容積式單孔漏水測(cè)量裝置在張河灣抽水蓄能電站的應(yīng)用

韓曉濤，袁鵬飛，王澤玉，高海榮，邱 偉，董旭龍

（1.國(guó)網(wǎng)新源控股有限公司檢修分公司，北京市 100068；2.河北張河灣蓄能發(fā)電有限責(zé)任公司，河北省石家莊市 050300）

0 引言

張河灣抽水蓄能電站位于河北省石家莊市井陘縣測(cè)魚鎮(zhèn)附近的甘陶河干流上。電站總裝機(jī)容量1000MW，裝機(jī)4臺(tái)，單機(jī)容量250MW。電站樞紐主要由上水庫(kù)、水道系統(tǒng)、地下廠房系統(tǒng)及地面出線場(chǎng)、下水庫(kù)攔河壩和攔排沙工程等組成，工程等級(jí)為一等。

上水庫(kù)位于下水庫(kù)左岸的老爺廟山頂，采用開挖筑壩圍庫(kù)而成[1]。上水庫(kù)工程主要包括堆石壩、庫(kù)盆瀝青混凝土防滲面板、排水系統(tǒng)、庫(kù)岸基礎(chǔ)處理等。上水庫(kù)壩頂高程812m，壩頂軸線長(zhǎng)2846.0m，壩頂寬8.0～10.0m，上游壩坡1：1.75，下游壩坡1：1.5，最大壩高（壩軸線處）57m。上水庫(kù)正常蓄水位為810m，死水位為779m，工作水深31m，總庫(kù)容789.0萬(wàn)m3，調(diào)節(jié)庫(kù)容717.5萬(wàn)m3。上水庫(kù)地下水位線高程約為522m，遠(yuǎn)低于上水庫(kù)庫(kù)底及進(jìn)/出水口底板高程。

張河灣抽水蓄能電站上水庫(kù)滲漏主要發(fā)生在進(jìn)出水口區(qū)域，進(jìn)出水口區(qū)域的前池底板和沉砂池底板處的庫(kù)底廊道兩側(cè)設(shè)置了排水管，采用容積法測(cè)量各排水管漏水量，庫(kù)底各區(qū)域滲漏量及滲漏總量采用自動(dòng)量水堰計(jì)測(cè)量。

1 單孔漏水測(cè)量裝置儀器布置情況

從運(yùn)行到現(xiàn)在，上水庫(kù)庫(kù)底廊道排水管流量一直采用容積法人工觀測(cè)（積水桶、量杯、秒表）。因抽水蓄能電站抽水發(fā)電，上水庫(kù)水位從死水位至正常蓄水位變化頻繁，人工觀測(cè)法不能實(shí)時(shí)觀測(cè)各排水孔滲漏數(shù)據(jù)，且人工觀測(cè)誤差大，精度低，為了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)上水庫(kù)庫(kù)盆及進(jìn)出水口滲漏情況，在2018年，張河灣抽水蓄能電站針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，在上水庫(kù)庫(kù)底排水廊道內(nèi)的主要漏水部位安裝了15臺(tái)單孔漏水測(cè)量裝置，設(shè)備由哈爾濱今星公司提供并安裝調(diào)試（主要單孔監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布見圖1），并于2018年10月，在上水庫(kù)放空檢查及滲漏修復(fù)后、上水庫(kù)充水前，安裝調(diào)試完畢并投入試運(yùn)行[2]。

2 單孔漏水測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)、工作原理、參數(shù)指標(biāo)、通信方式

2.1 單孔漏水測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)

該裝置主要由采集控制器、測(cè)量控制器、遙控器、漏水箱、直流電動(dòng)推桿、硅膠密封墊、進(jìn)水管、排水口、液位反饋接點(diǎn)等組成（見圖2和圖3）。直流電動(dòng)推桿是該裝置的動(dòng)力部分，在不測(cè)量時(shí)處于收縮狀態(tài)，硅膠密封墊抬起，排水口導(dǎo)通，水由排水口直接排出，這樣可避免在不測(cè)量時(shí)鈣質(zhì)在箱內(nèi)沉積。測(cè)量時(shí)，在測(cè)量控制器的控制下，直流電動(dòng)推桿推動(dòng)硅膠密封墊直到排水口被堵住，水由底部排水管流入水箱內(nèi)。當(dāng)水箱內(nèi)水位液面達(dá)到最大標(biāo)定容積所對(duì)應(yīng)的位置或測(cè)量時(shí)間時(shí)，測(cè)量控制器使直流電動(dòng)推桿收縮，排水口打開，箱內(nèi)的水由排水口直接排出。

