單泵帶雙機變頻恒壓技術供水在水電廠的應用

張 黎，周其彬，王子銘

（1.四川華能涪江水電有限責任公司，四川省成都市 610041；2.華能西藏發電有限公司，四川省成都市 610200）

單泵帶雙機變頻恒壓技術供水在水電廠的應用

張 黎1，周其彬1，王子銘2

（1.四川華能涪江水電有限責任公司，四川省成都市 610041；2.華能西藏發電有限公司，四川省成都市 610200）

本文介紹了變頻恒壓技術供水控制系統在水牛家電廠中的應用，著重說明了一臺技術供水泵運行供兩臺機組冷卻水的節能控制理念，以及系統邏輯控制程序更改后在實際應用中達到的良好效果。

變頻器；恒壓供水；節能

0 引言

水牛家電廠位于四川省綿陽市平武縣涪江上游左岸最大的支流上，為火溪河一庫四級梯級開發的“龍頭”水庫電站，電廠水庫庫容1.342億m3，調節庫容1.092億m3，具有年調節能力。裝設2臺單機容量為35MW的立軸混流式水輪發電機組，多年平均發電量2.112億kWh，保證出力為25.1MW，年利用小時數3020h。

水牛家電廠技術供水系統采用離心式水泵直接抽尾水的供水方式，全廠配置3臺公用技術供水泵，水泵額定揚程45m，流量350m3/h，電動機額定功率為75kW，電流128A，公用技術供水控制單元以變頻器、PLC作為系統控制的核心部件，以設定技術供水干管壓力為控制目標，以變頻器內部PID為控制算法，組成恒壓閉環控制系統，保持技術供水管網壓力恒定，原有運行方式為一臺機組運行啟動一臺技術供水泵。

1 控制系統組成

圖1 技術供水單元組成

技術供水控制單元組成如圖1所示，系統跟蹤技術供水干管壓力與壓力設定值的偏差變化情況，經變頻器內部進行PID運算，自動控制水泵電機轉速，實現閉環自動調整恒壓供水。PLC采用安德里茨公司AMC 1703系列控制器，配置CPU、DI、DO、AI、AO模塊，并通過智能以太網卡連接至站內監控系統環網；變頻器采用施耐德公司的ATV38系列變頻器；公用技術供水干管安裝2只西門子壓力變送器P1、P2，兩臺機組技術供水干管分別安裝1只西門子壓力變送器P3、P4，型號為SITRANS P系列7MF 1580，量程為0～1.0MPa。

PLC通過AI模塊分別采集3臺變頻器輸出的運行頻率信號，以及P1、P2、P3、P4壓力變送器反饋信號，并將上位機壓力設定值（0～10V）與公用技術供水干管壓力反饋值（4～20mA）通過AO模塊分別輸出給3臺變頻器。PLC根據程序邏輯控制3臺變頻器啟停；變頻器一是作為電動機的軟啟動裝置，限制電動機的啟動電流，二是根據給定值與反饋值的偏差量進行PID控制，輸出頻率控制電動機的轉速，從而使系統處于穩定的工作狀態，保持管路水壓恒定。

在運行中發現，當兩臺機組運行時，先啟動的水泵出口閥全開（行程指示約5cm高），電動機電流為100A左右；而后啟動的水泵出口閥開啟較少（行程指示約0.6cm高），電動機電流70A左右。通過綜合分析，水牛家電廠技術供水泵在選型時有點偏大，水泵整體運行效率較低。為進一步降低廠用電能耗，提高設備運行可靠性，水牛家電廠技術供水系統經過試驗驗證，能夠單泵帶雙機恒壓供水運行，并且僅通過更改邏輯控制程序后即可實現。

2 單泵帶雙機控制功能實現

如圖2所示，兩臺機組LCU與技術供水控制單元采用以太網通信，自動開機過程中機組LCU發出開機啟泵令，并將機組處于運行及停機的狀態信號通過通信送給技術供水控制單元，由技術供水單元PLC進行自動啟停泵控制：一是收到機組LCU開機流程中發出的啟動水泵令；二是通過機組狀態信號判斷機組是否運行（在不執行自動開機流程如手動開機的情況下也能自動啟停水泵）。

