戚曉虎，陳 偉，周浩琪

(海南蓄能發(fā)電有限公司，海南?？?70100)

1 工程概況

海南瓊中抽水蓄能電站(以下簡(jiǎn)稱“海蓄電站”)位于海南省瓊中黎族苗族自治縣黎母山鎮(zhèn)，裝設(shè)3臺(tái)200 MW可逆式水泵水輪機(jī)組，是海南省首座抽水蓄能電站。電站引水管道采取“一管三機(jī)”布置方式，每臺(tái)機(jī)組前面裝設(shè)一臺(tái)進(jìn)水閥。

進(jìn)水閥為臥軸雙密封球閥，采用雙接力器油壓操作，安裝在壓力鋼管與水泵水輪機(jī)蝸殼進(jìn)口段之間，作機(jī)組調(diào)相、機(jī)組正常停機(jī)和事故停機(jī)截?cái)嗨鞯脑O(shè)備。進(jìn)水閥設(shè)置一道工作密封和一道檢修密封，正常工作時(shí)僅工作密封投入使用，當(dāng)機(jī)組檢修或更換工作密封時(shí)，檢修密封投入使用，無(wú)需排空壓力鋼管和拆卸進(jìn)水閥主體便可以進(jìn)行檢修[1]。每臺(tái)進(jìn)水閥單獨(dú)配備一套獨(dú)立的操作油壓裝置和一套以西門子300系列PLC為核心的自動(dòng)控制系統(tǒng)。進(jìn)水閥油壓裝置主要由壓力油罐、回油箱、油泵、液壓管路、各類閥門和自動(dòng)化元器件構(gòu)成，其額定工作壓力為6.4 MPa。

2 進(jìn)水閥系統(tǒng)控制邏輯介紹

海蓄電站進(jìn)水閥系統(tǒng)控制邏輯主要分為泵組控制、自動(dòng)補(bǔ)氣控制、下游密封及進(jìn)水閥控制三部分。

2.1 泵組控制

每套進(jìn)水閥油壓裝置配備兩臺(tái)LEISTRITZ螺桿泵，油泵設(shè)計(jì)為間歇性啟動(dòng)，每臺(tái)油泵的出口單獨(dú)配置一個(gè)加載閥，二者構(gòu)成一套泵組。為配合油泵電源軟啟動(dòng)器旁路切換時(shí)間，油泵啟動(dòng)后對(duì)應(yīng)加載電磁閥延時(shí)12 s勵(lì)磁，油泵帶載運(yùn)行。

兩套進(jìn)水閥泵組互為備用，主用泵組故障時(shí)自動(dòng)切換至備用泵組，備用泵組故障時(shí)，進(jìn)水閥油壓裝置報(bào)“major fault”大故障信號(hào)，監(jiān)控系統(tǒng)轉(zhuǎn)機(jī)械事故停機(jī)流程。在進(jìn)水閥控制柜面板可以選擇“1號(hào)泵主用”、“2號(hào)泵主用”和“自動(dòng)輪換”3種泵組控制方式。在“1(2)號(hào)泵主用”模式下，設(shè)置1(2)號(hào)泵組為主用泵組，另一套泵組為備用泵組；在“自動(dòng)輪換”模式下，系統(tǒng)會(huì)以油壓裝置停止信號(hào)為標(biāo)志位將主備泵組自動(dòng)輪換。

泵組控制分為油壓裝置啟動(dòng)階段和油壓裝置運(yùn)行階段兩個(gè)部分。為保護(hù)油泵安全，回油箱事故低液位開關(guān)信號(hào)將停止所有運(yùn)行油泵。油壓裝置啟動(dòng)階段從油壓裝置收到監(jiān)控啟動(dòng)令持續(xù)至油壓裝置隔離閥打開。在該階段，油壓裝置收到監(jiān)控啟動(dòng)令后，主用泵組運(yùn)行，系統(tǒng)管路壓力上升至隔離閥開啟允許壓力3.5 MPa時(shí)，油壓裝置隔離閥打開。如果主用泵組持續(xù)運(yùn)行20 s管路壓力仍未達(dá)到隔離閥開啟允許壓力，系統(tǒng)判斷主用泵組失效，自動(dòng)切換至備用泵組運(yùn)行。隔離閥打開期間，油壓裝置為運(yùn)行階段，在此階段，油泵啟停受壓力油罐壓力值和液位值控制。如果主用泵組連續(xù)運(yùn)行超過(guò)15 min，系統(tǒng)判斷主用泵組失效，自動(dòng)切換至備用泵組運(yùn)行。

