Автоматизированными гидроэлектростанциями называются такие, где участие обслуживающего персонала в управлении гидроагрегатами ограничивается лишь подачей того или иного командного воздействия, после чего все промежуточные операции в нужной последовательности осуществляются соответствующими приборами автоматически. Преимуществами автоматизированных гидроэлектростанций являются ускорение выполнения операций пуска агрегатов, улучшение возможности централизованного управления энергосистемой, исключение неправильных операций при управлении агрегатами, сокращение количества обслуживающего персонала.
Для обеспечения надежной автоматической работы гидроагрегата при его проектировании следует учитывать, что автоматизация гидроагрегата должна производиться комплексно, т. е. одновременно необходимо решать все вопросы, связанные с работой гидротурбины, генератора и вспомогательных устройств. Отдельные элементы автоматизированного гидроагрегата должны действовать согласованно в нужной последовательности. Все операции, необходимые для пуска, остановки и изменения режима работы гидроагрегата, должны совершаться дистанционно с пульта управления после подачи одного командного импульса.
Системой автоматики гидроагрегата должно обеспечиваться выполнение следующих операций по управлению его работой;
- автоматическое приведение в рабочее состояние генератора, турбины и вспомогательных устройств, а также непрерывное поддержание их в состоянии готовности к пуску;
- дистанционный пуск гидроагрегата, в процессе которого механизмы гидроагрегата после получения пускового импульса приходят в действие в нужной последовательности: открывается направляющий аппарат, агрегат разворачивается, синхронизируется и подключается к сети;
- нормальная работа гидроагрегата в заданных режимах путем автоматического регулирования скорости вращения при изменениях нагрузки;
- нормальная автоматическая остановка гидроагрегата, в процессе которой после получения командного импульса происходят разгрузка и отключение генератора от сети, закрытие направляющего аппарата турбины, торможение агрегата от заданной скорости вращения до полной остановки. После остановки агрегата все механизмы его автоматически приходят в состояние готовности к последующему пуску;
- подача предупредительного сигнала в случаях ненормальной работы генератора, турбины, вспомогательных устройств или их отдельных механизмов, не требующих немедленной остановки агрегата;
- аварийная автоматическая остановка агрегата: воздействием на пуско-останавливающее устройство регулятора; аварийным золотником, подающим масло под давлением из масло-напорной установки непосредственно в сервомоторы направляющего аппарата при срабатывании реле оборотов;
- быстродействующими щитами, расположенными на водозаборе или затворами перед турбиной;
- автоматическая работа маслонапорной установки: пополнение маслом котла маслонапорной установки включением основного масляного насоса;
включение резервного масляного насоса при падении давления в котле маслонапорной установки ниже определенной величины;
подкачка воздуха в котел маслонапорной установки при повышении уровня масла в котле выше нормального.
- включение насоса при повышении уровня масла в баке лекажного агрегата;
- включение насоса или эжектора при повышении уровня воды в крышке турбины;
- включение резервного трубопровода водяной смазки направляющего подшипника, турбины;
- управление клапаном впуска воздуха под рабочее колесо турбины;
- перевод агрегата из режима генератора в режим синхронного компенсатора, в процессе которого после получения командного импульса закрывается направляющий аппарат, а также в случаях, когда рабочее колесо расположено ниже отметки нижнего бьефа, вода отжимается в камере рабочего колеса до заданной отметки путем автоматического впуска сжатого воздуха в область рабочего колеса;
- перевод агрегата из режима синхронного компенсатора в режим генератора путем открытия направляющего аппарата воздействием на механизм ограничения открытия.
Для обеспечения автоматической работы гидроагрегата в конструкции его предусматриваются различные элементы и аппаратура автоматики: контактные устройства, реле, соленоиды, клапаны, поплавки и т. п.
К широко применяемым в автоматике электрическим контактным устройствам относятся:
конечные выключатели — контакты, переключающиеся в конечных положениях какого-либо механизма;
путевые выключатели — контакты, переключающиеся в промежуточных положениях механизмов;
командоаппараты (контакторы) — устройства, в которых имеется целый ряд контактов, путевых и конечных, переключающихся в необходимой последовательности в зависимости от положения контролируемого механизма.
Для осуществления различных воздействий в зависимости от изменения какой-либо контролируемой величины применяются различные реле, которые при изменении этой величины подают соответствующий импульс (переключают контакты, перемещают золотник и т. п.). Значение контролируемой величины, при котором срабатывает реле, называют уставкой. Основные реле, применяемые в схемах автоматики гидроагрегатов, следующие:
электромагнитное реле — употребляется в схемах как промежуточный элемент, когда при появлении тока в одной цепи нужно в ряде других цепей разомкнуть или замкнуть контакты. Электромагнитное реле имеет катушку электромагнита, через которую проходит контролируемый ток. Когда сила тока становится больше определенной величины (уставки), электромагнит срабатывает и притягивает свой якорь, замыкая или размыкая этим ряд контактов;
реле времени — срабатывает, переключая контакты через заданный промежуток времени, после того как на реле подан электрический импульс;
температурное реле — срабатывает, когда измеряемая им температура достигнет определенной величины;
струйное реле — срабатывает при определенной скорости течения жидкости в трубе;
реле уровня — срабатывает при определенных значениях контролируемого уровня жидкости;
реле давления — срабатывает при определенных значениях измеряемого давления;
реле оборотов (центробежное) — срабатывает при определенных значениях контролируемой скорости вращения.