圖2 機組LCU啟停水泵邏輯框圖

2.1 單泵帶雙機恒壓供水

單泵帶雙機運行方式：只要有任一臺機組開機就啟動主用水泵，開第二臺機組不再自動啟動第二臺水泵；雙機運行時，停一臺機組時不停水泵，在2臺機組均停機的情況下，自動停止所有處于運行的水泵（包括上位機人為啟動）。整個技術供水單元3臺水泵控制程序分為單泵帶雙機恒壓供水、異常工況處理、上下位機協同三部分，如圖3所示。

2.1.1 主備輪換

3臺技術供水泵采取一主二備的工作方式，按1-2-3-1順序進行主用泵標志輪換，任意一臺機組運行啟動主用泵。主用泵輪換條件：一是上位機人為停止當前主用泵；二是當前主用泵運行累計滿8h（為使得3臺泵運行時間均衡，采用運行累計計時，如果另外2臺泵均故障，則暫停累計計時）；三是出現內部或外部故障，內部故障時該泵只在短時內退出備用，外部故障要在恢復后才能投入備用。

2.1.2 恒壓控制

圖3 技術供水泵控制邏輯框圖

安裝于公用技術供水干管上的兩個壓力變送器P1、P2測量值作為系統壓力控制及監測信號，而分別安裝于兩臺機組供水電動碟閥后端供水干管上的壓力變送器P3、P4測量值僅作為機組供水壓力監測信號，同時安裝有溫度變送器作為供水溫度監測信號。值班人員可以根據供水溫度與機組各部的溫度設定供水系統壓力，可設定范圍為0.3～ 0.5MPa。

2.2 異常工況處理

2.2.1 水泵啟動失敗

判斷自動啟泵是否成功，須P1和P2同時滿足，在發出啟主泵命令50s內水壓P1、P2從0MPa上升至0.3MPa以上，判斷水泵啟動成功，啟泵令發出50s之后就不再判。否則發出綜合報警，將該泵停止，從主用泵輪換至下一臺泵并自動啟動。這種方式檢測水泵是否啟動成功，支持連續自動啟動備泵，直到水壓正常為止。

2.2.2 運行中水壓異常

正常運行時，恒壓供水是否正常，P1、P2任一個壓力降低至0.3MPa以下則不正常，延時60s發出綜合報警，保持該泵運行不停泵，并將主用泵標志輪換至下一臺泵自動啟動。這種方式檢測只要單個水壓不正常，支持連續自動啟動備泵，直到水壓正常為止。

2.2.3 壓力檢測異常

為及時發現P1、P2變送器出現測量誤差或者斷線失電，不管水泵是否運行，PLC時刻監測|P1－P2|是否大于0.1MPa，并延時30s發出報警，正常時以P1測量值作為恒壓控制的目標，出現P1斷線則自動將P2測量值作為恒壓控制目標；出現P1、P2測量超差，值班員參考P3、P4的測量值人為判斷是否P1出現異常，從而重新設定P2測量值為控制目標。這種方式為了防止運行時由于壓力變送器不可預見的故障造成調節失常，繼而造成管網壓力失恒引發失壓或超壓管路泄漏、機組冷卻器損壞等事故。

2.2.4 其他工況

水泵出口示流信號器和水泵運行信號、泵控閥打開信號只報警，不參與控制；上位機人為啟動的水泵不進行啟動失敗與運行中水壓異常檢測，只檢測啟動及運行中水泵出口示流信號器和水泵運行信號、泵控閥打開信號并發出綜合報警。將3臺泵的主用狀態、綜合故障、水泵啟動失敗、運行中水壓異常以及任一一臺機組運行的信號送上位機。

