灘坑水電站水淹廠房控制保護(hù)回路分析及優(yōu)化

摘要：對水電站水淹廠房的危害和風(fēng)險進(jìn)行了分析，結(jié)合灘坑水電站的防水淹廠房水力機械設(shè)備控制保護(hù)回路設(shè)計上存在的不足和實際運行過程存在的問題，提出有針對性的措施并付諸于實踐，為國內(nèi)外大中型水電站在防水淹廠房設(shè)計和改造提供借鑒。

關(guān)鍵詞：水電站;防水淹廠房;風(fēng)險分析;優(yōu)化改造

1、 引言

灘坑水電站位于浙江省青田縣境內(nèi)甌江支流小溪中游河段，工程主要任務(wù)為發(fā)電，兼顧防洪。水庫正常蓄水位160m，總庫容41.9億m?，調(diào)節(jié)庫容21.26億m?，為多年調(diào)節(jié)水庫。電站總裝機容量為604MW，保證出力87.8MW，多年平均發(fā)電量10.23億kWh，電站于2009年7月全部投產(chǎn)發(fā)電。2009年8月17日俄羅斯薩楊—舒申斯水電站發(fā)生的水淹廠房事故，導(dǎo)致變壓器發(fā)生爆炸、水電站墻體損毀、機房進(jìn)水，造成75人死亡、130億美元的巨大經(jīng)濟(jì)損失和廣泛的社會負(fù)面影響。此次事件后，國內(nèi)外水電界針對此次事故進(jìn)行分析，提出了一系列的防止水淹廠房事故的建議和措施，并在相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)制度修訂時提出一系列新的要求。本文針對近些年關(guān)于水淹廠房新的要求重點梳理了灘坑水電站防水淹廠房水力機械設(shè)備控制保護(hù)回路設(shè)計上存在的不足和實際運行過程存在的問題，并結(jié)合日常改造對這些問題提出改進(jìn)措施，提高水機和閘門保護(hù)動作的可靠性，降低灘坑水電站上游側(cè)來水量大導(dǎo)致水淹廠房的風(fēng)險性。

2、 原防水淹廠房水力機械系統(tǒng)保護(hù)邏輯及配置

灘坑水電站引水發(fā)電系統(tǒng)主要由電站進(jìn)水口、引水隧道、引水式地面廠房系統(tǒng)等組成，發(fā)電引水洞采用單洞單機布置，機組選用混流式機組，主閥采用筒形閥，進(jìn)水口配置事故檢修閘門。防水淹廠房水力機械方面保護(hù)回路邏輯為：當(dāng)安裝在廠房上游側(cè)廊道（廠房最低高程）的浮球水位計動作后，水淹廠房報警信號送到電站監(jiān)控系統(tǒng)，由運行人員人為判斷，在監(jiān)控系統(tǒng)中手動操作緊急事故停機關(guān)閉機組導(dǎo)葉和機組筒形閥，同時通過進(jìn)水口LCU發(fā)出緊急關(guān)閉閘門指令到進(jìn)水口事故檢修閘門啟閉機控制柜關(guān)閉閘門，以實現(xiàn)快速截斷上游側(cè)來水，防止事故的進(jìn)一步擴大。

3、 原設(shè)計存在的問題及風(fēng)險點

3.1水位計設(shè)置不合理

原設(shè)計只在廠房上游側(cè)廊道（廠房最低高程）設(shè)置2只浮球水位計，每只水位計輸出1付報警節(jié)點信號至公用設(shè)備LCU，當(dāng)其中一個浮球動作后，發(fā)出水淹廠房報警信號。因水位計安裝在交通廊道旁，如果水位計發(fā)生故障或在此區(qū)域工作不小心碰到浮球都有可能觸發(fā)信號報警，極易造成信號誤報。

3.2機組未設(shè)置獨立的水機保護(hù)

當(dāng)機組發(fā)生水力機械故障時，只是單純通過水電廠監(jiān)控系統(tǒng)來實現(xiàn)機組緊急停機，實現(xiàn)快速關(guān)閉導(dǎo)葉和筒形閥功能，但是當(dāng)監(jiān)控系統(tǒng)控制單元冗余系統(tǒng)發(fā)生故障或工作電源全部失去時，就無法實現(xiàn)機組自動緊急停機，只能靠運行人員到各個現(xiàn)地控制裝置去手動操作停機，不能及時有效地快速隔離故障，可能造成事故的進(jìn)一步擴大。

