水电站自动化第五章自动化课件.ppt

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生产过程自动化,华中科技大学水电与数字化工程学院,（第五章,2）,5.2自动控制的执行元件为了实现水电生产过程的自动控制，在水电站的油、气、水管路上必须装设电磁操作或液压操作的自动阀门。

其中包括：

电磁阀、电磁空气阀、电磁配压阀和液压操作阀等，统称它们为执行元件。

电磁阀将电气信号转换为机械动作，用以自动控制油、气、水管路阀门的开启和关闭，是自动化系统中的重要执行元件之一，常用于机组的制动、调相和冷却等操作系统的管路中。

电磁阀的原理示意图：

当电磁阀通电时，动铁芯受电磁力的作用向上运动，控制阀的上孔封闭，下孔打开，电磁阀的封口在压力P=P1的作用下开启，管路通流；当电磁阀断电时，动铁芯失去电磁力的作用向下运动，控制阀的下孔封闭，上孔打开，电磁阀的封口在压力P=P2-P1的作用下关闭，管路断流。

电磁空气阀将电气信号转换为机械动作，主要用于机组供气、制动系统和碟阀密封围带充气的低压系统，实现供气管道阀门的开启和关闭的自动控制。

以下是电磁空气阀的原理示意图：

电磁配压阀是一种液压中间放大的变换元件，一般与液压操作阀、油阀等组合使用。

O,B,P,A,主阀,辅助阀,O,B,P,A,主阀,辅助阀,电磁铁（断电）,PA,OB,PB,OA,电磁铁（通电）,压力油P通过对电磁铁的控制，可与A或B接通，O为回油，故形成二位四通，即：

PA，BO，或PB，OA。

5.3辅助设备的自动控制主要介绍油压装置、技术供水装置、集水井排水装置和空气压缩装置自动的原理。

（1）油压装置的自动控制油压装置是为水电设备运行操作提供动力的重要辅助设备，它产生并储存高压油，为机组启动、停机和调整负荷提供操作的动力。

油压装置的自动控制应满足下列要求：

机组在正常运行或事故情况下，均应保证有足够的压力油来操作机组和主阀，特别是在厂用电消失的情况下应有一定的能源储备；,无论机组是处于运行状态还是处于停机状态，油压装置都应经常处于准备工作状态，即油压装置的自动控制是独立的，并按本身规定的条件（油压和油位）自动进行的；在机组的操作过程中，油压装置的投入或切除应自动地进行；油压装置应设置备用油泵电动机组，当工作油泵故障或油压过低时，自动投入备用泵，并报警；油压装置发生故障，油压下降至事故低油压时，应能迫使机组事故停机；油压装置应采用自动和手动补气。

当油位上升至上限值（对应于35%Vr的油位），且油压低于额定值Pr时补气；当油压上升至额定值以上或油位下降至下限值（对应于30%Vr的油位）时停止补气。

两台油泵电动机组1M和2M，正常时一台工作、一台备用，采取定期交替互为备用运行方式，以利电机绕组干燥；浮子信号器BF用于监视压力油槽的油位；压力信号器14BP用于监视油压。

1BP,2BP,3BP,4BP,压力信号器,油位信号器,BF1,BF2,安全阀,压力表,集油槽,压力油槽,切换阀,油压装置的构成图和接线原理图,上图为1号油泵电动机的控制接线图（1号电动机与之相同）。

图中：

QC为转换开关；FM为空气开关；YV为与调速器的接力器联动的位置接点，当接力器打开时动作；XB为连接片。

热信号器,油压装置可以自动操作，还可以手动操作。

自动操作又分为连续运行、断续运行和备用三种方式。

在连续运行时：

将2QC切换到自动位置，2XB连接。

当机组启动时，YV2动作，接触器线圈2MF励磁，其接点2MFa,b,c闭合油泵电动机2M启动，向压力油槽打油。

当油压达到上限值时，切换阀2RV抬起，压力油经切换阀排回集油槽油泵转为空载运行。

如果由于机组操作或漏油使油压降低到2RV的额定压力以下时，则2RV落下，以后的动作同前。

机组停机后，由于YV2断开，油泵电动机退出连续运行方式。

在断续运行时：

将2QC切换到自动位置，2XB断开。

压力油槽的油压下降到下限值时，4BP动作，其接点4BP1闭合使重复继电器2KAM动作，又使2MF动作，并通过其辅助接点2MF2自保持，接触器线圈2MF励磁，其接点2MFa,b,c闭合油泵电动机2M启动，向压力油槽打油。

