某水電站廠區(qū)排水系統(tǒng)改造升級

廣東水電二局股份有限公司 汪 勛

1 概述

某電站位于桃江縣境內(nèi)資水干流的下游，是資水干流倒數(shù)第二級，電站為河床式廠房，安裝有5臺13MW 燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)組。

水電站排水系統(tǒng)分為廠區(qū)排水、滲漏排水和檢修排水三大類，主要作用是排除生產(chǎn)廢水、檢修積水和生活污水，避免廠房內(nèi)部積水和潮濕，保證水電站設(shè)備的正常運(yùn)行和檢修。某水電站位置緯度偏低，為大陸性特征明顯的亞熱帶季風(fēng)氣候，春夏季，地面南北氣流對峙，氣旋及鋒面活動頻繁，雨水較多，天氣多變。每年5～8月為電站的主汛期，此時雨水多發(fā)、降雨集中且持續(xù)時間較長，電站廠房相對地勢較低，大量降水如果在短時間內(nèi)匯聚于廠區(qū)，廠區(qū)積水及廠外山洪將全部匯集于廠區(qū)集水井，由于地勢和設(shè)計(jì)原因積雨不能快速排出，導(dǎo)致沉沙井積水迅速向上漲漫出，嚴(yán)重時積水將漫入廠房，對機(jī)組及設(shè)備安全運(yùn)行構(gòu)成嚴(yán)重威脅。廠區(qū)排水系統(tǒng)分布如圖1所示。

圖1 廠區(qū)排水系統(tǒng)分布

2 情況介紹

某水電站廠區(qū)排水系統(tǒng)由兩臺型號為WQ800-16-55型潛水泵，廠區(qū)集水井，管路，閥門及自動控制元件組成。主要用來排廠區(qū)積水，水泵有自動和手動兩種控制方式，正常情況下由集水井內(nèi)浮子接點(diǎn)控制自動回路，兩臺泵互為備用，輪換運(yùn)行，當(dāng)廠區(qū)集水井水位達(dá)到4.45m 高程時主用泵啟動并發(fā)送信號至上位機(jī)，當(dāng)集水井水位到達(dá)4.75m 時備用泵啟動并報警，當(dāng)滲漏集水井水位達(dá)到2.00m 時，主備用泵自動停止。廠區(qū)排水以自流排水為主，當(dāng)下游水位高于40.00m 高程時，關(guān)閉廠區(qū)自流排水閥OS501，自流排水管出口大約在41.50m 高程。

2022年6月2日21時左右水電廠廠區(qū)驟降暴雨，降雨持續(xù)時間長，且降雨量大。某水電站壩址水情站點(diǎn)測得21時至次日凌晨5時降雨量累計(jì)達(dá)162mm，其中3日2時至3時降雨量就高達(dá)75mm，4時08分上位機(jī)報“廠區(qū)排水報警水位”。面對極端天氣，水電站廠區(qū)排水系統(tǒng)已經(jīng)滿負(fù)荷運(yùn)行，仍不能滿足排水要求，導(dǎo)致大量積水在廠房門口雍高，存在廠區(qū)積水倒灌生產(chǎn)廠房的威脅。

3 原因分析

3.1 廠區(qū)現(xiàn)有排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)不合理，無法滿足極端天氣下廠區(qū)排水要求

通過現(xiàn)場實(shí)際調(diào)查關(guān)于沉沙井溢流及排水不暢等原因?qū)е滤S區(qū)的現(xiàn)象，其主要原因有以下幾個方面，一是副廠房排水溝出口偏小，導(dǎo)致多余積水無法通過天溝及時排至廠房下游，只能通過下水管匯入廠房集水井，加重廠區(qū)排水系統(tǒng)負(fù)擔(dān)；二是廠區(qū)上游來水段生活垃圾較多，堵塞沉沙井?dāng)r污柵，導(dǎo)致排水不暢；三是當(dāng)集水井水位過高時，沉沙井積水將無法及時排出，導(dǎo)致水位上漲過快并溢出[1]。

