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1、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
2、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。 P1 P2 电磁铁 P2 P1 O 常压 O 封口 控制阀 管路 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： 电磁铁 电磁铁 排气阀 充气阀 气源P 排气 O 围带 A 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。 OBPA 主阀 辅助阀 OBPA 主阀 辅助阀 电磁铁 (断电) PAOB PBOA 电
3、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
4、，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
5、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 1M2M 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。 2BP1 4BP1 3BP1 1KAM 2KAM 3KAM 额定压力 油压下降 油压过低 重复继电器 1BP 2BP 3BP 4BP 事故过低下限上限 2M A B 2QK 2QK 2MFb 2MFa 2K
6、Ha 2KHc 2MFc2FU2QK C 2FU 2QC 2MF1 2MF2 3KAM2 2KAM2 YV22XB 2KHa2KHc 2MF 油泵电动机 备用 投入 断续 运行 连续 手动 主回路自动 1KAM2 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2
7、RV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
8、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 M OFF A YV0 2SB 1KAM -220VDC 2FU YV1 YV2YVc 1KAM1 1BF1 BP1 2BF2 1KAM2 补气电磁 阀开启 补气电磁 阀关闭 上限油位 中间继电 器
9、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%Vr Vr 35%Vr BP2 BP1 压力信号整定值 -1.5kPa Pc +0.5kPa 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
10、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
11、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。 hh 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
12、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： 供水 水泵停止水位 工作泵启动水位 备用泵启
13、动水位 BF 2M 1M 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。 1M A B 1MFb 1MFa 1KHa 1KHc 1MFc C 1FUc 1QC(2QC) KST1 3K1 1KHa1KHc 1MF 手动操作 开机时启动 1K3 1FUb 1K1 2K21K2 1MF 电动机控制 调相时启动 发电时保持 备用时启动 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
14、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。 排水 水泵停止水位 工作泵启动水位 备用泵启动水位 水位信号器 2M1M 排水总管 排水 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
15、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。 进水口闸门 蝴蝶阀 水轮机 Q （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
