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案例详细
标题浅谈水电厂自动化元件的配置与优化运行
技术领域
行业
简介介绍了如何配置与优化水电厂的自动化元件，其配置选型应以可靠实用、结构简单、便于维护为原则，同时还应结合电厂的各种介质特点、设备运行方式、控制方式等因素综合考虑。
内容
1  引言

　　水电厂水轮发电机自动化元件是主机及辅助设备的逻辑控制、监控必不可少的设备，也是水电厂实现综合自动化、运动及计算机控制的基础，自动化元件的配置与优化是水电厂综合自动化系统重要环节，是水电厂综合自动化系统成败的关键，尤其是在计算机监控技术的长期发展和广泛应用的今天，基础自动化元件选型配置的不合理，直接导致水电厂综合自动化系统出现“四肢简单、头脑发达”的问题。因此，自动化元件的配置、选型和运行维护一直是所有水电厂自动化设计、开发和运行维护人员所关注的热点。

　　水电厂自动化元件作为整个综合自动化系统的基础，其造型、配置应以工作长期稳定可靠、灵敏度高、结构简单、运行维护方便为原则，同时应结合电厂的各种介质特点、设备运行方式、控制方式等因素综合考虑。

　　随着水电厂运行方式的不断深入，“无人值班，少人值守”乃至“无人值守，关门运行”已成为发展趋势，对水电厂综合的自动化系统提出了更高的要求。同时综合自动化元件的配置也增加了新的内容。笔者经过长期对国内外自动化元件的了解并结合所在电站的自动化元件选型经验浅谈自己的看法，供各位同行参考。

　　总体来说，水电厂基础自动化元件可以为自动化执行元件和自动化监测（发信）元件两大类。自动化执行元件主要是各类介质的电磁阀，这类元件比较单一，生产厂家也很多。但总体来说，进口产品较国内产品在制造工艺、使用寿命等方面有较大的优势，可根据实际情况选择合适的厂家的产品，本文不进行专门讨论。

2  自动化监测元件

　　自动化监测（发信）元件主要是用来监视机组本体及油水风辅助系统的温度、转速、压力、液流、液位、位移等参数，在机组程序自动化控制中执行某一给定任务，并实现越限报警，这一类自动化元件主要包括：振动信号、转速信号、流量信号、压力信号、液位信号、温度信号、剪断销信号、导叶位置信号及位置信号等。

2.1  振动监测

　　振动是水电机组较为常见的问题，它的分布也较为广泛，机组从上到下，从转动部件到固定部件均可能发生振动。较大的振动直接影响着机组的安全运行，因此它是评定机组运行质量的一个重要指标。从振动理论上讲，振动由三个参数来表征，即幅值、频率和相位。振动幅值表征振动大小，振动频率表征振动产生的原因，振动相位表征振动方式，但通常在振动监测中只监测振动幅值，而很少监测频率和相位。国内仪表生产厂家又由于普遍存在规模小，生产设备落后，同时又缺乏必要的监测设备，特别是绝对振动的测量根本无法满足要求，监测仪表实际上成了一种摆设。从国外的情况来看，也并非是所有生产厂家的产品都能使用，主要原因是水轮发电机组的振动频率较低，目前比较适合水电机组使用的国际著名公司有两家，一家是德国的SCHENCK公司，另一家是瑞士的VM公司。其主要特点是低频性能好，传感器和前置器一体化,系统构成灵活，用户可根据测点多少选择单元数量，功能上是分级的，从国内外的实际使用情况来看二次仪表和专用软件由国内厂家供货比较合适，这是因为：(1) 国外厂商的售后服务价格非常昂贵；(2) 国外专用软件升级周期较长；(3) 国外软件汉化界面不理想。

2.2  转速测量

　　转速测量是水电机组最重要的参量之一，它与调速、励磁、同期及控制系统等直接关联，如果转速测量系统发生故障，将会直接影响整个系统，甚至危及设备安全，这一点对于“无人值班”电站就显得更为重要。

　　以前国内转速测量通常有残压测频和同轴联接的机械过速开关二种，按供货习惯通常由主机厂配套提供，而主机厂本身并不生产这些产品，所以元器件几乎都是从市场上购买的，其结果是残压测频转速信号器由于抗干扰能力差而频繁发生误动。而机械过速开关也由于误差太大、调试不方便（调定值时要反复的进行机组过速，对机组机械部分寿命不利）而无法正常投入使用。

