水电站调速系统自动补气装置改造

水电站调速系统自动补气装置改造
摘要：压力油罐在调速系统中的作用是用来传递能量，将系统的压力稳定在
正常范围之内，油罐内压缩空气与油比值为1：2，当油气比例失衡时，则有可能
威胁到机组的安全稳定运行，本文介绍了一种调速系统自动补气装置改造方法。

关键词：调速系统；自动补气；改造
0 概述
观音岩水电站位于云南省丽江市华坪县（左岸）与四川省攀枝花市（右岸）
交界的金沙江中游河段上，为金沙江中游河段规划八个梯级电站中的最末一个梯级，上游与鲁地拉水电站相衔接。

电站装机5台，单机容量600MW，总装机容量3000MW。

水轮机控制系统采用南瑞集团公司生产的SAFR-2000H型微机调速系统。

1 水轮机调节的基本原理
水轮发电机组的转动部分是作旋转运动的物体，由于水流的作用，在机组上
有一个旋转力矩——水轮机动力矩，它的方向与机组的旋转方向一致，推动机组
转动。

同时在机组上还有一个阻力矩，它由两部分组成，一部分是发电机定子磁
场对转子磁场的反作用；另一部分是轴承的摩擦损失、风阻损失及励磁机有功功
率等。

阻力矩作用方向与动力矩作用方向相反，是与转动方向逆向的。

当动力矩
等于阻力矩时，机组旋转的角速度不变，也就是转速（频率）不变；当动力矩大
于阻力矩时，转速上升；当动力矩小于阻力矩时，转速下降。

而机组转速（频率）的变化将导致输送给用户的电能频率发生变化，也就对用户的用电设备的正常工
作造成影响，比如若电源的频率超过标准，纺纱厂纺出的纱就会粗细不匀、轧钢
厂轧出来的钢板的厚薄就会超差等，水轮发电机组作为电力系统的一部分应该保
持转速稳定在与之相对应的范围。

水轮机的出力反映在动力矩上，主要与通过水轮机的流量、工作水头有关。

由于水头在短时间内很少变化，因此出力的变化主要反映在流量的变化上。

而流
量的大小主要由导叶的开度来决定。

由于用电负荷是随时发生变化的而且电能又无法实现大量储存，因此为了使机组的出力能与外界负荷变化相适应，同时又维持机组转速与系统频率在规定的范围内，就需要用调速设备来改变导水机构的开度，调整进入水轮机的流量，使机组的出力与负荷相平衡。

根据水轮机出力公式P=9.81HQη和P=M tω可知，从理论上分析改变水轮机流量Q、工作水头H和效率η都可以改变水轮机力矩，在实际工程中通过改变工作水头和效率来改变动力矩是十分困难的，因此，在实际应用中一般是通过改变流量来调节水轮机动力矩。

不同型式的水轮机其调节流量的设备是不相同的。

例如，反击式水轮机通过调节导叶开度来改变动力矩，冲击式水轮机通过改变喷针行程调节水轮机动力矩，所以水轮机调节的途径是改变导叶或喷针开度。

具体方法是利用调速器按负荷变化引起的机组转速或频率的偏差，调整水轮机导叶或喷针开度，使水轮机动力矩和发电机阻力矩及时恢复平衡，从而使转速和频率保持在规定的范围内。

对于反击式水轮机，调速器主要作用就是根据负荷的变化不断调节水轮发电机组的出力并维持机组转速恒定或在一定的允许范围内。

同时兼有机组启动、停机、调相、并网和加减负荷等操作的功能。

调速器还是安全监控系统的执行部分之一，当发生电气事故发电机跳闸之后，调速器可以及时将水轮发电机关闭，防止事态扩大。

一旦事故消除，调速器又可以迅速地启动机组，增加了备用机组快速投入运行的灵活性。

油压装置是向水轮机调速系统及机组自动化系统提供安全、可靠和稳定的工作油液的液压能源装置，压力油罐在调速系统中的作用相当于储能器，将系统的工作压力稳定在一定范围，实现机组调节和紧急情况下关闭导叶。

为了满足压力油罐内的压力、油位（即油气比例）等控制的要求，压力油罐上安装相应的压力开关、油位开关，为满足自动化控制的需要，还装设压力变送器、压差变送器或液位变送器，自动补气装置等。

