灘坑水電站水淹廠房控制保護回路分析及優(yōu)化

摘要：對水電站水淹廠房的危害和風險進行了分析，結(jié)合灘坑水電站的防水淹廠房水力機械設備控制保護回路設計上存在的不足和實際運行過程存在的問題，提出有針對性的措施并付諸于實踐，為國內(nèi)外大中型水電站在防水淹廠房設計和改造提供借鑒。

關鍵詞：水電站;防水淹廠房;風險分析;優(yōu)化改造

1、 引言

灘坑水電站位于浙江省青田縣境內(nèi)甌江支流小溪中游河段，工程主要任務為發(fā)電，兼顧防洪。水庫正常蓄水位160m，總庫容41.9億m?，調(diào)節(jié)庫容21.26億m?，為多年調(diào)節(jié)水庫。電站總裝機容量為604MW，保證出力87.8MW，多年平均發(fā)電量10.23億kWh，電站于2009年7月全部投產(chǎn)發(fā)電。2009年8月17日俄羅斯薩楊—舒申斯水電站發(fā)生的水淹廠房事故，導致變壓器發(fā)生爆炸、水電站墻體損毀、機房進水，造成75人死亡、130億美元的巨大經(jīng)濟損失和廣泛的社會負面影響。此次事件后，國內(nèi)外水電界針對此次事故進行分析，提出了一系列的防止水淹廠房事故的建議和措施，并在相應標準制度修訂時提出一系列新的要求。本文針對近些年關于水淹廠房新的要求重點梳理了灘坑水電站防水淹廠房水力機械設備控制保護回路設計上存在的不足和實際運行過程存在的問題，并結(jié)合日常改造對這些問題提出改進措施，提高水機和閘門保護動作的可靠性，降低灘坑水電站上游側(cè)來水量大導致水淹廠房的風險性。

2、 原防水淹廠房水力機械系統(tǒng)保護邏輯及配置

灘坑水電站引水發(fā)電系統(tǒng)主要由電站進水口、引水隧道、引水式地面廠房系統(tǒng)等組成，發(fā)電引水洞采用單洞單機布置，機組選用混流式機組，主閥采用筒形閥，進水口配置事故檢修閘門。防水淹廠房水力機械方面保護回路邏輯為：當安裝在廠房上游側(cè)廊道（廠房最低高程）的浮球水位計動作后，水淹廠房報警信號送到電站監(jiān)控系統(tǒng)，由運行人員人為判斷，在監(jiān)控系統(tǒng)中手動操作緊急事故停機關閉機組導葉和機組筒形閥，同時通過進水口LCU發(fā)出緊急關閉閘門指令到進水口事故檢修閘門啟閉機控制柜關閉閘門，以實現(xiàn)快速截斷上游側(cè)來水，防止事故的進一步擴大。

3、 原設計存在的問題及風險點

3.1水位計設置不合理

原設計只在廠房上游側(cè)廊道（廠房最低高程）設置2只浮球水位計，每只水位計輸出1付報警節(jié)點信號至公用設備LCU，當其中一個浮球動作后，發(fā)出水淹廠房報警信號。因水位計安裝在交通廊道旁，如果水位計發(fā)生故障或在此區(qū)域工作不小心碰到浮球都有可能觸發(fā)信號報警，極易造成信號誤報。

3.2機組未設置獨立的水機保護

當機組發(fā)生水力機械故障時，只是單純通過水電廠監(jiān)控系統(tǒng)來實現(xiàn)機組緊急停機，實現(xiàn)快速關閉導葉和筒形閥功能，但是當監(jiān)控系統(tǒng)控制單元冗余系統(tǒng)發(fā)生故障或工作電源全部失去時，就無法實現(xiàn)機組自動緊急停機，只能靠運行人員到各個現(xiàn)地控制裝置去手動操作停機，不能及時有效地快速隔離故障，可能造成事故的進一步擴大。

3.3進水口未設置獨立關閉閘門的硬回路

電站未配置獨立于監(jiān)控系統(tǒng)之外硬布線（包括獨立電纜）防止水淹廠房緊急操作系統(tǒng)，在發(fā)生水淹廠房時，中控室運行人員只能通過監(jiān)控系統(tǒng)操作進水口LCU發(fā)出緊急落門指令，如果監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)生控制單元冗余系統(tǒng)發(fā)生故障、工作電源全部失去時或通訊故障時，就不能實現(xiàn)遠方快速落進水口事故檢修閘門。

3.4進水口配電系統(tǒng)未配置備用電源

進水口閘門啟閉機及控制系統(tǒng)采用單路供電，電源取自電廠廠用電10.5kVⅠ段，通過一臺型號為SGB10-400/10的干式變壓器降壓至400V后供電。一旦廠房進水、廠用電失電、變壓器、電纜檢修或發(fā)生事故，將導致進水口配電系統(tǒng)失電，機組進水口事故檢修閘門無法正常工作。進水口機組事故檢修閘門如果在事故情況下不能及時關閉，將對機組和大壩安全形成嚴重的威脅，影響電站的安全穩(wěn)定運行。

3.5調(diào)速系統(tǒng)不具備失電關閉功能

在2014版《防止電力生產(chǎn)重大事故的二十五項重點要求》之前，從維持電網(wǎng)穩(wěn)定的角度考慮，當水輪發(fā)電機組的保護和控制回路電壓消失時，調(diào)速系統(tǒng)相關標準和設計都是要求導葉保持失電前的狀態(tài)，機組保持原狀態(tài)運行，不設置失電自動關閉導葉功能。但是隨著我國電網(wǎng)的不斷擴大和技術的進步，單臺機組突然跳機對電網(wǎng)頻率和電壓影響越來越小，當電廠發(fā)生故障時，快速關閉導葉，截斷上游來水，防止事故的進一步擴大，對電站的安全運行有著重要意義。

