海南瓊中抽水蓄能電站進水閥系統自動控制邏輯分析與總結

戚曉虎，陳 偉，周浩琪

(海南蓄能發電有限公司，海南海口570100)

1 工程概況

海南瓊中抽水蓄能電站(以下簡稱“海蓄電站”)位于海南省瓊中黎族苗族自治縣黎母山鎮，裝設3臺200 MW可逆式水泵水輪機組，是海南省首座抽水蓄能電站。電站引水管道采取“一管三機”布置方式，每臺機組前面裝設一臺進水閥。

進水閥為臥軸雙密封球閥，采用雙接力器油壓操作，安裝在壓力鋼管與水泵水輪機蝸殼進口段之間，作機組調相、機組正常停機和事故停機截斷水流的設備。進水閥設置一道工作密封和一道檢修密封，正常工作時僅工作密封投入使用，當機組檢修或更換工作密封時，檢修密封投入使用，無需排空壓力鋼管和拆卸進水閥主體便可以進行檢修[1]。每臺進水閥單獨配備一套獨立的操作油壓裝置和一套以西門子300系列PLC為核心的自動控制系統。進水閥油壓裝置主要由壓力油罐、回油箱、油泵、液壓管路、各類閥門和自動化元器件構成，其額定工作壓力為6.4 MPa。

2 進水閥系統控制邏輯介紹

海蓄電站進水閥系統控制邏輯主要分為泵組控制、自動補氣控制、下游密封及進水閥控制三部分。

2.1 泵組控制

每套進水閥油壓裝置配備兩臺LEISTRITZ螺桿泵，油泵設計為間歇性啟動，每臺油泵的出口單獨配置一個加載閥，二者構成一套泵組。為配合油泵電源軟啟動器旁路切換時間，油泵啟動后對應加載電磁閥延時12 s勵磁，油泵帶載運行。

兩套進水閥泵組互為備用，主用泵組故障時自動切換至備用泵組，備用泵組故障時，進水閥油壓裝置報“major fault”大故障信號，監控系統轉機械事故停機流程。在進水閥控制柜面板可以選擇“1號泵主用”、“2號泵主用”和“自動輪換”3種泵組控制方式。在“1(2)號泵主用”模式下，設置1(2)號泵組為主用泵組，另一套泵組為備用泵組；在“自動輪換”模式下，系統會以油壓裝置停止信號為標志位將主備泵組自動輪換。

泵組控制分為油壓裝置啟動階段和油壓裝置運行階段兩個部分。為保護油泵安全，回油箱事故低液位開關信號將停止所有運行油泵。油壓裝置啟動階段從油壓裝置收到監控啟動令持續至油壓裝置隔離閥打開。在該階段，油壓裝置收到監控啟動令后，主用泵組運行，系統管路壓力上升至隔離閥開啟允許壓力3.5 MPa時，油壓裝置隔離閥打開。如果主用泵組持續運行20 s管路壓力仍未達到隔離閥開啟允許壓力，系統判斷主用泵組失效，自動切換至備用泵組運行。隔離閥打開期間，油壓裝置為運行階段，在此階段，油泵啟停受壓力油罐壓力值和液位值控制。如果主用泵組連續運行超過15 min，系統判斷主用泵組失效，自動切換至備用泵組運行。

2.2 自動補氣控制

壓力油罐是整套油壓裝置的儲能和緩沖設備，油罐保持壓力及液位在正常范圍內，對油壓裝置安全穩定運行至關重要。壓力油罐壓力及液位控制主要靠兩套泵組和油罐自動補氣裝置實現。自動補氣裝置主要由過濾器、手閥、排氣電磁閥、補氣電磁閥和逆止閥等部件構成，圖1為進水閥壓力油罐自動補氣裝置原理示意。

圖1 進水閥壓力油罐自動補氣裝置原理示意

在檢修及運行過程中，運行維護人員可以通過手動補氣閥AA001和手動排氣閥AA002調節油罐內高壓氣體量。在油罐需要自動補氣時，補氣電磁閥AA804與排氣電磁閥AA805同時勵磁動作，排氣通道關閉，自動補氣通道接通，外部高壓氣體進入壓力油罐；在補氣結束時，補氣電磁閥AA804與排氣電磁閥AA805同時失磁復歸，自動補氣通道關閉，排氣通道打開。

這種設計有以下兩點安全考慮：①正常狀態下，排氣電磁閥AA805處于打通排氣管路狀態，將逆止閥AA004與補氣電磁閥AA804之間管路的高壓氣體排空，可保持逆止閥兩側壓力差，保證逆止閥的逆止功能。②補氣電磁閥和排氣電磁閥互相配合的設計，可以保證補氣電磁閥出現故障不能關閉時，高壓氣體可以通過排氣電磁閥排出至大氣中，避免了壓力油罐因補氣電磁閥故障升至過高壓力的危險狀態。