2.2 自動(dòng)補(bǔ)氣控制

壓力油罐是整套油壓裝置的儲(chǔ)能和緩沖設(shè)備，油罐保持壓力及液位在正常范圍內(nèi)，對(duì)油壓裝置安全穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。壓力油罐壓力及液位控制主要靠?jī)商妆媒M和油罐自動(dòng)補(bǔ)氣裝置實(shí)現(xiàn)。自動(dòng)補(bǔ)氣裝置主要由過(guò)濾器、手閥、排氣電磁閥、補(bǔ)氣電磁閥和逆止閥等部件構(gòu)成，圖1為進(jìn)水閥壓力油罐自動(dòng)補(bǔ)氣裝置原理示意。

圖1 進(jìn)水閥壓力油罐自動(dòng)補(bǔ)氣裝置原理示意

在檢修及運(yùn)行過(guò)程中，運(yùn)行維護(hù)人員可以通過(guò)手動(dòng)補(bǔ)氣閥AA001和手動(dòng)排氣閥AA002調(diào)節(jié)油罐內(nèi)高壓氣體量。在油罐需要自動(dòng)補(bǔ)氣時(shí)，補(bǔ)氣電磁閥AA804與排氣電磁閥AA805同時(shí)勵(lì)磁動(dòng)作，排氣通道關(guān)閉，自動(dòng)補(bǔ)氣通道接通，外部高壓氣體進(jìn)入壓力油罐；在補(bǔ)氣結(jié)束時(shí)，補(bǔ)氣電磁閥AA804與排氣電磁閥AA805同時(shí)失磁復(fù)歸，自動(dòng)補(bǔ)氣通道關(guān)閉，排氣通道打開。

這種設(shè)計(jì)有以下兩點(diǎn)安全考慮：①正常狀態(tài)下，排氣電磁閥AA805處于打通排氣管路狀態(tài)，將逆止閥AA004與補(bǔ)氣電磁閥AA804之間管路的高壓氣體排空，可保持逆止閥兩側(cè)壓力差，保證逆止閥的逆止功能。②補(bǔ)氣電磁閥和排氣電磁閥互相配合的設(shè)計(jì)，可以保證補(bǔ)氣電磁閥出現(xiàn)故障不能關(guān)閉時(shí)，高壓氣體可以通過(guò)排氣電磁閥排出至大氣中，避免了壓力油罐因補(bǔ)氣電磁閥故障升至過(guò)高壓力的危險(xiǎn)狀態(tài)。

自動(dòng)補(bǔ)氣控制邏輯主要分為油壓裝置運(yùn)行階段和油壓裝置停止階段。在油壓裝置運(yùn)行階段，當(dāng)壓力油罐壓力低于額定壓力值且液位達(dá)到補(bǔ)氣高度值時(shí)，自動(dòng)補(bǔ)氣裝置啟動(dòng)，直到油罐壓力恢復(fù)至額定壓力值。在油壓裝置停止階段，系統(tǒng)會(huì)記錄油壓裝置停止時(shí)的壓力油罐壓力值P1作為該階段自動(dòng)補(bǔ)氣判斷基準(zhǔn)值，當(dāng)油罐實(shí)時(shí)壓力下降至0.987×P1時(shí)，自動(dòng)補(bǔ)氣裝置啟動(dòng)，補(bǔ)氣至油罐壓力恢復(fù)至額定值或基準(zhǔn)值P1。

2.3 下游密封及進(jìn)水閥控制

圖2為下游密封及進(jìn)水閥控制液壓示意。AA806為下游密封投退控制電磁閥，當(dāng)C線圈勵(lì)磁時(shí)，壓力油通過(guò)④號(hào)管路接通下游密封操作接力器開啟腔，接力器關(guān)閉腔接通排油，上游壓力鋼管內(nèi)壓力水接通下游密封投入腔，下游密封投入；當(dāng)O線圈勵(lì)磁時(shí)，壓力油通過(guò)⑤號(hào)管路接通下游密封操作接力器關(guān)閉腔，接力器開啟腔接通排油，上游壓力鋼管內(nèi)壓力水接通下游密封退出腔，下游密封退出。