3.3進(jìn)水口未設(shè)置獨立關(guān)閉閘門的硬回路

電站未配置獨立于監(jiān)控系統(tǒng)之外硬布線（包括獨立電纜）防止水淹廠房緊急操作系統(tǒng)，在發(fā)生水淹廠房時，中控室運行人員只能通過監(jiān)控系統(tǒng)操作進(jìn)水口LCU發(fā)出緊急落門指令，如果監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)生控制單元冗余系統(tǒng)發(fā)生故障、工作電源全部失去時或通訊故障時，就不能實現(xiàn)遠(yuǎn)方快速落進(jìn)水口事故檢修閘門。

3.4進(jìn)水口配電系統(tǒng)未配置備用電源

進(jìn)水口閘門啟閉機及控制系統(tǒng)采用單路供電，電源取自電廠廠用電10.5kVⅠ段，通過一臺型號為SGB10-400/10的干式變壓器降壓至400V后供電。一旦廠房進(jìn)水、廠用電失電、變壓器、電纜檢修或發(fā)生事故，將導(dǎo)致進(jìn)水口配電系統(tǒng)失電，機組進(jìn)水口事故檢修閘門無法正常工作。進(jìn)水口機組事故檢修閘門如果在事故情況下不能及時關(guān)閉，將對機組和大壩安全形成嚴(yán)重的威脅，影響電站的安全穩(wěn)定運行。

3.5調(diào)速系統(tǒng)不具備失電關(guān)閉功能

在2014版《防止電力生產(chǎn)重大事故的二十五項重點要求》之前，從維持電網(wǎng)穩(wěn)定的角度考慮，當(dāng)水輪發(fā)電機組的保護(hù)和控制回路電壓消失時，調(diào)速系統(tǒng)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計都是要求導(dǎo)葉保持失電前的狀態(tài)，機組保持原狀態(tài)運行，不設(shè)置失電自動關(guān)閉導(dǎo)葉功能。但是隨著我國電網(wǎng)的不斷擴大和技術(shù)的進(jìn)步，單臺機組突然跳機對電網(wǎng)頻率和電壓影響越來越小，當(dāng)電廠發(fā)生故障時，快速關(guān)閉導(dǎo)葉，截斷上游來水，防止事故的進(jìn)一步擴大，對電站的安全運行有著重要意義。

4防水淹廠房功能及方案優(yōu)化

4.1水位信號裝置和邏輯優(yōu)化

原有兩只浮球水位計只有一副接點輸出，現(xiàn)在上游側(cè)廊道兩個地點分別選用兩種不同原理的水位計，一套采用浮球式水位計，一套采用電極式水位計，每套水位計帶2付獨立接點輸出，各設(shè)置1個低限位報警，1個高限停機落閘門接點，將這些信號送到水淹廠房PLC。為了防止誤動采用低限閉鎖高限的方式，全廠采用4取2的控制方式，且不同型式的水位計至少1套動作，并在兩套水位計外部加裝EC套管防止誤碰。

4.2增設(shè)獨立的水機事故停機系統(tǒng)

按照《水力發(fā)電廠計算機監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范（DL/T5065-2009）》要求，灘坑水電站在2019年進(jìn)行監(jiān)控系統(tǒng)改造時，在機組現(xiàn)地控制單元之外，單獨設(shè)置了一套獨立的PLC用于水機保護(hù)停機，該系統(tǒng)包含獨立繼電器、獨立電源、獨立輸入輸出信號，可在發(fā)生重要的水機事故、現(xiàn)地控制單元監(jiān)控系統(tǒng)LCU冗余系統(tǒng)全部故障、工作電源全部失去等故障時，確保機組可靠停機。

4.3增設(shè)獨立的水淹廠房系統(tǒng)