2.1.1 單孔漏水測(cè)量裝置外觀及接口定義

（1）測(cè)量控制器：控制直流電動(dòng)推桿、液位反饋電極并與采集控制器通信；

（2）注水口：設(shè)備入水口；

（3）注水箱：設(shè)備儲(chǔ)水裝置，內(nèi)部裝有液位反饋電極；

圖3 單孔漏水采集控制器實(shí)物圖Figure 3 Physical diagram of single hole water leakage acquisition controller

（4）箱體：采用304不銹鋼；

（5）出水口：設(shè)備出水口；

（6）硅膠密封墊：與直流電動(dòng)推桿配合，測(cè)量時(shí)封堵出水口；

（7）直流電動(dòng)推桿：與硅膠密封墊配合，測(cè)量時(shí)封堵出水口。

2.1.2 采集控制器實(shí)物

（1）液晶顯示屏：顯示測(cè)量結(jié)果以及相應(yīng)參數(shù)；

（2）CAN總線接口：設(shè)備CAN總線接入口；

（3）AC220接口：設(shè)備交流電源輸入口；

（4）RS232接口：設(shè)備RS232通信接口；

（5）直流電源輸出和RS485通信接口：為漏水測(cè)量控制器提供電源，并與漏水測(cè)量控制器通信；

（6）紅外接收頭：與紅外遙控器通信。

2.2 工作原理及參數(shù)指標(biāo)

單孔測(cè)量裝置儀器的原理沿用容積法，在結(jié)構(gòu)上根據(jù)水的導(dǎo)電性采用了靈敏度更高的電極測(cè)量方法，為了兼容大小流量，水箱內(nèi)設(shè)有起始點(diǎn)、下限點(diǎn)、中限點(diǎn)、上限點(diǎn)四個(gè)液位反饋接點(diǎn)，下限設(shè)定值約為500mL，中限設(shè)定值約為2200mL，上限設(shè)定值約為4750mL，測(cè)量時(shí)間為30分鐘時(shí)，最小測(cè)值為1mL/s，用戶可根據(jù)漏水情況設(shè)定測(cè)量等待時(shí)間。直流電動(dòng)推桿是本裝置的動(dòng)力部分，在不測(cè)量時(shí)處于收縮狀態(tài)；設(shè)備通電后，直流電動(dòng)推桿推動(dòng)硅膠密封墊將排水口堵住，水由底部排水管流入水箱內(nèi)，通過(guò)設(shè)定的限位計(jì)算出流量的大小；測(cè)量完成后，直流電動(dòng)桿將硅膠密封墊抬起，排水口打開，水由排水口直接排出，可直接避免不測(cè)量時(shí)鈣質(zhì)在箱體內(nèi)沉積，成功解決了結(jié)鈣問(wèn)題。同時(shí)液晶屏頁(yè)面顯示各限位、電壓、計(jì)時(shí)、狀態(tài)等信息，且可以保存五個(gè)歷史測(cè)量數(shù)據(jù)，以便人工比測(cè)和現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)時(shí)，可以直接查看流量數(shù)據(jù)及變化情況（具體技術(shù)參數(shù)指標(biāo)見表1）。

