水电站自动化课程设计报告

目录

第一章基本资料及任务 (1)

1. 基本资料 (1)

2. 设计任务 (1)

3. 设计要求 (1)

第二章供水系统设计 (2)

1. 基本资料分析 (2)

2. 设计原则与要求 (2)

（1）设计原则 (2)

（2）基本要求 (3)

3. 供水系统图 (4)

4. 供水系统电气原理图 (4)

（1）供水井水泵电气原理图 (4)

（2）循环水池水泵电气原理图 (6)

第三章快速闸门系统设计 (8)

1. 基本资料分析 (8)

2. 自动控制要求 (8)

3. 快速闸门操作机械系统图 (8)

4. 快速闸门自动控制电气原理图 (9)

（1）闸门正常提升 (9)

（2）闸门正常关闭 (11)

（3）闸门紧急关闭 (11)

（4）闸门的自降提升 (11)

第四章课程设计总结 (13)

【参考文献】 (15)

附图 (15)

第一章基本资料及任务

1.基本资料

某一渠道引水式水电站，设计水头H r=16.5m，发电引水含泥沙量较大。电站装机容量为：2×3200kW，电站站址处地下水丰富，但埋深较深（大于40m），水质良好。电站拟采取循环技术供水方式，电站与生活区紧邻，生活区设有一生活供水水塔，发电机无消火供水要求，机组技术供水对象为：发电机空冷器，机组上导推力轴承油盆、下导油盆、水导油盆冷却器，电站所有用泵为潜水泵。该电站为单元供水，快速闸门为液压操作，油压装置共用一套。

2.设计任务

(1) 做出该电站的供水系统图。

(2) 设计该电站的供水系统自动控制电气原理图（展开图）。

(3) 完成该电站快速闸门操作机械系统图。

(4) 设计该电站快速闸门的自动控制电气原理图（展开图）。

(5) 报告中应详述供水系统与快速闸门自动控制过程。

3.设计要求

A3出图，打印报告，所有设备不选型。

第二章供水系统设计

1.基本资料分析

根据电站的实际情况，系统取用地下水，采用潜水泵供水，并且设置一个水塔，用管道为生活区供水以及发电机层、水轮机层、室外消火供水。由于地下水的埋深比较深，因此对于机组的技术供水采用循环水池，而不能用一次就排掉。系统采用两台潜水泵从水井供水给高位水塔，一台工作，一台备用；采用两台潜水泵从循环水池中抽水供两台机组作为技术供水用，一台工作，一台备用。供水管路上装设有逆止阀、压力表等必要器件，进行监视及控制作用。这种供水系统的设计，系统简单，运行灵活、可靠，设备分散布置在地面上，安装运行以及维护都十分方便。

2.设计原则与要求

水电站的供水包括技术供水、消防供水以及生活供水。中小型的电站常以技术供水为主，兼顾消防供水以及生活供水，组成统一的供水系统。

技术供水主要向水轮发电机组以及辅助设备供应冷却水，有时也包括水压的操作用水。消防供水是为厂房、变压器、油库等提供消防用水，以便发生火灾的时候及时进行灭火，生活给水是指水电站生产运行区域的生活、清洁用水。

水轮发电机组的用水对象主要是发电机空气冷却器，水轮发电机组上导推力轴承油盆、下导油盆、水导油盆冷却器轴承的油冷却器，水冷式变压器，水冷式空压机，油压装置回油箱油冷却器等。

技术供水系统的设计，应该根据水电站的实际的情况，选择水源，选择供水的方式与设置的配置的方式，拟定供水系统，计算供水参数，选择供水设备，确定供水系统图。

（1）设计原则

①供水可靠供水系统应该保证各个用水设备对于水量、水压、水温和水质

的要求，在机组的运行期间，不可以中断供水。

②便于安装、维护和操作。技术供水系统管网应该组成简单设备与管件连接布置合理，方便运行和检修。

③满足水电站自动化操作的要求，应该具有适应电站水平的自动化装置，实现对于供水系统的自动操作，控制和监视。

④节省投资与运行的费用。应该满足电站的建设以及运行的经济要求，使设备的投资和运行维护费用最少。

（2）基本要求

①供水系统应有可靠的备用水源，取水水源至少应有两路。如采用水泵供水又无其他备用水源的时候，应该有并联而且可以自动启停的备用水泵。贯穿全厂的供水干管应该有分段的检修措施，可以分为单管、双管以及环管，管路上选用的示流信号器应该为双向工作式。

