關(guān)于生態(tài)流量與發(fā)電調(diào)水自動(dòng)控制系統(tǒng)的改造及應(yīng)用

林鳴耀

（泉州市龍門灘引水工程管理處，福建 泉州362500）

1 概況

福建省泉州市彭村水庫是一座以供水、防洪功能為主兼有發(fā)電等綜合效益的中型水利樞紐工程，是泉州七庫連通工程的源頭水庫。該水庫是泉州地區(qū)的第三大水庫和最大的中型水庫，是晉江下游600 多萬泉州人民的應(yīng)急備用水源工程。大壩控制流域面積144.5 km2，多年平均徑流量1.76 億m3；水庫正常蓄水位642 m，總庫容7843 萬m3。彭村水庫電站裝機(jī)容量為2×3.7MW，水輪機(jī)型號(hào)HLA630-WJ-84，最大水頭95 m，額定水頭80 m、最小水頭69 m，額定流量5.234 m3/s；因此，利用水輪發(fā)電機(jī)組開機(jī)能確保≮0.7 m3/s 生態(tài)流量要求。

因原放水錐閥的控制方式是采用人工現(xiàn)場(chǎng)操作模式進(jìn)行的，且兼有不宜頻繁操作及執(zhí)行生態(tài)放水任務(wù)時(shí)產(chǎn)生的噪音和揚(yáng)水潮氣污染等問題。本次改造的目的在于解決上述問題的同時(shí)，充分利用水資源創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益和減少人力資源的投入及控制的方便快捷，保證生態(tài)下泄系統(tǒng)的持續(xù)不間斷運(yùn)行。

2 改造前的要點(diǎn)和難點(diǎn)分析

2.1 電氣方面

本次改造首先分析機(jī)組自動(dòng)化系統(tǒng)是否具備生態(tài)放水在機(jī)組發(fā)電時(shí)能自動(dòng)關(guān)閉，機(jī)組停機(jī)自動(dòng)能開啟的功能。

彭村水庫電站電氣主接線圖見圖1。

由圖1 可見，本電站均配備KYN 型系列高壓柜，采用可移開式開關(guān)手車，所有的開關(guān)量均發(fā)送到機(jī)組LCU 自動(dòng)化控制系統(tǒng)進(jìn)行控制，只要在原有的開停機(jī)自動(dòng)系統(tǒng)流程中稍加改造，判斷機(jī)組出口601、602 開關(guān)的分合閘位置用于自動(dòng)控制生態(tài)下泄流量的啟閉。綜上，電氣方面具備改造條件。

圖1 彭村水庫電站電氣主接線圖

2.2 機(jī)械方面

本次改造其次要分析生態(tài)放水系統(tǒng)是否具備機(jī)組自動(dòng)化系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)功能。

2.2.1 原生態(tài)放水系統(tǒng)的構(gòu)成

本單位采用管道式生態(tài)下泄流量控制，生態(tài)放水系統(tǒng)主要由生態(tài)放水碟閥和放水錐閥及配套操作系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)組成（見圖2）。生態(tài)放水系統(tǒng)的主要控制元件由生態(tài)放水主閥和放水錐閥為DN400、1.6 MPa 電、手動(dòng)蝶閥和錐閥組成；經(jīng)查閱資料及聯(lián)系廠家，蝶閥和錐閥均不能配合機(jī)組開停機(jī)進(jìn)行頻繁開關(guān)操作。為達(dá)到改造預(yù)期效果，需選用一款能配合機(jī)組頻繁開停機(jī)操作并具備調(diào)流調(diào)壓功能的閥門進(jìn)行改造安裝。

圖2 生態(tài)放水系統(tǒng)圖

思路的切入點(diǎn)為機(jī)組自動(dòng)化開停機(jī)流程中使用的技術(shù)供水電動(dòng)液壓控制閥能配合機(jī)組的頻繁開停機(jī)操作。為此，特地向多家相關(guān)閥門廠家進(jìn)行技術(shù)改造選型的相關(guān)咨詢；經(jīng)總結(jié)，X600 水力電動(dòng)控制閥（見圖3）具備上述功能。

