楊房溝水電站防水淹廠房控制保護回路設(shè)計

呂惠青，張?zhí)?，蔡智?/p>

(中國電建集團華東勘測設(shè)計研究院有限公司，杭州，310014)

1 概述

楊房溝水電站位于四川省涼山彝族自治州木里縣境內(nèi)的雅礱江中游河段麥地龍鄉(xiāng)上游約6km處，是雅礱江中游河段一庫七級開發(fā)的第六級，上距孟底溝水電站37km，下距卡拉水電站33km。電站裝機容量1500MW，地下廠房內(nèi)裝設(shè)4臺375MW立軸混流式水輪發(fā)電機組，中控室布置在地下副廠房內(nèi)。

電站引水發(fā)電系統(tǒng)布置在樞紐左岸，機組引水系統(tǒng)采用一管一機布置，共設(shè)有4條引水隧洞。每條引水隧洞進口設(shè)有1道快速閘門，作為機組的防飛逸設(shè)施、隧洞發(fā)生事故時的保護和機組檢修時的擋水設(shè)施。當機組調(diào)速系統(tǒng)發(fā)生故障無法關(guān)機時，可通過遠方或現(xiàn)地控制方式在2min內(nèi)動水快速關(guān)閉孔口；或當隧洞發(fā)生事故時，動水關(guān)閉快速閘門?？焖匍l門啟閉設(shè)備采用液壓啟閉機，通過一門一機一站一控進行操作，每扇快速閘門設(shè)置有獨立的液壓啟閉機和現(xiàn)地控制柜。

電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)在每臺機組的機旁設(shè)置了一個現(xiàn)地控制單元(LCU)，并在進水口閘門啟閉機室設(shè)置有各機組LCU的進水口遠程I/O，機組LCU距離進水口遠程I/O約1.5km，各機組LCU與各自的進水口遠程I/O通過單模光纖相連。每臺機組的機旁還設(shè)置有一套用于水力機械事故保護的獨立于機組LCU的水機保護屏，其輸入信號與機組LCU相獨立，采用可編程控制器(PLC)來實現(xiàn)其控制保護功能。在電站發(fā)生重要的水機事故或機組LCU冗余系統(tǒng)全部故障或工作電源全部失去時，水機保護屏能執(zhí)行完整的停機過程控制。

2 防水淹廠房控制保護回路的相關(guān)要求

2.1 《水力發(fā)電廠自動化設(shè)計技術(shù)規(guī)范》(NB/T 35004-2013)要求

(1)在中控室和機旁應設(shè)置獨立于監(jiān)控系統(tǒng)的事故閘門緊急關(guān)閉按鈕及回路，并以硬接線(包括獨立光纜)的形式接至閘門的控制回路；

(2)廠房最底層(含操作廊道)設(shè)置不少于3套水位信號器，每套水位信號器至少包括2對觸頭輸出。當水位達到第一上限時報警，當同時有2套水位信號器第二上限信號動作時，作用于緊急事故停機并發(fā)水淹廠房報警信號，啟動廠房事故廣播系統(tǒng)。

2.2 《國家能源局綜合司關(guān)于加強水電站水淹廠房防范工作的通知》(國能綜函安全〔2017〕66號)要求

(1)檢查獨立硬布線緊急操作系統(tǒng)水淹廠房報警信號作用于機組停機和關(guān)閉事故閘門的保護動作邏輯和回路可靠性；

(2)檢查中控室內(nèi)設(shè)置的緊急操作按鈕箱在緊急情況下可以通過獨立于監(jiān)控系統(tǒng)的硬布線回路直接作用于機組停機、關(guān)閉事故閘門，檢查并核實操作電源應獨立可靠，并進行模擬試驗；

(3)檢查發(fā)電機層逃生通道手動啟動水淹廠房按鈕，在緊急情況下可以通過獨立于監(jiān)控系統(tǒng)的硬布線回路直接作用于機組停機、關(guān)閉事故閘門，核實操作電源應獨立可靠，并進行模擬試驗；

(4)檢查廠房內(nèi)獨立的水淹廠房聲光、警鈴等報警系統(tǒng)功能；

(5)檢查調(diào)速器控制回路電源可靠性，核實調(diào)速器“得電關(guān)閉”和“失電關(guān)閉”雙回路冗余控制功能；

(6)檢查進水口事故閘門的控制電源可靠性，緊急關(guān)門命令不經(jīng)過PLC直接動作于關(guān)閉閘門；

(7)檢查電站監(jiān)控系統(tǒng)、勵磁系統(tǒng)、調(diào)速系統(tǒng)、保護系統(tǒng)和故障錄波裝置等設(shè)備的時鐘對時功能。

3 設(shè)計方案

3.1 遠方緊急關(guān)閉進水口快速閘門回路設(shè)計

楊房溝水電站在中控室設(shè)置一面緊急停機落門屏，緊急停機落門屏設(shè)有1-4號機組各自的“緊急停機落閘門按鈕”。電站在機旁的每臺水機保護屏上設(shè)置“緊急停機落閘門按鈕”。每個按鈕帶四個常開獨立接點。

