蒲石河抽水蓄能电站油压装置控制逻辑与应用

李承龙，任　伟，王少华，郭　阳，张　楠，左　建

（辽宁蒲石河抽水蓄能有限公司，辽宁 丹东 118216）

蒲石河抽水蓄能电站油压装置控制逻辑与应用

李承龙，任伟，王少华，郭阳，张楠，左建

（辽宁蒲石河抽水蓄能有限公司，辽宁 丹东 118216）

摘要：蒲石河抽水蓄能电站的调速器、非同步导叶及主进水阀系统共用1套油压装置。为保证3个独立油压操作系统的压力和液位时刻满足工作需要，对油压装置压力油泵启停的控制逻辑提出了较高的要求。控制器根据现地压力、液位测值的变化控制油泵启停，并合理控制泵的轮转次序，保证每台泵的合理使用时间，同时，还具备油罐补气和油站加热的控制逻辑，以及针对油泵、油罐出口隔离阀故障等事故应急操作控制。经实践论证，该控制逻辑可以很好的完成对油压装置各部分的控制，保证机组稳定运行。

关键词：抽水蓄能电站；油压装置；可编程逻辑控制器；自动控制

0　引言

辽宁蒲石河抽水蓄能电站（以下简称蒲石河电站）位于辽宁宽甸满族自治县境内，据丹东60 km，总装机容量为1 200MW，单机容量为300MW。2012 年1月首台机组投入商业运行，截止至同年9月，其余3台机组陆续投产。由于蒲石河电站是东北第一座大型纯抽水蓄能电站，它对东北电网的稳定运行起着举足轻重的作用。当电网对负荷需求较大时，蒲石河电站能够起到“调峰”作用，由于抽水蓄能机组启动速度较快，同时担当事故备用的重任。在东北火电机组冬季承担供热作用，同时风电盛行，此时在用电低谷期，它又可消耗过剩电量，将水从下水库抽至上水库，实现能量储存。

蒲石河每台机组设有油压装置1套，供调速器、非同步导叶及主进水阀系统使用。众所周知，调速器控制机组启停机、负荷调整，操作的主要动力来源于油压装置建立的压力。与此同时还要保证另外2个独立的操作系统的压力和液位时刻符合操作要求，对油压装置自动化控制逻辑，提出了较高的要求。油压装置良好正确的运行，决定机组开机成功率，更是保证机组稳定运行的重要条件。

1　油压装置的组成

蒲石河电站的油压装置包括2个独立的压力油罐、2个蓄能器和1个液压泵站。2个压力油罐分别供调速器接力器和主进水阀接力器使用，同时兼顾其他液压阀操作压力；油罐上部是压缩空气，由厂内空气压缩系统提供；下部是防锈汽轮机油作为液压操作的介质，可通过3台90 kW螺杆油泵从集油箱打入油罐内。蓄能器实为2个较小的油罐，为非同步导叶的接力器提供操作压力。蓄能器中上部为1个压缩氮气囊，下部是防锈汽轮机油，由2台功率为11 kW的螺杆泵打入蓄能器罐。

为保证以上操作系统油罐的压力和液位时刻满足操作需求，这就需要自动化控制系统来完成。蒲石河电站针对油压装置控制需求，采用辅机单独控制形式，设有独立的油压装置控制柜，由PLC可编程逻辑控制器来控制油压装置运行，与监控系统上位机使用RS-485方式通信。

2　控制对象及信号采集

油压装置控制柜PLC的控制逻辑中，控制目的是保证操作压力在5.2MPa~6.4MPa之间，液位与气体占有罐体积的比例在1：2左右。控制对象也是执行机构为：5个泵、5个空载阀和2个油罐出口隔离阀。系统采用油压控制为主，辅以油位控制方式。由PLC根据压力油罐上自动化元件所提供的压力、油位信号对油泵、油泵空载阀、油罐隔离阀进行操作，实现对压力油罐自动补油、补气、事故应急控制，从而使压力油罐的油压、油位保持在正常的范围内，整个水轮机组得以正常运行。

2.1压力信号

2.1.1压力油罐压力开关

压力信号取自压力油罐上的压力开关，调速器油罐和主进水阀油罐上分别设有6个压力开关，压力开关设定值和PLC对应的控制逻辑作用如表1。

表1

2.1.2压力管路压力开关

调速器操作油路和主进水阀操作油路在集油箱内共用一条压力管路，但彼此之间有逆止阀隔离，管路上设有压力开关，定值设定为6.0MPa，用于启泵后管路压力上升到此定值时，作为满足自动开启隔离阀条件。