К аппаратуре автоматики относятся золотники дистанционного управления, применяемые для управления различными мелкими сервомоторами. Для перемещения более крупных золотников применяются электромагниты с защелкой, в которых якорь магнита после перемещения останавливается в крайнем положении и обесточивается.
Для закрытия трубопроводов, подающих воду, воздух или масло, применяются клапаны дистанционного управления — соленоидные или с гидроприводом. В соленоидных клапанах перемещение запирающего органа происходит в результате действия электромагнита с защелкой, расположенного непосредственно на клапане. В клапанах с гидроприводом запирающий орган перемещается под давлением с помощью масла; управление подачей этого масла осуществляется золотником с электрическим или механическим приводом.
Последовательность операций управления работой гидроагрегата зависит от конструкции генератора, турбины и регулятора, а также от принятой схемы автоматики. Ниже приводится последовательность операций при управлении мощным гидроагрегатом с поворотнолопастной турбиной и механическим регулятором типа РКО-250.
Пуск турбины производится в следующем порядке:
- на пульте гидроэлектростанции дежурный поворачивает ключ управления агрегата в положение «пуск». При этом срабатывает электромагнитное реле пуска;
- электромагнит с защелкой смещает золотник управления гидроклапаном водопровода смазки подшипника турбины, после чего электромагнит ставится на защелку и обесточивается. Гидроклапан открывается, вода поступает в подшипник турбины, срабатывает струйное реле смазки и замыкает контакты для последующих операций;
- включается пусковой золотник, открываются гидроклапаны регулятора. Лопасти рабочего колеса устанавливаются в пусковое положение. Выключается стопор сервомотора направляющего аппарата;
- смещается золотник дистанционного управления. Направляющий аппарат открывается до пускового открытия, и агрегат начинает вращаться. Пусковое устройство постепенно открывает направляющий аппарат, увеличивая скорость вращения агрегата. Лопасти рабочего колеса устанавливаются в рабочее положение;
- с приближением к нормальной скорости вращения вступает в работу маятник и начинает действовать автоматическое регулирование скорости. Регулятор уменьшает открытие направляющего аппарата до открытия холостого хода;
- регулятор приводит агрегат к нормальной скорости вращения, соответствующей положению механизма изменения скорости вращения. Агрегат готов к синхронизации и включается в сеть.
Нормальная остановка гидроагрегата происходит в нижеприведенной последовательности:
- с агрегата снимается нагрузка, и генератор отключается от сети. При этом направляющий аппарат закрывается до положения холостого хода. Ключ управления на пульте устанавливается в положение «остановка». Срабатывает ряд реле, необходимых для остановки турбины и регулятора;
- включается электромагнит остановки, перемещающий золотник дистанционного управления. С помощью главного золотника регулятора закрывается направляющий аппарат, что обеспечивает некоторый натяг между лопатками направляющего аппарата. Включается стопор сервомотора;
- при снижении скорости вращения гидроагрегата до величины, устанавливаемой заводом — изготовителем генератора, срабатывает реле оборотов, включающее торможение ротора генератора;
- после остановки ротора агрегата прекращается подача воды к подшипнику турбины и закрывается гидроклапан на водяном трубопроводе. Лопасти рабочего колеса устанавливаются в пусковое положение. Закрываются гидроклапаны регулятора.
Аварийная автоматическая остановка гидроагрегата происходит при возникновении в работающем агрегате неисправностей, грозящих аварией. В зависимости от причины неполадок включается реле остановки от замыкания контактов в одном из следующих устройств: в клапане для ручной аварийной остановки, реле при недопустимом уменьшении или прекращении подачи воды к подшипнику турбины, реле давления при аварийном снижении давления масла в котле, реле оборотов при разгоне агрегата.
Операции аварийной и нормальной остановок происходят в основном одинаково, за исключением того, что в аварийном случае агрегат быстро снижает нагрузку в результате закрытия направляющего аппарата пусковым устройством, и в момент, когда открытие направляющего аппарата соответствует холостому ходу турбины, происходит отключение генератора от сети.
В условиях работы мощных энергосистем часто оказывается необходимым использовать генератор в качестве синхронного компенсатора. Для этого генератор включается в сеть и вращается вхолостую в моторном режиме. Пуск гидроагрегата для работы в режиме синхронного компенсатора производится, как и при нормальном пуске в генераторном режиме, но после включения его в сеть направляющий аппарат закрывается. При этом если уровень нижнего бьефа находится ниже отметки лопастей рабочего колеса, то после закрытия направляющего аппарата вода уходит от рабочего колеса и оно продолжает вращаться
в воздухе. Когда уровень нижнего бьефа выше отметки лопастей рабочего колеса, то после закрытия направляющего аппарата оно вращается в воде, тормозится о нее лопастями и генератор, работая как электродвигатель, потребляет много энергии. В этих случаях в камеру рабочего колеса подают сжатый воздух, который понижает уровень воды в отсасывающей трубе так, чтобы рабочее колесо не касалось воды. Перевод агрегата в компенсаторный режим и отжатия воды в отсасывающей трубе осуществляются автоматически.