　　目前国外转速测量通常有两种方式，一种是齿盘测速，另一种是发电机残压测频。当机组转速大于80%nr（nr为额定转速）时，调速器自动选择发电机残压测频通道来测量机组的频率。齿盘安装在主轴上，同时设有两个电气独立的测速探头，把测得的信号通过各自的转速传感器变成具有一定幅度的方波脉冲输入调速器中，调速器经过计算处理求出转速值。这两个探头同时测量，一方面可以补偿由于水轮机大轴移动（在轴承限制范围内）引起的误差；另一方面，通过比较两个环节测得的转速值，可以监视转速传感器是否正常工作。残压测频是通过发电机端PT来测量发电机的残压，然后把测得的残压通过隔离、限制和滤波，最后输入到调速器中。机组控制所需的转速信号器都由调速器的微处理机产生，通过转速继电器以开关量的形式输出。转速继电器的设定值可以通过PC机或LCD终端键盘上的+/-按钮来调整。
而我国的大多数电站都习惯采用独立的测速装置，现在国内的测速装置也大致可分为齿盘测速和发电机残压测速两种。装置本身根据其原理又有PLC型和单片机型两类。但不管是哪种形式的装置，都提供了较为丰富的功能，除了传统的开关量输出，还包括转速的LED显示、转速模拟量的输出、与机组监控系统的通讯接口等，也可以通过面板方便的设置各种参数。

　　根据笔者的经验，一台机组安装两套独立的测速装置，其中一套齿盘测速，另一套用残压测速，两套装置互为备用，就可以很好的满足机组转速测量的目的。另外，在选用测速装置时应注意以下几个方面的问题：(1) 根据实际应用情况，笔者认为PLC型的装置较单片机型的装置工作可靠、抗干扰能力强，在选择时应优先考虑；(2) 在选择齿盘测速传感器是应优先选择直径较大的传感器，这样传感器距离的调节比较方便。

2.3  流量监测

　　流量监测分为两大方面，一是水轮机过机流量，目的在于计算耗水率和机组效率。二是辅机系统管路中的介质流量，目的在于掌握技术供水等辅机系统的状况。从监测的角度出发，水轮机过机流量有三种方法，一是超声波法，二是热力学法，三是蜗壳差压法。前二种方法国外应用较多，是比较成熟的监测方法，但维护不便，造价高。蜗壳差压法是由差压变送器和二次仪表组成，利用流量Q=K∫ΔH的关系完成流量监测。K值是蜗壳流量系数，它可通过理论计算或实际试验获得。但由于国内配套的二次仪表所显示的数据误差很大，笔者认为直接把蜗壳差压值用差压变送器输送至计算机监控系统或专门的机组状态检测系统，在计算机监控系统或专门的机组状态检测系统中，通过Q=K∫ΔH的关系完成监测是比较好的办法。

　　管道的流量监测有多种，如机械挡板式、电磁式、涡街式、涡轮式及热导式等，可根据不同的介质、压力选用合适的流量计。美国FCI公司和德国TURCK公司的流量开关是利用热扩散原理制造的产品，它没有活动部件因而具有反应灵敏、动作可靠、使用寿命长等特点，建议在管道的流量测量中应用。当然在实际的应用中，也要根据机组的容量、对流量检测的要求以及费用等情况综合考虑选择其他的测量设备。

2.4  压力测量

　　机组的压力测点较多，油、气、水各系统均有压力测量。传统的压力测量方法是电接点压力表，为满足“无人值班”电站计算机监控系统的要求，目前的压力测量已逐步采用压力开关来代替电接压力表。同时采用压力变送器（输出4～20mA）供计算机监控记录、显示、打印等。压力变送器目前性能稳定，精度高，同时可以现场标定的压力变送器生产厂家较多，进口的有美国FOXBORO、ROSEMOUNT和德国的E+H公司，国内的有中美合资陕西麦克传感器有限公司（以下简称麦克公司），上海威尔泰工业自动化股份有限公司等公司的产品，主要品种有压阻式、扩散硅式和电容式等，选择余地较大。压力开关接点容量大，动作可靠和重复精度高的产品有美国的CCS等公司。

2.5  液位测量

　　液位测量有上、下、水导轴承油箱油位、集油槽油位、压油槽油位和顶盖水位等。常规测量均采用液位开关，为了满足“无人值班”的要求，对有些重要的部位则需要同时输出模拟量（4～20mA）。而目前进口液位开关和变送器规格也很多，美国GEMS公司、德国的GOLDERMAN和台湾的FINE公司生产的产品，这些产品具有接点容量大，动作可靠和精度高、品种多等特点，目前已被广泛采用，其它麦克公司生产的液位变送器质量也比较好，而国内其它产品与进口产品相比，则差距较大。