2.1.3非同步导叶管路压力传感器

非同步导叶在机组运行中不频繁开启或关闭，而且单次操作用油量较小，因此不需要频繁补充压力和液位，蓄能器不设自动隔离阀，蓄能器和操作管路始终接通。用一压力传感器装设在压力管路上，即可监视整个操作系统的压力。该传感器送出4~20mA模拟量至油压装置PLC模拟量输入模块，对应0~21MPa压力。PLC根据此压力值来控制主泵是否加载，备泵是否启动。

2.1.4调速器和主进水阀系统压力传感器

调速器和主进水阀系统的油罐和管路上共装有4个压力传感器，该传感器送出4~20mA模拟量至油压装置PLC模拟量输入模块，对应0~7.0MPa压力。PLC将此模拟量转换为通讯量送至监控系统上位机。同时PLC也应用此压力判断油罐是否需要自动补气。

2.2液位信号

2.2.1压力油罐液位开关

调速器与主进水阀油罐上各设有磁翻板式液位计1个，磁翻板液位计内设有浮球，根据联通器原理，磁性浮球可漂浮在油中，它在油尺中上下移动可反应实际的油位变化。油尺侧面不同刻度处装有8个磁记忆开关，当磁性浮球经过开关时会使开关中的接点变化，从而准确的将油位的开关量送给PLC开入模块。液位开关设定值和PLC对应的控制逻辑作用如表2。

2.2.2油压装置集油箱液位开关

表2

油压装置集油箱中设有3个浮子式液位开关，3个开关安装高度和PLC逻辑作用如下：

≤160mm液位过低停泵，≤300mm液位低报警，≥700mm液位高报警。

3　逻辑设计

PLC程序设计分为7段：启动条件、泵的轮转、泵与油罐隔离阀控制、非同步导叶油泵控制、自动补气系统控制、故障报警、通讯程序。实际完成控制需要程序间互相配合。

3.1油站启动和油泵的轮转

3.1.1启动油站

由监控发来油站启动令，油压装置控制权在远方时，并且无大故障，此时油站启动，启动令做自闭锁，启动令为一脉冲量无需保持，只有发来停止令才会使油站停止；判断油站油位正常，主进水阀油罐和调速器油罐的压力和液位正常（不在最高最低）。此时需要启动1号、2号和3号泵中其中1个，供球阀、调速器的压力管路使用；4号和5号泵启动1个，供非同步导叶管路使用。

3.1.2泵的轮转与定义

为保证泵的运行时间均衡，泵实行轮转使用规则：在程序中规定选择运行时间最短的泵为此次启动油站的主用泵，具体规则如下：如果3台泵中，1号泵运行时间最短，则定义1号泵为主用泵，2号泵为备用，3号泵为紧急备用；如过2号泵运行时间最短，则定义2号泵为主用泵，3号泵为备用泵，1号泵为紧急备用；同理3号为主用泵时，1号为备用泵，2号为紧急备用泵；3台泵的轮转逻辑虽然更为复杂，但是有紧急备用泵的存在，更好的保证了油压装置的稳定运行。

程序中是应用以下逻辑完成计数和轮转的：泵的运行时间计算环节应用了TP功能块和CTU功能块，TP功能块用于生成一个具有已定义持续时间的脉冲。CTU功能块用于递增计数。

以1号泵为例（图1），当1号泵启动，TP模块发出脉冲M21并开始计时，当内部时间达到PT处终止时间时，M21脉冲终止，并重新发送。这样就做到1号泵从开始运行后，每分钟都有脉冲发出。此脉冲送入CTU计数功能块，CU处每1min跳变1次，CV处就计数1次。这样就可以知道1号泵当前运行了MW 201分钟。当3台泵运行时间都超过10000min，计数器清零，重新计数。

图1 TP 和CTU 功能块在泵运行时间计数中的使用

上文提到根据3个泵的时间比较并加以定义，当某台泵运行时间确定最短时，另外2台便有了固定的备用和紧急备用的搭配，这样就免除了进一步的时间比较，使程序更加简练明确。

3.2油泵启动条件和控制

确定好泵的定义后，程序自动检测泵是否准备好，泵准备好的条件为：泵和对应空载阀在自动控制，泵过滤器两端压力正常，并且泵电源正常且无故障。如果主泵、备泵、紧急备用泵中有1台没有准备好，会有报警发出。当以上条件均满足，泵便有了启动的条件，调速器系统及主进水阀系统共用3台泵。3台泵的启、停以及泵对应空载阀动作程序完全一致，具体运行方式根据泵的定义确定后，选择不同的启停方式。