圖2 下游密封及進(jìn)水閥控制液壓示意

AA945為尾閘閉鎖球閥液壓閥，當(dāng)尾閘打開時(shí)，壓力油通過(guò)①號(hào)管路使AA945保持動(dòng)作狀態(tài)，球閥可操作。AA807為進(jìn)水閥控制電磁閥，當(dāng)其線圈勵(lì)磁時(shí)，壓力油使插裝閥AA944關(guān)閉，排油關(guān)閉，插裝閥AA943打開，進(jìn)水閥接力器開啟腔和關(guān)閉腔連通，由于接力器活塞桿開啟腔面積大于關(guān)閉腔面積，進(jìn)水閥接力器開啟，進(jìn)水閥打開；當(dāng)AA807線圈失磁時(shí)，壓力油使插裝閥AA943關(guān)閉、插裝閥AA944打開，此時(shí)進(jìn)水閥接力器關(guān)閉腔接通壓力油，開啟腔接通排油，進(jìn)水閥接力器關(guān)閉，進(jìn)水閥關(guān)閉。

3 安全性設(shè)計(jì)在進(jìn)水閥系統(tǒng)自動(dòng)控制中的應(yīng)用

為保證進(jìn)水閥系統(tǒng)的安全可靠性，海蓄電站在設(shè)計(jì)其自動(dòng)控制邏輯時(shí)考慮了三項(xiàng)特殊的安全性設(shè)計(jì)，分別為進(jìn)水閥失電自關(guān)閉設(shè)計(jì)，進(jìn)水閥與尾閘電氣液壓雙閉鎖設(shè)計(jì)和進(jìn)水閥位置異常監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)，并對(duì)進(jìn)水閥系統(tǒng)報(bào)警及跳機(jī)設(shè)置情況進(jìn)行說(shuō)明。

3.1 進(jìn)水閥失電自關(guān)閉設(shè)計(jì)

海蓄電站進(jìn)水閥控制電磁閥AA807設(shè)計(jì)為24VDC單穩(wěn)態(tài)電磁閥，當(dāng)發(fā)生監(jiān)控系統(tǒng)或進(jìn)水閥控制系統(tǒng)異常失電時(shí)，AA807失磁，進(jìn)水閥會(huì)在第一時(shí)間自行關(guān)閉，避免事故進(jìn)一步擴(kuò)大。

鑒于高齡初產(chǎn)婦可能發(fā)生上述癥狀，因此，高齡初產(chǎn)婦及其家人，切不可麻痹大意，應(yīng)具有務(wù)實(shí)的態(tài)度，根據(jù)自身情況，采取特定的對(duì)策，做到防患于未然。

為了充分利用這種自關(guān)閉設(shè)計(jì)，監(jiān)控系統(tǒng)事故后備PLC的跳機(jī)關(guān)球閥命令常閉節(jié)點(diǎn)被直接引入AA807電源回路中，當(dāng)機(jī)組事故停機(jī)時(shí)，不僅會(huì)有電氣命令關(guān)閉進(jìn)水閥，事故后備PLC也會(huì)直接切斷AA807電源回路，充分保證了進(jìn)水閥的動(dòng)作可靠性。

3.2 進(jìn)水閥與尾閘電氣液壓雙閉鎖設(shè)計(jì)

由于抽水蓄能電站的尾水閘門只能承受下游單向水壓力，電站的進(jìn)水閥與尾閘閉鎖邏輯為進(jìn)水閥打開時(shí)，不允許尾閘關(guān)閉；尾閘關(guān)閉時(shí)，不允許進(jìn)水閥打開[2]。海蓄電站在電氣邏輯和液壓邏輯兩個(gè)方面實(shí)現(xiàn)了進(jìn)水閥與尾閘之間的閉鎖。

在電氣閉鎖方面，尾閘引出一路閘門全開信號(hào)，直接接入進(jìn)水閥控制柜，作為下游密封退出及進(jìn)水閥開啟必須滿足的條件；球閥引出一路全關(guān)信號(hào)，直接接入尾閘控制柜，作為尾閘關(guān)閉邏輯判斷必須滿足的條件。

在液壓閉鎖方面，在尾閘一個(gè)液壓切換閥，當(dāng)尾閘處于全開位置時(shí)，來(lái)自球閥液壓系統(tǒng)的壓力油通過(guò)該閥重新回到進(jìn)水閥接力器開啟液壓回路，作為進(jìn)水閥開啟的必要條件，當(dāng)尾閘不在全開位置時(shí)，該液壓回路被切斷，進(jìn)水閥無(wú)法打開；進(jìn)水閥拐臂處同樣設(shè)置一個(gè)液壓切換閥，當(dāng)進(jìn)水閥處于全關(guān)位置時(shí)，來(lái)自尾閘的液壓油通過(guò)該閥重新回到尾閘接力器關(guān)閉液壓回路，作為尾閘關(guān)閉的必要條件，當(dāng)進(jìn)水閥不在全關(guān)位置時(shí)，該液壓回路被切斷，尾閘無(wú)法關(guān)閉。通過(guò)電氣液壓雙閉鎖設(shè)計(jì)，保證了進(jìn)水閥和尾閘動(dòng)作的正確性。

