水電站頂蓋排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化探討

李天智,張 英

（溪洛渡電廠籌建處，云南 永善 443133）

水電站頂蓋排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化探討

李天智,張 英

（溪洛渡電廠籌建處，云南 永善 443133）

結(jié)合部分水電站頂蓋排水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行情況，對頂蓋排水系統(tǒng)的測量裝置、控制系統(tǒng)、排水方式進(jìn)行了深入的分析，提出了應(yīng)用較好的優(yōu)化建議。

水電站；頂蓋排水系統(tǒng)；探討；優(yōu)化建議

0 前言

長期以來，水電站頂蓋排水系統(tǒng)始終是困擾水電站安全運(yùn)行的重要因素之一，說其大，它只不過是水輪機(jī)的一個輔助系統(tǒng)，說其小，他卻常常使電站機(jī)組強(qiáng)迫停運(yùn)，甚至引起水淹水導(dǎo)事故，嚴(yán)重威脅到水電站的安全穩(wěn)定運(yùn)行。在水電站蝸殼和尾水充水后，主軸密封的漏水、導(dǎo)葉套筒的漏水或其它的漏水會聚積到頂蓋上，水電站頂蓋排水系統(tǒng)的主要功能就是將頂蓋上的積水排走，防止積水過多，發(fā)生水淹水導(dǎo)的事故。本文結(jié)合國內(nèi)外部分水電站頂蓋排水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行情況，對頂蓋排水系統(tǒng)的測量裝置、控制系統(tǒng)、排水方式進(jìn)行了分析，提出了較為實(shí)用的優(yōu)化建議，希望為水電站頂蓋排水系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行提供一些幫助。

1 頂蓋水位的測量裝置

水位測量裝置種類較多，從大的方面來分主要有浮子式水位計(jì)、壓力式水位計(jì)、超聲波水位計(jì)、電子水尺、雷達(dá)水位計(jì)和激光水位計(jì)，通常頂蓋積水水位的測量主要采用浮子式水位計(jì)和壓力式水位計(jì)。

1.1 浮子式水位計(jì)

浮子式水位計(jì)是一種被廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)的測量裝置，其種類較多，但用于頂蓋水位測量的常采用磁浮子水位傳感器、磁翻板式和磁性浮球水位信號器等。此類測量裝置定型產(chǎn)品較多，但也在部分電站出現(xiàn)過一些小故障。從發(fā)生的故障來看，大致有以下幾種：1）簧管引出線焊點(diǎn)脫焊。機(jī)組振動、焊接不良是造成脫焊的主要原因。2）干簧觸點(diǎn)粘死。頂蓋上工作環(huán)境惡劣，且浮子長時間動作頻繁，容易造成干簧觸點(diǎn)粘死。3）干簧節(jié)點(diǎn)動作不穩(wěn)定。簧管有一定的動作區(qū)域，磁性浮球處于動作區(qū)域內(nèi)時節(jié)點(diǎn)動作，在區(qū)域外時節(jié)點(diǎn)返回，如果水位上升過快，浮球經(jīng)過簧管動作區(qū)域的時間小于裝置啟動整定時間，控制裝置就不能啟動。在水位升高以后水位隨大軸旋轉(zhuǎn)而上下波動，也會引起干簧節(jié)點(diǎn)動作不穩(wěn)定。4）浮子表面易附污垢導(dǎo)致浮子變重和腐爛，節(jié)點(diǎn)難于翻轉(zhuǎn)。5）浮子的引出電纜也長期浸泡在油水中，容易被腐蝕，造成信號拒動及控制電源短路。

1.2 壓力式水位計(jì)

