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自动关机装置对小水电站的应用

来源:杂志发表网时间:2020-10-29 所属栏目:计算机技术

  

  小水电站的调速机构多以老旧操作器为主,电网突然停电后,只能手动关机。针对此种隐患,自主研发一种自动关机装置,可与原操作器结合起来使用,来实现自动关机;同时具有开机、关机、增、减负荷等功能。

自动关机装置对小水电站的应用

  1概述

  河北省石家庄市的小水电站大多建于20世纪80年代,自动化水平低,当电网突然停电或断电时,只能靠人工盘大轮来关闭水轮机,速度慢,如果操作不及时,极易发生飞车事故,时刻威胁着职工和设备的安全,是水电行业安全隐患之一。据统计,在全市有63%的机组中使用的操作器需改造成自动关机的操作器。

  2自动关机操作器的分类

  目前国内具有停电后可自动关机功能的操作器有以下3类:一是弹簧储能型(TC)操作器,采用机械弹簧储能原理,当失去电源后,蓄能弹簧推动活塞进行关机,价格约5万元。二是高压氮气罐储能(HPU)操作器,当电网突然停电,利用压缩氮气推动油路块与叠加电磁阀组成高压控制油路,直接操控导叶接力器,来实现自动关机,价格在6万元左右。三是DWT微机全自动调速器,是采用日本三菱FX2N高性能可编程控制器作为硬件主体,与适配的机械液压随动系统相配合,用于控制接力器的动作;该装置由高油压操作器数字阀液压系统及直流屏组成,整体价格约12万元。这3类操作器取代了原传统操作器,考虑了失去电源后的紧急停机,但需将原操作器拆除不用,重新做地基,重新安装。由于体积较大,往往受老电站空间尺寸的限制,费用较贵,不易被老旧电站接受,常常应用于新建的电站。石家庄市老电站厂房面积普遍较小,较大规模的土建或改进往往不现实。这决定了此自动化装置的结构要简约,同时与原操控系统对接要可靠、易操控、费用低,易于为电站接受。

  3研发思路

  石家庄市水电及农村电气化发展处走访了20多座1000kW以下的电站进行调研,各电站普遍要求在原有的操作器上进行改进为好,决定在操作器的传动机构上做文章。因此,选择在最节能、最易衔接、最省费用的操作手轮上,安装1套操控机构,以直流减速电动机为动力,将大链轮装配在操作手轮上,利用链轮传动来操纵手轮按指令进行运转,从而完成操作器的操作工作。特点是改造费用少,结构简单,操控目标明确、直接,动作可靠。日常操作具有关、停机,增减负荷的功能,遇事故时可自动启动紧急停机功能。

  4参数的计算及操控原理

  4.1参数的计算

  首先要确定机械传动机构核心部件的尺寸,以井陉县长征电站3号机组为例,经实际测量操作手轮直径为420mm,由全开至空载状态,手轮需旋转6圈。根据调保要求确定关机至空载的时间5s

  4.2自动关机装置的改造及操控原理

  将标准件17齿小链轮按电动机轴颈尺寸加工内孔、插键槽,并在小链轮加工凸肩,目的是留出链条的间隙,然后将小链轮装配在电动机的轴颈上。加工标准件60齿大链轮及原操作手轮的配合面,并钻孔套丝用3枚M8键镶入两者的配合面上,使大链轮与操作手轮紧固成一个整体。当电动机接受指令后,小链轮以307r/min转速与减速直流电机同步旋转,通过链条带动大链轮旋转,链速为1.6m/s(经计算此链速可保证在满负荷的情况下,关机时间为8s)。由于大链轮镶嵌在操作手轮上,操作手轮与大链轮同步旋转,从而带动调速轴转动,可以按照要求完成导叶闭合。操控原理是:合上开关ZK1即给充电器充电,合上开关ZK2,蓄电池DC的直流电源供给二次保护控制回路及一次电动机回路。日常的操作可通过控制柜进行操作,控制保护回路电压等级为直流24V。开机时,按下按钮AN2,HC2接触器工作开机指示灯亮,电流通过HC1、HC3接触器及行程开关XK2常闭节点;当导叶全开时,行程开关节点打开,断开直流电源,完成由点动开机至全开的开机过程。关机时,按下AN3按钮HC3接触器工作,电流经过HC3接触器及HC2接触器常闭节点;当机组运行至空载时,行程开关XK1节点打开,切断控制电流,完成点动关机。紧急停机分2种情况:一种情况是当机组出现事故时,如发动机着火,此时按下按钮AN1,HC1接触器工作,控制电流流经行程开关XK1、HC2接触器常闭节点及HC1接触器自锁回路,同时动作DL断路器使机组与系统解列。关机至空载时,行程开关XK1节点打开,切断控制电流,完成紧急停机。另一种情况是当电网突然停电或断电,断路器因失压脱扣跳闸,自锁回路工作,HC1接触器常开节点闭合,启动自动停机功能,控制电流流经流经行程开关XK1、HC2接触器常闭节点及HC1接触器自锁回路。当关机至空载时,行程开关XK1节点打开,切断控制电流,完成紧急停机工作(见图1)。

  5现场试验及效益分析

  5.1现场试验

  现场试验在井陉县长征电站3号机实施,分为2个阶段进行。(1)第一阶段。当水轮机导叶开度50%、70%时,模拟电网突然停电,电站各种保护失效,自动关机装置动作,秒表计时,记录压力表数值。数据显示关机时间分别为4、5s,压力表数值基本没有波动,水轮机摆动、振动值正常,试验成功。(2)第二阶段。水轮机导叶开度100%时,水轮机满负荷工作。模拟电网突然停电,电站各种保护失效,自动关机装置立即启动关机动作。数据显示,关机时间8s,压力表数值瞬时升高10%,随即便拉回原值,随后趋于平稳基本没有波动,水轮机摆动、振动值正常,试验成功。

  5.2效益分析

  井陉县长征电站给的应用评价是:自动关机装置样机安装于我站3号机组,可用于日常工作的开、关机、增减负荷操作,由原来的每班3人值班,可减少为2人,24h可增效减人3人,当月即可节支6000元,当月收回成本。当电网突然停电,电站各种保护及操作机构失效,自动停机装置自动投入工作,自动开启紧急停机功能,关机性能平稳、可靠,关机时间符合调保计算要求。从社会效益上来看,近几年随着水量逐年减少,电站均采用憋水发电,平均每日开、关机10次,单机每日节水可达到240t。全市60台机组需改造,每天可节约水量14400t。经测算,仅节约的水量,每年可多发电140万kW·h,创收58.8万元,创直接效益178.8万元。可替代火力发电引起的资源损耗,相当于代替490t标准煤,减少污染排放735t的二氧化碳,16.24t的二氧化硫,具有很高的经济价值和社会价值。

  6结论

  目前老机组的自动化改造,费用较高,每千瓦需万元以上,只有在符合国家政策,并获得国家资金支持的情况下,才能实现。但国家的资金有限,使得大范围老电站的自动化改造仍不能实现。自动关机装置虽具有开机、停机、增减负荷及紧急自动关机功能,填补一项操作器无需电网电源,即可自动关机的空白,但仍不完善。下一步计划将自动并网的功能加入进来,同时增加水位测量,流量监控,将其名称改为水轮机自动控制装置,真正用最少的费用,将老机组的手工操作改变成自动化操作,做到用最经济的方法实现“无人值班(少人值守)”。

  《自动关机装置对小水电站的应用》来源:《小水电》,作者:刘利洲

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