自动关机装置对小水电站的应用

分类：自动化论文发表 时间：2020-10-28 10:24 关注：(1)

　　小水电站的调速机构多以老旧操作器为主，电网突然停电后，只能手动关机。针对此种隐患，自主研发一种自动关机装置，可与原操作器结合起来使用，来实现自动关机;同时具有开机、关机、增、减负荷等功能。图1幅。

　　关键词:小水电站;电网停电;操作器;直流电源;直流减速电动机;链轮传动;逻辑电路;自动关机

　　1概述

　　河北省石家庄市的小水电站大多建于20世纪80年代，自动化水平低，当电网突然停电或断电时，只能靠人工盘大轮来关闭水轮机，速度慢，如果操作不及时，极易发生飞车事故，时刻威胁着职工和设备的安全，是水电行业安全隐患之一。据统计，在全市有63%的机组中使用的操作器需改造成自动关机的操作器。

　　2自动关机操作器的分类

　　目前国内具有停电后可自动关机功能的操作器有以下3类:一是弹簧储能型(TC)操作器，采用机械弹簧储能原理，当失去电源后，蓄能弹簧推动活塞进行关机，价格约5万元。二是高压氮气罐储能(HPU)操作器，当电网突然停电，利用压缩氮气推动油路块与叠加电磁阀组成高压控制油路，直接操控导叶接力器，来实现自动关机，价格在6万元左右。三是DWT微机全自动调速器，是采用日本三菱FX2N高性能可编程控制器作为硬件主体，与适配的机械液压随动系统相配合，用于控制接力器的动作;该装置由高油压操作器数字阀液压系统及直流屏组成，整体价格约12万元。这3类操作器取代了原传统操作器，考虑了失去电源后的紧急停机，但需将原操作器拆除不用，重新做地基，重新安装。由于体积较大，往往受老电站空间尺寸的限制，费用较贵，不易被老旧电站接受，常常应用于新建的电站。石家庄市老电站厂房面积普遍较小，较大规模的土建或改进往往不现实。这决定了此自动化装置的结构要简约，同时与原操控系统对接要可靠、易操控、费用低，易于为电站接受。

　　3研发思路

　　石家庄市水电及农村电气化发展处走访了20多座1000kW以下的电站进行调研，各电站普遍要求在原有的操作器上进行改进为好，决定在操作器的传动机构上做文章。因此，选择在最节能、最易衔接、最省费用的操作手轮上，安装1套操控机构，以直流减速电动机为动力，将大链轮装配在操作手轮上，利用链轮传动来操纵手轮按指令进行运转，从而完成操作器的操作工作。特点是改造费用少，结构简单，操控目标明确、直接，动作可靠。日常操作具有关、停机，增减负荷的功能，遇事故时可自动启动紧急停机功能。

　　4参数的计算及操控原理

　　4.1参数的计算

　　首先要确定机械传动机构核心部件的尺寸，以井陉县长征电站3号机组为例，经实际测量操作手轮直径为420mm，由全开至空载状态，手轮需旋转6圈。根据调保要求确定关机至空载的时间5s＜T＜8s，计算手轮线速度在1.58～0.99m/s之间。根据以上数据计算得出链速为1.5m/s，小链轮齿数优先选17齿，大链轮齿数优先选60齿，链条优选用滚子链。之后，根据操作功的数值来计算选定直流减速电机的功率及适配直流蓄电瓶。3号机操作器操作功为150kgm，通过演算操作手轮的操作力为287N，直流电机选择350W，转速3000r/min，减速比9.78。电池选择100AH/24V，然后进行逻辑电路的设计;它是由整流元器件，三组直流接触器HC1-HC3，蓄电瓶，充电器DC1-DC2，交直流保护开关ZK1、ZK2，仪表，指示灯，按钮AN1-AN3，行程开关XK1、XK2，熔断器，保护控制线路等元器件构成整流回路、开机回路、关机回路及紧急停机回路。