圖3 改進(jìn)前X600 液控閥

2.2.2 X600 液控閥的改進(jìn)

X600 水力電動(dòng)控制閥的作用與用途：該閥門是用來安裝在管道中，作業(yè)遙控開啟和關(guān)閉的閥門?？扇〈脕韱㈤]閘閥或蝶閥的大型電動(dòng)裝置，具有體積小、重量輕、維修簡(jiǎn)單、使用方便、安全可靠，并允許應(yīng)用于需要頻繁操作的場(chǎng)合。X600 水力電動(dòng)控制閥的應(yīng)用徹底解決了生態(tài)放水碟閥和生態(tài)放水錐閥不能頻繁操作的問題。因該液控閥正常只有全開和全關(guān)兩個(gè)位置，據(jù)廠家提供數(shù)據(jù)DN400、X600 液控閥最大過水流量為≮2.5 m3/s，為此需對(duì)該閥門進(jìn)行改進(jìn)，增加用于調(diào)整液控閥開啟時(shí)的開度。

改進(jìn)后在該液控閥閥膜片壓板上腔增加上限位調(diào)節(jié)桿（見圖4）用于調(diào)整控制閥門開啟時(shí)的開度，并具備一定的調(diào)流調(diào)壓功能，保證生態(tài)下泄流量≮0.7 m3/s 流量的可調(diào)整性能。

圖4 改進(jìn)后X600 液控閥

3 改造方案的實(shí)施

3.1 機(jī)械方面的改造

X600 液控閥安裝，見圖5。本次改造安裝不再采用放水錐閥進(jìn)行泄壓放水；原因如下：雖然該類型閥門具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量輕、啟閉力小操作輕便、泄流時(shí)噴出水舌為喇叭狀，空中擴(kuò)散摻氣、消能效果好等優(yōu)點(diǎn)；但由于該類閥門的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定了工作過程中不可避免的會(huì)產(chǎn)生氣穴現(xiàn)象，即當(dāng)水流通過錐形閥口或經(jīng)過狹窄縫隙等處時(shí)，流通面積縮小，流速升高，壓差增大，閥口處產(chǎn)生低壓區(qū)域，局部壓力下降至飽和和蒸氣壓以下，氣穴現(xiàn)象由此產(chǎn)生。而氣穴現(xiàn)象對(duì)錐形閥本事有諸多不利影響，氣穴現(xiàn)象產(chǎn)生的氣泡如果潰滅，將產(chǎn)生汽蝕現(xiàn)象。汽蝕現(xiàn)象會(huì)引起噪音及機(jī)械振動(dòng)。因項(xiàng)目地點(diǎn)臨近村落，為解決村民反映的生態(tài)放水噪音問題，本次改造放棄使用錐形閥，采用排水彎管（出水口高程負(fù)1 m 安裝） 加消能池的方法進(jìn)行生態(tài)放水下泄排放(見圖5）。

圖5 改造后X600 液控閥安裝圖

3.2 電氣方面的改造

3.2.1 X600 液控閥與機(jī)組自動(dòng)化LCU 的聯(lián)控改造

將閥門的自動(dòng)控制結(jié)合到機(jī)組的自動(dòng)化開停機(jī)流程中，實(shí)現(xiàn)X600 液控閥的自動(dòng)控制。

X600 液控閥的自動(dòng)控制原理見圖6。

圖6 X600 液控閥自動(dòng)控制原理方框圖

當(dāng)兩臺(tái)機(jī)組的出口開關(guān)手車處于“工作”位時(shí)，且任意某個(gè)開關(guān)處于合閘狀態(tài)即通過機(jī)組LCU 命令現(xiàn)場(chǎng)X600 液控閥CPU 執(zhí)行關(guān)閥令，系統(tǒng)進(jìn)入機(jī)組發(fā)電生態(tài)下泄?fàn)顟B(tài)。

當(dāng)兩臺(tái)機(jī)組的出口開關(guān)手車處于“工作”位時(shí)，且兩開關(guān)均處于斷開狀態(tài)時(shí)即通過機(jī)組LCU 命令現(xiàn)場(chǎng)X600 液控閥CPU執(zhí)行開閥令，系統(tǒng)進(jìn)入管道生態(tài)下泄?fàn)顟B(tài)。

關(guān)閥回路判斷開關(guān)手車“工作”位置的目的在于為保證機(jī)組檢修開關(guān)手車處于“試驗(yàn)”位置時(shí)，因繼保試驗(yàn)等需要的合開關(guān)時(shí)操作引起的誤關(guān)生態(tài)下泄液控閥的現(xiàn)象發(fā)生。開閥回路判斷開關(guān)手車非“工作”位置，在于保證機(jī)組檢修開關(guān)手車在非“工作”位置時(shí)，應(yīng)無條件執(zhí)行開閥令，保證既定生態(tài)下泄流量的不間斷執(zhí)行。

