浅析水电站球阀控制系统

    1 引言

    进水阀在水轮发电机组中起着非常重要的作用：当机组停机时，关闭进水阀门用于减小水流损失；当机组发生故障而调速器失灵时，能在动水下紧急关闭，迅速切断水流，避免事故的继续扩大。

    球阀是进水阀的一种。近年来随着我国大型冲击式水轮发电机组的不断发展，对制造和控制技术的要求也日益提高，对进水球阀的控制就显得尤为重要。早期的球阀控制系统在电气控制上采用常规的继电器逻辑控制方式，由于组成的元器件均组装在大小不同的盘柜中，转接点多、配线复杂，从而导致控制装置的故障易发，可靠性欠佳，且逻辑关系复杂，控制方式单一，信息量少，仅能满足基本功能；在机械液压控制上采用管路加阀门的方式，配管复杂，有可能产生大的泄漏，互换性、通用性差，使用压力范围窄。目前电厂对机组的自动化要求不断提高，传统控制方式已不能满足用户要求。针对这一现象，东方电机控制公司对球阀控制进行了大量的改进，采用现代电子控制技术和二通插装阀与专用集成控制阀块结构，开发出新型球阀控制装置，现已成功应用于金窝电站、仁宗海电站等大中型冲击式机组。本文对该控制装置的组成、功能、特点等作一简要介绍。

    2 球阀控制系统的组成

    球阀控制系统主要由电气控制系统和液压控制系统组成"电气控制系统一般采用PLC电气控制，液压控制系统一般采用液压控制阀组。其主要部件特点分述如下：

    2.1 电气控制系统

    电气控制系统采用PLC电气控制柜或壁挂式PLC电气控制箱。PLC电气控制柜是电气控制系统的核心部件，采用PLC可编程序控制器，柜体面板上的显示采用工业触摸屏，这种方式成本较高且占用空间较大，但功能完善，方便使用和维护；壁挂式PLC电气控制箱是可编程序控制器只作为核心控制部件，其余显示部分仍采用指示灯等，这种方式结构较简单，成本也较低，功能也很强大且对现场空间要求不高。所以一般机组如无特殊要求我公司均采用壁挂式PLC电气控制箱，本文就只对PLC电气控制箱做简要介绍。

    壁挂式PLC电气控制箱内装有高性能可编程序控制器与输入输出接口，其正面板上装有现地和远方控制转换开关、联动和非联动转换开关、球阀开启控制按钮!球阀关闭控制按钮以及各种状态指示灯。

    （l）可编程序控制器

    可编程序控制器（PLC）属整个电气控制装置的核心，其性能优劣和性价比直接影响到控制装置的品质。球阀控制系统电气控制装置采用日本KOYO公司生产的DZ-250-1型PLC，供电电源为安全可靠的24VDC或22OVDC，该产品外形尺寸紧凑，安装布置方便，具有很好的性价比。同时，它支持220VAC电源供电，尤其适合水电厂电源环境，其大容量继电器输出模块具有250VAC/5A的接点负载能力，可直接操作交流接触器和电动阀门，取消中间继电器，简化系统结构。

    PLC主要技术指标有：

    工作电压   220VAC/220VDC通用，24VDC

    累加器规格32位（bit）

    命令种数   189

    处理速度   2ms/lk语

    程序存储容量7680语

    数据寄存器   8320字

    输入输出点数256点

    内部继电器数1024点

    定时器数     256

    计数器数     128

    累加器规格   32位（bit）

    该系列可编程序控制器有两个通讯口，支持RS232C/RS485?MODBUS协议，平均无故障运行时间5000h，可根据水电站球阀控制装置的输入、输出容量对PLC的电源框架和输入、输出模块进行选配。例如，就文中所述的情况而言，选择槽5框架，模块配置如下表所示：

PLC模块配置

    （2）其他电气部件

    组成电气控制装置的其他部件，如选择开关、按钮、指示灯、开关电源等。

    2.2 液压控制系统

    液压控制系统采用我公司最新设计改进的液压控制阀组，阀组上装有操作球阀接力器开启的电液换向阀和关闭的电液换向阀、二通插装阀、单向阀、液动换向阀、还装有操作球阀工作密封投入与退出的电液换向阀，操作旁通阀开启和关闭的电液换向阀!单向节流阀以及操作检修密封投入和退出的手动换向阀，该阀组上所有的电液换向阀、二通插装阀、单向阀、液动换向阀等采用国际知名品牌，阀体、阀芯均采用不锈钢材料，确保该阀组长期可靠运行。阀组供油油压为2.5~10MPa。阀组上端装有压力表，用来显示压力油源油压。该阀组主要结构特点如下：

