南阳回龙抽水蓄能电站机组自动化及辅助设备控制设计

[摘 要] 回龙抽水蓄能电站机组自动化及辅助设备包括以下控制系统：机组测量及自动化、微机调速器、进水球阀、调速器及进水球阀的油压装置、机组高压油减载、泵工况充气压水、机组停机制动、技术供水、水导轴承外循环油、顶盖排水、主轴密封等，本文介绍了以上各控制系统的设计情况。

[关键词] 监控系统 机组自动化 辅助设备 回龙抽水蓄能电站

1 概述

南阳回龙抽水蓄能电站位于河南省南阳市南召县境内，距县城约18km ，距南阳市直线距离约70km 。电站以担负南阳地区电网调峰、填谷为主要目标，由河南省中调调度。电站采用地下厂房布置，主接线采用发变组单元接线，通过1条220kV 线路接入鹿鸣220kV 变电站(原云阳变) ，主变压器和220kV GIS布置在地下，在地面布置有出线场。根据“无人值班、少人值守”的设计原则，在厂前区办公楼设有地面中央控制室，在地下副厂房设有简易地下控制室。电站采用计算机监控系统。

电站的2台机组由哈尔滨电机厂(以下简称哈厂) 生产，属竖轴混流式抽水蓄能机组，单机容量为60MW ，频率为50Hz ，额定转速为750r/min，额定水头379m 。本电站机组属国内首次生产的抽水蓄能机组，具有高水头、高转速特点。

监控系统由控制中心设备和现地控制单元等组成，现地控制单元分机组LCU1、LCU2和公用LCU3，机组LCU1、LCU2的监控范围包括：水泵水轮机、发电电动机、主变、发电机断路器、换相开关、220kV 断路器等，公用LCU3的监控范围包括：220kV GIS 及出线，SFC ，全厂公用的油、气、水系统，厂用交、直流电源，通风及空调系统，闸门及上、下库水位等。

2 机组自动化系统

机组运行采用计算机监控系统集中监测和控制，配合各辅助设备独立的自动控制装置，形成了完整、可靠的自动化控制系统。

机组运行工况分为发电运行和抽水运行。抽水工况的起动以变频起动为主要起动方式，背靠背为备用起动方式。机组共有6种运行工况转换，即静止至发电、发电至静止、静止至抽水、抽水至静止、抽水转发电和抽水紧急转发电。为了满足电力系统

的要求，机组还设计有黑起动工况。

机组及辅助设备控制包括：机组测量及控制、微机调速器、进水球阀、调速器及进水球阀的油压装置、机组高压油减载、泵工况充气压水、机组停机制动、技术供水、水导轴承外循环油、顶盖排水、主轴密封等。

2.1 机组测量及自动化元件

机组自动化按照计算机监控、“无人值班、少人值守”的原则进行设计，机组测量及自动化元件由哈厂成套供货，所有测量参数均送计算机监控系统机组LCU 现地控制单元。

为保证机组安全、可靠运行及调试方便，在发电层设机组测量屏，在机组调试及试运行时观察机组的重要参数。机组测量屏上仪表设备包括：推力、上导、下导、水导轴承瓦温度显示仪；推力油槽、水导油槽油温显示仪；空冷器冷、热风温度显示仪；机坑温度显示仪；机组总冷却水进出口温度显示仪；机组总冷却水出口流量显示仪；水轮机及水泵工况流量显示仪；机组16点振动摆度监测仪；尾水管压力脉动测量仪；导叶剪断销信号器等。机组测温元件采用三线制PT100铂热电阻，振动仪采用速度型的，摆度仪采用涡流型的。以上仪表除在仪表屏上显示外，分别用开关量和模拟量送至监控系统。其中瓦温、振动、摆度等一些重要参数送监控系统监测、报警并作用于机组事故停机。

机组的转速测量采用机械飞摆测速和齿盘测速2种不同原理的测速装置，机械飞摆测速装置布置在机组顶端，有机械过速接点输出，齿盘测速装置固定在水轮机大轴上。2组测速发讯器互为备用，转速脉冲信号送调速器电气柜，由其转换后输出12对开关量接点，分别送至监控系统、机组继电保护系统、励磁系统等，机械过速接点整定在140%ne动作，齿盘测速过速接点整定在135%ne动作，两接点并联后作为机组过速保护作用于机组紧急停机。

机组各轴承冷却水系统及轴承外循环油系统均在管路出口装有电子型示流信号器，此信号器要求有24VDC 供电，输出开关量接点送监控系统，当冷却水断流时延时停机。

机组各轴承油槽内装有液位信号器，液位低于整定值时报警。

为监视冷却水进入油槽内，机组各轴承油槽内装有油混水信号器，当油槽内积水过多时报警。

为方便机组自动化元件接线并节省电缆，机组设置多个端子箱，发电机机坑内端子箱布置在定子机架上，发电机端子箱布置在母线层机墩外，水轮机端子箱布置在水轮机层机墩外，机组各部位自动化元件就近接入其端子箱，将电缆合并后分别引至监控系统及其他设备。