　　4.2自动关机装置的改造及操控原理

　　将标准件17齿小链轮按电动机轴颈尺寸加工内孔、插键槽，并在小链轮加工凸肩，目的是留出链条的间隙，然后将小链轮装配在电动机的轴颈上。加工标准件60齿大链轮及原操作手轮的配合面，并钻孔套丝用3枚M8键镶入两者的配合面上，使大链轮与操作手轮紧固成一个整体。当电动机接受指令后，小链轮以307r/min转速与减速直流电机同步旋转，通过链条带动大链轮旋转，链速为1.6m/s(经计算此链速可保证在满负荷的情况下，关机时间为8s)。由于大链轮镶嵌在操作手轮上，操作手轮与大链轮同步旋转，从而带动调速轴转动，可以按照要求完成导叶闭合。操控原理是:合上开关ZK1即给充电器充电，合上开关ZK2，蓄电池DC的直流电源供给二次保护控制回路及一次电动机回路。日常的操作可通过控制柜进行操作，控制保护回路电压等级为直流24V。开机时，按下按钮AN2，HC2接触器工作开机指示灯亮，电流通过HC1、HC3接触器及行程开关XK2常闭节点;当导叶全开时，行程开关节点打开，断开直流电源，完成由点动开机至全开的开机过程。关机时，按下AN3按钮HC3接触器工作，电流经过HC3接触器及HC2接触器常闭节点;当机组运行至空载时，行程开关XK1节点打开，切断控制电流，完成点动关机。紧急停机分2种情况:一种情况是当机组出现事故时，如发动机着火，此时按下按钮AN1，HC1接触器工作，控制电流流经行程开关XK1、HC2接触器常闭节点及HC1接触器自锁回路，同时动作DL断路器使机组与系统解列。关机至空载时，行程开关XK1节点打开，切断控制电流，完成紧急停机。另一种情况是当电网突然停电或断电，断路器因失压脱扣跳闸，自锁回路工作，HC1接触器常开节点闭合，启动自动停机功能，控制电流流经流经行程开关XK1、HC2接触器常闭节点及HC1接触器自锁回路。当关机至空载时，行程开关XK1节点打开，切断控制电流，完成紧急停机工作(见图1)。

　　5现场试验及效益分析

　　5.1现场试验

　　现场试验在井陉县长征电站3号机实施，分为2个阶段进行。(1)第一阶段。当水轮机导叶开度50%、70%时，模拟电网突然停电，电站各种保护失效，自动关机装置动作，秒表计时，记录压力表数值。数据显示关机时间分别为4、5s，压力表数值基本没有波动，水轮机摆动、振动值正常，试验成功。(2)第二阶段。水轮机导叶开度100%时，水轮机满负荷工作。模拟电网突然停电，电站各种保护失效，自动关机装置立即启动关机动作。数据显示，关机时间8s，压力表数值瞬时升高10%，随即便拉回原值，随后趋于平稳基本没有波动，水轮机摆动、振动值正常，试验成功。

　　5.2效益分析

　　井陉县长征电站给的应用评价是:自动关机装置样机安装于我站3号机组，可用于日常工作的开、关机、增减负荷操作，由原来的每班3人值班，可减少为2人，24h可增效减人3人，当月即可节支6000元，当月收回成本。当电网突然停电，电站各种保护及操作机构失效，自动停机装置自动投入工作，自动开启紧急停机功能，关机性能平稳、可靠，关机时间符合调保计算要求。从社会效益上来看，近几年随着水量逐年减少，电站均采用憋水发电，平均每日开、关机10次，单机每日节水可达到240t。全市60台机组需改造，每天可节约水量14400t。经测算，仅节约的水量，每年可多发电140万kW·h，创收58.8万元，创直接效益178.8万元。可替代火力发电引起的资源损耗，相当于代替490t标准煤，减少污染排放735t的二氧化碳，16.24t的二氧化硫，具有很高的经济价值和社会价值。

　　6结论

　　目前老机组的自动化改造，费用较高，每千瓦需万元以上，只有在符合国家政策，并获得国家资金支持的情况下，才能实现。但国家的资金有限，使得大范围老电站的自动化改造仍不能实现。自动关机装置虽具有开机、停机、增减负荷及紧急自动关机功能，填补一项操作器无需电网电源，即可自动关机的空白，但仍不完善。下一步计划将自动并网的功能加入进来，同时增加水位测量，流量监控，将其名称改为水轮机自动控制装置，真正用最少的费用，将老机组的手工操作改变成自动化操作，做到用最经济的方法实现“无人值班(少人值守)”。

　　作者：刘利洲