3.2 廠區(qū)集水井水位變化不能實(shí)時監(jiān)視，不能及時發(fā)現(xiàn)廠區(qū)積水量變化

經(jīng)現(xiàn)場查看，原廠區(qū)排水控制屏上無集水井水位監(jiān)視設(shè)備，運(yùn)行值班人員需現(xiàn)地進(jìn)行查看、確認(rèn)集水井水位，然后匯報至運(yùn)行值長，值長根據(jù)水位情況再安排值班員手動啟動廠區(qū)排水泵進(jìn)行排水。從值班員現(xiàn)地確認(rèn)水位到啟動排水泵，整個過程至少需要3人進(jìn)行配合。在降雨特別集中時，值班人員需要每30min 對集水井水位進(jìn)行一次檢查，尤其是在晚上，視線不好將影響值班人員對水位的判斷，給巡視工作帶來不便。

3.3 廠區(qū)排水泵不能根據(jù)水位自動啟動，無法自動提前啟動廠區(qū)排水泵

經(jīng)現(xiàn)場查看原廠區(qū)排水泵控制方式最初設(shè)計(jì)為手自動控制，采用浮球開關(guān)接點(diǎn)實(shí)現(xiàn)自動控制功能，但由于浮球開關(guān)接點(diǎn)不可靠，多次出現(xiàn)水位達(dá)到啟泵水位或者停止水位時水泵不能自動啟、停，為了確保水泵的安全運(yùn)行，從2009年開始浮球開關(guān)接點(diǎn)已處于斷開狀態(tài)，只采用手動方式進(jìn)行控制。采用手動方式控制時，值班人員需去現(xiàn)場查看、確認(rèn)集水井水位，且排水過程需要安排人員對集水井水位進(jìn)行監(jiān)視，以防止水位抽干電機(jī)長時間運(yùn)行造成電機(jī)線圈過熱、燒毀。如果值班人員巡視不到位或者水位上漲過快，未能及時手動啟動排水泵進(jìn)行排水，將會導(dǎo)致積水從集水井漫出，嚴(yán)重時將造成水進(jìn)廠房等不安全事件的發(fā)生，危及設(shè)備及人身安全。

4 優(yōu)化改進(jìn)措施

對現(xiàn)有排水系統(tǒng)進(jìn)行適當(dāng)優(yōu)化，將主副廠房積水引至廠房下游，同時對沉沙井增加分水溝。在降雨量過大時，由于排水系統(tǒng)集水面積較大，集水井積水短時聚集，且不能進(jìn)行有效分流，同時由于主副廠房排水出口偏小，不能及時將積水排出，導(dǎo)致多余的積水匯流至集水井，加重排水系統(tǒng)負(fù)擔(dān)，鑒于以上情況具體優(yōu)化方法[2-3]。

一是將主副廠房落水管道進(jìn)行封堵，積水可直接流入下游尾水。阻止積水進(jìn)入集水井，少排水系統(tǒng)集水面積。主副廠房排水管位置如圖2所示。

圖2 主副廠房排水管位置

二是加大副廠房排水出口，將涵管改為明溝，保障主副廠房積水能及時排至下游。主副廠房排水出口改造前后對比見表1及如圖3所示。

表1 主副廠房排水出口改造前后對比

圖3 改造副廠房排水口對比

三是在沉沙井一側(cè)增開一條400×600mm 的分水溝，當(dāng)沉沙井排水出現(xiàn)擁堵時，通過分水溝分流至自流排水管路，同時也可以將沉沙井部分生活垃圾帶走，改善沉沙井?dāng)r污柵堵塞狀況。沉沙井增開的分水溝位置如圖4所示。

圖4 沉沙井增開的分水溝位置

四是在沉沙井側(cè)邊增開的分水溝，在來水加大的情況下進(jìn)行分流，同時也帶走了上游的一些生活垃圾，緩解了廠區(qū)排水泵的排水壓力，有效提高了廠區(qū)排水系統(tǒng)排水效率；增大主副廠房排水出口，可以將主副廠房超過2000m2降水面積的積水及時排至下游，減少了集水井的積水量，大大提高了廠區(qū)排水系統(tǒng)效率。

