關于生態流量與發電調水自動控制系統的改造及應用

林鳴耀

（泉州市龍門灘引水工程管理處，福建 泉州362500）

1 概況

福建省泉州市彭村水庫是一座以供水、防洪功能為主兼有發電等綜合效益的中型水利樞紐工程，是泉州七庫連通工程的源頭水庫。該水庫是泉州地區的第三大水庫和最大的中型水庫，是晉江下游600 多萬泉州人民的應急備用水源工程。大壩控制流域面積144.5 km2，多年平均徑流量1.76 億m3；水庫正常蓄水位642 m，總庫容7843 萬m3。彭村水庫電站裝機容量為2×3.7MW，水輪機型號HLA630-WJ-84，最大水頭95 m，額定水頭80 m、最小水頭69 m，額定流量5.234 m3/s；因此，利用水輪發電機組開機能確保≮0.7 m3/s 生態流量要求。

因原放水錐閥的控制方式是采用人工現場操作模式進行的，且兼有不宜頻繁操作及執行生態放水任務時產生的噪音和揚水潮氣污染等問題。本次改造的目的在于解決上述問題的同時，充分利用水資源創造經濟效益和減少人力資源的投入及控制的方便快捷，保證生態下泄系統的持續不間斷運行。

2 改造前的要點和難點分析

2.1 電氣方面

本次改造首先分析機組自動化系統是否具備生態放水在機組發電時能自動關閉，機組停機自動能開啟的功能。

彭村水庫電站電氣主接線圖見圖1。

由圖1 可見，本電站均配備KYN 型系列高壓柜，采用可移開式開關手車，所有的開關量均發送到機組LCU 自動化控制系統進行控制，只要在原有的開停機自動系統流程中稍加改造，判斷機組出口601、602 開關的分合閘位置用于自動控制生態下泄流量的啟閉。綜上，電氣方面具備改造條件。

圖1 彭村水庫電站電氣主接線圖

2.2 機械方面

本次改造其次要分析生態放水系統是否具備機組自動化系統的聯動功能。

2.2.1 原生態放水系統的構成

本單位采用管道式生態下泄流量控制，生態放水系統主要由生態放水碟閥和放水錐閥及配套操作系統、輔助系統組成（見圖2）。生態放水系統的主要控制元件由生態放水主閥和放水錐閥為DN400、1.6 MPa 電、手動蝶閥和錐閥組成；經查閱資料及聯系廠家，蝶閥和錐閥均不能配合機組開停機進行頻繁開關操作。為達到改造預期效果，需選用一款能配合機組頻繁開停機操作并具備調流調壓功能的閥門進行改造安裝。

圖2 生態放水系統圖

思路的切入點為機組自動化開停機流程中使用的技術供水電動液壓控制閥能配合機組的頻繁開停機操作。為此，特地向多家相關閥門廠家進行技術改造選型的相關咨詢；經總結，X600 水力電動控制閥（見圖3）具備上述功能。

圖3 改進前X600 液控閥

2.2.2 X600 液控閥的改進

X600 水力電動控制閥的作用與用途：該閥門是用來安裝在管道中，作業遙控開啟和關閉的閥門。可取代用來啟閉閘閥或蝶閥的大型電動裝置，具有體積小、重量輕、維修簡單、使用方便、安全可靠，并允許應用于需要頻繁操作的場合。X600 水力電動控制閥的應用徹底解決了生態放水碟閥和生態放水錐閥不能頻繁操作的問題。因該液控閥正常只有全開和全關兩個位置，據廠家提供數據DN400、X600 液控閥最大過水流量為≮2.5 m3/s，為此需對該閥門進行改進，增加用于調整液控閥開啟時的開度。

改進后在該液控閥閥膜片壓板上腔增加上限位調節桿（見圖4）用于調整控制閥門開啟時的開度，并具備一定的調流調壓功能，保證生態下泄流量≮0.7 m3/s 流量的可調整性能。

圖4 改進后X600 液控閥

3 改造方案的實施

3.1 機械方面的改造

X600 液控閥安裝，見圖5。本次改造安裝不再采用放水錐閥進行泄壓放水；原因如下：雖然該類型閥門具有結構簡單、重量輕、啟閉力小操作輕便、泄流時噴出水舌為喇叭狀，空中擴散摻氣、消能效果好等優點；但由于該類閥門的結構特點決定了工作過程中不可避免的會產生氣穴現象，即當水流通過錐形閥口或經過狹窄縫隙等處時，流通面積縮小，流速升高，壓差增大，閥口處產生低壓區域，局部壓力下降至飽和和蒸氣壓以下，氣穴現象由此產生。而氣穴現象對錐形閥本事有諸多不利影響，氣穴現象產生的氣泡如果潰滅，將產生汽蝕現象。汽蝕現象會引起噪音及機械振動。因項目地點臨近村落，為解決村民反映的生態放水噪音問題，本次改造放棄使用錐形閥，采用排水彎管（出水口高程負1 m 安裝） 加消能池的方法進行生態放水下泄排放(見圖5）。