壓力式水位計(jì)是近年來發(fā)展較快的一種測量裝置，其通過壓力傳感器，把與液位深度成正比的液體靜壓力準(zhǔn)確測量出來，并經(jīng)過專用信號調(diào)理電路轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)（電流或電壓）信號輸出，建立起輸出信號與液體深度的線性對應(yīng)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)對液體深度的精確測量。此類產(chǎn)品在電站實(shí)際運(yùn)行過程中也出現(xiàn)過一些小故障：1）泥沙於堵測壓進(jìn)水孔。由于其測壓變送器的進(jìn)水只有幾個小孔，而有些電站水中泥沙含量很高，泥沙很容易於堵進(jìn)水孔，造成測量水位不變，引起嚴(yán)重后果。2）有一定的測量誤差。由于頂蓋積水有時候泥沙含量高，有時候水中漏油較多，有時候又為清水，積水的密度相差較大，引起水位測量誤差。

1.3 優(yōu)化建議

頂蓋積水水位的測量是防止水淹水導(dǎo)、造成機(jī)組強(qiáng)停最為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，是電廠運(yùn)行值班人員準(zhǔn)確監(jiān)視的基礎(chǔ)，是控制系統(tǒng)成功與否的重要因素，為了保證測量準(zhǔn)確可靠和以后的檢修維護(hù)方便，所選測量元件在選用成功定型產(chǎn)品的同時還應(yīng)關(guān)注以下幾點(diǎn)：1）結(jié)合電站的實(shí)際情況，考慮各類測量裝置的優(yōu)缺點(diǎn)，充分調(diào)研，選用適合電站特點(diǎn)的產(chǎn)品。2）裝設(shè)2套以上不同測量原理的測量裝置，有條件的電站可以裝設(shè)2套水位傳感器（模擬量4～20m A實(shí)時監(jiān)測）和2套水位信號器（開關(guān)節(jié)點(diǎn)定值控制）。3）對水位波動時節(jié)點(diǎn)的抖動現(xiàn)象，可采用延時的方法解決。4）要充分考慮測量裝置電源的可靠性，最好不同的測量裝置取用不同來源的電源。5）安裝規(guī)范。要按照相關(guān)產(chǎn)品說明書要求，必須豎直安裝，不能有傾斜；考慮到頂蓋的振動較大，裝設(shè)必須牢固可靠；各套傳感器安裝要采用統(tǒng)一的水位基準(zhǔn)點(diǎn)。

2 頂蓋泵控制系統(tǒng)

頂蓋排水系統(tǒng)的排水方式雖然有幾種選擇，但頂蓋泵強(qiáng)迫排水是大多數(shù)水電站選擇的方式之一，頂蓋泵控制系統(tǒng)是頂蓋排水系統(tǒng)的中樞，在此，就頂蓋泵控制系統(tǒng)進(jìn)行分析。

2.1 常規(guī)回路控制

早期各二次控制系統(tǒng)多采用常規(guī)回路控制，它是采用開關(guān)、節(jié)點(diǎn)、各類繼電器、接觸器、熔斷器、信號指示等元器件組成的控制回路。其優(yōu)點(diǎn)：各控制元器件均可以看見，哪一個元件故障能較為直觀的看出來。缺點(diǎn)：元件的故障率高，控制原理的改變都要進(jìn)行硬件的改動，控制方式不靈活，可靠性差，維護(hù)工作量大。

2.2 可編程控制

隨著可編程控制技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在二次控制系統(tǒng)也較多采用PLC控制。其優(yōu)點(diǎn)：可通過編程，實(shí)現(xiàn)靈活控制；易實(shí)現(xiàn)邏輯判斷、分析處理、自診斷和自檢功能；與上位機(jī)通訊方便，易實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)方監(jiān)控。缺點(diǎn)：有些PLC程序運(yùn)行一段時間后容易死機(jī)；不同廠家的產(chǎn)品互換性差。

2.3 優(yōu)化建議

鑒于頂蓋排水系統(tǒng)的重要性，建議有條件的電站采用混合控制方式，在采用PLC控制的同時，還增設(shè)簡單的常規(guī)回路控制。在正常情況下，采用PLC控制，在PLC故障時，自動切至常規(guī)回路控制，最好在電站監(jiān)控系統(tǒng)上的啟停命令能跨過PLC，直接作用于常規(guī)回路。

