大唐陈村水力发电厂 安徽 242500
摘要：本文主要分析水电厂自动化元件配置优化，分别分析振摆、转速、流量、压力、液位、温度、轴电流、剪断销信号、导叶主令、位置信号、电磁阀等主要监测与执行元件情况。
关键词：自动化元件；水电厂；配置；优化
1 概述
我国水电厂计算机监控在经历数十年发展后，已取得明显技术经济效益，进入成熟发展阶段。监控系统已成为新建大中型水电厂必须配置的基本控制设备，也成为已投产发电的电厂技改所采用的重要技术措施。目前国内水电厂纷纷投资进行以计算机监控系统为基础的综合自动化系统更新改造，但在改造目标与系统设计、功能配置、实用效果方面却相差甚远，究其原因大多为监控系统功能配置齐全，而自动化元器件功能却不能正常发挥。优化配置自动化元器件，使电站综合自动化真正“自动”起来，是所有水电自动化专业人员共同关心的问题，笔者抛砖引玉。
2 自动化监测元件
自动化监测（发信）元件主要用来监视机组及油气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，并实现越限报警功能。
2.1 振动监测、摆度监测
振动是水电机组较为常见问题，其分布广泛，机组从上到下，从转动部件到固定部件均可能发生振动。较大振动直接影响机组安全运行，因此它是评定机组运行质量的重要指标。
智能双通道水机振摆监测仪，可根据需求设置量程、报警、状态等参数，有LED数显、4～20mA电流输出、报警输出等功能，探头安装于机组轴承、机架、尾水门等处，主要监视大轴摆度、机架垂直与水平振动。选型时应考虑机组设计参数、工作电压、灵敏度、频率范围、工作温度、安装位置、检测方向、输出信号等。
在机组振摆监测运用中，监测元件变送输出也可直接接入监控PLC，据多年运维经验，目前运用较稳定的进口产品有美国派利斯，合资产品有威尔森等，其输出4~20mA信号（或开关量）由监控PLC采集、分析判断与报警，也可根据需要装设功能压板，实现越限跳机。
2.2 转速测量
转速是水电机组最重要参量之一，测速故障会直接影响开停机与事故停机，危及设备安全。测速通常有两种方式：齿盘测速；残压测频。
一台机组可安装三套独立测速，其中两套齿盘测速，一套残压测速，互为备用，能可靠满足机组测速要求。反措要求，大中型水电机组过速保护考虑“三取二”逻辑判断。可在监控装置中实现；也可采用一套测速装置三路测速信号，由本装置实现“三取二”逻辑判断功能。例南京科明CM200型微机测速装置则采用后者，现场运用较好，后者功能满足要求、经济可靠，推荐运用。另外，在选用测速装置时应注意以下问题：a.根据实际应用情况，PLC型较单片机型装置工作可靠、抗干扰能力强，在选型时可优先考虑；b.优先选择较大直径传感器，因其有效测距大，安装距离调节较方便。
2.3 流量监测
流量监测分两方面，一是水轮机过机流量，用于计算耗水率和机组效率；二是辅机系统管路中介质流量，用于掌握技术供水等辅机系统状况。
水轮机过机流量有三种监测方法，一是超声波法，二是热力学法，三是蜗壳差压法。管道流量监测有多种，可根据不同介质、压力选用合适的流量计。在实际应用中，应根据机组容量、对流量检测要求、费用等情况综合考虑选择测量设备。
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油水管路中反应介质流量的大小，现广泛采用热扩散原理的热导式示流器，其内部使用两个热敏电阻，与内部电阻组成一个惠斯通电桥。如介质不流动，两热敏电阻反映出的电阻偏差是一固定值；而当液体介质渡过流量监控器时，加热线圈产生热量被带走，温度降低，同时使两只热敏电阻之间偏差值改变，使电桥上电压立即发生变化，电压变化代表实时流速变化。目前图尔克、麦克示流器均为热导式，性能稳定、经济可靠，具体选择PNP或NPN型应考虑与监控PLC开入共源或共地型号匹配；如选择机械式示流器，则无需考虑与PLC匹配。冷却水（油流）信号作为湖边电站机组开停机流程判据之一，原有机械示流器故障频繁影响机组开停机，后改用麦克MFM500型示流器，运行效果良好。
2.4 压力测量
机组油、气、水各系统均有压力测量。传统测压采用电接点压力表，现压力测量逐步采用压力开关，并用压力变送器（输出 4~20m A）供监控记录、显示、比较判断等。压力开关主要有三种类型：机械、电子、隔爆型。机械型主要用于纯机械形变导致微动开关动作；电子型优点较多，其内置精密压力传感器，通过高精度仪表放大器放大压力信号，经高速MCU采集并处理数据，一般采用4位LED实时数显压力，继电信号输出，上下限控制点可自由设定，迟滞小，抗震，响应快，稳定可靠，精度高（精度±0.5%F.S，±0.2%F.S）。隔爆型又分为防爆和隔爆两种，等级范围Exd II CT1 ~T6，进口隔爆型需通过UL、CSA、CE国际认证。据运维经验荐用电子型压力开关，同时考虑装置供电可靠性。