②每一台机组的供水干管应该装置可以自动操作的工作阀门，并应该装设手动旁路切换检修的阀门与自动减压阀，顶盖取水的供水系统应该装设安全阀或其他的安全泄水的措施，以保证用水设备的安全，并在减压阀以及射流泵前后装设监测用的压力信号器。

③对于多泥沙的河流电站，可以考虑水力旋流器、沉淀池等方案，再经过技术经济分析之后选取。机组的各个冷却器的进水管道口附近应该设置有阀门以及压力表，当出水管有可能出现负压的时候，则应该设置真空表。

④各个轴承冷却器的排水管上应该装设示流信号器，便于测定各个用水设备的通过的冷却水量。

⑤采用水泵供水方式的时候，应该采用单元供水系统，每一个单元应该设置一到两个工作水泵、一台备用泵，水泵的出水管应该装有逆止阀以及闸门，水泵的吸水管侧和出水管侧应该分别装有真空表以及压力表。

⑥水冷式的空压机进水管道上给水阀门应该能够自动启动，阀后设压力表，排水管上设置有示流信号器。

3.供水系统图

设计该电站的供水系统图，如附图0F01所示。

水塔设置有浮子信号器1BF，用于检测水塔水位。潜水泵1#和2#从供水井中抽水至高位水塔，水泵出水管路上先安装有逆止阀，防止停泵的时候水倒流，然后是滤水器，用以过滤水，通过其前后压力信号器的压差判断滤水器是否需要清洗。在高位水塔上设置有溢流管和排污阀，实现超出一定水位会自动溢出和定期排污的作用。从水塔上引出供水管，提供生活区用水以及发电机层、水轮机层、室外消火用水。同时，水塔上设置有另外一根支管，通过电磁阀1DCF供水给循环水池。

循环水池中设置有浮子信号器2BF，用于检测循环水池的水位，并且设置溢流管将多余的水排至集水井。安装有潜水泵3#和4#，通过逆止阀和滤水器，用电磁阀2DCF和3DCF分别供水给1号机组以及2号机组。供水对象为发电机空冷器，机组上导推力轴承油盆、下导油盆以及水导油盆冷却器，然后水通过管路流到循环水池。当水质出现问题或循环水泵排水出现问题时，也可手动操作电磁阀4DCF使变质水排至下游，同时水塔上的支管通过电磁阀1DCF再次供水给循环水池，实现换水功能。

4.供水系统电气原理图

（1）供水井水泵电气原理图

a)供水井水泵自动控制要求

①自动启动和停止工作水泵，维持水塔水位在规定的范围内；

②工作水泵故障或用水量大增而使水塔水位下降到备用泵启动水位时，自动启动备用水泵；

③备用水泵投入时，同时发出报警信号。

b)供水井水泵自动控制操作过程

供水井水泵电气控制原理图如附图0F02所示。所有操作借助浮子信号器1BF，中间继电器1KAM～3KAM和切换开关1QC和2QC以及交流接触器MF 来实现。控制方式有自动、备用、手动三种。现以1#水泵为工作泵、2#水泵为备用泵来说明其自动控制过程，若需改变他们的工作状态，只需将1QC和2QC 切换到相应的位置即可。

①自动操作

将1QC切换到自动位置，当水塔水位下降到工作泵起动水位时，浮子信号器接点1BF1闭合，使继电器1KAM励磁，其接点1KAM1闭合，使交流接触器1MF励磁，从而使1#水泵电动机1M起动，向水塔供水，同时接点1MF2闭合，起自保持作用。水塔水位恢复至正常水位时，1BF的接点1BF3闭合，使继电器3KAM励磁，其动断接点3KAM1打开，使1MF失磁，1M即停止运转。如果水位再次下降，则重复上述操作过程，从而维持水塔水位在规定的范围内。

