頂轉子裝置控制系統設計及改造

張合朋，朱佳佳，蔡曉東，朱 文

(江蘇省駱運水利工程管理處，江蘇 宿遷 223800)

1 概 述

睢寧二站工程位于江蘇省徐州市睢寧縣沙集鎮境內的徐洪河輸水線上，安裝2600HDQ20—9立式混流泵4臺套，單機流量20.0 m3/s，配TL3000—40/3250同步電機，總裝機容量12 600 kW，設計流量60 m3/s。機組在間隔運行起動前(一般間隔48 h)必須先頂起機組轉子，給長期靜止貼合的電機推力軸瓦表面充油。該舉措是為了避免起動時缺少油膜潤滑和油膜導熱，因為金屬性摩擦產生巨大熱量會燒壞上油缸推力瓦及推理頭鏡板，所以針對大型機組出廠時通常配備移動式液壓站作為頂轉子配套設備。

2 裝置結構及原理

睢寧二站原頂轉子系統由千斤頂、油管系統、手動進油閥、手動回油閥、供油柱塞泵、油箱、控制柜等組成。系統額定輸出壓力16 MPa，流量150 L/h，電動機功率5 kW。為防止轉子及其大軸偏頂，4個千斤頂采用等壓方式供油，保證各千斤頂油壓均衡，以避免因頂升力和頂升速度的差異而造成偏頂。為防止轉子回落過快，引起沖擊而損壞推力軸承瓦面，各機組采用節流閥作為回油閥，便于調整轉子回落速度。

接好進油管路后通過控制系統直接啟動油泵，壓力油進入千斤頂的無桿腔內，推動千斤頂內的活塞從而推動轉子頂環帶動轉子上升至5～8 mm(5～8 mm是廠家指導的推力軸瓦充分浸入汽輪機油適宜上升的高度)。系統停止運行油泵，千斤頂保壓，轉子靜置，待上油缸內鏡板、推力瓦充分與透明油接觸后(時間通常由現場工程運行人員估算)，手動打開回油閥，壓力油返回回油箱，轉子在重力作用下回落，機組開機前的頂轉子流程結束。

3 故障現象

由于上述液壓站控制系統過于簡單，頂落轉子的全過程需要工程運行人員全程觀察轉子頂起和回落過程是否存在異常故障，控制系統自動化程度很低，大大延長開機前的準備時間。另外，由于缺少各種狀態信號，在實際操作的過程中可能會造成一定的安全隱患。睢寧二站的頂車裝置在一次開機前準備工作中由于打開回油閥持續時間不夠導致壓力油沒有完全釋放返回回油箱，裝置又缺乏千斤頂復位信號，運行人員錯誤判斷千斤頂頂桿已復位。機組啟動后由于千斤頂頂桿托塊與轉子頂環間的滑動摩擦產生大量熱量并散發出霧狀煙氣，運行人員停機檢查后發現該故障為千斤頂未完全復位引起。

4 技術改造要求

在原頂車裝置液壓系統的基礎上安裝進油電磁閥、回油電磁閥、行程開關、狀態指示燈、千斤頂復位拉力彈簧等設備。通過上述設備和電路設計使控制系統滿足以下幾個方面的要求：一是千斤頂設有上限位行程開關和復位行程開關，并有相應的千斤頂狀態指示信號。二是千斤頂頂桿與基座間安裝強力彈簧，使其在泄壓回油結束后能可靠復位，觸發復位行程開關發送信號。三是使用電磁閥控制千斤頂的頂桿上升與回落。四是設有溢流閥和壓力繼電器雙重保護。當系統壓力達到設定值時，溢流閥溢流，若系統壓力超過設定值一定范圍時，壓力繼電器動作，油泵停止運行；同時故障報警燈亮。

5 改進技術方案

通過啟動油泵，建立系統油壓，當發出提升千斤頂指令后，打開YV1電磁閥，液壓油進入壓力母管、千斤頂無桿腔和千斤頂等壓平衡管。千斤頂頂桿上升至上限位時(假設8 mm)，YV1電磁閥閉合，定時器計時開始，這時上限位指示燈HL1點亮；待30 s后，YV2電磁閥打開，壓力母管、千斤頂無桿腔和千斤頂等壓平衡管壓力油通過YV2電磁閥流入回油箱。千斤頂無桿腔壓力釋放后，在轉子重力的作用下千斤頂頂桿下落，指示燈HL1熄滅，泄壓回油指示燈HL2點亮，直至4個千斤頂的頂桿全部到達下限位，YV2電磁閥關閉，指示燈HL2熄滅，整個自動控制流程結束(見圖1)。