圖5 改造后X600 液控閥安裝圖

3.2 電氣方面的改造

3.2.1 X600 液控閥與機組自動化LCU 的聯控改造

將閥門的自動控制結合到機組的自動化開停機流程中，實現X600 液控閥的自動控制。

X600 液控閥的自動控制原理見圖6。

圖6 X600 液控閥自動控制原理方框圖

當兩臺機組的出口開關手車處于“工作”位時，且任意某個開關處于合閘狀態即通過機組LCU 命令現場X600 液控閥CPU 執行關閥令，系統進入機組發電生態下泄狀態。

當兩臺機組的出口開關手車處于“工作”位時，且兩開關均處于斷開狀態時即通過機組LCU 命令現場X600 液控閥CPU執行開閥令，系統進入管道生態下泄狀態。

關閥回路判斷開關手車“工作”位置的目的在于為保證機組檢修開關手車處于“試驗”位置時，因繼保試驗等需要的合開關時操作引起的誤關生態下泄液控閥的現象發生。開閥回路判斷開關手車非“工作”位置，在于保證機組檢修開關手車在非“工作”位置時，應無條件執行開閥令，保證既定生態下泄流量的不間斷執行。

3.2.2 X600 液控閥與機組自動化LCU 的聯控改造

X600 液控閥現場CPU 控制原理見圖7。

圖7 X600 液控閥現場CPU 控制原理圖

為保證系統X600 液控閥工作的可靠性，在該系統的電源部分增加了UPS 不間斷電源容量為1000VA 一套（見圖6）。現場設置控制方式轉換開關，正常系統處于遠方“自動”控制狀態；系統異常時可切換至“手動”狀態，由電站運行人員判斷，在上位機電腦手動開關閥門；當機組LCU 處于檢修狀態時亦可用于進行現場開關液控閥操作。

為保證生態放水系統X600 液控閥工作的可靠性，本次改造采用常開式電磁閥用于X600 液控閥的控制；即在不執行生態放水任務時該電磁閥處于通電狀態，當執行生態放水任務時該電磁閥處于斷電狀態，保證因系統停電或系統故障及檢修時引起的誤關閉液控閥的操作，是確保生態下泄流量持續不間斷放水的另一技術保障措施。

4 生態下泄流量改造后經濟效益

根據水利部門要求彭村水庫下泄流量為≮0.7 m3/s；改造前，通過生態放水系統的管道24 小時不間斷執行生態下泄流量任務每年需放水2207.52 萬m3；我處批復電價為0.331 元，如果全部用于發電可產生441.5 萬kW·h 的電能, 創收146 萬元。彭村水庫電站裝機容量為2×3.7MW，多年平均發電量為2830 kW·h,年利用小時數3825 h，設計高程為80 m、設計單機流量為5.234 m3/s；豐水期實際雙機同時運行小時數約1440 h，單機運行小時數約2780 h，即全年機組開機保證生態流量時間約為4220 h。如果在開機發電期間關閉生態下泄流量0.7 m3/s 計算，全年可節省水能1063.44 萬m3用于發電212.688 萬kW·h，創收70.4 萬元；本次改造費用9.4 萬元，投入產出比例達749%。

5 結語

5.1 結論

經技術更新改造以來，設備運行可靠穩定。因此，只要合理安排發電計劃調整發電負荷充分利用機組發電的方式進行生態流量下泄；既保證生態下泄流量的需求又能更好的充分利用水利資源創造經濟效益。本次技術改造原理簡單，具有投入資金少、見效快；并具備技術普遍性等特點。既充分利用水利資源創造經濟效益又減少管理成本和人員成本的投入。

5.2 建議

河床式電站及壩后式電站可采用的自動化控制方式有微機自動化控制，控制電纜控制和無線遙控三種。對于新建項目和已建控制水平較高的，可考慮將生態流量控制編入機組開停機流程采用微機自動化控制。對于機組較小且自動化控制水平較低的可采用直接根據機組出口開關及刀閘的開關量，通過控制電纜直接連接的方式進行自動化控制改造。對于視野比較開闊且控制光纜或控制電纜難以敷設的，可采用現場開關量加無線I/O 控制器對現地無線I/O 控制器進行組網無線同步控制執行生態下泄流量的開關操作。