水电站自动化课程设计
目录
水电站自动化课程设计 ..................................................................................................................2
第1章 基本情况 .........................................................................................................................2
1.1电站资料..........................................................................................................................2
1.2任务.................................................................................................................................2
第2章 技术供水系统设计.............................................................................................................2
2、1技术供水水源和供水方式 ...............................................................................................2
2、2技术供水系统图及自动控制电气原理图 ..........................................................................3
2、3供水系统自动控制原理图运行过程 .................................................................................3
1.井泵电气原理控制图 ....................................................................................................4
2.循环水池水泵电气原理控制图 ......................................................................................5
第3章快速闸门系统系统设计 .......................................................................................................6
3.1快速闸门设计要求............................................................................................................6
3.2快速闸门机械原理图及电气原理图 ...................................................................................7
3.3快速闸门自动控制过程.....................................................................................................7
参考文献 .......................................................................................................................................9
水电站自动化课程设计
第1章 基本情况
1.1电站资料
某渠道引水式水电站，设计水头Hr=15.5m，发电引水泥沙含量较高，电站装机2×2500kW。电站位于我国南方，电站站址处地下水埋深较深，电站技术供水为循环供水方式，电站消火水源由一高水位水池提供，发电机无机组消火要求，机组技术供水部位为上导、下导与水导，电站所用水泵均为潜水泵。该电站为单元供水，快速闸门为液压操作，油压装置共用一套。
1.2任务
a、设计该电站供水系统图。
b、设计该电站快速闸门操作机械图。
c、设计该电站供水系统自动控制电气原理图（展开图）。
d、设计该电站快速闸门自动控制电气原理图（展开图）。
e、论述供水系统与快速闸门自动控制操作过程。