2.5 液位测量
液位测量有机组轴承油槽、集油槽、压油罐油位和顶盖水位等。常规测量采用液位开关，对于重要部位则同时输出模拟量（4-20mA）。目前进口液位开关和变送器规格也多，如美国GEMS、德国GOLDERMAN、台湾FINE产品，具有接点容量大，动作可靠、精度高、品种多等特点被广泛采用，国内产品与进口产品相比，性能差距较大，如考虑成本，也可采用同品牌合资产品。
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，水电机组主要测温对象是油气水及轴瓦，由热电阻测温原理可知，被测温度变化直接通过热电阻阻值的变化来测量。测温元件有Cu50、Cu53、Pt100几种，其中铂热电阻的测量精确度最高，不仅用于工业测温，还被制成标准基准仪。
目前电站一般采用（铂）热电阻（Pt100），它反应灵敏、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；测温元件与装置的配置应按行业标准执行，同时适当考虑冗余。
机组测温电阻为两线制或三线制，三线制抗干扰能力强，优先采用。机组监控可配置专用测温装置；也可将测温电阻直接引入监控PLC，机组超温保护可在PLC中实现“三取二”逻辑判断，采用后者性能稳定、可靠性高。
2.7 轴电流检测
发电机运行时，定子、转子之间气隙不均，定子铁芯分片和磁极配置不对称，引起磁通不平衡。该不平衡磁通与轴承切割产生轴电势，大轴内阻很小，如它沿轴承和底板成闭合回路，轴电流可达很大数值，导致油质劣化、轴承摆度增大、轴瓦严重烧损等事故发生，故轴电流检测非常关键。方案一，由环形电流互感器（套在发电机大轴上）和配套二次仪表组成，当大轴流过轴电流时，环形互感器负端将感应电压，通过二次仪表发出报警信号，使用该装置能及时发现大轴及各轴承对地绝缘损坏问题，是避免轴瓦烧毁的一项有效措施。方案二，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仅是支路电流，故建议选择方案一。
2.8 剪断销信号器
剪断销作为反映水轮机导叶剪断销断裂的发信元件，其选型主要由主机厂根据机组形式配套提供，目前国内常用的有触点式、常闭式剪断销信号器，瑞典KMW型机组破断连杆位置开关、带有限位块的克瓦纳导叶摩擦装置等形式，无论何种发信元件，建议无需配套专用信号装置，而是将由信号元件直接接入监控系统，可以直观反映剪断销状态，并减少装置环节与维修量。
2.9 导叶位置信号
导叶位置信号由机组主令控制器提供。传统的主令控制器为机械式LK4系列，近年来不断有电气式主令研发生产投入使用，经运行考验，这类产品均可满足使用要求。但笔者建议不采用专门的主令控制器，而是由机组调速器来输出控制所需的导叶位置信号，如此可确保控制指令与调速器需求相符，避免主令控制器给出的信号与实际需求出现偏差和滞后，其弊端是导叶反馈环节故障，会影响主令位置判别，甚至影响监控系统对二段关闭电磁阀的控制功能等，故在设计时需要权衡利弊综合考虑。
2.10 位置信号
位置信号主要包括机组制动风闸和锁锭位置等，这类信号主要使用机械式位置开关进行测量，这类行程开关配置需考虑密封防潮、弹簧机构材质。某电站采用由主机厂提供的国产磁记忆干簧接点，运行中经常有误发信号现象，后来改换为机械式位置开关。德国BALLUFF机械式位置开关，最大额定长度为7500mm，类型可选，可设置4个端口用于远传，适用恶劣工业环境；而图尔克接近开关在水电厂也广泛运用、性能可靠，均可推荐使用。
3.阀门控制执行元件
油气水阀门一般采用电磁阀、电动阀等执行元件控制。以机组冷却水管路总阀控制为例，该站曾经使用进口电动阀控制，但运行效果不佳，原因是电动阀内部行程接点精确调整困难，易导致电动阀门关闭后卡死，再次操作开启时电机过载损坏，或者电动阀门关闭不严导致漏水严重。后将其改为华德液压双稳态电磁阀控制效果很好，维修方便，运行六年无缺陷，故根据运维经验优先选用电磁阀。
结论：水电站为实现“无人值班，少人值守”，自动化诸多问题须在系统设计时周密考虑，应按要求优化配置必要的基础自动化元件，还应考虑型号参数、接口配合、适当冗余、运行环境、运维效果等，以确保系统安全、可靠与合理性。
参考文献
[1]刘郅辉.自动化控制技术下水电厂运行的思考[J].通讯世界，2014（14）：115-116.
[2]杨思.浅谈水电厂自动化系统的智能化改造[J].经济，2015（27）：67-68.
论文作者:杨勇
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2017年第19期
论文发表时间:2017/12/18
标签：机组论文; 测温论文; 信号论文; 测量论文; 元件论文; 水电厂论文; 装置论文; 《建筑学研究前沿》2017年第19期论文;