楊房溝水電站中控室距離進水口快速閘門約1.5km，為徹底消除地電位反擊、雷擊、長電纜電容放電等可能的影響，人工緊急操作的信號傳輸采用光纜，該光纜與監(jiān)控系統(tǒng)局域網(wǎng)光纜分開，構(gòu)成信號傳輸通道的冗余，進一步提高了可靠性。

中控室緊急停機落門屏按機組設(shè)有4套遠控信號光纖傳輸裝置，每臺機組的水機保護屏上各設(shè)置1套遠控信號光纖傳輸裝置，與設(shè)置在每臺機組LCU的進水口遠程I/O柜上的2套遠控信號光纖傳輸裝置組成每臺機各2對光纖傳輸裝置，通過2根獨立單模光纜，用于傳輸各機組的緊急停機落閘門按鈕直接關(guān)閉進水口快速閘門的信號。每套遠控信號光纖傳輸裝置有2個開關(guān)量輸入回路和2個開關(guān)量輸出回路。

在電站中控室與進水口快速閘門的距離較遠時(超過600m)，采用遠控信號光纖傳輸裝置通過光纜傳輸關(guān)閉進水口快速閘門信號的方式在國內(nèi)錦屏二級、苗尾等大型電站里已成功應用，安全可靠，可以保障遠方緊急關(guān)閉進水口快速閘門的可靠。

3.2 防水淹廠房PLC設(shè)計

為進一步完善防水淹廠房的獨立硬接線回路，在地下廠房發(fā)電層1號機旁設(shè)置有1面防水淹廠房PLC柜，配置1塊CPU模塊、1塊電源模塊、2塊16點開關(guān)量輸入模塊和3塊8點開關(guān)量輸出模塊等。防水淹廠房PLC柜采用交流和直流雙回路供電，PLC不接入計算機監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡，不與其他任何系統(tǒng)通信。

3.3 水淹廠房水位信號器設(shè)計

楊房溝水電站按規(guī)范要求在地下廠房最底層的操作廊道層設(shè)置有3套浮球液位開關(guān)，分別布置在操作廊道層的1號機組靠近副廠房側(cè)、2號機組與3號機組之間、3號機組和4號機組之間。每套浮球液位開關(guān)包括2對獨立觸頭輸出，1對觸點定義為水位過高信號(整定值為離操作廊道層地面400mm)；1對觸點定義為水位高信號(整定值為離操作廊道層地面200mm)。

3.4 水淹廠房按鈕和獨立的聲光、警鈴報警系統(tǒng)設(shè)計

楊房溝電站地下廠房發(fā)電機層的疏散通道：

(1)進廠交通洞：交通洞進口高程2003.00m，位于廠房右側(cè)，自洞口至地下廠房安裝場(1992.00m高程)總長1183.00m，洞寬10.50m，高9.00m，為地下廠房機電設(shè)備運輸?shù)闹饕ǖ溃寺肪€作為地下廠房工作人員平時工作的主要交通通道和疏散出口。

(2)通風兼安全洞：通風兼安全洞位于安裝場端副廠房廠右側(cè)，與安裝場端副廠房2015.00m高程相連，向東與主變排風洞、尾調(diào)通風洞相連，向南與左岸低線繞壩交通洞相通，可經(jīng)左岸低線繞壩交通洞疏散至室外地面，為地下廠房另一個安全疏散出口。

(3)廠房進風洞兼交通洞：廠房進風洞兼交通洞與副廠房2012.80m高程相通，向東經(jīng)排水洞向南和進廠交通洞連接，主副廠房可由廠房進風洞兼交通洞經(jīng)進廠交通洞疏散至室外地面。

根據(jù)楊房溝水電站地下廠房的疏散通道設(shè)計，在電站的發(fā)電機層1號機組段和靠近安裝場的4號機組段各設(shè)置1套防水淹廠房按鈕盒，每個按鈕盒均設(shè)置4個帶安全防護罩的按鈕，分別為1-4號機防水淹廠房按鈕，每個按鈕帶3副觸點。

在電站的發(fā)電機層4號機組段和中控室各設(shè)置1套水淹廠房專用的聲光報警器和警鈴報警裝置。聲光報警器和警鈴報警裝置由防水淹廠房PLC柜啟動和供電。

3.5 調(diào)速器“得電關(guān)閉”和“失電關(guān)閉”回路設(shè)計

電站調(diào)速器采用雙微機調(diào)節(jié)器，設(shè)置2套獨立電源分別給A、B套調(diào)節(jié)器供電，每套獨立電源采用交/直流兩回電源輸入。調(diào)速器設(shè)置有“得電動作”的緊急停機閥和2個“失電動作”的掉電停機閥。緊急情況下，可通過使緊急停機閥“得電動作”，控制主配壓閥關(guān)閉導葉，實現(xiàn)緊急停機；2個掉電停機閥同時失電時，調(diào)速器也可控制主配壓閥關(guān)閉導葉，實現(xiàn)調(diào)速器掉電停機功能。調(diào)速器的停機回路做到了“得電關(guān)閉”和“失電關(guān)閉”雙回路冗余控制功能。