3.2.1主用泵控制逻辑

主泵收到泵启动令后，首先空载阀空载，6 s后启泵。此后主泵保持连续运行。主泵的空载阀是否加载靠压力判断，任意1个油罐的压力低于6.2MPa时加载，当2个压力油罐压力达到标准6.4MPa后，此时空载阀励磁，即空载。

3.2.2备用泵控制逻辑

当油罐液位或压力低于启备泵条件时启动，备泵的空载阀随备泵启动就加载，当液位达到停止备用泵时停止，备泵空载阀空载；停油站令发出后备泵立即停止

3.2.3紧急备用泵逻辑

运行中如果主泵故障，则紧急备用泵做主泵运行；如果备用泵故障，则做备用泵运行。紧急备用泵的空载阀逻辑遵循所顶替泵（主或备）的空载逻辑。泵的启动、停止遵循被顶替泵逻辑。

3.2.4事故应急处理

如果油压装置有启动的命令，但是有集油箱液位过低时，停止任何泵的运行，防止将空气吸入压力管路。

3.2.5启停泵逻辑中使用的功能块

在条件和控制的程序中大量使用了RS：双稳功能块，该功能模块的优点就是针对同一个控制对象，可以设定启动或者停止的条件，不需要设置过多的中间变量，就能准确的控制受控对象。

以备用泵启动条件为例（图2）：当调速器油罐或者主进水阀油罐的压力、油位降低至启动备泵条件，并且油站在启动状态，S输入端为“1”，Q1端输出为“1”，备泵具备启动条件。之后压力和液位会因为泵的启动而上涨，使启动备泵的压力和液位条件会复归，但是RS储存器即使输入S恢复为“0”，此状态也保持不变。只有2个油罐液位同时达到停备泵液位，或者停机令发出后，R1端输入为“1”，Q1备泵启动条件复归。复位优先也是RS功能块的特点之一，类似停机等硬性条件，无需考虑使之触发的条件是否满足，立刻复位。

图2 RS功能块在备用泵启停条件的应用

3.3隔离阀的开关逻辑及油站恢复功能

油罐出口隔离阀是压力油罐和集油箱内压力管路连接与否的有效隔离装置，因此，能否完成压力油从集油箱经过油泵进入油罐，或压力油能否进入操作机构，完全受控于油罐出口隔离阀的控制。

3.3.1隔离阀开启控制

当启动油压装置令发出且有1个台泵在运行，泵加载使油管路的压力达到6.0MPa时，打开2个隔离阀，目的让隔离阀两侧平压防止对管路和泵造成冲击。

3.3.2隔离阀关闭控制

停油站120 s内液位到达“停泵关隔离阀”时关闭隔离阀，当这120 s过去后如果油位没有达到也关闭隔离阀。如果遇到紧急情况，即使机组还在运行，当某个油罐的液位达到“油位过低，关闭隔离阀”此时关闭隔离阀，靠泵运行将机组停下来。

3.3.3油站的恢复功能

油站停止命令发出后会有120 s的时间用于油站恢复，在这个120 s中：任意一个油罐油位不满足，主泵运行，空载阀加载补充油罐油位至“可以关闭隔离阀”的液位，后主泵停止，空载阀空载；如果120 s没有能够将液位补充至目标也停止主泵。在这120 s后会将所有泵的定义复归，并且复归3个大泵的故障信号。

3.4非同步导叶油泵及其空载阀控制

蒲石河机组拥有20个导叶，20个导叶在控制环的作用下受调速器接力器控制，其中5号，6号，15号，16号导叶为非同步导叶，在受控制环的控制同时，也受非同步导叶接力器控制。所以，在原导叶开度的基础上可以单独增加5%~15%的开度，根据模型设计，蒲石河机组在导叶开度在14%~24%的时候机组会进入不稳定区域，此时机组振动较大，转速波动也较大，需要打开非同步导叶，从而改变转轮两侧水流流态，使机组重新回到稳定运行。非同步导叶开启与关闭受调速器控制柜控制，执行机构在油压装置中。

非同步导叶要求动作快速，同时在水流中受到的力矩较大，为此单独设计了非同步导叶蓄能器（蓄能器额定压力为16MPa，设有氮气囊取代空气作为能量储存介质）。为保证蓄能器和操作管路中压力，油站为此套操作机构单独配有2个螺杆泵：4号、5号泵，启动和轮转与前3台泵轮转相同，由3台泵精简为2台后，只需比较4号和5号泵，运行时间短的为主用泵，另外1个则为备用。

