某電站水輪發(fā)電機(jī)組頂蓋排水控制設(shè)計(jì)改造

賴志文，喻方圓，王婉秋，石振球

(1．中國(guó)華電集團(tuán)有限公司衢州烏溪江分公司，浙江 衢州 324000；2．浙江富春江水電設(shè)備有限公司，浙江 杭州 311121)

1 概 述

水電廠頂蓋排水系統(tǒng)是保障機(jī)組安全運(yùn)行的重要因素之一[1]，若不加重視，嚴(yán)重情況下會(huì)使頂蓋內(nèi)積水來(lái)不及排出，導(dǎo)致水淹水輪機(jī)室的后果，嚴(yán)重威脅機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行[2]。

水輪發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)部件和固定部件之間通過(guò)抗磨環(huán)和密封圈進(jìn)行密封，隨著機(jī)組的長(zhǎng)期運(yùn)行，抗磨環(huán)和密封圈會(huì)不斷磨損和老化，頂蓋內(nèi)水位上升速度加快；再加上頂蓋排水泵隨著機(jī)組的長(zhǎng)期運(yùn)行，排水效率會(huì)逐漸降低，使得排水泵頻繁啟停，水泵電機(jī)會(huì)加速老化，減少了排水泵使用壽命，增加了排水泵故障率，影響機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

中國(guó)華電集團(tuán)有限公司衢州烏溪江分公司嘗試對(duì)頂蓋排水泵控制方案改造，采用1臺(tái)大功率變頻頂蓋排水泵，根據(jù)頂蓋液位變頻控制排水泵的運(yùn)行頻率，實(shí)現(xiàn)頂蓋內(nèi)液位實(shí)時(shí)控制。該方案在節(jié)省設(shè)備費(fèi)用的同時(shí)，提升了頂蓋排水效率，并對(duì)后期頂蓋漏水量大時(shí)有一定預(yù)留的排水能力空間。

2 原頂蓋排水方案

2.1 原頂蓋排水方案

某電站是位于烏溪江流域兩級(jí)開(kāi)發(fā)的梯級(jí)電站，擁有5臺(tái)混流式水輪發(fā)電機(jī)組，其中部分機(jī)組運(yùn)行已超過(guò)25 a。該電站每臺(tái)機(jī)組水輪機(jī)室頂蓋內(nèi)安裝有3臺(tái)頂蓋排水泵，3臺(tái)頂蓋排水泵均為潛水泵；頂蓋內(nèi)安裝有1只連桿浮球液位開(kāi)關(guān)，液位開(kāi)關(guān)自帶3個(gè)浮球，用于輸出低液位、高液位、過(guò)高報(bào)警液位信號(hào)(開(kāi)關(guān)量)；水輪機(jī)室外壁安裝1只頂蓋排水泵控制箱。

原方案有現(xiàn)地和自動(dòng)控制兩種控制方式，其中現(xiàn)地控制通過(guò)控制箱面板的3臺(tái)泵單獨(dú)的啟停按鈕來(lái)實(shí)現(xiàn)；自動(dòng)控制通過(guò)控制箱內(nèi)PLC編程實(shí)現(xiàn)[3]。當(dāng)頂蓋內(nèi)液位達(dá)到過(guò)高報(bào)警液位時(shí)，向監(jiān)控發(fā)出報(bào)警信號(hào)；高液位時(shí)，PLC根據(jù)3只水泵的啟停頻率，優(yōu)先啟動(dòng)頻率低的排水泵；低液位時(shí)，停止頂蓋排水泵抽水；依此類(lèi)推，3臺(tái)頂蓋排水泵根據(jù)電機(jī)啟停頻率的大小循環(huán)啟停[4]。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工作人員定期觀察，初期該方案在自動(dòng)控制模式運(yùn)行下，頂蓋排水泵平均約15 min啟停1次水泵，并且在運(yùn)行半年后頂蓋排水泵的啟停間隔會(huì)明顯縮短，在13 min左右。3臺(tái)頂蓋排水泵啟停間隔有較明顯的縮短，并有隨著機(jī)組運(yùn)行年份的加長(zhǎng)間隔有逐漸縮短的趨勢(shì)。