第2章 技术供水系统设计
水电站的供水包括：技术供水、消费供水和生活供水。水电站的技术用水部门主要是水轮发电机组，水冷变压器，水冷式空气压缩机及其他采用水冷式的附属设备。供水的作用主要是解决用水设备的冷却与润滑。各种用水设备对水量、水压及水质等都有相应的要求。
水电站供水的对象包括水轮发电机组各轴承的油冷却器；水轮发电机组轴承冷却器，水润滑的水轮机导轴承、水冷式空压机。
2、1技术供水水源和供水方式
该渠道引水式水电站，设计水头15.2m，若技术供水采用上游自流供水方式，则水压小于用水设备所需压力（如机组冷却需要水压0.2MPa），再加上水流的沿程和局部损失，到用水设备处的水压力更低，无法满足用水要求。
由于该水电站的发电引水泥沙含量较高，若技术供水采用下游水泵供水方式，则需要布置水处理设备，设备投资大，运行费用高，且下游供水可靠性差，尽管考虑了备用设备，但当失去电源时，仍使供水中断。故采用下游水泵供水方式不可取。
考虑该水电站站址处地下水埋深较深，技术供水可结合生活用水及消防用水共同选用地下水源，由于水压问题，这里需要用泵进行加压，以提高扬程，满足用水设备的水压要求，因为地下水的埋深较浅采用潜水泵时，布置的电气线路也较短，满足课设要求。当采用地下水源供水时，由于取水造价较高，且为了满足循环供水的要求，技术供水应设有足够大的蓄水池。
2、2技术供水系统图及自动控制电气原理图
2.2.1 供水系统图
设一台潜水泵3M从水井中抽水至高位水池，管路上设电磁阀2ZT，控制高位水池的公式，在高位水池上设置有溢流阀，通过常开阀门以及示流器排向下游，如果有水流，也可以发出信号，提醒运行人员。在高位水池上设置有排污阀。高位水池引出生活供水和消防供水干管。
另外的一个支管，通过电磁阀1ZT供水给循环水池。循环水池设有两台泵分别向供水设备提供水。循环水池中设置有一个水位信号器，用于检测循环水池的水位。在循环水池回水管路上安装电磁阀和阀门，用于换水操作。在供水总管上设置一个压力信号器，用于备用泵的启动。
电站供水系统图见附图1
电站供水系统自动控制原理图见附图2
2、3供水系统自动控制原理图运行过程
1.井泵电气原理控制图
井泵的开启与关闭主要是受高位水池以及循环水池的水位的控制。
（1）自动控制回路
高位水池的控制
当循环水池的水位比较低的时候，2BF1接通，使得2ZT1励磁，使得控制循环水池的电磁阀2ZT打开，同时也让34KAM励磁，34KAM1闭合，通过35KAM1自保持，使得35KAM励磁，35KAM2闭合，3MF励磁，3MFabc闭合，3M电动机旋转，打水开始。
当循环水池中的水位达到上限水位的时候，水位信号器2BF2闭合，2ZT2闭合，2ZTc励磁，使得控制循环水池的控制电磁阀关闭，同时36KAM励磁，使得36KAM1断开，35KAM失掉磁性35KAM2断开，发出停止水泵的信号，但是水泵却不一定停止，还要看循环水池水位的影响，这里设置34KAM1以及35KAM1自保持回路，目的在于当供水给高位水池的时候，可以一直从下限水位到上限水位，否则 可能高位水池中的水位一旦高于下限水位就可能使得井泵停止工作，使得井泵的启动过于频繁。
（2）手动控制回路
此时，高位水池以及循环水池的水位不是由水位信号器检测的，而是由电站的运行人员监测的。
当循环水池的水位到达下限的时候，此时有运行人员将供水给循环水池的管路上与电磁阀并联的常闭阀门打开，并且将井泵开关打到手动位置，使得3MF励磁，3MFabc闭合，电机旋转，供水给循环水池。当水位达到上线的时候，将井泵的开关打到切的位置，使得3MF失掉磁，3MFabc断开，电机停止旋转。
当高位水池的水位到达下限的时候，此时有运行人员将供水给高位水池的管路上与电磁阀并联的常闭阀门打开，并且将井泵开关打到手动位置，使得3MF励磁，3MFabc闭合，电机旋转，供水给循环水池。当水位达到上线的时候，将井泵的开关打到切的位置，使得3MF失掉磁，3MFabc断开，电机停止旋转。
2.循环水池水泵电气原理控制图
假设1号水泵为工作泵，2号水泵为备用水泵。
（1）循环水池水泵自动控制回路
工作泵自动启动回路
将1号水泵前的开关打到自动位置，当1号机组要开机的时候，通过1号机组外输接点1KST1闭合使得3ZT0励磁，使得1号机组供水的电磁阀3ZT打开，同时 11KAM 励磁，11KT励磁，11KAM1闭合，通过12KAM1自保持，使得12KAM励磁，12KAM2闭合，1MF励磁1MFabc闭合，1M励磁，一号水泵供水给一号机组。当要关闭1号机组的时候，1KSTP1闭合使得3ZTc励磁，电磁阀关闭，同时使得13KAM励磁，13KAM1断开，使得12KAM失掉磁性，12KAM2断开，发出关掉一号泵的信号，但是1号泵是否关闭还要看2号机组的控制回路。