机组的效率计算由监控系统完成。

2.2 调速器系统

机组调速器选用由哈厂负责采购的美国GE 公司生产的双微机调速器，包括调速器电气柜及机械液压系统，调速器电气柜与其他机旁屏并列布置在发电机层下游侧，机械液压阀系统布置在母线层上游侧调速器油压装置旁的阀组平台上。

调速器控制系统采用双冗余的微处理器(3个CPU 系统执行) ，内部运算值由3个CPU 表决， I/O点由双CPU 表决，单CPU 退出无冲击，当调速器内部发生故障时系统维持当前运行状态，实时诊断当前I/O通道的所有输入和输出，内部看门狗定时器监控执行程序和硬件。电气屏上设有触摸屏人机接口，系统供电采用220VAC 、220VDC 两路电源。控制系统有3种控制方式：现地自动、远方自动和现地手动。

在发电工况的自动模式下，调速器接到机组启动命令，数控单元控制导叶限制进入“初始加速限制”(加速限制值30%)，然后执行离网PID 控制，导叶限制被设定为“同步限制”(同步限制值15%)，按照转速启动曲线调节机组达到额定转速。启动曲线具有3个独立的可调比率，以满足水轮机最佳的启动速度和启动时间。

在水泵工况的自动模式下，当机组造压完成，调速器接到机组启动命令后，按照当前水头值所对应的导叶开度打开导叶，并依据水头曲线进入泵寻优运行工况。

调速器具有正常停机和紧急停机2种停机模式。正常停机时，监控系统卸负荷到空载，跳开发电/电动机出口开关，发停机命令给调速器，调速器接到停机令后按照正常停机速率将导叶关到全关。紧急停机时，当调速器接受监控系统紧急停机命令，调速系统立刻通过停机电磁阀失磁快速关闭导叶。

在水泵工况的自动模式下，当进水球阀打开，水泵注水造压完成后，调速器将根据一个可调的比率按照泵功率曲线达到预先设置的导叶位置，此设定自动随着水头变化而改变。泵工况运行正常停机时，由监控系统发出停机命令，执行设定的停机速率按曲线斜率关闭导叶，当导叶关至10%开度时，跳开发电/电动机出口开关。

2.3 调速器油压装置

机组调速器油压装置设现地PLC 控制柜，布置在母线层2台机组段中间部位，控制系统采用独立的PLC 控制，2台交流油泵互为备用，由PLC 依次轮换启动，其启动方式可根据油压自动启动也可在现地控制柜上手动操作控制开关启动。压力油罐上装1套具有5副接点的组合式压力开关，在自动运行状态下，主用油泵的启动压力为

5.7MPa ，备用油泵的启动压力为5.2MPa ，停泵压力为6.3 MPa，当压力油罐压力下降至4.4MPa 时，发出事故低油压报警信号至监控系统紧急停机。

油压装置自动补气系统包括液位信号器、电磁空气阀及压力开关。当油罐中油位过高或油压降到6.1 MPa时，电磁空气阀开启，自动向压力油罐补气，当补进一定的气量后，下限油位信号或正常油压6.3 MPa开关动作停止补气。

2.4 机组高压油减载装置

机组高压油减载装置与发电机推力轴承成套由日立公司供货，设备包括：1台交流油泵、1台直流油泵、控制箱和动力箱。整套装置布置在母线层机墩外，采用PLC 控制，实现现地控制箱手动控制和监控系统远方自动控制。2台油泵1台主用1台备用，当交流油泵故障及出口油压降低时自动启动直流油泵。机组开机时，启动高压油减载装置，同时监测压力信号，当机组转速达到95%ne时，延时30min 退出高压油减载装置，机组停机时，当机组转速降到95%ne时启动高压油减载装置，机组转速为零时，延时30min 退出高压油减载装置。

2.5 机组进水阀控制装置

机组进水口设有进水球阀，控制系统采用PLC 控制，控制方式为现地球阀控制柜手动控制和监控系统远方控制。球阀运行工况分静水开启、静水关闭和动水关闭，正常情况下为静水动作。发电运行工况开启球阀命令发出后，判断球阀检修密封在退出位置及油压正常后，切除工作密封，球阀开启。泵工况运行时则要求先打开旁通阀平压后再切除工作密封。机组停机时，当导叶全关后关闭进水球阀。机组紧急停机时，

动水关闭球阀。

进水球阀油压装置同调速器油压装置系统。

2.6 充气压水系统

为满足机组水泵工况启动过程中充气压水要求，设有充气压水控制屏，布置在蜗壳层上游侧。充气压水系统设备包括：尾水管磁翻板式水位信号器、充气压水液动阀、补气液动阀、排气液动阀、大小消水环排水液动阀、蜗壳与尾水管平压液动阀、蜗壳与尾水管平压增压泵。充气压水系统采用PLC 控制，水位信号器设定4个动作值，信号接点直接送入充气压水控制屏，液动阀分别由装在油管路上的电磁阀控制，电磁阀集中布置在充气压水控制屏内下部。当监控系统发出充气压水开始命令，打开大、小消水环、充气压水、补气等电磁阀，投入尾水管水位信号器，打开平压增压泵及平压增压电磁阀，当水位降到“水位4”时关闭充气压水、补气电磁阀，当水位上升到“水位3”时打开补气电磁阀，当水位继续上升到“水位2”时打开充气压水电磁阀，并发出水位升高报警信号，如果水位继续升高到“水位1”时则机组事故停机。在充气压水时，设置平压增压泵，由蜗壳压力开关控制，以防止尾水管气压力大于蜗壳水压力，导致空气进入机组蜗壳。