3.2.2 X600 液控閥與機(jī)組自動(dòng)化LCU 的聯(lián)控改造

X600 液控閥現(xiàn)場(chǎng)CPU 控制原理見圖7。

圖7 X600 液控閥現(xiàn)場(chǎng)CPU 控制原理圖

為保證系統(tǒng)X600 液控閥工作的可靠性，在該系統(tǒng)的電源部分增加了UPS 不間斷電源容量為1000VA 一套（見圖6）?，F(xiàn)場(chǎng)設(shè)置控制方式轉(zhuǎn)換開關(guān)，正常系統(tǒng)處于遠(yuǎn)方“自動(dòng)”控制狀態(tài)；系統(tǒng)異常時(shí)可切換至“手動(dòng)”狀態(tài)，由電站運(yùn)行人員判斷，在上位機(jī)電腦手動(dòng)開關(guān)閥門；當(dāng)機(jī)組LCU 處于檢修狀態(tài)時(shí)亦可用于進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)開關(guān)液控閥操作。

為保證生態(tài)放水系統(tǒng)X600 液控閥工作的可靠性，本次改造采用常開式電磁閥用于X600 液控閥的控制；即在不執(zhí)行生態(tài)放水任務(wù)時(shí)該電磁閥處于通電狀態(tài)，當(dāng)執(zhí)行生態(tài)放水任務(wù)時(shí)該電磁閥處于斷電狀態(tài)，保證因系統(tǒng)停電或系統(tǒng)故障及檢修時(shí)引起的誤關(guān)閉液控閥的操作，是確保生態(tài)下泄流量持續(xù)不間斷放水的另一技術(shù)保障措施。

4 生態(tài)下泄流量改造后經(jīng)濟(jì)效益

根據(jù)水利部門要求彭村水庫下泄流量為≮0.7 m3/s；改造前，通過生態(tài)放水系統(tǒng)的管道24 小時(shí)不間斷執(zhí)行生態(tài)下泄流量任務(wù)每年需放水2207.52 萬m3；我處批復(fù)電價(jià)為0.331 元，如果全部用于發(fā)電可產(chǎn)生441.5 萬kW·h 的電能, 創(chuàng)收146 萬元。彭村水庫電站裝機(jī)容量為2×3.7MW，多年平均發(fā)電量為2830 kW·h,年利用小時(shí)數(shù)3825 h，設(shè)計(jì)高程為80 m、設(shè)計(jì)單機(jī)流量為5.234 m3/s；豐水期實(shí)際雙機(jī)同時(shí)運(yùn)行小時(shí)數(shù)約1440 h，單機(jī)運(yùn)行小時(shí)數(shù)約2780 h，即全年機(jī)組開機(jī)保證生態(tài)流量時(shí)間約為4220 h。如果在開機(jī)發(fā)電期間關(guān)閉生態(tài)下泄流量0.7 m3/s 計(jì)算，全年可節(jié)省水能1063.44 萬m3用于發(fā)電212.688 萬kW·h，創(chuàng)收70.4 萬元；本次改造費(fèi)用9.4 萬元，投入產(chǎn)出比例達(dá)749%。

5 結(jié)語

5.1 結(jié)論

經(jīng)技術(shù)更新改造以來，設(shè)備運(yùn)行可靠穩(wěn)定。因此，只要合理安排發(fā)電計(jì)劃調(diào)整發(fā)電負(fù)荷充分利用機(jī)組發(fā)電的方式進(jìn)行生態(tài)流量下泄；既保證生態(tài)下泄流量的需求又能更好的充分利用水利資源創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益。本次技術(shù)改造原理簡(jiǎn)單，具有投入資金少、見效快；并具備技術(shù)普遍性等特點(diǎn)。既充分利用水利資源創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益又減少管理成本和人員成本的投入。

5.2 建議

河床式電站及壩后式電站可采用的自動(dòng)化控制方式有微機(jī)自動(dòng)化控制，控制電纜控制和無線遙控三種。對(duì)于新建項(xiàng)目和已建控制水平較高的，可考慮將生態(tài)流量控制編入機(jī)組開停機(jī)流程采用微機(jī)自動(dòng)化控制。對(duì)于機(jī)組較小且自動(dòng)化控制水平較低的可采用直接根據(jù)機(jī)組出口開關(guān)及刀閘的開關(guān)量，通過控制電纜直接連接的方式進(jìn)行自動(dòng)化控制改造。對(duì)于視野比較開闊且控制光纜或控制電纜難以敷設(shè)的，可采用現(xiàn)場(chǎng)開關(guān)量加無線I/O 控制器對(duì)現(xiàn)地?zé)o線I/O 控制器進(jìn)行組網(wǎng)無線同步控制執(zhí)行生態(tài)下泄流量的開關(guān)操作。