当油压恢复到上限值时，2BP闭合，使1KAM1断开，1MF失磁，油泵电动机停止工作。

若油压再次下降到下限值时，4BP再次动作，以下的动作同前。

在备用状态时：

将2QC切换到备用位置。

备用泵在下列情况下自动投入运行：

工作油泵电动机操作回路或工作油泵电动机以及工作泵本身发生故障时；当机组甩负荷或油路严重漏油，使压油槽油压下降到过低油压时。

此时，3BP动作，使3KAM励磁，其接点闭合又使2MF励磁，结果使2M启动，与工作泵并列运行。

（2）油压装置的自动补气油压装置的自动补气是指自动控制压油槽的油位在其容积的3035%。

+220VDC,1SB,BP2,1FU,1QC,2BF1,MOFFA,YV0,2SB,1KAM,-220VDC,2FU,YV1,YV2,YVc,1KAM1,1BF1,BP1,2BF2,1KAM2,油压装置的自动补气控制应满足下列要求：

油位高且油压低时补气；油压高或油位低时停止补气。

自动补气装置由油位信号装置和压力信号器组成（如图）。

BF2,BF1,油位信号整定值,30%VrVr35%Vr,当压力油槽油位上升到上限值时，油位信号器接点1BF1接通中间继电器1KAM，使1KAM1闭合；若此时油压低于额定值，压力信号器接点BP2闭合，使补气电磁阀开启线圈YV0励磁，从而打开补气阀向压油槽补气；当压力油槽油压上升到额定值以上时，BP1将闭合（或因油位将至下限，2BF2闭合），使补气电磁阀关闭线圈YVC励磁，关闭补气阀。

（2）技术供水装置的自动控制技术供水装置的用途对水电站运行设备进行冷却和润滑。

供水对象包括：

用于将发电机内的热空气冷却后，再重新进入发电机内的发电机空气冷却器；用于对发电机推力轴承及导轴承润滑油进行冷却的油冷却器；空气压缩机冷却；油压装置集油槽冷却器；水轮机导轴承的润滑和冷却。

技术供水系统的水源水源的选择须考虑用水设备的水量、水压、水温和水质的要求以保证用水设备的安全运行。

一般作为技术供水的水源可有：

上游水库、下游尾水和地下水源。

技术供水系统的方式技术供水方式因水电站水头范围不同而不同。

常用的供水方式有自流供水、水泵供水和混合供水供水三种。

自流供水：

自流供水系统的水压是由水电站的自然水头保证的。

这种方式设备简单、供水可靠。

当水电站的平均水头（h）在2080m范围内，且水温和水质符合要求时，一般采用自流供水。

当水头小于20m时，水压将不能满足自流供水的要求；当水头大于80m时，浪费水能且减压困难。

h,水泵供水：

当水电站的水头不满足要求时，可采用水泵供水。

对于低水头电站，水源可取至上下游；对于高水头电站，水源可取至下游或地下水。

水泵供水又分为有蓄水池和无蓄水池两种。

h,有蓄水池的水泵供水,无蓄水池的水泵供水,混合供水：

当水电站的水头为1220m时，一般采用自流和水泵供水的混合供水方式。

h,混合供水,对技术供水系统的控制方式技术供水系统采用水泵供水并设置蓄水池时，水泵电动机的控制方式为：

自动启动和停止工作水泵，维持蓄水池水位在规定的范围内；当工作水泵故障或用水量大增而使蓄水池水位下降到备用泵启动水位时，自动启动备用泵并报警。

技术供水系统采用水泵供水并不设置蓄水池时，水泵电动机的控制方式为：

工作水泵随着机组的启动而自动启动，并在机组运行期间保持运行；当供水总管的水压下降到备用泵启动水压时，自动启动备用泵并报警；机组停机过程结束后，自动停止水泵；供水管路上的阀门应随机组的启动和停止而自动启动和停止。

水泵供水方式的自动控制机械系统图：

技术供水系统采用水泵供水，并且不设置蓄水池时，水泵电动机的自动控制。

KST开机继电器，开机时动作，停机时复归；1K导叶开位置继电器重复接点，导叶打开时动作，关闭时复归；2K示流信号器重复接点，当冷却水中断时动作；3K导叶关位置继电器重复接点，导叶关闭（调相运行）时动作；1MF，1QC空气开关和选择开关。

（3）集水井排水装置的自动控制为了保证水电站的生产安全，使厂房不至潮湿和被淹，采用集水井排水装置来自动排除厂房渗漏水和生产污水。

根据水位信号器发出的信号，自动启动和停止工作水泵，维持集水井水位在规定的范围内；当工作水泵故障或排水量大增而使集水井水位下降到备用泵启动水位时，自动启动备用泵并报警。