圖1 頂轉子系統示意

為了讓該控制科學可靠應完善2點：一是需要加入壓力保護和電機過負荷電流保護。電機的電流保護可以通過熱繼電器來實現，該技術廣泛的運用在電機控制保護系統中，不再贅述。系統壓力保護通過溢流閥實現，通過在油泵出油口安裝溢流閥，當系統壓力超過整定值后，發停泵信號。二是在系統中加壓力繼電器作為系統壓力的后備保護，當溢流閥故障拒動后，通過壓力繼電器發送信號斷開電機主回路上的接觸器，增加系統保護安全系數。

根據主機組廠家出具的相關數據顯示，該轉子質量為20 t，千斤頂頂桿面積為113 cm2,4個千斤頂頂桿面積為452 cm2，計算出理論的轉子頂起的系統壓力為4.6 MPa，該壓力與之前的液壓系統壓力基本吻合。溢流閥綜合正常工作的系統壓力和系統承壓能力綜合考慮可選5.6 MPa型機械溢流閥，作為溢流閥后備保護的壓力繼電器可設定啟動壓力為6 MPa。

6 系統電氣控制原理

6.1 主設備器件說明

QF為系統主回路斷路器，KM為主回路直流接觸器，FR為主電機熱繼電器，M為油泵電機(見圖2)。

6.2 主回路原理

當斷路器QF閉合，通過控制系統發出油泵啟動指令后直流接觸器KM吸合，油泵電機M帶電，油泵啟動運行(見圖2)。

圖2 系統一次主回路原理

6.3 主設備器件說明

系統控制電路采用直流24 V電源供電(見圖3)，ZK為控制電路空氣開關；SB1為系統啟動按鈕；KM為直流接觸器電磁線圈，KM—1、KM—2為直流接觸器輔助觸點；KA為中間繼電器電磁線圈，KA—1、KA—2為中間繼電器的輔助觸點；KT為時間繼電器電磁線圈，KT—1、KT—2為時間繼電器輔助觸點；FR—1為熱繼電器輔助觸點；YV1為千斤頂上升控制電磁閥；YV2為千斤頂回落復位控制電磁閥；KV—1、KV—2為壓力繼電器輔助觸點；SB2為緊急停止按鈕；SL1—1為千斤頂上升限位開關；SL2—1、SL2—2、SL2—3、SL2—4為千斤頂泄壓復位限位開關；HL1為上限位指示燈；HL2為泄壓回油指示燈；HL3為故障報警指示燈。

圖3 系統控制電路原理

6.4 二次控制回路原理

(1)合上空氣開關ZK，控制回路電源上電。按啟動按鈕SB1，電路“+電源”-“SB1”-“FR-2”-“KV—1”-“SB2”-“KT—1”-“KM”-“-電源”接通，直流接觸器電磁線圈KM帶電，直流接觸器輔助觸點KM—1閉合，油泵電機主回路接通，油泵啟動運行，建立系統油壓。

(2)“+電源”-“KM—2”-“SL1—1”-“YV1”-“-電源”接通，千斤頂上升。

(3)千斤頂上升至上限位時SL1—1斷開，“+電源”-“SL1—1”-“YV1”-“-電源”回路斷開，電磁閥YV1失電關閉，千斤頂停止加壓，處于恒壓狀態，轉子在上限位靜止。

(4)“+電源”-“SL1—2”-“KT、HL1”-“-電源”接通,時間繼電器KT計時，上限位指示燈HL1常亮。

(5)30 s計時完成后，KT—1斷開，直流接觸器KM失電，油泵停止運行；KT—2閉合，“+電源”—“KT—2”“SL2—1、SL2—2、SL2—3、SL2—4”-“KA、HL2”-“-電源”接通，泄壓回油指示燈HL2常亮，KA—1閉合自鎖回路“+電源”-“SL2—1、SL2—2、SL2—3、SL2—4”-“KA、HL2”-“-電源”；“+電源”-“KA—2”-“YV2”-“-電源”接通,千斤頂回落復位控制電磁閥線圈YV2得電打開，壓力油返回回油箱，千斤頂在自重作用下回落千斤頂頂桿在彈簧拉力作用下保證可靠復位并發送信號。

(6)當4個千斤頂全部復位后，“SL2—1、SL2—2、SL2—3、SL2—4”4個接點全部斷開，中間繼電器電磁線圈KA失電，中間繼電器泄壓回油指示燈HL2熄滅，表示千斤頂已復位。

(7)“+電源”-“KA—2”-“YV2”-“-電源”回路斷開，千斤頂回落復位控制電磁閥線圈YV2失電閉合。自動控制系統流程結束。

(8)當系統發生故障，熱繼電器或壓力繼電器動作，報警燈HL3得電常亮，直流接觸器線圈KM失電，油泵停止運行。

7 結 語

為滿足提升工程運行管理水平的要求，解決睢寧二站現階段頂轉子設備存在的安全事故隱患，縮短開機前日常準備時間和工序，提升工程管理運行人員的工作效率，提出開發改造的頂轉子液壓控制系統既能保證人身和設備安全，又能提高運行人員工作效率，在同類型大型水利工程中具有較好的應用前景。