上文提到非同步导叶系统压力由压力变送器送至PLC，根据当前模拟量压力值来控制泵的逻辑，当压力大于等于16.2MPa时，主泵空载；当压力小于15.2MPa，时主泵加载；当压力低于13.0MPa时启动备泵，备用泵的空载阀随泵启、停而加载或空载；当压力小于11.0MPa时，压力低报警停机。

3.5压力油罐的自动补气逻辑

由于油压装置的压力油罐存在不可避免的少量漏气的情况，为保证压力油罐中油位和气体始终保持1:2的比例，设计有自动补气装置，该装置启停逻辑是根据油压装置的不同运行状态，当压力或者液位偏移时进行补气。压力测值取自油罐上压力变送器送给PLC的模拟量，液位取自磁翻板液位计的磁记忆开关送给PLC的开关量。

3.5.1在运行的自动补气条件

判断油压装置是否在使用，最主要的是要判断油罐出口的隔离阀状态。自动补气逻辑规定：当隔离阀处于开位，认为油压装置正在使用。当油位信号有“油位过高，补气并报警”的开关量输入，并且油罐压力低于6.6MPa，自动补气若在自动运行，则补气条件满足。这样做可以抑制为了满足油罐压力保持在6.4MPa，油泵不断向油罐打油的趋势。保证在运行中压力多次循环也可以很好地控制油罐内液位和压缩空气的比例。

3.5.2不在运行的自动补气条件

当隔离阀处于关位，认为油压装置不在使用。此时油罐油位信号中“低于空载油位，启主泵”的开关未动作，但是压力开关“低于空载压力，主泵加载”动作，自动补气在自动时，则补气条件满足。这样的设计是为了确定压力油罐不存在漏油的情况，但是压力降低则需要补气。这样在停机过程中油罐就时刻保持满足自动启动的压力。

3.5.3自定补气时间的控制

根据以上两种条件，在油压装置处于运行和非运行时都可以自动补气，但是补气量的多少的控制非常关键。补气量较少起不到设计的作用，补气过多导致压力波动大，则会影响油站正常油泵的控制。所以，补气逻辑采用多次少量的循环方式，即当补气条件满足，自动补气开始补气20 s，补气结束后等待40 s。若补气条件依然满足继续循环，直到不需要补气为止。

3.6报警和停机

视油压装置各分系统自动化元件采集的信息，可以时刻掌握油站的健康状态，报警分为两个等级：报警和停机。顾名思义根据油压装置设计中各系统允许运行的压力和液位范围，在超出范围时油压装置自动完成报警和保护性停机。

3.6.1报警条件

以下为程序定义的报警点：1~5号泵未准备好；油罐油位过高补气并报警；油罐油位低启备泵；油罐压力低启备泵；集油箱油位高报警；集油箱油混水。此类报警在运行中定义为小故障，不影响油站运行。3.6.2停机条件

以下为程序定义的停机点：开机令发出20 s时没有泵启动，延时2 s停机；开机令发出180 s时油压装置没有准备好，延时120 s停机（准备好的条件包括油罐压力和液位建立可以开机，油罐隔离阀打开，非同步导叶管路压力正常，3台大泵和2台小泵均有1台在运行）；开机令发出后60 s隔离阀未打开，延时2 s停机；油压装置集油箱液位过低，延时5 s停机；油罐液位开关“油位过低，关闭隔离阀”或“油位低，停机”动作，延时5 s停机；油罐压力过低或过高动作，延时5 s停机。

4　结语

截止至2012年12月31日24∶00，蒲石河电站全年累计发电量5.19亿kW·h，抽水用电6.32亿kW·h。4台机组投入商业运行以来，机组启停频繁，其中，发电启动700次，抽水启动488次。充分发挥了抽水蓄能电站调峰、填谷、调频、调相和事故备用的重要作用，保障了东北电网的安全稳定。4台机组在这一年的运行中，油压装置运行稳定，为调速器系统的导叶接力器、非同步导叶接力器、主进水阀接力器的操作提供了稳定的压力保障。

中图分类号：TV736

文献标识码：B

文章编号：1672-5387（2015）07-0051-05

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2015.07.015

收稿日期：2015-04-30

作者简介：李承龙（1988-），男，助理工程师，从事水电机组运行及维护工作。