每臺頂蓋泵的動力電源最好取用獨(dú)立的電源，避免電源發(fā)生短路后，所有頂蓋泵動力電源都消失；有條件的電站，應(yīng)考慮其上端電源應(yīng)來自不同的0.4k V盤柜，避免上端電源消失后，所有頂蓋泵無動力電源。

采用計(jì)時的方式對每一臺泵的運(yùn)行時間進(jìn)行累計(jì)，當(dāng)主用泵運(yùn)行一段時間（可人為設(shè)定）后，自動將其切換為備用泵，減少人為切換，使各臺泵運(yùn)行時間均衡。加設(shè)頂蓋泵每次運(yùn)行時間監(jiān)測，當(dāng)一臺泵運(yùn)行時間較長（可根據(jù)實(shí)際情況設(shè)定）后，向監(jiān)控系統(tǒng)輸出報警信號，同時啟動備用泵，以實(shí)現(xiàn)泵排水效率低和異常漏水的監(jiān)視。將接收到的水位信號進(jìn)行比對，發(fā)現(xiàn)較大偏差時，以接近上一次水位值為有效值，同時向監(jiān)控系統(tǒng)輸出報警信號，實(shí)現(xiàn)測量裝置異常監(jiān)視?？刂苹芈芬瞬捎面i存繼電器以保存啟動控制命令，在控制和動力電源切換后以及動力柜電源短時失電恢復(fù)后，系統(tǒng)能自動恢復(fù)此前的工作狀態(tài)。

3 排水方式的選擇

根據(jù)國內(nèi)外水電站的設(shè)計(jì)和運(yùn)行情況來看，水電站的頂蓋排水系統(tǒng)一般選用三種排水方式：自流排水方式、頂蓋泵排水方式、射流泵排水方式。

3.1 自流排水方式

自流排水方式是最為經(jīng)濟(jì)的一種方式，主要用于混流式機(jī)組。它就是將部分固定導(dǎo)葉的中心開一個小孔，通過固定導(dǎo)葉的小孔把頂蓋上的積水排走，開孔導(dǎo)葉的數(shù)量和布置的位置要結(jié)合漏水的估算和頂蓋上設(shè)備布置情況。

3.2 頂蓋泵排水方式

頂蓋泵排水方式是水電站應(yīng)用最為廣泛的一種方式，是軸流轉(zhuǎn)槳式機(jī)組常用的一種排水方式。隨著電力工業(yè)的發(fā)展，頂蓋泵的選擇種類也比較多，有普通離心泵、自吸泵和潛水泵等。頂蓋排水泵的使用環(huán)境和電力生產(chǎn)特點(diǎn)決定了其在性能上必須具備以下優(yōu)點(diǎn)：1）故障率低，可靠性高，便于故障處理，故障處理時間短。2）能夠頻繁啟停。3）抗磨損、壽命長、能長期輸送泥沙含量較高的水。

（1）普通離心泵

普通離心泵（非自灌式離心泵）需加引水并設(shè)置底閥，在頂蓋上積水很淺且易淤積泥沙的環(huán)境，底閥故障率高，一旦底閥出現(xiàn)故障，水泵就不能正常工作，在頂蓋較為狹小的空間里檢修底閥比較麻煩。普通離心泵不適合作為頂蓋排水泵。

（2）自吸泵

國內(nèi)外一些水電站選用自吸泵作為頂蓋泵，自吸泵在起動前不需灌水（在泵首次啟動之前需灌水），經(jīng)短時間運(yùn)轉(zhuǎn)，靠泵本身的作用，即可把水吸上來，投入正常運(yùn)轉(zhuǎn)。但自吸泵起動后不會立即出水，一般有1～3min間歇供水時間，因此在機(jī)組開機(jī)時，如果遇到水封漏水很大，則容易引起淹水導(dǎo)事故。根據(jù)自吸泵的工作原理，和水泵相連的進(jìn)出水管接口必須緊固密封，吸水管端法蘭、閥門或管路漏氣，水泵都不會正常工作。其中電動空氣閥故障率相對較高，原因是電動空氣閥密封件為橡膠材料，暴露在空氣中易老化和進(jìn)入灰塵，在頻繁啟停的情況下密封受損很快。一旦電動空氣閥密封受損，在水泵下次啟動時就不能可靠密封，從而導(dǎo)致空氣進(jìn)入吸水管路而使水泵抽不上來水，造成機(jī)組強(qiáng)迫停運(yùn)。