3.6 進水口快速閘門緊急關(guān)閉回路設(shè)計

電站進水口快速閘門控制回路采用2路交流電源切換后的交流電源，再另外由電站提供一路直流電源供電，電源可靠。中控室緊急停機屏和機組水機保護屏緊急關(guān)門命令采用不經(jīng)過快速閘門控制系統(tǒng)的PLC直接動作于快速閉門控制電磁閥的設(shè)計。

3.7 監(jiān)控系統(tǒng)、勵磁系統(tǒng)、調(diào)速系統(tǒng)、保護系統(tǒng)和故障錄波裝置等設(shè)備的時鐘對時功能

電站設(shè)置1套時鐘同步系統(tǒng)，配置2臺冗余主時鐘，2臺主時鐘同時接收北斗和GPS對時信號，通過子時鐘給全站設(shè)備對時。時鐘同步裝置可提供NTP網(wǎng)絡接口(RJ45)、時分秒脈沖(空接點)、時間報文(RS232/RS422/RS485)、IRIG-B方式及DCF77對時信號輸出。

根據(jù)各系統(tǒng)設(shè)備的對時要求，電站的監(jiān)控系統(tǒng)采用NTP網(wǎng)絡對時方式；勵磁系統(tǒng)、保護系統(tǒng)和故障錄波裝置采用IRIG-B方式對時；調(diào)速系統(tǒng)采用NTP網(wǎng)絡對時。

3.8 防水淹廠房控制保護回路

根據(jù)防水淹廠房控制要求，每個防水淹廠房按鈕的3副觸點用途為：1副觸點接至中控室緊急停機屏對應機組的遠控信號光纖傳輸裝置輸入回路，用于直接啟動遠方緊急關(guān)閉進水口快速閘門；1副觸點接至防水淹廠房PLC柜開入，啟動聲光、警鈴報警及機組LCU和水機保護屏的緊急停機流程；1副觸點接至地下副廠房公用5LCU，用于監(jiān)控系統(tǒng)記錄啟動水淹廠房的按鈕動作信號的信號源。

3.8.1 防水淹廠房PLC動作邏輯

(1)操作廊道層的3套浮球液位開關(guān)的水位高和水位過高信號，當有任意2套浮球液位開關(guān)的水位過高信號報警時，啟動全部機組的緊急事故停機流程，同時啟動2套水淹廠房專用的聲光報警器和警鈴報警裝置進行水淹廠房報警；

(2)發(fā)電機層1號機組段和4號機組段的各機組水淹廠房按鈕動作時，啟動對應機組的緊急事故停機流程，同時啟動2套水淹廠房專用的聲光報警器和警鈴報警裝置進行水淹廠房報警。

3.8.2 防水淹廠房PLC發(fā)水淹廠房信號的輸出觸點回路設(shè)計

(1)DO開出4個觸點，分別接至1-4號機組LCU的開關(guān)量輸入模塊，啟動機組LCU的緊急事故停機流程；

(2)DO開出4個觸點，分別接至1-4號機組水機保護屏的開關(guān)量輸入模塊，啟動水機保護屏的緊急事故停機流程；

(3)DO開出4個觸點，分別接至1-4號機組水機保護屏的遠控信號光纖傳輸裝置開關(guān)量輸入回路，通過光纖硬布線回路，直接關(guān)閉進水口快速閘門；

(4)DO開出2個觸點，分別接至發(fā)電機層和中控室設(shè)置的2套水淹廠房專用的聲光報警器和警鈴報警裝置，啟動聲光和警鈴報警。

4 結(jié)語

近些年，受地震、泥石流和極端暴雨等自然災害影響，水電站水淹廠房事件時有發(fā)生，電站運行安全受到較大影響，經(jīng)濟損失嚴重。防水淹廠房控制保護回路的設(shè)計是否可靠對于加強水淹廠房事故的防范，減少水淹廠房帶來的損失起著至關(guān)重要的作用。

楊房溝水電站的水淹廠房控制保護回路，通過設(shè)置防水淹廠房PLC柜、設(shè)置遠方通過光纖硬布線直接動作緊急關(guān)閉進水口快速閘門和電纜硬接線啟動水機保護屏的緊急停機流程作用于機組停機等設(shè)計，在水淹廠房報警信號出現(xiàn)時，可獨立硬布線緊急操作機組停機和關(guān)閉進水口快速閘門。該保護控制回路很好地滿足了相關(guān)規(guī)范和能源局對加強水電站水淹廠房防范工作的要求，在緊急情況下，可有效避免電站事故擴大和財產(chǎn)損失。

楊房溝水電站設(shè)計的防水淹廠房控制保護回路設(shè)計，可為后續(xù)其他類似水電站的相關(guān)設(shè)計提供借鑒。