自動補氣控制邏輯主要分為油壓裝置運行階段和油壓裝置停止階段。在油壓裝置運行階段，當壓力油罐壓力低于額定壓力值且液位達到補氣高度值時，自動補氣裝置啟動，直到油罐壓力恢復至額定壓力值。在油壓裝置停止階段，系統會記錄油壓裝置停止時的壓力油罐壓力值P1作為該階段自動補氣判斷基準值，當油罐實時壓力下降至0.987×P1時，自動補氣裝置啟動，補氣至油罐壓力恢復至額定值或基準值P1。

2.3 下游密封及進水閥控制

圖2為下游密封及進水閥控制液壓示意。AA806為下游密封投退控制電磁閥，當C線圈勵磁時，壓力油通過④號管路接通下游密封操作接力器開啟腔，接力器關閉腔接通排油，上游壓力鋼管內壓力水接通下游密封投入腔，下游密封投入；當O線圈勵磁時，壓力油通過⑤號管路接通下游密封操作接力器關閉腔，接力器開啟腔接通排油，上游壓力鋼管內壓力水接通下游密封退出腔，下游密封退出。

圖2 下游密封及進水閥控制液壓示意

AA945為尾閘閉鎖球閥液壓閥，當尾閘打開時，壓力油通過①號管路使AA945保持動作狀態，球閥可操作。AA807為進水閥控制電磁閥，當其線圈勵磁時，壓力油使插裝閥AA944關閉，排油關閉，插裝閥AA943打開，進水閥接力器開啟腔和關閉腔連通，由于接力器活塞桿開啟腔面積大于關閉腔面積，進水閥接力器開啟，進水閥打開；當AA807線圈失磁時，壓力油使插裝閥AA943關閉、插裝閥AA944打開，此時進水閥接力器關閉腔接通壓力油，開啟腔接通排油，進水閥接力器關閉，進水閥關閉。

3 安全性設計在進水閥系統自動控制中的應用

為保證進水閥系統的安全可靠性，海蓄電站在設計其自動控制邏輯時考慮了三項特殊的安全性設計，分別為進水閥失電自關閉設計，進水閥與尾閘電氣液壓雙閉鎖設計和進水閥位置異常監測設計，并對進水閥系統報警及跳機設置情況進行說明。

3.1 進水閥失電自關閉設計

海蓄電站進水閥控制電磁閥AA807設計為24VDC單穩態電磁閥，當發生監控系統或進水閥控制系統異常失電時，AA807失磁，進水閥會在第一時間自行關閉，避免事故進一步擴大。

鑒于高齡初產婦可能發生上述癥狀，因此，高齡初產婦及其家人，切不可麻痹大意，應具有務實的態度，根據自身情況，采取特定的對策，做到防患于未然。

為了充分利用這種自關閉設計，監控系統事故后備PLC的跳機關球閥命令常閉節點被直接引入AA807電源回路中，當機組事故停機時，不僅會有電氣命令關閉進水閥，事故后備PLC也會直接切斷AA807電源回路，充分保證了進水閥的動作可靠性。

3.2 進水閥與尾閘電氣液壓雙閉鎖設計

由于抽水蓄能電站的尾水閘門只能承受下游單向水壓力，電站的進水閥與尾閘閉鎖邏輯為進水閥打開時，不允許尾閘關閉；尾閘關閉時，不允許進水閥打開[2]。海蓄電站在電氣邏輯和液壓邏輯兩個方面實現了進水閥與尾閘之間的閉鎖。

在電氣閉鎖方面，尾閘引出一路閘門全開信號，直接接入進水閥控制柜，作為下游密封退出及進水閥開啟必須滿足的條件；球閥引出一路全關信號，直接接入尾閘控制柜，作為尾閘關閉邏輯判斷必須滿足的條件。

在液壓閉鎖方面，在尾閘一個液壓切換閥，當尾閘處于全開位置時，來自球閥液壓系統的壓力油通過該閥重新回到進水閥接力器開啟液壓回路，作為進水閥開啟的必要條件，當尾閘不在全開位置時，該液壓回路被切斷，進水閥無法打開；進水閥拐臂處同樣設置一個液壓切換閥，當進水閥處于全關位置時，來自尾閘的液壓油通過該閥重新回到尾閘接力器關閉液壓回路，作為尾閘關閉的必要條件，當進水閥不在全關位置時，該液壓回路被切斷，尾閘無法關閉。通過電氣液壓雙閉鎖設計，保證了進水閥和尾閘動作的正確性。

3.3 進水閥異常關閉監測設計

為監測進水閥位置，設置了5個進水閥位置開關和1個進水閥全開標志位，表1為進水閥位置監測點設置。

表1 進水閥位置監測點設置

進水閥全開標志位SPH_MARK是一個監控綜合判斷點，當監控系統發出進水閥開啟令，且進水閥全關位置開關CG503復歸、進水閥開度>40%位置開關CG504動作、進水閥開度>90%位置開關CG505動作、進水閥全開位置開關CG506動作時，該點被置為1；當監控發出進水閥關閉令時，該點被置為0。

