某電站水輪發電機組頂蓋排水控制設計改造

賴志文，喻方圓，王婉秋，石振球

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

1 概 述

水電廠頂蓋排水系統是保障機組安全運行的重要因素之一[1]，若不加重視，嚴重情況下會使頂蓋內積水來不及排出，導致水淹水輪機室的后果，嚴重威脅機組的安全穩定運行[2]。

水輪發電機組轉動部件和固定部件之間通過抗磨環和密封圈進行密封，隨著機組的長期運行，抗磨環和密封圈會不斷磨損和老化，頂蓋內水位上升速度加快；再加上頂蓋排水泵隨著機組的長期運行，排水效率會逐漸降低，使得排水泵頻繁啟停，水泵電機會加速老化，減少了排水泵使用壽命，增加了排水泵故障率，影響機組的安全穩定運行。

中國華電集團有限公司衢州烏溪江分公司嘗試對頂蓋排水泵控制方案改造，采用1臺大功率變頻頂蓋排水泵，根據頂蓋液位變頻控制排水泵的運行頻率，實現頂蓋內液位實時控制。該方案在節省設備費用的同時，提升了頂蓋排水效率，并對后期頂蓋漏水量大時有一定預留的排水能力空間。

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開發的梯級電站，擁有5臺混流式水輪發電機組，其中部分機組運行已超過25 a。該電站每臺機組水輪機室頂蓋內安裝有3臺頂蓋排水泵，3臺頂蓋排水泵均為潛水泵；頂蓋內安裝有1只連桿浮球液位開關，液位開關自帶3個浮球，用于輸出低液位、高液位、過高報警液位信號(開關量)；水輪機室外壁安裝1只頂蓋排水泵控制箱。

原方案有現地和自動控制兩種控制方式，其中現地控制通過控制箱面板的3臺泵單獨的啟停按鈕來實現；自動控制通過控制箱內PLC編程實現[3]。當頂蓋內液位達到過高報警液位時，向監控發出報警信號；高液位時，PLC根據3只水泵的啟停頻率，優先啟動頻率低的排水泵；低液位時，停止頂蓋排水泵抽水；依此類推，3臺頂蓋排水泵根據電機啟停頻率的大小循環啟停[4]。

根據現場工作人員定期觀察，初期該方案在自動控制模式運行下，頂蓋排水泵平均約15 min啟停1次水泵，并且在運行半年后頂蓋排水泵的啟停間隔會明顯縮短，在13 min左右。3臺頂蓋排水泵啟停間隔有較明顯的縮短，并有隨著機組運行年份的加長間隔有逐漸縮短的趨勢。

2.2 原頂蓋排水方案的弊端

(1)弊端1：占用空間大。由于水輪機室頂蓋內空間狹小，導致頂蓋能夠蓄水的容積有限，3臺頂蓋排水泵均為潛水泵，在水位高時，水泵基本都淹沒在頂蓋內，3臺頂蓋排水泵的體積占用空間無形中使得頂蓋蓄水容積進一步縮小。

(2)弊端2：故障率高，檢修難。由于水車室內機械設備復雜繁多，頂蓋上部有導葉接力器、導葉連桿、檢修密封氣管路、水導軸承油槽油冷卻水管路、接力器操作油管路以及各種自動化元件的電纜交錯布置其中，使得水輪機室內各種檢修都變得困難，安全隱患多。頂蓋內3臺頂蓋排水泵意味著出現機械故障和電氣故障概率比單臺水泵的概率大很多。另外，原方案中排水泵采用常規交流泵，頻繁啟?？赡軐е码姍C過載和損壞，同時還會導致電機散熱不良，使電機的溫度上升，對排水泵電機使用壽命和性能穩定性影響很大。

(3)弊端3：投資大，不環保。3臺頂蓋排水泵控制方案的采購成本和改造成本較大，排水泵在運行過程保持電網額定頻率50 Hz運行，初期由于漏水量不大，泵的啟停次數不多；隨著機組運行年限加長，機組漏水量變大，頂蓋內積水積存速度加快，以及排水泵效率降低，排水泵的啟停頻率會越來越高，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需要消耗較大的人力、物力和財力。同時，由于電機的啟停需要耗費大量的電能，也不利于節能環保。

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臺變頻排水泵、1臺變頻器、1只人機交互設備(觸摸屏)、1只PLC(可編程邏輯控制器)、1只液位傳感器構成(輸出模擬量信號)，在水輪機室外壁配有1只頂蓋排水泵控制箱。

排水泵主要依靠變頻器控制，利用頂蓋內液位傳感器實測的水位輸出模擬量信號來自動調節變頻泵的運行頻率，且排水泵的運行頻率可根據水位由高到低自動控制。遠方控制時，中控室能夠通過電氣硬接點方式，單點開出進行頂蓋排水變頻泵啟停及頻率參數給定，同時通過通訊在上位機顯示電機頻率、運行速度、運行電流信息。自動控制時，機組開機時由監控發送啟泵指令，變頻器根據水位自動調節排水泵工作頻率運行抽水。停機時，由監控系統開出停止命令，進行停泵?，F地控制時，通過現地控制箱上的啟動/停止按鈕啟停排水泵，并可通過控制箱上電位器操作減小/增加電機運行頻率。觸摸屏有電機頻率、運行速度、運行電流顯示，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

當控制方式為現地控制時，在動力電源已經接通的情況下，通過控制箱上的啟動(SB2)/停止按鈕(SB1)，啟動頂蓋排水泵按照額定頻率運行或停止排水泵，現地控制箱上排水泵運行狀態燈作相應指示。

當現地需要手動調節頂蓋排水泵運行速度時，通過控制箱上的電位計旋鈕(RP1)旋轉調節排水泵的運行頻率，達到手動控制排水速度的效果。

當初始控制方式為自動控制方式時，且動力電源已經接通，PLC收到監控給出啟泵指令并發出指令給變頻器，使變頻器處于遠方給定頻率狀態。

若遠方有啟泵信號且停泵信號未開啟，則PLC發出指令使變頻器按照默認頻率37.5 Hz頻率啟動排水泵，遠方、現地指示燈發生相應變位。

當遠方發出指定頻率指令給PLC時，PLC通過模擬量輸出口輸出相應頻率參數給變頻器，使變頻器按照遠方指定頻率運行。

當初始控制方式為自動控制方式時，且動力電源已經接通，遠方啟泵信號及停泵信號未發出指令，則PLC根據接收到的頂蓋內液位傳感器采集的液位信息進行排水泵控制；若液位超過預先在PLC內設置的啟泵液位，則啟動排水泵。

當排水泵啟動后，按照預先在PLC內編程的液位與排水泵啟動頻率關系，根據液位實時調節排水泵排水速度，液位下降則排水泵頻率下降。

當頂蓋內的液位降低到預先設置的停泵液位時，則PLC發出停泵指令。直到頂蓋內液位再次達到PLC內預先設置的啟泵液位，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 語

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