2.2 原頂蓋排水方案的弊端

(1)弊端1：占用空間大。由于水輪機(jī)室頂蓋內(nèi)空間狹小，導(dǎo)致頂蓋能夠蓄水的容積有限，3臺(tái)頂蓋排水泵均為潛水泵，在水位高時(shí)，水泵基本都淹沒(méi)在頂蓋內(nèi)，3臺(tái)頂蓋排水泵的體積占用空間無(wú)形中使得頂蓋蓄水容積進(jìn)一步縮小。

(2)弊端2：故障率高，檢修難。由于水車(chē)室內(nèi)機(jī)械設(shè)備復(fù)雜繁多，頂蓋上部有導(dǎo)葉接力器、導(dǎo)葉連桿、檢修密封氣管路、水導(dǎo)軸承油槽油冷卻水管路、接力器操作油管路以及各種自動(dòng)化元件的電纜交錯(cuò)布置其中，使得水輪機(jī)室內(nèi)各種檢修都變得困難，安全隱患多。頂蓋內(nèi)3臺(tái)頂蓋排水泵意味著出現(xiàn)機(jī)械故障和電氣故障概率比單臺(tái)水泵的概率大很多。另外，原方案中排水泵采用常規(guī)交流泵，頻繁啟?？赡軐?dǎo)致電機(jī)過(guò)載和損壞，同時(shí)還會(huì)導(dǎo)致電機(jī)散熱不良，使電機(jī)的溫度上升，對(duì)排水泵電機(jī)使用壽命和性能穩(wěn)定性影響很大。

(3)弊端3：投資大，不環(huán)保。3臺(tái)頂蓋排水泵控制方案的采購(gòu)成本和改造成本較大，排水泵在運(yùn)行過(guò)程保持電網(wǎng)額定頻率50 Hz運(yùn)行，初期由于漏水量不大，泵的啟停次數(shù)不多；隨著機(jī)組運(yùn)行年限加長(zhǎng)，機(jī)組漏水量變大，頂蓋內(nèi)積水積存速度加快，以及排水泵效率降低，排水泵的啟停頻率會(huì)越來(lái)越高，影響泵的使用壽命。到后期存在排水泵排水效率不滿足頂蓋排水要求的情況，需要重新更換更大功率的排水泵；而改造更換排水泵及控制系統(tǒng)需要消耗較大的人力、物力和財(cái)力。同時(shí)，由于電機(jī)的啟停需要耗費(fèi)大量的電能，也不利于節(jié)能環(huán)保。

3 頂蓋排水改造方案

3.1 改造后的頂蓋排水方案

改造后方案主要由1臺(tái)變頻排水泵、1臺(tái)變頻器、1只人機(jī)交互設(shè)備(觸摸屏)、1只PLC(可編程邏輯控制器)、1只液位傳感器構(gòu)成(輸出模擬量信號(hào))，在水輪機(jī)室外壁配有1只頂蓋排水泵控制箱。

排水泵主要依靠變頻器控制，利用頂蓋內(nèi)液位傳感器實(shí)測(cè)的水位輸出模擬量信號(hào)來(lái)自動(dòng)調(diào)節(jié)變頻泵的運(yùn)行頻率，且排水泵的運(yùn)行頻率可根據(jù)水位由高到低自動(dòng)控制。遠(yuǎn)方控制時(shí)，中控室能夠通過(guò)電氣硬接點(diǎn)方式，單點(diǎn)開(kāi)出進(jìn)行頂蓋排水變頻泵啟停及頻率參數(shù)給定，同時(shí)通過(guò)通訊在上位機(jī)顯示電機(jī)頻率、運(yùn)行速度、運(yùn)行電流信息。自動(dòng)控制時(shí)，機(jī)組開(kāi)機(jī)時(shí)由監(jiān)控發(fā)送啟泵指令，變頻器根據(jù)水位自動(dòng)調(diào)節(jié)排水泵工作頻率運(yùn)行抽水。停機(jī)時(shí)，由監(jiān)控系統(tǒng)開(kāi)出停止命令，進(jìn)行停泵。現(xiàn)地控制時(shí)，通過(guò)現(xiàn)地控制箱上的啟動(dòng)/停止按鈕啟停排水泵，并可通過(guò)控制箱上電位器操作減小/增加電機(jī)運(yùn)行頻率。觸摸屏有電機(jī)頻率、運(yùn)行速度、運(yùn)行電流顯示，控制流程圖如圖1所示。