2.7 机组停机制动系统

机组停机设有电气制动、机械制动2种制动方式，电气制动与机组励磁共用1套变压器及晶闸管整流装置。机械制动设有机械制动柜，布置在母线层上游测，制动压力0.7MPa ，机械制动的投入与退出由2组220VDC 双线圈电磁阀完成，在制动柜上可手动操作，当机械制动投入时制动器下腔接通压力气、上腔通排气，当机械制动退出时制动器上腔接通压力气、下腔通排气，以保证制动器可靠动作。为监视制动块正确动作，在每个制动块上均装有反映顶起位置与落下位置的行程开关，将其常开触点串联送至监控系统，以监视其制动块动作情况，机械制动柜装有制动器上、下腔电接点压力表，接点送监控系统，压力低于工作压力时报警。

机组正常停机采用混合制动，当机组转速降到50%ne时，投入电气制动，转速降到5%ne时，投入机械制动，当电气制动失败转速降到10%ne时，投入机械制动。

在机械制动柜内装有主轴围带密封电磁阀，密封气压力1.1 MPa，机组停机时投入主轴围带密封，防止尾水压力较高引起的机组漏水。机械制动柜装有主轴围带密封

电接点压力表，接点送监控系统，压力低于工作压力时报警。

2.8 顶盖排水系统

水轮机设有顶盖排水系统，包括顶盖液位信号器、顶盖排水泵、控制箱，正常情况下，水轮机顶盖积水由顶盖自流排水管排进集水井，当排水孔排量不足致使顶盖积水过多时，顶盖液位信号器动作启动顶盖排水泵，当水位继续升高至报警水位时则监控系统发出报警信号。

2.9 水导外循环油系统

由于机组水导油槽较小，为满足水导轴瓦的冷却要求，采用水导外循环油系统。该系统采用PLC 控制，设备包括交、直流2台油泵，控制方式为监控系统自动启动和现地控制箱手动启动，正常运行时交流油泵工作、直流油泵备用，当交流油泵出现故障时，直流油泵自动投入。作为机组启动条件在开机前先启动水导外循环油泵，机组停机后延时3min 停泵。机组启动及运行时，水导外循环油出口示流信号器显示断流则机组瞬时停机。

2.10 技术供水系统

全厂共用1套技术供水系统，分别给2台机组的推力、上导、下导、水导轴承、主轴密封和2台主变压器提供冷却水。3台技术供水泵采用各自独立的现地控制屏，布置在副厂房水轮机层技术供水泵房，水泵启动采用软启动方式，控制设备为常规继电器控制，控制方式为监控远方启动和现地控制屏手动启动。3台技术供水泵工作方式为2台主用，1台备用，如有任意1台主用泵故障，可自动投入备用泵，在水泵控制屏上由切换开关选择每台泵的主用、备用工况。3台技术供水泵出口分别设有滤水器，可定期进行排污，滤水器差压过高时停止相应的技术供水泵。机组启动前，先启动技术供水泵，并打开相应电动阀门，在各示流信号器显示水流正常时允许机组启动。机组停机后，延时关闭机组相应冷却水电动阀门。当2台主变压器停运时，停技术供水泵。

技术供水系统有2种供水方式，正常时为蜗壳取水，经机组和变压器后，冷却水再返回到尾水。当2扇尾水闸门都关闭时，主变处于空载运行状态，则采用尾水闸门外取水方式，靠自流为主变压器供水，排水至渗漏集水井。

2.11 机组黑启动

为了满足电力系统的要求，机组还设计有黑起动工况。为达到可靠启动，设计考虑对于机组启动过程中的重要辅助设备由直流系统供电，如主轴密封水泵、水导外循环油泵、高压油减载装置供油泵等。对进水球阀、主轴密封水电动阀等交流供电的设备则采用由直流逆变装置提供交流220V 控制电源。

机组黑启动的应用条件为220kV 电力系统停电，10kV 外来电源停电，即所有外来电源均无的情况，系统要求机组启动发电。黑启动工况在直流电源系统容量、调速器油压满足接力器开启油压的前提下允许启动机组。

3 目前存在的问题

回龙电站为我公司设计的第1个抽水蓄能电站，与常规电站相比，蓄能机组在自动化控制等方面有较特殊的要求，如运行工况多、流程复杂、各种设备配合要求高等。目前机组已顺利通过30d 试运行，并投入商业运营。从设计角度看目前机组运行中还有可优化之处，尚需在以后的长期运行中改进，如机组在造压时转轮室由于排气管径小，而且只有1个排气管道，造成气水混合后排出不畅，使机组造压时间延长，使得整个水泵工况启动时间长。目前，哈厂已就此问题提出了在排气管上再并接1路排气管的解决方案。