表1 技術(shù)參數(shù)指標(biāo)Table 1 Technical parameter index

2.3 通信方式

張河灣抽水蓄能電站，根據(jù)《水工安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)建設(shè)指導(dǎo)意見》，在2018年，上水庫(kù)庫(kù)底廊道布設(shè)了一條光纜，由上水庫(kù)庫(kù)底廊道～上水庫(kù)值班室～廠房～下水庫(kù)水工樓～下水庫(kù)壩底層廊道范圍形成了由單、多模光纜組成的觀測(cè)系統(tǒng)骨干以太網(wǎng)通信總線。單孔漏水測(cè)量裝置采用CAN線通信方式，CAN總線作為上水庫(kù)庫(kù)底廊道滲漏觀測(cè)分支總線，在上水庫(kù)庫(kù)底廊道量水堰所用的以太網(wǎng)交換機(jī)處接入骨干網(wǎng)，采集計(jì)算機(jī)設(shè)置在下水庫(kù)壩頭水工樓處，采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)計(jì)算機(jī)串行口實(shí)時(shí)單向發(fā)送到內(nèi)網(wǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)。這種以太網(wǎng)+CAN通信總線形式抗干擾能力強(qiáng)，兼容其他廠家設(shè)備，性能遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)的RS-485總線。

3 單孔漏水測(cè)量裝置的運(yùn)行情況

2018年10月9 日因上水庫(kù)放空檢查及修復(fù)處理后蓄水，單孔漏水測(cè)量裝置觀測(cè)頻次設(shè)為1小時(shí)/次；2019年2月因滲漏量減小，大部分測(cè)孔滲漏量值為0 L/s，單孔漏水測(cè)量裝置觀測(cè)頻次改為1天/次。到目前為止，該系統(tǒng)完全替代了人工觀測(cè)，運(yùn)行狀況良好。

3.1 人工比測(cè)分析

比測(cè)結(jié)果見表2，典型的比測(cè)過(guò)程線見圖4～圖9。 單孔漏水測(cè)量裝置自安裝運(yùn)行以來(lái)，每月進(jìn)行一次人工比測(cè)，通過(guò)比測(cè)數(shù)據(jù)和過(guò)程線可以看出：?jiǎn)慰茁┧髁啃r(shí)觀測(cè)時(shí)間較長(zhǎng)，比測(cè)差值小；流量大時(shí)觀測(cè)時(shí)間相對(duì)較短，比測(cè)差值較流量小時(shí)大；各裝置人工比測(cè)最大差值為0.003L/s?？傮w上看，單孔漏水測(cè)量裝置觀測(cè)數(shù)據(jù)可靠，人工比測(cè)差值很小，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)入庫(kù)及時(shí)，滿足現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工作需要和規(guī)范要求[3]（見表2）。

表2 上水庫(kù)單孔漏水人工、自動(dòng)化測(cè)值比測(cè)統(tǒng)計(jì)表Table 2 Statistical tablele for comparison of manual and automatic measurement values of single hole leakage of upper reservoir L/s

圖4 單孔WP023滲漏量與庫(kù)水位變化過(guò)程線Figure 4 Process line of single-hole WP023 leakage and reservoir water level change

圖5 單孔WP023滲漏量人工自動(dòng)化比測(cè)過(guò)程線Figure 5 Process line of manual and automatic measurement of single-hole WP023 leakage

圖6 單孔WP022滲漏量與庫(kù)水位變化過(guò)程線Figure 6 Process line of single-hole WP022 leakage and reservoir water level change

圖7 單孔WP022滲漏量人工自動(dòng)化比測(cè)過(guò)程線Figure 7 Process line of manual and automatic measurement of single-hole WP022 leakage

圖8 單孔WP016滲漏量與庫(kù)水位變化過(guò)程線Figure 8 Process line of single-hole WP016 leakage and reservoir water level change

圖9 單孔WP016滲漏量人工自動(dòng)化比測(cè)過(guò)程線Figure 9 Process line of manual and automatic measurement of single-hole WP016 leakage

3.2 短期穩(wěn)定性測(cè)試

短期穩(wěn)定性測(cè)試：在現(xiàn)場(chǎng)針對(duì)各測(cè)量裝置通過(guò)快速連續(xù)10次自動(dòng)測(cè)量并記錄測(cè)值，求得平均值，計(jì)算出差值比例，以檢驗(yàn)自動(dòng)量水堰裝置的短期穩(wěn)定性。目前，15臺(tái)單孔測(cè)量裝置中測(cè)點(diǎn)WP17、SWP023、QC87、QCW091、QW15、QW17已無(wú)滲水或是呈滴水狀態(tài)，故測(cè)不出滲漏量[4]，見表3。