4防水淹廠房功能及方案優(yōu)化

4.1水位信號裝置和邏輯優(yōu)化

原有兩只浮球水位計只有一副接點輸出，現(xiàn)在上游側(cè)廊道兩個地點分別選用兩種不同原理的水位計，一套采用浮球式水位計，一套采用電極式水位計，每套水位計帶2付獨立接點輸出，各設置1個低限位報警，1個高限停機落閘門接點，將這些信號送到水淹廠房PLC。為了防止誤動采用低限閉鎖高限的方式，全廠采用4取2的控制方式，且不同型式的水位計至少1套動作，并在兩套水位計外部加裝EC套管防止誤碰。

4.2增設獨立的水機事故停機系統(tǒng)

按照《水力發(fā)電廠計算機監(jiān)控系統(tǒng)設計規(guī)范（DL/T5065-2009）》要求，灘坑水電站在2019年進行監(jiān)控系統(tǒng)改造時，在機組現(xiàn)地控制單元之外，單獨設置了一套獨立的PLC用于水機保護停機，該系統(tǒng)包含獨立繼電器、獨立電源、獨立輸入輸出信號，可在發(fā)生重要的水機事故、現(xiàn)地控制單元監(jiān)控系統(tǒng)LCU冗余系統(tǒng)全部故障、工作電源全部失去等故障時，確保機組可靠停機。

4.3增設獨立的水淹廠房系統(tǒng)

電站新配置1套獨立于計算機監(jiān)控系統(tǒng)之外硬布線（包括獨立電纜）防水淹廠房緊急操作系統(tǒng)，在發(fā)生水淹廠房時，能夠?qū)崿F(xiàn)緊急停機和快速落進水口事故檢修閘門功能。該系統(tǒng)配置獨立光端機、獨立光纖回路、中控室設置緊急停機和落進水口閘門按鈕、獨立水淹廠房PLC、獨立繼電器和出口動作回路等設備，作為獨立于監(jiān)控系統(tǒng)以外的備用通道。當水淹廠房PLC判斷滿足水淹廠房條件時，緊急停機信號送到監(jiān)控系統(tǒng)各機組LCU和水機保護PLC系統(tǒng)，機組執(zhí)行事故停機流程，關閉機組導葉和筒形閥;同時水淹廠房PLC將水淹廠房信號送到監(jiān)控系統(tǒng)進水口LCU和新增的水淹廠房光端機，監(jiān)控系統(tǒng)進水口LCU和水淹廠房光端機同時把緊急落閘門信號開出到進水口閘門現(xiàn)地控制柜，實現(xiàn)緊急落進水口事故檢修閘門。增設的水淹廠房硬布線回路，作為監(jiān)控系統(tǒng)的備用回路，進一步提高機組緊急停機和緊急關閉閘門動作的可靠性。

4.4增加進水口配電系統(tǒng)備用電源

為了提高進水口配電系統(tǒng)供電可靠性，在進水口配電室新增加一臺功率為600kW的柴油發(fā)電機組作為進水口配電系統(tǒng)的備用電源，并對進水口400V配電盤進行改造，使之具備柴油發(fā)電機自動啟動和配電盤電源自動切換功能。改造后的柴油發(fā)電機開關與進水口400V配電盤進線開關進行電氣閉鎖，當進水口400V配電盤母線電壓失壓時，經(jīng)3秒延時自動啟動柴油發(fā)電機組向進水口400V配電盤供電。當檢測到進水口400V配電盤工作電源恢復時，柴油發(fā)電機組斷路器自動分閘并自動停機，進水口恢復正常供電運行。

4.5設置調(diào)速系統(tǒng)停電動作功能

按照新的要求，電站結(jié)合現(xiàn)有調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，對機組的緊急停機回路進行改造，增設失電關閉回路，以實現(xiàn)調(diào)速器控制回路具備得電關閉和失電關閉導葉功能。得電關閉油路和失電關閉油路采用并聯(lián)方式，任一油路動作都可使水輪機組緊急關閉。得電關閉控制部分利用原有的緊急停機回路，當緊停電磁閥帶電后，緊停液動閥A與主配壓閥控制腔相通，實現(xiàn)機組關機。失電關閉控制部分以串聯(lián)方式依次連接的失電動作閥A、失電動作閥B、失電切除閥、失電聯(lián)動閥、緊停液動閥B，失電動作閥A的輸入口與壓力油連接，緊停液動閥B的輸入口與主配壓閥控制腔相連，只有失電動作閥A和失電動作閥B兩個閥門全部失電，此油路才會接通去關閉導葉，防止單個失電動作閥線圈燒毀或信號線故障造成機組誤停機，起到非正常動作容錯功能，提高設備運行的穩(wěn)定性。

5、結(jié)語

水淹廠房是水電站重大風險之一，水淹廠房事故的特點是突發(fā)性、發(fā)展快，造成的后果極其嚴重。正是因為這些特點，如何保證水力機械設備動作的可靠性就尤為重要，防水淹廠房保護回路一旦發(fā)生誤動作或拒動將給電廠安全穩(wěn)定運行和經(jīng)濟效益帶來重大影響。灘坑水電站根據(jù)國家或行業(yè)標準和規(guī)定新的要求，結(jié)合本電站具體類型的實際情況，制定了切合本電站實際的防止水淹廠房應對措施并付諸實施，進一步提高了水力機械設備動作的可靠性，有效的降低了上游側(cè)來水造成的水淹廠房風險，值得國內(nèi)外大中型水電站在設計和改造過程中借鑒使用。

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作者簡介：劉峰（1982—），男，湖北廣水人，工程師，工學碩士，主要從事為水電廠運行、維護和診斷。