    （l）系统设计灵活、可靠性高、稳定性好。

    （2）外形尺寸小，连接方便，安装成本低。

    （3）消除了外泄漏，并减少了内泄漏，降低了液压系统维护成本。

    （4）设置快速测试接头能随时监测球阀接力器开启腔、关闭腔油压及各重要部分动作情况。

    （5）旁通阀开、关时间和球阀接力器开、关时间连续可调，调节范围广，可满足要求。

    （6）采用可靠的、批量生产的、功能单一的标准液压元件，装置的互换性、通用性强，标准化程度高，使用压力范围广。

    （7）仅靠纯机械液压过速保护装置过来的外控液压信号就可直接液压关闭球阀。

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    2.3 其他控制部件

    在球阀的前后装有一个差压开关和两块压力表，用于监测和显示球阀前!后端水压，差压开关为PLC控制系统提供球阀开启前的平压信号；在球阀的操作油管路上装有控制球阀的接力器开腔和旁通阀开腔开!闭的进口电动球阀，避免机组在停机状态下发生误动作，确保机组的安全可靠；此外，还设有球阀!旁通阀!工作密封和检修密封位置开关，用于监测其所处的状态"其中差压开关的选择要注意根据各个电站实际情况选择合适的量程。

    3 球阀控制系统的功能

    球阀控制系统可以实现现地和远距离自动操作球阀的开启和关闭。

    球阀控制系统具有电动液压和机动液压双重控制功能，它既能接受电气控制命令进行球阀的开启和关闭操作，又能在电气控制命令失灵或控制和操作电源消失的情况下，直接接受机械液压过速保护装置机动换向阀的液压控制命令进行紧急关闭球阀操作，以保护机组的安全。

    3.1 PLC电气控制箱

    PLC电气控制箱（见图1）内装有可编程序控制器，开关电源，电源断路器，电源监视器等，球阀的开启与关闭流程由可编程序控制器程序控阀开启控制按钮，球阀关闭控制按钮以及用来指制逻辑自行完成。控制箱的前面板上装有现地和示球阀、旁通阀、工作密封和检修密封全开与全远方控制转换开关，联动和非联动转换开关，球关状态的指示灯。

图1 PLC电气控制箱

    当把转换开关切换到远方控制方式时，控制箱接受远方监控系统的控制，由监控系统给出开启或者关闭球阀的命令，球阀控制系统通过PLC程序控制逻辑完成球阀的开启或关闭流程。当把转换开关切换到现地控制方式时，由PLC电气控制箱面板上的万启与关闭控制按钮现地操作球阀的开启与关闭"当机组出现紧急事故停机时（比如机组过速或者按动机组紧急事故停机按钮），不管是现地控制方式还是远方控制方式，都会关闭球阀以保证机组安全。

    控制系统还设置了一个联动与非联动控制方式选择开关，它可用来决定球阀是否随机组启停而开启和关闭"当把转换开关切换到联动方式，机组开机命令到来时，开启球阀；机组停机命令到来时，关闭球阀"当把转换开关切换到非联动方式，球阀的开启只接受远方监控系统“远方开启球阀”命令或现地开启球阀控制按钮的控制；球阀的关闭只接受远方监控系统“锤方关闭球阀”命令或现地关闭球周控制按钮的控制。

    控制系统除了在PLC电气控制箱面板上设有相应的状态指示灯以外，它还提供如下状态信号，可反馈至中央控制室或者其他需要该信号的设备：     

    球阀的全开、全关位置信号；

    旁通阀的全开、全关位置信号；

    工作密封投入、退出状态信号；

    检修密封投入、退出状态信号；

    PLC退出运行时故障报警信号。

    3.2 球阀液压控制阀组

    （l）球阀液压控制阀组（见图2）是由二通插装阀，开启球阀的电液换向阀1DPK（单线圈），关闭球阀的电液换向阀1DPG（单线圈），球阀开、关时间调节装置，液动换向阀，控制旁通阀开、关的电液换向阀ZDP（双线圈），调节旁通阀开、关时间的单向节流阀，控制工作密封投入、退出的电液换向阀3DP（双线圈），控制检修密封投入、退出的带锁旋钮手动换向阀SHP，压力表，测压接头，外接法兰，管接头等液压元器件和主阀块、顶块组成。全部液压元器件集中安装在主阀块和顶块上，成为一个球阀液压控制阀组。阀组上还配有安装底板，用于整个阀组的安装固定。