（3）潛水泵

潛水泵的泵體和電動機(jī)可浸入水中工作，是水電站選用較多的一種頂蓋泵。其主要優(yōu)點(diǎn)有以下幾個方面：噪音較小，啟動迅速，系統(tǒng)效率高，造價低，耗能少，可靠性高，安裝、使用、維護(hù)方便簡單。但在使用過程中電源必須接地可靠，加裝漏電保護(hù)器；對雜物較多的水源抽水時要加過濾網(wǎng)。

3.3 射流泵排水方式

在水電站設(shè)計(jì)中，頂蓋內(nèi)的積水雖然一般采用自流排水或頂蓋泵排水，但也有裝設(shè)射流泵作為備用排水方式。射流泵的噴嘴一般選擇與上游水庫相連（一般從壓力鋼管引入），利用其壓力水將頂蓋上的積水排出。在水電站遭遇地質(zhì)災(zāi)害，廠用電源全部消失的情況下，射流泵排水就顯得非常重要了，這也要求與其相關(guān)聯(lián)的設(shè)備都要考慮可純手動操作。

3.4 優(yōu)化建議

（1）在條件允許的情況下，頂蓋排水系統(tǒng)首選自流排水方式，其次根據(jù)實(shí)際情況選用頂蓋泵排水方式和射流泵排水方式，有條件的電站應(yīng)選用2種方式混合運(yùn)行。

（2）頂蓋泵的出口除了安裝高質(zhì)量的逆止閥外，應(yīng)在逆止閥的外端加裝截止閥，用于逆止閥損壞后關(guān)斷水流檢修。

（3）有條件的電站應(yīng)在每一臺排水泵后安裝獨(dú)立的排水管，避免排水管破裂后影響整個排水，也可避免排水回流的問題。

（4）頂蓋加強(qiáng)筋板底部的積水通孔在滿足頂蓋強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，應(yīng)保證開孔足夠，以滿足匯流的水量大于泵的排水水量，避免泵頻繁啟動和極端情況下局部淹水導(dǎo)。

（5）采用自流排水方式要在固定導(dǎo)葉的小孔上裝設(shè)濾網(wǎng)，防止導(dǎo)水孔的堵塞；射流泵的噴嘴入口處要裝設(shè)濾網(wǎng)，防止垃圾造成堵塞；如排水直接排到下游尾水水位以下，建議在出水口也加裝濾網(wǎng)，避免尾水回水將異物帶入排水管，將其堵塞。

（6）有條件的電站可利用技術(shù)供水泵的變頻控制技術(shù)，把頂蓋排出的壓力水并入技術(shù)供水系統(tǒng)，作為機(jī)組的冷卻水，達(dá)到節(jié)約能源的目的。

4 結(jié)語

頂蓋排水系統(tǒng)是水電站安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要保障，在其設(shè)計(jì)中應(yīng)體現(xiàn)“安全可靠、配置合理、維護(hù)方便”的原則，重點(diǎn)要解決的問題是：1）水位測量裝置準(zhǔn)確可靠；2）控制系統(tǒng)應(yīng)具備高度的冗余功能和極端情況下的應(yīng)急功能；3）排水方式節(jié)能、可靠。當(dāng)然，要想從根本上解決頂蓋排水系統(tǒng)的問題，還必須從漏水這一源頭抓起，研究提高機(jī)組主軸密封的有效性和導(dǎo)葉套筒的密封性，減少頂蓋的漏水量，為機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行提供更加優(yōu)異的條件。

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1672-5387（2013）01-0020-03

2012-05-17

李天智（1974-），男，高級工程師，從事水電站技術(shù)工作。