（4）空气压缩装置的自动控制空气压缩装置为机组调相运行和制动等提供压缩空气。

空气压缩装置的自动控制应实现如下操作：

根据压力信号器发出的信号，自动向储气罐充气，维持储气罐气压在规定的范围内；在空气压缩机启动或停止过程中，自动关闭或打开空压机的无负荷阀，对水冷式空压机还须自动供给和停止冷却水；当储气罐的气压降低到工作压力下限时，自动启动备用空压机并报警；当压力过高或空压机出口温度过高时发出报警信号。

5.4蝴蝶阀和进水口闸门的自动控制在水轮机的过水系统中，装置在水轮机蜗壳前的阀门为蝴蝶阀，装置在进水口处的闸门为进水口闸门，都是用于打开或关闭进入水轮机的水流。

（1）蝴蝶阀的自动控制蝴蝶阀的作用减少停机时的漏水量：

当机组较长时间停机时，导叶漏水几乎不可避免，漏水流量可达机组最大流量的23%。

由于蝴蝶阀关闭较严，可大大减少漏水。

缩短机组启动时间：

机组停机时，一般不希望关闭进水口闸门，因为这样放掉引水管的水以后，机组启动时又要重新充水，延长了启动时间。

构成机组检修的安全工作条件：

在岔管引水的水电站，当其中一台机组检修时，为了不影响其它机组的运行，可关闭蝴蝶阀。

由于蝴蝶阀只有全开和全关两种状态，故只能用于切断水源。

蝴蝶阀的构成蝴蝶阀由阀体、活门、密封装置、锁定装置和附属部件构成。

蝴蝶阀工作的示意图如下：

阀体,活门,轴,蝴蝶阀开启时,蝴蝶阀关闭时,密封装置的作用是止漏。

为了防止活门与阀体之间的漏水，常采用橡胶围带止漏，如图。

橡胶围带安装在阀体上。

当活门关闭后，围带内充入压缩空气，围带膨胀，封住周围间隙，活门开启前应先排气，围带缩回方可进行活门开启。

水流,由于活门在稍偏离全开位置时即有自关闭的水力力矩，因此在全开位置必须设有锁定装置。

同时，为了防止因漏油或液压事故以及水的冲击作用而引起的误开或误关，一般在全开和全关位置都应投入锁定装置。

蝴蝶阀可以在动水下关闭。

但在开启时为了减少作用在活门上的水力矩，以及消除在动水开启时所发生的振动，要求在活门两侧的压力相等后才能开启，故在阀体上装设旁通管和旁通阀。

开启蝴蝶阀前，先开启旁通阀，对阀充水，然后在静水中开启蝴蝶阀。

蝴蝶阀开启控制蝴蝶阀开启条件：

导叶处于全关位置；蝴蝶阀处于全关位置；机组无事故；无蝴蝶阀开启命令。

蝴蝶阀开启控制过程：

打开旁通阀，对蜗壳充水；当蝴蝶阀前后的水压基本平衡后，空气围带排气；排气完成后，将蝴蝶阀打开到全开位置；投入锁定并关闭旁通阀。

蝴蝶阀关闭控制拔出锁定；打开旁通阀；将蝴蝶阀关闭至全关位置；对空气围带充气；投入锁定并关闭旁通阀。

（2）进水闸门的自动控制以油压式启闭机的自动操作为例，说明进水口闸门（一般兼作快速闸门）自动控制的一般原理。

其操作必须满足下列条件：

正常提升和关闭，且提升时应满足充水开度的要求；机组事故时，应在两分钟内自动紧急关闭闸门；闸门全开后，若由于某种原因使闸门下降到一定的位置，则应自动将闸门重新提升到全开位置。

1YV，2YV启动阀，打开时油泵向启闭机提供提升闸门的压力油；1YDVO电磁配压阀开启线圈；1YDVC电磁配压阀关闭线圈；闸门开启时，先将闸门开至充水开度，当压力钢管充满水后，再将闸门升至全开位置。

闸门全开后，由于某种原因使闸门下滑200mm时，工作泵执行开闸；若下滑超过300mm时，备用泵执行开闸。

进水口闸门自动控制机械液压系统图,作业：

（1）简述电磁阀、电磁空气阀和电磁配压阀在水电站自动化中的作用。

（2）简述蝴蝶阀的作用。

（3）以下是电磁空气阀的原理示意图。

试说明其工作过程。

（4）下图为油压装置的构成图。

现要求采用以微型计算机（或PLC）构成的控制装置进行自动控制，使油压装置的油压维持在上、下限压力之间，并且当油压低于过低油压时，起动备用油泵。

试设计：

（A）控制装置的硬件原理图（只需给出芯片的名称）；（B）控制装置的软件流程图。

注：

要求每秒显示一次油压，并能够通过运行人员对进行主/备油泵进行选择和操作。