較簡單。

    采用水內冷卻方式時，由于對冷卻水的水質、水壓、流量有嚴格要求，故需單獨設置供水系統。短時間的冷卻水中斷可能導致發電機溫度急劇上升，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式傳感器；水導潤滑冷卻水監視用示流傳感器1只；監視上導推力、下導上限和下限油位用開關式傳感器共4只；監式上導推力、下導溫度過熱（如55℃）和過高（如70℃）用開關式傳感器共4只。共需PLC之輸入開關量10點；另外，水輪發電機組的“機組開機繼電器”、“機組運行狀態標識”、“機組停機復歸標識”等信號可由通信部分傳送。

    (2)執行元件（執行器）。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各事故停機信號匯總輸出1點。共需PLC之輸出開關量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值，然后與各設定數值進行比較，比較結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的狀況與控制要求，合理選擇PLC控制系統硬件，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    潤滑和冷卻系統的S7-200 PLC控制程序

    水輪機組潤滑和冷卻系統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置位而發出相應信號。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置位而關閉主冷卻水，二使Q1.7置位而關閉可能打開了的備用冷卻水，三使Q2.0置位關閉水導主潤滑水，四使Q2.1置位關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后，可以通過水導備用潤滑水手動關閉按鈕置位I1.2，從而使Q2.1置位關閉水導備用潤滑水。

    二、機組制動系統的自動化

    機組與系統解列后，由于轉子的巨大轉動慣量儲存著較大的機械能量，且風阻、液阻在轉速變低后大幅度下降，故若不采取任何制動措施，則轉子將較長時間處于低轉速運行狀態，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下運轉，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：卸負荷并導葉全關后，當機組轉速下降至35%nr（有液壓減載裝置的設置為10%nr）左右時，用壓縮空氣頂起設于發電機轉子下面的制動閘瓦，即對轉子進行機械制動，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，停機時通過專設的開關將與系統解列的發電機接人制動用的三相短路電阻，為了提高低轉速時的電氣制動效果，可將發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。

    機組轉動部分完全靜止后，應撤除制動，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速運轉，應不撤除制動。

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

    表4-4    S7-200 PLC輸入／輸出點地址分配

    圖4-7    機組制動系統自動化程序

    機組制動系統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，結合T39的動斷觸點，由M0.1動合觸點閉合實現自保持。隨后機組卸負荷至空載，跳開發電機斷路器QF，QF聯動動斷觸點M0.3閉合，導水葉關至全關位置后M0.4觸點閉合，機組轉速下降至35%額定值時M0.5觸點閉合，電磁空氣閥DKF處于關閉位置時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，機組轉速進一步下降。制動投入后，監視壓力的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復歸并使Q0.1置位，關閉制動用電磁空氣閥，撤除制動，停機過程即告結束。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、機組調相壓水系統的自動化

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

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

    (2)由于流道逸氣、攜氣，轉輪室水位逐漸上升至“風扇效應”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，然后根據以上要求初步擬定的機組調相壓水系統的自動控制程序如圖4-8所示。

    圖4-8    機組調相壓水系統的自動控制程序

    表4-5    S7-200 PLC輸入/輸出點地址分配

    調相壓水系統控制程序的語句表如下所示。

    程序說明：當機組轉入調相工況運行時M10.0置位，初始時轉輪室充滿著水（由于反汽蝕需要采用負吸出高），水位高于轉輪室上限值時，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（并自保持到轉輪室下限水位M10.2動合觸點斷開），加上調相給氣閥聯動動斷觸點M10.3閉合，使Q0.0置位，開啟調相給氣閥，向轉輪室送入壓縮空氣，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，加上調相給氣閥聯動動合觸點M10.3在閥開時已閉合，使Q0.1置位，關閉調相給氣閥，停止給氣。

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

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