五是在廠區(qū)集水井增加投入式水位傳感器，同時在廠區(qū)排水泵控制屏上安裝水位測控儀，并將水位信號接入測控儀及上位機(jī)[4]。投入式水位傳感器是根據(jù)液位傳感器的信號輸出開啟放水或者進(jìn)水的閥門而使水位保持恒定的一種控制器。也可以說液位開關(guān)輸出的是一種開關(guān)信號，液位開關(guān)首先要確定液位的高度，依據(jù)這個高度來輸出開關(guān)量信號。

具體實(shí)施步驟，在廠區(qū)排水泵控制屏前門面板開孔，將水位測控儀安裝固定，在集水井安裝麥克投入式水位傳感器，利用原來浮球開關(guān)接點(diǎn)控制電纜將水位傳感器信號接入水位測控儀，設(shè)定相關(guān)測量參數(shù)，確認(rèn)接線無誤后，接通水位測控儀裝置電源，現(xiàn)場對水位進(jìn)行核實(shí)，確定傳感器位置后，將傳感器放入焊接好的保護(hù)鋼管內(nèi)，綁扎固定。經(jīng)過改造后，集水井水位能在廠區(qū)排水泵控制屏上進(jìn)行顯示，同時將該水位信號以RS485通訊方式接入上位機(jī)，上位機(jī)也能顯示集水井水位，方便運(yùn)行值班人員對水位的監(jiān)控，遇到突發(fā)情況及時作出正確處理。

六是在廠區(qū)集水井控制屏上增加PLC，并導(dǎo)入控制程序，實(shí)現(xiàn)廠區(qū)排水泵自動啟停功能。當(dāng)水位達(dá)到警戒水位時，排水泵自動啟動排水，當(dāng)水排空或水位達(dá)到安全低程時，排水泵自動停止。為了實(shí)現(xiàn)廠區(qū)排水泵能根據(jù)集水井水位自動啟停功能，采用PLC 控制技術(shù)，選用施耐德TWIDO 系列PLC，該系列PLC 具有結(jié)構(gòu)緊湊、配置靈活、功能強(qiáng)大等優(yōu)點(diǎn)，可以保障系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。具體實(shí)施步驟是：在廠區(qū)排水泵控制屏安裝PLC，導(dǎo)入已編寫完成的廠區(qū)排水泵自動控制程序，然后將水位測控儀上相關(guān)水位控制接點(diǎn)接入PLC 對應(yīng)接點(diǎn)，設(shè)置相關(guān)啟停、報警參數(shù)，使各接點(diǎn)能根據(jù)水位正確動作，PLC 接收到水位動作信號并經(jīng)過內(nèi)部程序運(yùn)行后，控制相關(guān)外部電氣回路實(shí)現(xiàn)廠區(qū)排水水泵的啟停，同時還設(shè)置有高水位報警信號，提醒運(yùn)行值班人員引起注意。

當(dāng)降雨量較小或未達(dá)到峰值水量時，廠區(qū)排水可以通過自流系統(tǒng)排至廠房下游，不需要啟動廠區(qū)排水泵；當(dāng)出現(xiàn)大暴雨或者雨量較為集中、時間持續(xù)較長時，自流系統(tǒng)排水不能及時有效的將積水排出時，此時PLC 控制系統(tǒng)可以根據(jù)集水井水位自動啟動排水泵，保證廠區(qū)積水及時排出。這樣就不需要運(yùn)行值班人員抵達(dá)現(xiàn)場查看廠區(qū)集水井水位，再根據(jù)廠區(qū)集水井水位上漲情況啟停水泵，有效提高了廠區(qū)排水可靠性，減少了運(yùn)行人員工作量。

5 結(jié)語

某水電站廠區(qū)排水系統(tǒng)改造升級后，實(shí)現(xiàn)了廠區(qū)排水系統(tǒng)自動化控制，縮短了水泵啟動時間，提高了廠區(qū)排水效率，且對廠區(qū)排水系統(tǒng)相關(guān)部位進(jìn)行了優(yōu)化，對沉沙井增開分水溝及擴(kuò)大副廠房排水出口，有效減少了廠區(qū)排水系統(tǒng)的集水面積，減輕了廠區(qū)集水井的排水負(fù)擔(dān)。改造后運(yùn)行可靠，達(dá)到了預(yù)期效果，消除了極端天氣下，排水不暢水淹廠房的危險，同時減輕了水電廠運(yùn)行值班人員的工作量。