2 自动补气装置改造
由于空气具有可压缩性，所以是操控能量的主体，其来源是通过空压机及储气罐供给。

透平油相对是不可压缩的，它是操控能量的传递介质，通过压油泵供给。

为保证和维护机组操作所需要的工作能力，根据要求压力油罐内压缩空气和透平油的比例要适当，通常压力油罐内的油与压缩空气之比为1∶2。

在水力机组运行时，压力油罐内压缩空气和透平油的比例每时每刻都在发生变化，当油气比例失衡时可能导致压油泵启动频繁或不能满足调速系统用油量使管路进气。

油压装置在运行中犹豫气温变化、密封元件老化和阀门表计接头渗漏等因素造成油气比例失衡，自动补气装置通过自动控制回路，实现自动补气或关闭，以维持水电站油压油罐内的气液比例[1],因此设置自动补气装置是十分有必要的。

观音岩水电站调速系统自动动补气装置由于其功能结构不合理，自机组投产运行以来，自动补气装置的自动运行方式一直未投入使用，压力油罐的补气由运行人员的手动操作来完成，对机组的安全运行及操作人员的人身安全均带来安全隐患，为彻底解决这一问题，确保机组的安全稳定运行，对机组自动补气装置进行改造，将原自动补气装置更换为多功能QZX22型动补气装置，恢复自动补气功能，补气装置原理图如图1所示。

观音岩水电站主油泵启动压力：5.8MPa，备用泵启动压力：5.6MPa，油泵停止压力6.3MPa，油罐压力过高：6.5MPa，补气开始压力5.8MPa，补气停止压力6.3MPa，补气开始油位：1000mm，补气停止油位：900mm。

图1 补气装置原理图
工作流程说明：
2.1 自动补气及停止：
手动球阀A和F都旋转至“自动补气”位并与电动球阀C相通，关手动球阀I,装置处于电控状态；
2.1.1开始补气流程：
a、自动补气模块的控制接口接通给开始补气信号;
b、排气阀D应处于关闭状态，排气阀D未关闭时将先关闭排气阀D;补气阀C 开启(补气C阀绿色指示灯闪烁)→补气阀C开启到位(补气阀C绿色指示灯常亮)；
c、高压气从气源P→手动球阀A→补气阀C→手动球阀F→单向阀H→气罐Q
2.1.2停止补气流程：
a、自动补气模块的控制接口接通给停止补气信号；
b、补气阀C关闭(补气阀C红色指示灯闪烁)→补气阀C关闭到位(补气阀C 红色指示灯常亮)排气阀D开启(排气阀D绿色指示灯闪烁)→排气阀D开启到位(排气阀D绿色指示灯常亮)排气阀D关闭(排气阀D红色指示灯闪烁)→排气阀D 关到位(排气阀D红色指示灯常亮)：
气源P与气罐Q被补气阀C截断，停止补气,执行停止补气命令时排气阀D 先开启一次放掉管道内的高压气后再关闭，防止管路漏气并给下次自动补气做准备，此时压力变送器G的压力值应为0或接近于0。

白动补气油压及油位条件，启主泵油泵5.8MPa<油罐乐力额定油压6.3MPa，且油罐油位高于1000mm，且#1、#2油泵停止。

停止自动补气油压及油位条件：油位低于900mm，油罐压力高于6.3MPa，油罐压力低于启备泵压力5.8MPa，以上条件满足任意一条停止补气。

2.2 手动补气及停止：
手动球阀A、手动球阀F旋转至“手动补气”位,关闭手动球阀I，打开手动球阀B;
2.2.1 开始补气流程：
a、手动球阀A、手动球阀F旋转至“手动补气”位→开启手动球阀B；
b、高压气从气源P→手动球阀A→手动球阀B→手动球阀F→单向阀H→气罐Q。

2.2.2 停止补气流程：
a、关闭手动球阀B，气源P与气罐Q被手动球B截断，停止补气。

3.3 过补气及检修时的排气操作：
在停止补气状态下，先将手动阀A、F旋至手动状态。

过补气：开启手动球阀I进行排气，待气罐Q压力下降到合适时再关闭手动
球阀I；
检修排气：开启手动球阀I进行排气，直至气罐Q内压力下降为0。

3 结论
经过改造，观音岩水电站自动补气装置集成度高、可靠性高，操作简单，压
油罐实现了自动、稳定的自动补气，极大的减少了运行人员操作风险和设备风险，提高水电站的自动化水平，为无人值班、少人值守创造了有利的条件，具有一定
的应用价值。

参考文献：
[1]邓亚. 洪江水电厂机组压力油槽自动补气装置的技术改造[C]// 湖北省
电机工程学会热工自动化专委会2012年学术会议.0.。