②备用起动

将2QC切换到备用位置，如果工作水泵发生故障，或由于其他原因使水塔水位下降至备用泵启动水位，则1BF的接点1BF2闭合，使继电器2KAM励磁，其动合接点2KAM2闭合，使交流接触器2MF励磁，从而使2#水泵电动机2M起动，向水塔供水，同时接点2MF1闭合，起自保持作用。并发出报警信号（接点2MF3闭合，1SL光字牌亮，灯响铃）。水塔水位恢复至正常水位时，使继电器3KAM励磁，其动断接点3KAM2打开，使2MF失磁，2M即停止运转。

隔一段时间后，可将1QC与2QC互换位置（即工作泵和备用泵互换），以利于电动机干燥。

③手动操作

人工监视水塔水位的变化，当水位到达工作泵启动水位时，值班人员可将1QC或2QC切换到手动位置，直接使1MF或2MF励磁，从而起动1M或2M，以下动作与自动控制相同，不再重复。

（2）循环水池水泵电气原理图

a)循环水池供水

循环水池水泵完成对机组技术供水的需求，对循环水池水泵水泵自动控制的要求：

①工作水泵泵开机即启动；

②工作水泵故障或用水量大增而使供水总管压力到达下限时，自动启动备用水泵；

③备用水泵投入时，同时发出报警信号。

循环水池水泵电气控制原理图如附图0F02所示。所有操作借助压力信号器1BP，中间继电器4KAM～5KAM和切换开关3QC和4QC以及交流接触器MF 来实现。控制方式有自动、备用、手动三种。现以3#水泵为工作泵、4#水泵为备用泵来说明其自动控制过程，若需改变他们的工作状态，只需将3QC和4QC 切换到相应的位置即可。

①自动操作

将3QC切换到自动位置，随着开机继电器1KST或2KST励磁，其接点1KST1或2KST1闭合，使继电器4KAM励磁，其接点4KAM1闭合，使交流接触器3MF 励磁，从而使3#水泵电动机3M起动，开始向供水总管上供水，同时接点3MF2闭合，起自保持作用。

②备用起动

将4QC切换到备用位置，如果工作水泵发生故障，或由于其他原因使供水总管压力下降至下限压力，则1BP的接点1BP1低接通闭合，而接点1BP2此前早已低接通，使继电器5KAM励磁，其动合接点5KAM2闭合，使交流接触器4MF励磁，从而使4#水泵电动机4M起动，向供水总管上供水，同时接点4MF1闭合，起自保持作用。并发出报警信号（接点4MF3闭合，2SL光字牌亮，灯响铃）。供水总管压力恢复到达正常时，接点1BP2断开，而接点1BP1此前早已断

开，使继电器5KAM失磁，其动合接点5KAM2打开，使4MF失磁，备用泵4M 即停止运转。

隔一段时间后，可将3QC与4QC互换位置（即工作泵和备用泵互换），以利于电动机干燥。

③手动操作

A人工监视供水总管压力的变化，当供水总管压力下降至下限压力时，值班人员可将3QC或4QC切换到手动位置，直接使3MF或4MF励磁，从而起动3M或4M，以下动作与自动控制相同，不再重复。

b)循环水池补水

其自动控制操作借助切换开关5QC、浮子信号器2BF及补水电磁阀1DCF 完成。两种工作模式分别为自动和手动。

①自动操作

将5QC切换到自动位置, 当循环水池水位下降到工作泵起动水位时，浮子信号器2BF的动合接点2BF1闭合，使电磁阀1DCF励磁，其接点1DCF1闭合自保持，从而补水电磁阀开启，向循环水池补水。循环水池水位恢复至正常水位时，2BF的动断接点2BF2断开，电磁阀1DCF失磁，即停止补水。如果水位再次下降，则重复上述操作过程，从而维持循环水池水位在规定的范围内。