将1号水泵前的开关打到自动位置，当2号机组要开机的时候，通过2号机组外输接点2KST1闭合使得4ZT0励磁，使得2号机组供水的电磁阀4ZT打开，同时 21KAM 励磁，21KT励磁，21KAM1闭合，通过22KAM1自保持，使得22KAM励磁，22KAM2闭合，1MF励磁1MFabc闭合，1M励磁，一号水泵供水给2号机组。当要关闭2号机组的时候，2KSTP1闭合使得4ZTc励磁，电磁阀关闭，同时使得23KAM励磁，23KAM1断开，使得22KAM失掉磁性，22KAM2断开，发出关掉一号泵的信号，但是1号泵是否关闭还要看2号机组的控制回路。
当供水管道压力过高的时候，使得3YX2闭合，KAM励磁，使得KAM1断开，1号水泵停止工作，同时KAM3闭合2SL灯亮，发出信号。
备用泵自动启动回路
将1号水泵前的开关打到自动位置，将2号水泵前的开关打到备用位置。
当1号机组要开机的时候，通过1号机组外输接点1KST1闭合使得3ZT0励磁，使得1号机组供水的电磁阀3ZT打开，同时 11KAM 励磁，11KT励磁，11KAM1闭合，通过12KAM1自保持，使得12KAM励磁，12KAM2闭合，1MF励磁1MFabc闭合，1M励磁，一号水泵供水给一号机组。
2.循环水池水泵电气原理控制图
假设1号水泵为工作泵，2号水泵为备用水泵。
（1）循环水池水泵自动控制回路
工作泵自动启动回路
将1号水泵前的开关打到自动位置，当1号机组要开机的时候，通过1号机组外输接点1KST1闭合使得3ZT0励磁，使得1号机组供水的电磁阀3ZT打开，同时 11KAM 励磁，11KT励磁，11KAM1闭合，通过12KAM1自保持，使得12KAM励磁，12KAM2闭合，1MF励磁1MFabc闭合，1M励磁，一号水泵供水给一号机组。当要关闭1号机组的时候，1KSTP1闭合使得3ZTc励磁，电磁阀关闭，同时使得13KAM励磁，13KAM1断开，使得12KAM失掉磁性，12KAM2断开，发出关掉一号泵的信号，但是1号泵是否关闭还要看2号机组的控制回路。
将1号水泵前的开关打到自动位置，当2号机组要开机的时候，通过2号机组外输接点2KST1闭合使得4ZT0励磁，使得2号机组供水的电磁阀4ZT打开，同时 21KAM 励磁，21KT励磁，21KAM1闭合，通过22KAM1自保持，使得22KAM励磁，22KAM2闭合，1MF励磁1MFabc闭合，1M励磁，一号水泵供水给2号机组。当要关闭2号机组的时候，2KSTP1闭合使得4ZTc励磁，电磁阀关闭，同时使得23KAM励磁，23KAM1断开，使得22KAM失掉磁性，22KAM2断开，发出关掉一号泵的信号，但是1号泵是否关闭还要看2号机组的控制回路。
当供水管道压力过高的时候，使得3YX2闭合，KAM励磁，使得KAM1断开，1号水泵停止工作，同时KAM3闭合2SL灯亮，发出信号。
备用泵自动启动回路
将1号水泵前的开关打到自动位置，将2号水泵前的开关打到备用位置。
当1号机组要开机的时候，通过1号机组外输接点1KST1闭合使得3ZT0励磁，使得1号机组供水的电磁阀3ZT打开，同时 11KAM 励磁，11KT励磁，11KAM1闭合，通过12KAM1自保持，使得12KAM励磁，12KAM2闭合，1MF励磁1MFabc闭合，1M励磁，一号水泵供水给一号机组。
此时11KT1延时闭合，通过14KAM1自保持，使得14KAM励磁，14KAM2闭合。此时，1号机组已经完全起动，当管道的压力小的时候，2YX1闭合，通过16KAM1自保持，使得16KAM 励磁，16KAM3闭合，2MF励磁，2MF励磁2MFabc闭合，2M励磁，2号备用水泵供水。
当要关闭1号机组的时候，1KSTP1闭合使得3ZTc励磁，电磁阀关闭，同时使得13KAM励磁，13KAM1断开，使得12KAM失掉磁性，12KAM2断开，发出关掉一号泵的信号，但是1号泵是否关闭还要看2号机组的控制回路。
当2号机组要开机的时候，通过2号机组外输接点2KST1闭合使得4ZT0励磁，使得2号机组供水的电磁阀4ZT打开，同时 21KAM 励磁，11KT励磁，21KAM1闭合，通过22KAM1自保持，使得22KAM励磁，22KAM2闭合，1MF励磁1MFabc闭合，1M励磁，一号水泵供水给2号机组。
此时21KT1延时闭合，通过24KAM1自保持，使得24KAM励磁，24KAM2闭合。此时，2号机组已经完全起动，当管道的压力小的时候，2YX1闭合，通过26KAM1自保持，使得26KAM 励磁，26KAM3闭合，2MF励磁，2MF励磁2MFabc闭合，2M励磁，2号备用水泵供水。
泵手动启动回路
此时，当1号或者是2号机组开机的时候，将1号或者是2号的1QC或者是2QC切换至手动位置，1MF励磁1MFabc闭合，1M励磁，1号水泵工作，或者是2MF励磁，2MF励磁2MFabc闭合，2M励磁，2号水泵开始工作。此时输水管道的压力不是由压力信号器监测的，而是由运行人员监测的，当压力过高时，停机。
当1号或者是2号机组要停机时，按照停机步骤将机组正常关闭后，将1QC或者是2QC打到切的位置，停止供水。
第3章快速闸门系统系统设计
3.1快速闸门设计要求