電站新配置1套獨立于計算機監(jiān)控系統(tǒng)之外硬布線（包括獨立電纜）防水淹廠房緊急操作系統(tǒng)，在發(fā)生水淹廠房時，能夠?qū)崿F(xiàn)緊急停機和快速落進(jìn)水口事故檢修閘門功能。該系統(tǒng)配置獨立光端機、獨立光纖回路、中控室設(shè)置緊急停機和落進(jìn)水口閘門按鈕、獨立水淹廠房PLC、獨立繼電器和出口動作回路等設(shè)備，作為獨立于監(jiān)控系統(tǒng)以外的備用通道。當(dāng)水淹廠房PLC判斷滿足水淹廠房條件時，緊急停機信號送到監(jiān)控系統(tǒng)各機組LCU和水機保護(hù)PLC系統(tǒng)，機組執(zhí)行事故停機流程，關(guān)閉機組導(dǎo)葉和筒形閥;同時水淹廠房PLC將水淹廠房信號送到監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)水口LCU和新增的水淹廠房光端機，監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)水口LCU和水淹廠房光端機同時把緊急落閘門信號開出到進(jìn)水口閘門現(xiàn)地控制柜，實現(xiàn)緊急落進(jìn)水口事故檢修閘門。增設(shè)的水淹廠房硬布線回路，作為監(jiān)控系統(tǒng)的備用回路，進(jìn)一步提高機組緊急停機和緊急關(guān)閉閘門動作的可靠性。

4.4增加進(jìn)水口配電系統(tǒng)備用電源

為了提高進(jìn)水口配電系統(tǒng)供電可靠性，在進(jìn)水口配電室新增加一臺功率為600kW的柴油發(fā)電機組作為進(jìn)水口配電系統(tǒng)的備用電源，并對進(jìn)水口400V配電盤進(jìn)行改造，使之具備柴油發(fā)電機自動啟動和配電盤電源自動切換功能。改造后的柴油發(fā)電機開關(guān)與進(jìn)水口400V配電盤進(jìn)線開關(guān)進(jìn)行電氣閉鎖，當(dāng)進(jìn)水口400V配電盤母線電壓失壓時，經(jīng)3秒延時自動啟動柴油發(fā)電機組向進(jìn)水口400V配電盤供電。當(dāng)檢測到進(jìn)水口400V配電盤工作電源恢復(fù)時，柴油發(fā)電機組斷路器自動分閘并自動停機，進(jìn)水口恢復(fù)正常供電運行。

4.5設(shè)置調(diào)速系統(tǒng)停電動作功能

按照新的要求，電站結(jié)合現(xiàn)有調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，對機組的緊急停機回路進(jìn)行改造，增設(shè)失電關(guān)閉回路，以實現(xiàn)調(diào)速器控制回路具備得電關(guān)閉和失電關(guān)閉導(dǎo)葉功能。得電關(guān)閉油路和失電關(guān)閉油路采用并聯(lián)方式，任一油路動作都可使水輪機組緊急關(guān)閉。得電關(guān)閉控制部分利用原有的緊急停機回路，當(dāng)緊停電磁閥帶電后，緊停液動閥A與主配壓閥控制腔相通，實現(xiàn)機組關(guān)機。失電關(guān)閉控制部分以串聯(lián)方式依次連接的失電動作閥A、失電動作閥B、失電切除閥、失電聯(lián)動閥、緊停液動閥B，失電動作閥A的輸入口與壓力油連接，緊停液動閥B的輸入口與主配壓閥控制腔相連，只有失電動作閥A和失電動作閥B兩個閥門全部失電，此油路才會接通去關(guān)閉導(dǎo)葉，防止單個失電動作閥線圈燒毀或信號線故障造成機組誤停機，起到非正常動作容錯功能，提高設(shè)備運行的穩(wěn)定性。

5、結(jié)語

水淹廠房是水電站重大風(fēng)險之一，水淹廠房事故的特點是突發(fā)性、發(fā)展快，造成的后果極其嚴(yán)重。正是因為這些特點，如何保證水力機械設(shè)備動作的可靠性就尤為重要，防水淹廠房保護(hù)回路一旦發(fā)生誤動作或拒動將給電廠安全穩(wěn)定運行和經(jīng)濟(jì)效益帶來重大影響。灘坑水電站根據(jù)國家或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)定新的要求，結(jié)合本電站具體類型的實際情況，制定了切合本電站實際的防止水淹廠房應(yīng)對措施并付諸實施，進(jìn)一步提高了水力機械設(shè)備動作的可靠性，有效的降低了上游側(cè)來水造成的水淹廠房風(fēng)險，值得國內(nèi)外大中型水電站在設(shè)計和改造過程中借鑒使用。

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作者簡介：劉峰（1982—），男，湖北廣水人，工程師，工學(xué)碩士，主要從事為水電廠運行、維護(hù)和診斷。