②手动操作

人工监视循环水池水位的变化，当水位到达补水电磁阀开启水位时，值班人员可将5QC切换到手动位置，直接使1DCF励磁，从而补水电磁阀开启，以下动作与自动控制相同，不再重复。

c)机组供水

机组开机即启动电磁阀2DCF或3DCF，供水通路打开。

第三章快速闸门系统设计

1.基本资料分析

该电站为单元供水，快速闸门为液压操作，油压装置共用一套。

2.自动控制要求

①快速闸门（一般进口闸门兼任作为快速闸门）的正常提升与关闭，而且提升的时候应该满足充水开度的要求；

②机组在发生事故的时候，应该在两分钟内自动紧急关闭闸门；

③闸门全开之后，如果由于某种原因使闸门下降到一定位置，则应该将闸门重新提升到全开位置。

3.快速闸门操作机械系统图

设计的快速闸门操作机械系统图如附图0F03所示，选用两台油泵1M以及2M，两个电磁阀1DCF以及2DCF，以及两个电磁操作阀1YDV、2YDV，总油路上设置有一个压力信号器2BP，用于检测总油管的压力。

闸门具体操作过程如下：

当1#闸门需要提升的时候，发出信号，使得电磁阀1DCF打开，电磁配压阀1YDV励磁打开，同时发出信号给1#或2#油泵，当油压上升到一定值的时候，1YV延时打开，供油给1#闸门，1#闸门上升。

当1#闸门提到充水位置的时候，考虑到2#机组的工作情况，此时应该把1#机组前的电磁阀1DCF关闭，同时发出关闭油泵的信号，但是油泵是否关闭，还要看2#机组的工作情况。

充满水之后，发出信号，使得其前的电磁阀1DCF打开，同时发出开泵信号，油泵把压力油给1#闸门，1#闸门继续向上提升，当达到全开的位置的时候，发出提示信号，同时把1号机组前的电磁阀1DCF关闭，同时发出关闭油泵的信号，

但是油泵是否关闭，还要看2#机组的工作情况。

当1#闸门由于某种原因下降200mm的时候，需把1#机组前的电磁阀1DCF 开启，同时发出开启油泵的信号，油泵把压力油给1号闸门，闸门继续向上提升，当达到全开的位置的时候，发出提示信号，同时把1#机组前的电磁阀1DCF关闭，同时发出关闭油泵的信号，但是油泵是否关闭，还要看2#机组的工作情况。

当1号闸门由于某种原因下降200mm的时候，使得把1#机组前的电磁阀1DCF开启，同时发出开启油泵的信号，油泵把压力油给1#闸门，但是由于某种原因，闸门并未上升，而是继续下降。当下降到300mm的时候，发出信号开启备用泵，供油来提升闸门，同时发出提示信号，告诉运行人员，备用油泵开启，当闸门达到全开的位置的时候，发出提示信号，同时把1#机组前的电磁阀1DCF 关闭，同时发出关闭油泵的信号，但是油泵是否关闭，还要看2#机组的工作情况。

2#闸门操作机械系统图动作过程与1#闸门的动作过程相同。

4.快速闸门自动控制电气原理图

结合进水闸门的控制要求，设计的自动控制电气原理图如附图0F04所示。现以1#油泵电动机1M工作、2#油泵电动机2M备用来说明油压式启闭机的自动控制过程，若需改变他们的工作状态，只需将1QC和2QC切换到相应的位置即可。

（1）闸门正常提升

油压式启闭机用油泵供给压力油，电磁配压阀则用于压力油注入闸门操作机构，以使闸门提升。

①1#需开泵，2#不需开泵：

1#闸门提升时，可将1SA切到“升”的位置或者按下1SB1，使得电磁配压阀开启线圈1YDV0励磁，其动合接点1YDV3闭合，使电磁阀继电器1DCF励磁，其接点1DCF1闭合，使2K励磁，接点2K3、2K4闭合起自保持作用。其动合接点2K1闭合。由于1QC预先已切换到自动位置，故交流接触器1MF励磁，1#油

泵电动机1M启动，油泵开始打油。1MF1闭合后使1KT励磁，经过一段时间的延时，其延时动合接点1KT1闭合，使起动阀1YV励磁，起动阀开启，压力油通过油管路经电磁阀1DCF进入油缸下腔使1#闸门开启。假如此时2#闸门从全开位置关闭，把2SA打到“降”的位置或者按下2SB2，其操作阀的关闭线圈2YDV c 励磁，油路操作电磁阀2YDV落下，油缸下腔排油，闸门失去油压后即靠自重下降到全关位置。此时油泵依然处于工作状态。