圖1 頂蓋排水泵控制流程圖

3.2 改造后的頂蓋排水方案具體控制步驟

當(dāng)控制方式為現(xiàn)地控制時(shí)，在動(dòng)力電源已經(jīng)接通的情況下，通過(guò)控制箱上的啟動(dòng)(SB2)/停止按鈕(SB1)，啟動(dòng)頂蓋排水泵按照額定頻率運(yùn)行或停止排水泵，現(xiàn)地控制箱上排水泵運(yùn)行狀態(tài)燈作相應(yīng)指示。

當(dāng)現(xiàn)地需要手動(dòng)調(diào)節(jié)頂蓋排水泵運(yùn)行速度時(shí)，通過(guò)控制箱上的電位計(jì)旋鈕(RP1)旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)排水泵的運(yùn)行頻率，達(dá)到手動(dòng)控制排水速度的效果。

當(dāng)初始控制方式為自動(dòng)控制方式時(shí)，且動(dòng)力電源已經(jīng)接通，PLC收到監(jiān)控給出啟泵指令并發(fā)出指令給變頻器，使變頻器處于遠(yuǎn)方給定頻率狀態(tài)。

若遠(yuǎn)方有啟泵信號(hào)且停泵信號(hào)未開(kāi)啟，則PLC發(fā)出指令使變頻器按照默認(rèn)頻率37.5 Hz頻率啟動(dòng)排水泵，遠(yuǎn)方、現(xiàn)地指示燈發(fā)生相應(yīng)變位。

當(dāng)遠(yuǎn)方發(fā)出指定頻率指令給PLC時(shí)，PLC通過(guò)模擬量輸出口輸出相應(yīng)頻率參數(shù)給變頻器，使變頻器按照遠(yuǎn)方指定頻率運(yùn)行。

當(dāng)初始控制方式為自動(dòng)控制方式時(shí)，且動(dòng)力電源已經(jīng)接通，遠(yuǎn)方啟泵信號(hào)及停泵信號(hào)未發(fā)出指令，則PLC根據(jù)接收到的頂蓋內(nèi)液位傳感器采集的液位信息進(jìn)行排水泵控制；若液位超過(guò)預(yù)先在PLC內(nèi)設(shè)置的啟泵液位，則啟動(dòng)排水泵。

當(dāng)排水泵啟動(dòng)后，按照預(yù)先在PLC內(nèi)編程的液位與排水泵啟動(dòng)頻率關(guān)系，根據(jù)液位實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)排水泵排水速度，液位下降則排水泵頻率下降。

當(dāng)頂蓋內(nèi)的液位降低到預(yù)先設(shè)置的停泵液位時(shí)，則PLC發(fā)出停泵指令。直到頂蓋內(nèi)液位再次達(dá)到PLC內(nèi)預(yù)先設(shè)置的啟泵液位，重新啟泵。

具體控制原理圖及PLC接線圖如圖2、圖3所示。

圖2 頂蓋排水泵控制原理圖

圖3 頂蓋排水泵控制PLC接線圖

4 結(jié) 語(yǔ)

使用變頻排水泵替換多臺(tái)排水泵的方式進(jìn)行頂蓋內(nèi)積水抽排目前在該電站運(yùn)行效果良好，可根據(jù)積水速度智能調(diào)節(jié)頂蓋排水泵抽排水效率，根據(jù)頂蓋內(nèi)積水液位最初液位高度緩慢或工頻啟動(dòng)排水泵，根據(jù)液位的下降逐步降低排水泵運(yùn)行頻率，緩慢停止排水泵。該改造不僅克服了原技術(shù)方案中存在的缺陷，而且具有廣泛適用性，既方便施工和節(jié)省初期改造成本，也便于后期維護(hù)保養(yǎng)；同時(shí)還滿足水電站“無(wú)人值班”(少人值守)的運(yùn)行方式[5]。