軸流轉槳式機組頂蓋排水系統改造淺析

丁 凱

(國電大渡河深溪溝水電有限公司，四川漢源 625300)

1 概述

深溪溝水電站位于四川省漢源縣，為大渡河干流規劃的第十八級電站，其上一梯級為已建成發電的瀑布溝水電站，下一級為規劃中的枕頭壩水電站。深溪溝水電站為河床式布置，主要任務為發電。電站裝設4臺軸流轉槳式水輪發電機組，總裝機容量660 MW。電站按無人值班(少人值守)原則設計。深溪溝水電站首臺機(1#機)于2010年6月成功投產。

2 機組頂蓋排水系統的重要性

機組頂蓋排水系統具有排除由于水輪機主軸密封等止水面的漏水所造成的頂蓋積水，擔負著保證水導軸承的安全重任。深溪溝水電站水輪機為ZZ－LH－830型軸流轉槳式水輪機。軸流轉槳式水輪機頂蓋排水有異于混流式水輪機。混流式水輪機頂蓋排水主要依靠座環的固定空心導葉以自流方式排至滲漏集水井，而軸流式機組頂蓋排水則完全依靠水泵排水，一旦頂蓋排水系統出現故障，就會直接影響機組的安全運行。

由于水電站主軸密封盒導葉軸套漏水量較大，使水泵啟停頻繁，經常因控制回路故障造成水淹頂蓋、淹沒軸承，水導軸承透平油進水會影響油膜并引起軸頸銹蝕進而導致機組被迫停機或退出熱備用，輕則造成數小時停電，重則影響數日，從而造成電站較大的經濟損失。每次水淹水導軸承均要更換油槽透平油并清洗水導、檢查控制回路等，工作量很大。

3 問題分析

深溪溝水電站頂蓋排水系統配置了三臺排水泵，采用常規的液位傳感器等元件控制水泵運行。在深溪溝水電站1F機組運行過程中，主要存在以下問題。

3.1 自然條件

深溪溝水電站建在大渡河流域。大渡河因其河水含沙量高又稱“銅河”，高含沙水流對水輪發電機組的過流部件有極大的磨蝕作用，同時也會嚴重磨損機組主軸密封、增大漏水量，使水泵啟停頻繁，從而對頂蓋排水系統的可靠性提出了更高的要求。

3.2 水位測量

頂蓋排水系統采用一路普通液位傳感器作為信號源控制排水泵啟停，而沒有采用雙路配置，其可靠性較差、測量精度較差;同時，因受頂蓋水位波動影響較大，不適合測量動態水位;頂蓋內特別潮濕，元器件工作環境惡劣;存在因采樣值誤差大而造成控制的可靠性差，易造成水淹頂蓋的隱患。

3.3 人機界面

頂蓋排水控制系統無任何人機交互界面，不能向運行維護人員提供有效的運行信息，對排水系統運行狀態監視不直觀，不便于參數設置、現場操作等維護工作。

3.4 PLC 配置

頂蓋排水控制系統PLC采用施耐德Twido系列，為施耐德較低端的產品，可擴展性和維護性較差。同時，由于該系統沒有實現與計算機監控系統進行聯機通訊，導致計算機監控系統無法監視頂蓋水位，不利于電站運行維護人員對水位的實時監測和事故的及時發現與處理。

3.5 動力電源

三臺排水泵電源分別取自廠用400 V自用電，可靠性較差。一旦該段電源消失或故障，將直接中斷排水泵工作，造成水淹頂蓋機組停機等后果。

4 解決方案

基于以上問題，并考慮到頂蓋排水系統的重要性，為減少運行維護工作量，避免因頂蓋淹水造成機組被迫停機帶來的損失，同時，由于頂蓋水位處在無人值守的部位，因此，要求監控設備十分可靠、萬無一失，從而更有利于深溪溝水電站無人值班(少人值守)。經過認真分析調研，對該系統進行了以下改造。

4.1 增設人機交互界面

控制系統PLC系統采用施耐德XBTGT5330型10.4”彩色液晶TFT觸摸顯示屏作為人機接口，觸摸屏與PLC通信，畫面顯示系統運行狀態的實時信息，具有數據的輸入與顯示、報警處理及打印功能，控制功能滿足運行人員正常操作的需要。

4.2 水位信號的處理

取消原來的水位傳感器，改用兩個超聲波水位測量儀和一組浮子開關。

超聲波水位測量儀是一種先進的、非接觸式物位測量儀器，可用于測量各種容器或管道內液體的液位高低和流量大小，尤其適用于污水、有腐蝕性的場合，很適合機組頂蓋這種環境較為惡劣的場合使用。此外，超聲波液位計測量精度高，安裝維護簡便。超聲波液位計的探頭安裝在受測液體的上方，探頭受電激勵后，通過空氣向其下的液體發射超聲波，超聲波將被液體反射，回波被探頭接收和監測并被轉換為電信號。超聲波在發射和接收之間所需的時間與探頭和液體表面之間的距離成比例。