3.3 進(jìn)水閥異常關(guān)閉監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)

為監(jiān)測(cè)進(jìn)水閥位置，設(shè)置了5個(gè)進(jìn)水閥位置開關(guān)和1個(gè)進(jìn)水閥全開標(biāo)志位，表1為進(jìn)水閥位置監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置。

表1 進(jìn)水閥位置監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置

進(jìn)水閥全開標(biāo)志位SPH_MARK是一個(gè)監(jiān)控綜合判斷點(diǎn)，當(dāng)監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)出進(jìn)水閥開啟令，且進(jìn)水閥全關(guān)位置開關(guān)CG503復(fù)歸、進(jìn)水閥開度>40%位置開關(guān)CG504動(dòng)作、進(jìn)水閥開度>90%位置開關(guān)CG505動(dòng)作、進(jìn)水閥全開位置開關(guān)CG506動(dòng)作時(shí)，該點(diǎn)被置為1；當(dāng)監(jiān)控發(fā)出進(jìn)水閥關(guān)閉令時(shí)，該點(diǎn)被置為0。

進(jìn)水閥位置異常監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)主要針對(duì)進(jìn)水閥全開之后的異常關(guān)閉現(xiàn)象，監(jiān)控系統(tǒng)通過(guò)上述位置監(jiān)測(cè)信號(hào)的綜合判斷，能在個(gè)別位置開關(guān)失效的情況下第一時(shí)間準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)進(jìn)水閥的異常關(guān)閉動(dòng)作情況，并采取延時(shí)3 s轉(zhuǎn)機(jī)械事故停機(jī)的緊急措施，避免出現(xiàn)更嚴(yán)重后果。圖3為進(jìn)水閥位置異常監(jiān)測(cè)邏輯框圖。

圖3 進(jìn)水閥位置異常監(jiān)測(cè)邏輯框圖

3.4 進(jìn)水閥系統(tǒng)報(bào)警及跳機(jī)點(diǎn)設(shè)置情況

為保證進(jìn)水閥系統(tǒng)正常運(yùn)行，對(duì)其報(bào)警及跳機(jī)點(diǎn)進(jìn)行了設(shè)置，其中，報(bào)警信號(hào)會(huì)導(dǎo)致開機(jī)條件不滿足，跳機(jī)信號(hào)會(huì)導(dǎo)致機(jī)組機(jī)械事故停機(jī)。

跳機(jī)點(diǎn)包括兩臺(tái)油泵同時(shí)故障；油壓裝置隔離閥拒動(dòng)回油箱液位低；壓力油罐事故低油壓或油壓高停機(jī)；壓力油罐液位過(guò)低或過(guò)高；PLC硬件故障；進(jìn)水閥異常關(guān)閉。

4 進(jìn)水閥系統(tǒng)調(diào)試及運(yùn)行總結(jié)

4.1 進(jìn)水閥系統(tǒng)故障及處理措施簡(jiǎn)述

4.1.1 壓力油罐液位異常上升

在電站進(jìn)水閥系統(tǒng)調(diào)試期間，調(diào)試人員發(fā)現(xiàn)其壓力油罐液位一直處于緩慢上升狀態(tài)，并最終在一次油壓裝置停止運(yùn)行后達(dá)到液位高報(bào)警狀態(tài)。經(jīng)檢查分析，確認(rèn)壓力油罐安全閥連接法蘭處存在輕微漏氣，由于此時(shí)自動(dòng)補(bǔ)氣裝置尚未投入使用，為保持壓力油罐壓力在正常范圍內(nèi)，油泵注入壓力油罐內(nèi)的壓力油逐漸增加，導(dǎo)致壓力油罐液位不斷上升，最終達(dá)到報(bào)警值。隨后，調(diào)試人員處理了安全閥法蘭處的漏氣問(wèn)題，并在調(diào)試完成后投入了自動(dòng)補(bǔ)氣裝置，運(yùn)行至今，沒(méi)有再出現(xiàn)過(guò)壓力油罐液位高的現(xiàn)象。