②1#需停泵，2#需开泵：

当闸门开到充水开度时，行程开关接点1ST1打开，但是2K不一定失磁，即油泵不一定停止，还要考虑2#闸门的工作情况。此时1#闸门停止上升而保持在充水高度。假如此时2#闸门由于某种原因从全开位置下滑200mm时，则继电器2DCF励磁，其接点2DCF1闭合，由于其行程开关接点2ST4闭合，则2K没有失磁，继续励磁，油泵1M继续工作，压力油通过油管路经电磁阀2DCF进入2#接力器油缸下腔，使2#闸门重新被提升到全开位置。此时油泵依然处于工作状态。

③1#需开泵，2#也需开泵：

当1#闸门后的引水管段充满水后，监视水压的压力信号器1BP的动合接点闭合，从而使2K在此接通，油泵1M继续工作，继续提升闸门至全开位置。在1#闸门由充满水后至开至全开过程中，假如此时2#闸门由于某种原因从全开位置下滑200mm时，则继电器2DCF励磁，其接点2DCF1闭合，由于其行程开关接点2ST4闭合，则此时接点1DCF1与接点2DCF1均为闭合状态，2K继续励磁，油泵1M继续工作，压力油通过油管路分别经电磁阀1DCF与2DCF进入1#接力器与2#接力器油缸下腔，使1#闸门与2#闸门均被提升到全开位置。此时油泵仍然处于工作状态。

④1#需停泵，2#也需停泵：

闸门全开后，其位置接点1ST3打开，则电磁阀1DCF失磁，其接点1DCF1断开，但是2K不一定失磁，即油泵不一定停止，还要考虑2#闸门的工作情况。假如此时2#闸门处于充水位置，则行程开关接点2ST1打开，则继电器2DCF失

磁，其接点2DCF1断开，又因为接点1DCF1也已断开，则2K失磁，即油泵停止工作。

与此同时，闸门行程接点1ST6闭合，使红色信号灯1RD1和1RD2亮。

2#闸门正常提升控制与1#闸门相同，此处不再赘述。

（2）闸门正常关闭

快速闸门的关闭，是通过关闭油路操作电磁阀，使油缸下腔排油来实现的。

关闭1#闸门时，把1SA打到“降”的位置或者按下1SB2，其操作阀的关闭线圈1YDV c励磁，油路操作电磁阀1YDV落下，油缸下腔排油，闸门失去油压后即靠自重下降到全关位置。闸门全关后，其行程开关接点1ST5断开，继电器4K失磁，故点亮闸门全关位置绿色指示灯1GN1和1GN2。

2#闸门正常关闭控制与1#闸门相同，此处不再赘述。

（3）闸门紧急关闭

如果水轮机的导叶或调速系统发生事故，则要求快速关闭闸门。

1#闸门紧急关闭时，由于1YDV操作回路中并联有机组事故引出继电器12KAS的常闭接点12KAS2，12KAS2闭合使1YDV c励磁，以后的动作过程与上述闸门的正常关闭相同，故不再重复。

2#闸门紧急关闭控制与1#闸门相同，此处不再赘述。

（4）闸门的自降提升

1#闸门提到全开位置之后，由于某种原因下滑200mm时，则由于其行程开关接点1ST4闭合，使得2K励磁，其接点2K1闭合又使1MF励磁，1M起动，闸门将重新被提升到全开位置。

1#闸门下滑超过300mm，其行程开关接点1ST2闭合，使得5K励磁，其接点5K1闭合使备用油泵投入继电器1K励磁，其动合接点1K1闭合，由于2QC 已处于备用位置，故使2MF励磁，备用油泵电动机2M即投入工作。此时由于