2.3 上下位機協同

與上位機人為干預配合：任何情況下支持上位機人為啟動無故障的水泵，也可人為停止任一非主用泵；如果人為將主用泵停止，而此時有機組運行，則將下一臺泵作為主用泵并自動啟動；手動啟動的備用水泵累計運行滿8h后自動停泵，不再自動啟下一臺泵。

3 運行效果分析

3.1 高效節能

通過采用變頻恒壓控制后，水泵按設定的壓力變頻運行，頻率變化范圍基本控制在40～50Hz范圍內，電動機運行電流較工頻運行有明顯降低。水牛家電廠兩臺機組歷年運行小時一般都在3000h左右，原來是單泵帶單機，1年水泵總共運行時間約6000h。修改為一臺泵帶雙機后，運行時間折半約3000h。最終按保守估計，可以節約一臺水泵運行2000h能耗，水泵電動機功率為75kW，將出力折算到50kW計算，每年可節省廠用電約10萬kWh。

3.2 提高可靠性

單泵帶雙機變頻恒壓控制運行后，上位機設定正常運行干管壓力為0.42MPa，將兩臺機組各部水壓調整相同，空冷水壓0.13MPa，上導軸承水壓0.26MPa，下導軸承水壓0.26MPa，水導軸承水壓0.32MPa，滿足運行要求，壓力波動控制在±0.03MPa，原來一機一泵運行方式只能有一臺泵備用，現在單泵雙機運行方式可以使得兩臺泵均為備用，提高了技術供水的可靠性和安全性，保證了上導軸承、推力軸承、空氣冷卻器、下導軸承、水導軸承各部分的供水質量。

由于技術供水取水口位于兩臺機組尾水肘管，機組在負荷和水頭變化等工況下運行時需要尾水補氣改善機組運行條件，從而造成尾水中產生大量氣泡。這些氣泡部分通過取水管聚集到管路和泵體內，經常出現備用水泵啟動抽不上水情況，嚴重影響機組運行安全。改為單泵帶雙機變頻恒壓控制運行后，水泵運行都在40Hz以上，會快速地將空氣帶走，水泵進入穩定工況運行。技術供水運行方式修改兩年以來，從未出現過水泵進空氣抽不上水的問題，消除了機組安全運行隱患，提高了水泵運行穩定性和機組供水可靠性。

4 結束語

水牛家電廠技術供水系統改為單泵雙機運行方式后，經過兩年多來的連續運行，該控制系統運行穩定，可靠性高，高效節能，維護量小，未發生影響機組運行的故障和事故。

[1] 莫慧芳. PLC在變頻恒壓供水系統的應用.變頻器世界，2007，(5)：80-82.

[2] 嚴杰,蔡守輝.智能水電廠現地控制單元發展趨勢.水電自動化與大壩監測，2011，35(2)：1-4.

[3] 劉定友,陳紅梅.小浪底水力發電廠清水控制系統.水電自動化與大壩監測，2002，26(4)：23-25.

張 黎（1980—），男，工程師，主要研究方向：水電廠/集控中心監控自動化技術管理。E-mail：zhangl@hnfjgs.com

周其彬（1980—），男，技師，主要研究方向：梯級水電廠機電設備維護檢修管理。E-mail：zhouqb@hnfjgs.com

王子銘（1978—），男，高級工程師，主要研究方向：水電廠/集控中心監控自動化技術管理。E-mail：outofcity@126.com

Single Water Pump for Two Hydro Generators with Varying Frequency Speed amp; Constant Pressure Hydrotech and Its Application to Hydropower Plant

ZHANG Li1, ZHOU Qibin1, WANG Ziming2
(1.Sichuan Huaneng Fujiang Hydropower Co. Ltd.,Chengdu 610041 China;2.Huaneng Tibet Power Generation Co. Ltd., Chengdu 610200 China)

This paper introduces the variable frequency constant pressure water supply control system used in Shuiniu-jia Hydropower Plant,and focuses on the introduction of the operation of a water supply pump for cooling water for two units of energy-saving control concept and system logic control program after the change in the actual application to achieve good results.

inverter;constant pressure hydrotech;energy saving