    （2）球阀液压控制阀组有13个外接油口，其中Al接接力器开启腔；Bl接接力器关闭腔；P0接压力油源；功接回油箱；X0为外控油口，接机械液压过速保护装置的机动换向阀，用于接受机械液压过速保护装置的液压控制信号；X（X）为外控油口，接球阀接力器全关位置机动换向阀，用于接受球阀接力器全关装置的液压控制信号；A2接旁通阀关闭腔；BZ接旁通阀开启腔；A3接工作密封投入腔；B3接工作密封退出腔；A4接检修密封退出腔；B4接检修密封投入腔；T01接集油装置。此外，球阀液压控制阀组上，还设有6个微型测压接头，可用于在现场调试时，监测压力油源、接力器开腔、接力器关腔!外控液压信号的压力及液动阀所处状态。

    （3）球阀液压控制阀组上的电液换向阀接受PLC电气控制箱的电气控制命令进行球阀的开、关操作。当球阀液压控制系统在现场调试时，也可以分别手动操作球阀液压控制阀组上电液换向阀，来开、关旁通阀，退出、投入工作密封，开、关球阀；但是必须按照球阀的操作顺序进行操作。

    （4）在球阀液压控制阀组上，设置有球阀开、关时间调节装置，用于球阀开启!关闭过程时间调节。球阀的开、关时间应当严格按照有关技术要求设定。旁通阀开启和关闭时间调节是通过装于阀组上的单向节流阀进行调节的。

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    3.3 球阀的操作

    3.3.1 球阀开启

    球阀开启条件为：水轮机导叶在全关位置，球阀在全关位置，机组无事故，球阀检修密封处于退出状态.

    当开启条件全部满足，且现地或远方发出开启命令后，PLC电气控制箱开启控制程序启动，首先，开启球阀开启腔电动阀，再开启旁通阀开启腔电动阀，控制ZDP电液换向阀，开启旁通阀向蜗壳充水平压，当球阀前后端水压的差压值镬30%全水压力值时，差压开关动作，控制3DP电液换向阀退出工作密封，工作密封退出，其位置开关动作后，控制1DPK电液换向阀开启球阀接力器，当球阀开到全开位置，其位置开关动作后，操作ZDP电液换向阀关闭旁通阀到全关位置，至此球阀开启操作结束。

    3.3.2 球阀关闭

    当现地或远方发出关闭命令或机组事故拭机组事故包括：机组过速!机组事故停机、机械液压过速保护动作），PLC电气控制箱关闭程序启动，首先控制1DPG电液换向阀关闭球阀，当球阀关到全关位置，其位置开关动作，控制3DP电液换向阀投入工作密封到投入位置，再关闭球阀开启腔电动阀，关闭旁通阀开启腔电动阀，至此球阀关闭操作结束。

    3.3.3 机械液压过速保护动作

    机械液压过速保护装置的机动换向阀的液压控制信号控制球阀关闭。在球阀液压控制阀组上，设有外控油口X0和X00。正常状态下（即机械液压过速保护装置未动作），外控油口X0是通过机械液压过速保护装置的机动换向阀1JP与压力油源相连接，即外控油口X0处于有压状态。外控油口X00与球阀全关位置机动换向阀2JP相连接，球阀关到全关位置，外控油口X00通过机动换向阀2JP与压力油源相通处于有压状态；球阀在全关以上至全开位置外控油口X00通过机动换向阀2JP与回油相通处于无压状态。当水轮发电机组过速时，机械液压过速保护装置动作后，机动换向阀1JP阀位发生切换，外控油口X0通过机动换向阀与回油相通，球阀液压控制阀组将直接由外控油口X0来的液压信号自动将球阀关闭，当球阀接力器关至全关时，球阀全关位置机动换向阀2JP阀位发生切换，外控油口X00通过机动换向阀与压力油相通，操作液动换向阀YP使之发生切换，通过电液换向阀3DP投入工作密封，实现机械液压过速保护紧急关闭球阀的目的。

图2 球阀液压控制阀组

    3.3.4 检修密封的投入和退出

    检修密封的投入和退出是由操作手动换向阀SHP来完成的，该阀旋钮带锁，以防止误动造成事故。

    4 结语

    球阀控制装置自研制完成后，通过厂内试验和现场调试，现已在电站成功运行，我们将对该产品不断进行改进创新，使其臻于完美。