快速闸门的操作必须满足下列要求：①快速闸门的正常提升和关闭，且提升时应满足充水开度要求；②机组事故时，应在两分钟内自动紧急关闭闸门；③闸门全开后，若由于某种原因使闸门下降到一定位置，则应自动将闸门重新提升到全开位置。
3.2快速闸门机械原理图及电气原理图
附图3为快速闸门自动控制的机械液压原理图，附图4所示为其自动控制信号图。所有操作都是由起动阀1YV、2YV、电磁操作阀1YDV和2YDV、切换开关1QC、2QC、3QC和4QC、按钮1SB和2SB、压力信号器11BP、12BP、2BP、31BP和32BP、液位信号器YW、交流接触器1KM、2KM及油泵电动机1M和2M来实现的。
3.3快速闸门自动控制过程
现以1#油泵电动机1M工作，2#油泵电动机2M备用来说明油压式启闭机的自动控制过程。若需改变它们的工作状态，只需将1QC和2QC切换到相应的位置即可。同时，本次设计中采用一套油压装置控制两个闸门，而两闸门的升降控制过程相同，这里以1#闸门为例进行论述，简要提及2#闸门。
（1）闸门正常提升
油压式启闭机用油泵供给压力油，电磁配压阀则用于将压力油注入闸门操作机构，以使闸门提升。提升闸门时，可以通过机组LCU或公用LCU的动合接点1KJ和1KZ或闸门动力箱控制开关3QC，使电磁配压阀1YDVO励磁，它的动合接点1YVD3闭合使2K励磁，其动合接点2K1闭合。由于1QC预先已切换到自动位置，故交流接触器1KM励磁，1#油泵电动机1M起动，油泵开始打油。1KM1闭合后使1KT励磁，经过一定延时，其延时动合接点1KT1闭合，使起动阀1YV励磁，起动阀开启，压力油进入油缸下腔使闸门开启。当闸门开到充水开度时，行程有关接点1ST1打开，使2K失磁，其接点2K1打开使1KM失磁，油泵即停止上升而保持在充水开度。当闸门后的引水管段充满水后，监视水压的压力信号器1BP的动合接点闭合，从而使2K再次接通，继续提升闸门至全开位置。闸门全开后，其位置接点1ST3打开，使2K失磁，其接点2K1打开使1KM失磁，1M停止工作。与此同时，由于闸门行程开关接点1ST6闭合，使信号灯8HL和至中控室信号启动。
从图中可以看出虚线框中也引入到对应管道的电磁阀上，以实现闸门和电磁阀升降和开启、停止和关闭的同步，从而也保证了1#、2#闸门的独立运行。
b、闸门正常关闭
快速闸门的关闭，是通过关闭油路操作电磁阀，使油缸下腔排油来实现的。为此，可以通过机组LCU或公用LCU的动合接点1GJ和1GZ或闸门动力箱控制开关3QC，使操作阀的关闭线圈1YDVc励磁，油路操作电磁阀1YDV落下，油缸下腔排油，闸门失去油压后即靠自重下降至全关位置。闸门全关后，其行程开关接点1ST5断开，继电器4K失磁，故闸门全关位置指示灯8HL点亮和中控室信号启动。
快速闸门的开启、关闭，既可以在闸门动力箱进行，也可以在中控室和机组上进行。以上均有其全开及全关信号灯，其中机组和中控室可以通过控制电缆联系，这里不再画出。
c、闸门紧急关闭
如果水轮机导叶或调速系统发生事故，则要求在两分钟内快速关闭阀门。由于电磁阀1YDV操作回路中并联有机组事故引出继电器12KAS的接点，所以当机组出现事故而12KAS励磁时，其动合接点12KAS2闭合，使1YDVc励磁。以后的动作与上述闸门正常关闭相同，故不再重复。
d、闸门自降提升
闸门全开后，若由于某种原因下滑200mm时，则由于闸门行程开关接点1ST4闭合，使2K励磁，其接点2K1闭合又使1KM励磁，1M起动，闸门将重新被提升到全开位置。如果闸门下滑超过300mm，则其行程开关接点1ST2将闭合，使6K励磁，其接点6K1闭合使备用油泵投入继电器1K励磁，其动合接点1K1闭合，由于2QC已处于备用位置，故使2KM励磁，备用油泵电动机2M即投入工作。此时由于2KM2和1K2闭合，所以1K继续励磁，起自保持作用。与此同时，2KM1闭合后将使2KT励磁，其接点2KT1延时闭
合即接通2YV，从而打开起动阀2YV，将闸门重新提升到全开位置。若此时油压继续下降，则油缸的油压监视压力信号器31BP将动作，其接点31BP1闭合，其2KS励磁而发出报警信号。
如果总油管油压过高，那么压力信号器2BP将动作，其接点2BP1闭合使3KT励磁，其延时闭合接点3KT1闭合，又使3K励磁，其接点3K1或3K2打开，使1KM或2KM失磁，1M或2M停转；而3K4闭合使5KS励磁而发出报警信号。同理，备用油泵投入时，由于1K3闭合，使4KS励磁，发出报警信号。油箱油位不正常时，同样发出信号，油位过高YW1闭合，若油位过低则YW2闭合，结果均使1KS励磁而发出报警信号。
参考文献
[1] 刘大凯. 《水轮机》. 北京：中国水利水电出版社，2011
[2] 金钟元. 《水利机械》. `水利系翻印，1984
[3] 武汉水利电力学院编. 《水轮机》（下册）.电力工业出版社，1980
[4] 刘忠源 徐睦书合编.《水电站自动化》.中国水利水电出版社，1997
[5]《小型水电站机电设计手册》（水利机械）.中国水利水电出版社，1984