進水閥位置異常監測設計主要針對進水閥全開之后的異常關閉現象，監控系統通過上述位置監測信號的綜合判斷，能在個別位置開關失效的情況下第一時間準確發現進水閥的異常關閉動作情況，并采取延時3 s轉機械事故停機的緊急措施，避免出現更嚴重后果。圖3為進水閥位置異常監測邏輯框圖。

圖3 進水閥位置異常監測邏輯框圖

3.4 進水閥系統報警及跳機點設置情況

為保證進水閥系統正常運行，對其報警及跳機點進行了設置，其中，報警信號會導致開機條件不滿足，跳機信號會導致機組機械事故停機。

跳機點包括兩臺油泵同時故障；油壓裝置隔離閥拒動回油箱液位低；壓力油罐事故低油壓或油壓高停機；壓力油罐液位過低或過高；PLC硬件故障；進水閥異常關閉。

4 進水閥系統調試及運行總結

4.1 進水閥系統故障及處理措施簡述

4.1.1 壓力油罐液位異常上升

在電站進水閥系統調試期間，調試人員發現其壓力油罐液位一直處于緩慢上升狀態，并最終在一次油壓裝置停止運行后達到液位高報警狀態。經檢查分析，確認壓力油罐安全閥連接法蘭處存在輕微漏氣，由于此時自動補氣裝置尚未投入使用，為保持壓力油罐壓力在正常范圍內，油泵注入壓力油罐內的壓力油逐漸增加，導致壓力油罐液位不斷上升，最終達到報警值。隨后，調試人員處理了安全閥法蘭處的漏氣問題，并在調試完成后投入了自動補氣裝置，運行至今，沒有再出現過壓力油罐液位高的現象。

4.1.2 球閥控制電磁閥插頭銹蝕導致開機失敗

電站出現過一次因進水閥打開失敗延時機械事故停機的開機失敗事件，經維護人員現場檢查，發現球閥控制電磁閥插頭接線端子銹蝕嚴重，經端子箱處測得電磁閥線圈電阻為數百歐姆，遠遠超過線圈正常電阻值(約16 Ω)，更換該電磁閥插頭后，缺陷消除。

經分析，該電磁閥插頭出現銹蝕現象，主要是因為電站建設前期廠房內通風空調尚未投入使用，該電磁閥長期處于高溫高濕的惡劣環境中，最終導致其內部銹蝕。其余新建電站需考慮建設前期對廠房內電氣設備的防護，避免出現此類隱患。

4.2 海蓄電站進水閥系統設計總結

4.2.1 采取液壓油作為操作介質

海蓄電站是調峰調頻發電有限公司首個采取液壓油作為進水閥系統操作介質的蓄能電站，采用液壓油作為操作介質并配置單獨一套油壓裝置，可使進水閥系統調試不受上游壓力鋼管水的制約，在引水水道充水前，就可以完成包括進水閥開關時間調整在內的所有進水閥系統調試項目。液壓油作為操作介質，其清潔度更高，對金屬管路及接力器更加友好。但與水操作的進水閥系統相比，需要多配置一套油壓裝置，成本及控制復雜度相對較高。

4.2.2 油泵采用間歇性啟動控制

海蓄電站進水閥油壓裝置與其他抽水蓄能電站調速器油壓裝置十分相似，區別是油泵采用間歇性啟動的控制方式。由于壓力油罐較大的容量帶來了更大儲能能力，再加上機組運行期間進水閥動作次數少，使得間歇性啟動設計下實現油泵少次數啟動成為可能。

在海蓄電站實際運行過程中，進水閥油泵只啟動兩次就可以滿足機組啟停一次的需要，且進水閥油壓裝置內油溫長期穩定處于室溫附近，并無明顯溫升現象。這種油泵間歇性啟動控制設計方式，在保證系統需要的前提下，有效減少了電能浪費，并且避免了油泵長期空載運行產生的機械磨損和油溫上升的不利影響，是一種比較合理的控制方式。

5 總 結

本文通過泵組控制、自動補氣控制、下游密封及進水閥控制三部分介紹了海蓄電站進水閥及其油壓裝置自動控制邏輯；通過分析進水閥失電自關閉邏輯，進水閥與尾閘電氣液壓雙閉鎖和進水閥位置異常監測手段，介紹了海蓄電站在進水閥系統自動控制中的安全性設計。此外，還總結了海蓄電站進水閥控制系統在調試運行期間的主要問題和系統設計特點，對其他新建抽水蓄能電站的進水閥系統設計、調試及運行維護有一定參考價值。