表3 上水庫(kù)單孔滲流短期穩(wěn)定性流量記錄表Table 3 Short-term stability flow record of single-hole seepage flow in the reservoir mL/s

按照規(guī)范要求，容積法觀測(cè)滲漏量時(shí)，兩次測(cè)值之差不得大于平均值的5%。從表3可以看出：張河灣上水庫(kù)單孔漏水測(cè)量裝置的測(cè)量差值比例只有WP10精度為1.8%，其他各孔測(cè)量裝置均小于1%，完全滿足規(guī)范要求。

3.3 長(zhǎng)期穩(wěn)定性分析

單孔漏水測(cè)量裝置主要由采集控制器、測(cè)量控制器、白鋼保護(hù)箱體、漏水箱、液位反饋接點(diǎn)、直流電動(dòng)推桿、硅膠密封墊等組成。其中，采集控制器、測(cè)量控制器為電子產(chǎn)品，其壽命與其他類型采集模塊相似；用來(lái)測(cè)量的箱體為白鋼箱體，非測(cè)量時(shí)間水流不經(jīng)過(guò)箱體內(nèi)部，不會(huì)出現(xiàn)結(jié)鈣影響觀測(cè)精度問(wèn)題，液位反饋接點(diǎn)為白鋼針，固定在箱體內(nèi)部，不會(huì)隨著時(shí)間推移發(fā)生銹蝕、移位，標(biāo)定好的容積不會(huì)變化，可長(zhǎng)期使用，測(cè)量精度不會(huì)產(chǎn)生變化，故測(cè)量裝置采集的數(shù)據(jù)長(zhǎng)期穩(wěn)定性好[5]。

3.4 系統(tǒng)維護(hù)情況

單孔漏水測(cè)量裝置的直流電動(dòng)推桿、硅膠密封墊是本裝置的動(dòng)力機(jī)械構(gòu)成部分，為測(cè)量裝置的易損件，這兩個(gè)構(gòu)件的質(zhì)量決定了系統(tǒng)的維護(hù)量；單孔漏水測(cè)量裝置的直流電動(dòng)推桿、硅膠密封墊均設(shè)在漏水箱外、白鋼保護(hù)箱體內(nèi)，更換方便。2018年10月上水庫(kù)單孔漏水測(cè)量系統(tǒng)安裝調(diào)試完畢并投入試運(yùn)行，至2019年11月末，15個(gè)測(cè)量裝置中，采集控制器、測(cè)量控制器及通信系統(tǒng)未出現(xiàn)故障；共有1個(gè)測(cè)量裝置的直流電動(dòng)推桿發(fā)生故障并及時(shí)更換，硅膠密封墊全部更換一次。根據(jù)硅膠密封墊特性，當(dāng)觀測(cè)頻次為1次/天時(shí)，建議每年更換一次硅膠密封墊[6]。

4 結(jié)束語(yǔ)

單孔漏水測(cè)量系統(tǒng)從2018年11月在張河灣抽水蓄能電站正式投入試運(yùn)行至今，系統(tǒng)運(yùn)行狀況良好，完全替代了人工觀測(cè)工作，大幅提高了工作效率，系統(tǒng)有較高的推廣價(jià)值。其突出特點(diǎn)為：①箱體內(nèi)部不結(jié)鈣，設(shè)備維護(hù)簡(jiǎn)單，維護(hù)量小，測(cè)量結(jié)果觀測(cè)精度高且無(wú)飄移、無(wú)跳值；②控制系統(tǒng)模塊防潮性能好，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定；③控制裝置和顯示裝置設(shè)在測(cè)量箱處，能在現(xiàn)場(chǎng)使用遙控器直接進(jìn)行測(cè)量操作，比測(cè)簡(jiǎn)單；④測(cè)量范圍不受限制，單孔漏水流量大時(shí)，只要增加箱體容積即可；⑤該系統(tǒng)通信采用以太網(wǎng)+CAN通信總線形式，抗干擾能力強(qiáng)，可與其他廠家設(shè)備共用以太網(wǎng)總線，兼容性好，性能遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)的 RS-485總線[7]。