4.1.2 球閥控制電磁閥插頭銹蝕導(dǎo)致開機(jī)失敗

電站出現(xiàn)過(guò)一次因進(jìn)水閥打開失敗延時(shí)機(jī)械事故停機(jī)的開機(jī)失敗事件，經(jīng)維護(hù)人員現(xiàn)場(chǎng)檢查，發(fā)現(xiàn)球閥控制電磁閥插頭接線端子銹蝕嚴(yán)重，經(jīng)端子箱處測(cè)得電磁閥線圈電阻為數(shù)百歐姆，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)線圈正常電阻值(約16 Ω)，更換該電磁閥插頭后，缺陷消除。

經(jīng)分析，該電磁閥插頭出現(xiàn)銹蝕現(xiàn)象，主要是因?yàn)殡娬窘ㄔO(shè)前期廠房?jī)?nèi)通風(fēng)空調(diào)尚未投入使用，該電磁閥長(zhǎng)期處于高溫高濕的惡劣環(huán)境中，最終導(dǎo)致其內(nèi)部銹蝕。其余新建電站需考慮建設(shè)前期對(duì)廠房?jī)?nèi)電氣設(shè)備的防護(hù)，避免出現(xiàn)此類隱患。

4.2 海蓄電站進(jìn)水閥系統(tǒng)設(shè)計(jì)總結(jié)

4.2.1 采取液壓油作為操作介質(zhì)

海蓄電站是調(diào)峰調(diào)頻發(fā)電有限公司首個(gè)采取液壓油作為進(jìn)水閥系統(tǒng)操作介質(zhì)的蓄能電站，采用液壓油作為操作介質(zhì)并配置單獨(dú)一套油壓裝置，可使進(jìn)水閥系統(tǒng)調(diào)試不受上游壓力鋼管水的制約，在引水水道充水前，就可以完成包括進(jìn)水閥開關(guān)時(shí)間調(diào)整在內(nèi)的所有進(jìn)水閥系統(tǒng)調(diào)試項(xiàng)目。液壓油作為操作介質(zhì)，其清潔度更高，對(duì)金屬管路及接力器更加友好。但與水操作的進(jìn)水閥系統(tǒng)相比，需要多配置一套油壓裝置，成本及控制復(fù)雜度相對(duì)較高。

4.2.2 油泵采用間歇性啟動(dòng)控制

海蓄電站進(jìn)水閥油壓裝置與其他抽水蓄能電站調(diào)速器油壓裝置十分相似，區(qū)別是油泵采用間歇性啟動(dòng)的控制方式。由于壓力油罐較大的容量帶來(lái)了更大儲(chǔ)能能力，再加上機(jī)組運(yùn)行期間進(jìn)水閥動(dòng)作次數(shù)少，使得間歇性啟動(dòng)設(shè)計(jì)下實(shí)現(xiàn)油泵少次數(shù)啟動(dòng)成為可能。

在海蓄電站實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，進(jìn)水閥油泵只啟動(dòng)兩次就可以滿足機(jī)組啟停一次的需要，且進(jìn)水閥油壓裝置內(nèi)油溫長(zhǎng)期穩(wěn)定處于室溫附近，并無(wú)明顯溫升現(xiàn)象。這種油泵間歇性啟動(dòng)控制設(shè)計(jì)方式，在保證系統(tǒng)需要的前提下，有效減少了電能浪費(fèi)，并且避免了油泵長(zhǎng)期空載運(yùn)行產(chǎn)生的機(jī)械磨損和油溫上升的不利影響，是一種比較合理的控制方式。

5 總 結(jié)

本文通過(guò)泵組控制、自動(dòng)補(bǔ)氣控制、下游密封及進(jìn)水閥控制三部分介紹了海蓄電站進(jìn)水閥及其油壓裝置自動(dòng)控制邏輯；通過(guò)分析進(jìn)水閥失電自關(guān)閉邏輯，進(jìn)水閥與尾閘電氣液壓雙閉鎖和進(jìn)水閥位置異常監(jiān)測(cè)手段，介紹了海蓄電站在進(jìn)水閥系統(tǒng)自動(dòng)控制中的安全性設(shè)計(jì)。此外，還總結(jié)了海蓄電站進(jìn)水閥控制系統(tǒng)在調(diào)試運(yùn)行期間的主要問(wèn)題和系統(tǒng)設(shè)計(jì)特點(diǎn)，對(duì)其他新建抽水蓄能電站的進(jìn)水閥系統(tǒng)設(shè)計(jì)、調(diào)試及運(yùn)行維護(hù)有一定參考價(jià)值。