2.6  温度测量

　　温度作为设备运行状态的重要指标而倍受关注, 水电机组主要测量对象是油、气、水及轴瓦的温度。目前，一般均采用（铂）热电阻（Pt100）测量，它反映灵敏且精度高，按结构可分为片状电阻和管状电阻两种，片状电阻用于定子测量，管状电阻则用于其它部位的温度测量；有人认为测量点越多越好，而且要求把水温和油温都配上二次仪表并直接作用于报警和事故停机；实际上有许多地方测量点越多，危害就越大。如轴瓦每个RTD都需要钻一个孔，测点越多，孔也就越多，对轴瓦的影响也就越大, 而如果把瓦温和油温都直接作用于报警（或事故停机），则存在油温报警设定值如何与瓦温设定值相一致的问题，实际上要做到一致是非常困难的。所以在有关标准中都没有把这些列入与瓦温一样的范畴，故笔者建议按有关标准配置，同时适当考虑冗余量。所有测温电阻分二部分，一部分（铂）热电阻（如上导、推力、下导及水导瓦温和空冷器冷风温度的测量电阻）与单点显示报警的二次仪表配合，它能显示被测点的温度，当温度超过设定值时能分别发出报警和事故停机信号（该仪表应同时具有断阻、断电保护功能）。另一部分测温电阻统一送至机组温度巡检装置。目前国内生产的测温电阻，在质量上已完全可以替代进口产品，故已没有必要从国外进口。

2.7  轴电流检测

　　发电机运行时，由于定子、转子之间气隙不相等，以及由于定子铁芯分片和磁极配置不对称等原因，引起磁通不平衡。该不平衡磁通与轴承切割产生轴电势，由于大轴内阻很小，如果它沿轴承和底板成闭合回路，轴电流可达很大数值，它将导致油质变化、变质、轴承摆度增大、轴瓦严重烧损等事故的发生。因此，对于轴电流的检测显得非常关键。
第一种方案主要由环形电流互感器（套在发电机大轴上）和配套的二次仪表组成。当大轴流过轴电流时，环形互感器的负端将感应出电压，它通过二次仪表发出报警信号，使用该装置能及时发现机组大轴及各轴承对地绝缘的好坏，是避免轴瓦烧毁事故发生的一项有效措施。

　　另一种方案是通过比较简单的测量方式即用接地回路检测轴电流，但用这种方式测到的轴电流只不过是支路电流，因此笔者建议用户选择第一种方案。

2.8  剪断销信号器

　　剪断销作为反映水轮机导水叶的剪断销断裂事故的发信元件，其选择主要有主机厂根据机组形式配套提供，目前国内常用的有触点式剪断销信号器、常闭式剪断销信号器，另外还有瑞典KMW型机组的破断连杆位置开关、带有限位块的克瓦纳导叶摩擦装置等形式，但不管是什么形式的发信元件，笔者建议不在配套专门的发信元件，而是将信号直接接入计算机监控系统。当然，由于水车室环境比较潮湿，在安装的时候一定要做好绝缘处理，以防止监控系统电源接地。

2.9  导叶位置信号

　　导叶位置信号是有机组主令控制器提供的。传统的主令控制器都是机械式LK4系列，近几年来不断有电气式的主令控制器被研发生产并投入使用。通过实际运行考验，证明这类产品完全可以满足使用要求。但笔者建议不采用专门的主令控制器，而是有机组调速器来输出控制所需要的导叶位置信号。这样不仅使控制系统更为简单，也可以节省投资。

2.10  位置信号

　　机组的位置信号主要包括机组制动风闸位置和锁锭位置。这类信号主要使用机械式位置开关进行测量。笔者所在电站曾经采用由主机厂提供的磁记忆干簧接点，但实践证明这种方式调试非常不方便，运行过程中经常有误发信号和错发信号的情况出现，在后来的改造中全部更换为机械式位置开关。

3  结语

　　综上所述，水电站要真正实现“无人值班，少人值守”，它涉及到各个方面，有许多问题必须在系统设计阶段加以考虑。在做机组自动控制系统设计时，除了按要求配置必要的基础自动化元件外。在具体配置时还考虑了适当的冗余量，以确保系统的可靠性、先进性和合理性。