浮子開關是液位測量控制最常用的傳統、可靠的元件。若只采用這種接觸式水位計，必須將傳感器探頭插入水中，但探頭及電纜很快就會被腐蝕壞，從而影響正常的測量。而將這兩種元件同時參與控制邏輯，可全面提高測量元件的冗余能力。兩路超聲波測量水位信號同時上送電站計算機監控系統和頂蓋排水控制PLC。兩路超聲波測量水位信號和水位浮球開關信號同時參與PLC控制，兩種測量信號互檢和熱備用。當兩路信號不一致或傳感器故障時，均能報出相應告警信號。

在水位控制中，當頂蓋積水水位上升到一定高度時，排水泵自動啟動，從而保證頂蓋積水水位在規定范圍內;頂蓋水位在規定的最低水位時能自動停止水泵運轉;頂蓋水位到達故障水位和警戒水位時，能自動發出故障信號;水泵故障能自動發出報警信號。

4.3 PLC 配置

機組頂蓋排水及漏油泵控制系統PLC選用施耐德Quantum系列PLC，配存儲卡，PLC軟件貯存在閃存(Flash memory)里。采用單MB+通訊網絡與計算機監控系統機組LCU進行通信，并配置一個串行通信接口或USB編程口與現場調試設備進行通信。整套PLC配置了獨立的離散量、模擬量輸入輸出模塊，使每種模塊完成各自的采集或控制輸出功能，避免混合模塊。PLC機架采用冗余電源模塊供電，頂蓋排水泵的輸入、輸出信號接入不同的I/O模板，防止單一模塊損壞后影響到整個控制系統的正常工作。

4.4 應急處理

頂蓋排水增加了一臺應急潛水泵，在檢修或緊急情況下可現場手動啟動抽水至滲漏集水井。該潛水泵能夠實現手、自動控制。

4.5 動力電源處理

增加排水泵雙電源切換裝置。動力電源采用AC380V雙電源供電，電源分別取自機組自用電Ⅰ段和Ⅱ段，柜內配置動力電源雙電源切換開關，切換裝置兩路進線電源分別設置空開，從而大大提高了電源的可靠性。

4.6 控制電源處理

機組頂蓋排水控制系統屏內開關電源輸入采用交、直流雙電源供電，為PLC、自動化元件和傳感器等提供DC24V工作電源，每路輸入/輸出均設有空開保護。

4.7 控制方式

頂蓋排水泵分別在控制柜上設置現地手動、自動控制方式選擇切換開關，各切換開關均設“手動”、“自動”、“切除”三檔。將控制方式選擇切換開關置于“自動”控制方式時，PLC根據超聲波液位變送器和液位開關的信號自動啟/停水泵，當PLC故障或死機時可通過超聲波液位變送器的輸出接點直接啟/停水泵;必要時，運行人員也可通過計算機監控系統網絡在計算機監控系統上遠方直接啟/停水泵。當切換開關設置于“切除”位置時，相應水泵退出運行。當切換開關置于“手動”位置時，直接啟動水泵，并閉鎖自動控制命令的輸出。應急潛水泵平時不參與輪換，當水位達到高報警1值時自動投入應急潛水泵。

4.8 報警功能和運行信息處理

PLC能自動統計每臺水泵的當前及累計運行時間和啟動次數，無論切換開關置于任何位置，PLC均能輸出泵的運行狀態信號、主要故障信號，以點亮柜上的指示燈，所有故障信號能自保持，在故障消失后不可自動復歸，需由運行人員現場復歸或通過監控系統遠方復歸，以便于維護人員查找和處理故障。

切換開關位置狀態信號、電機故障信號、電機運行狀態信號、頂蓋水位過異常信號、頂蓋水位上上限報警信號、電源故障信號、PLC故障信號等開關量信號通過硬接點上送計算機監控系統，同時將頂蓋水位4～20 mA的模擬信號上送計算機監控系統。除上述常規信號外，PLC還通過MB+通訊網絡與計算機監控系統進行通信，上送設備運行狀態信號(包括每臺泵的運行和停止狀態、泵處在工作和備用狀態等)，所有故障和報警信號(包括電機故障、電機控制保護器故障、PLC故障、I/O模板故障、電源故障、傳感器故障等)，各模擬量實測值以及泵的當前及累計運行時間和動作次數的統計結果等，從而更有助于運行維護人員對該系統進行全面的監視和故障判別處理。

5 結語

經過對深溪溝水電站1#機組頂蓋排水系統進行改造，大大提升了該系統的可靠性。運行實踐證明，PLC輸入輸出隔離中間邏輯回路采用程序實現而非繼電器實現，避免了輸入輸出回路相互干擾或回路中某一中間節點接觸不好所造成的回路運行不正常，達到了回路更加可靠的目的。回路更合理、更可靠、自控能力更強，故障報警系統得到完善，大大減少了運行人員的工作量，并可通過計算機監控系統進行監視控制，實現“少人值班、無人值守”。