接点2MF2和1K2闭合自保持，所以1K继续励磁。与此同时，2MF1闭合将使2KT 励磁，其接点2KT1延时闭合即接通2YV，从而打开启动阀2YV，将闸门重新提升到全开位置。若这时油压继续下降，则油缸的油压监视压力信号器3BP动作，其接点3BP1闭合，使2KS励磁而发出报警信号。

2#闸门的自降提升控制与1#闸门相同，此处不再赘述。

若总油管油压过高，那么压力信号器2BP将动作，其接点2BP1闭合使3KT 励磁，其延时闭合接点3KT1闭合，又使3K励磁，其接点3K1或3K2打开，使1MF或2MF失磁，1M或2M停转；而3K4闭合使4KS励磁而发出报警信号。同理，备用油泵投入时，由于1K3闭合，使3KS励磁，发出报警信号。油箱油位不正常时，同样发出信号，油位过高BF1闭合，若油位过低则BF2闭合，结果均使1KS励磁而发出报警信号。

第四章课程设计总结

通过学习本次课程设计，我对电站供水系统、电站快速阀门操作机械系统、电站供水系统自动控制电气原理、电站快速闸门自动控制电气原理以及供水系统与快速闸门自动控制操作过程都有了更为细致的认识。

有了之前CAD的制图基础以及对水力机组辅助设备等专业知识的理解，这次自动化的课设也显得得心应手。辅助设备课设是绘制操作系统图，自动化课设则主要是基于操作系统图设计自动控制电气原理图。

课程设计是一个不断发现问题，进而解决问题的过程。在这个过程中，有些东西是课本上是学不到的，只有通过实践才能有很深的认识，各种东西都是总一个懵懂的状态开始一步步前进，最后到一个高度。

这次课程设计依然采用小组分工的形式，但是由于种种原因，我承担了本次课设大部分的草图设计任务以及绘制任务。供水系统机械图由于老师在给课程设计任务时大致讲解过，所以绘制并不困难，但是其电气原理图却有点麻烦。由于对水电站自动化这门课程的理解不够深刻，在课程设计过程遇到了比较多的问题。根据课本上原有的东西，在老师的指导下经过多次修改得到了比较理想的电气原理图。

通过本次课程设计，我深入了解了水电站自动化在水电站工作时的作用，并且能够根据相关资料拟定合理的系统方案并完成相关装置的自动控制电气原理图。这样不仅加深了我的理论知识，还让我学到了一些理论联系实际的设计思想及其他方面的知识，如翻阅各种专业资料，借鉴各种实际工程中的经验等。这次课程设计能够将所学知识学以致用，将理论与实践结合，对所学知识有了初步应用，但我深刻地认识到自己所学的匮乏，要想真正在自己的专业有所作为，仍需不断努力，我也将继续努力学习，不断进取，学好专业知识，对社会做出应有的贡献。通过这种课程实践操作，有助于培养我们专业知识的分析能力和解决工程问题的能力，为我们今后走上工作岗位打下必要的方法和实践基础。

总之，每一次的课设都能让我获得很多知识，都会有不一样的进步。相信在

以后的学习工作中，我也会秉承一颗认真负责的心去对待。

最后，不得不提的是，在这次课程设计过程中，我们全程都得到了甘老师的指导，得到了很多宝贵的建议，才能够更顺利地完成这次课程设计，受益匪浅。在此，由衷地感谢甘老师！

【参考文献】

[1] 郑源、陈德新等.《水轮机》.中国水利水电出版社，2011

[2] 刘忠源、徐睦书等.《水电站自动化》.中国水利水电出版社，1997

[3] 武汉水利电力学院编. 《水轮机》（下册）.电力工业出版社，1980

[4] 《小型水电站机电设计手册》（水利机械）.中国水利水电出版社，1984

[5] 许正亚.电力系统自动装置.北京：电力工业出版社，1981

[6] 华北电力学院，电力系统自动化原理与技术.北京：电力工业出版社，1982

[7] 吴峰烈等.微型机单元自动控制装置及其在水轮发电机组控制中的应用.电

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[8] 华中工学院、武汉水利电力学院.水电站自动化.北京：电力工业出版社，1982

[9] 水电部部颁标准：水利水电工程制图标准（SDJ209-82）,水利电力出版社，

1983年。

附图