水電站地下廠房通風系統智能化改造方案研究

陳日偉，李超順，侯福年，李永剛，陳學志

（1.烏江渡發電廠，貴州遵義563100；2.華中科技大學土木與水利工程學院，武漢430074）

水電能源在我國電力能源系統中占有重要地位，目前我國已修建水電站5 萬座以上，其中大中型水電站已有230 多座［1］。水電站廠房作為電站重要的水工建筑物，用于安裝容納水輪機、水輪發電機以及各種輔助設備。部分水電站因地理條件限制和工程建設的需要而建造成地下式廠房，其埋深一般在100 m以上，環境較為潮濕。此外，廠房內部安裝有大量水輪機主輔設備，設備運行散熱容易導致廠房悶熱、潮濕，機械設備銹蝕、電器設備絕緣降低、漏電、擊穿等問題，嚴重影響設備的安全運行及工作人員的人身安全［2］。因此，開展水電站地下廠房通風研究，設計一套良好的地下廠房智能化通風系統，對廠房內的濕熱負荷等不良因素進行調控，對廠房內機電設備安全穩定運行具有十分重要的作用。

在我國，對于水電站地下廠房通風系統的研究仍處于初級階段，傳統自然通風、機械通風、空調通風或其復合形式被國內大多數水電站采用［3，4］，地下廠房內通風不足或通風過剩兩種極端情況時有發生。自20世紀70年代以來，國內外一批專家學者對水電站地下廠房通風系統進行了廣泛的研究，通過大量的理論研究，結合新的技術手段，進行了大量的模型試驗，為之后的進一步研究積累了寶貴的經驗和科研數據［5-8］。劉希臣［9，10］對水電站地下廠房內的熱濕環境的形成進行了系統的研究，創新性提出了水電站地下廠房內濕熱負荷的調控策略，為之后的研究提供了科學支撐。郭俊勛［11］將水電站地下廠房內部溫度和濕度作為主要的研究對象，通過CFD 數值模擬，對廠房內溫度場和濕度場進行數值模擬和仿真分析，并在一定程度上改善了地下廠房內的通風效果，同時也為解決水電站地下廠房通風問題提出了新途徑。這些針對水電站地下廠房通風系統的探索和研究，取得了一定的進展，但研究對象仍是以傳統方式為主，缺乏理論研究和技術層面的突破，難以應對廠房內復雜多變的場景及應用模式，無法實現地下廠房通風系統的最優運行。因此，本文依據工程實際需求，結合離線測試和三維流場仿真模擬實驗結果，構建能夠適應不同運行場景的廠房智能通風與決策系統，對廠房的風機進行智能控制，最終實現廠房空氣質量和節能綜合相對最優控制。此外，還設計了具備地下廠房智能通風系統各風機運行狀態顯示和遠程控制等功能的水電站地下廠房溫度、濕度及空氣質量在線監控系統。

深入開展水電站地下廠房智能化通風在線監測和控制的研究與工程應用示范，有利于提高水電站地下廠房通風設計水平；有利于實現水電站“遠程集控、少人維護”的生產管理模式，提升水電站智能化運行水平；有利于提高水電站設備維護水平和人員工作安全系數和舒適度，減小廠房內設備故障率，從而產生經濟效益和社會效益。

1 基本情況介紹

某水電站建于20世紀80年代，是我國在喀斯特巖溶地區自主設計施工建設的第一座大型水電站，也是烏江梯級電站開發的第一座大型水電站。電站地下廠房安裝有3 臺單機容量250 MW 水輪發電機組，總裝機容量為750 MW。地下廠房通風系統風源由額定功率為45 kW 的4 臺送風機和2 臺排風機構成。通風機運行方式為遠程手動，組合運行，送風方式為隔墻送風。

本文的研究目的在于設計水電站地下式廠房溫度、濕度、速度、煙灰和送排風系統的在線監測系統，對水電站的老廠房通風系統實現全過程環境參數的集中監測，實現廠房內送排風機的智能控制運行，通過現場不同工況、季節的測量和數值建模研究，提出智能化通風系統改造的建議，改善廠房內的工作環境，提高機電設備運行的安全可靠性，延長機電設備使用壽命，降低機械設備故障率，提高運行維護人員的工作效率和管理水平，進一步幫助水電站優化資產運行水平，節省能耗、降低運行費用和強化規范管理。

2 在線監測系統設計

2.1 設計思路

本套在線監測系統設計的思想是：先根據現場的實際情況，分析系統需求；然后設計硬件部分，重點是控制系統和變送器；接著設計下位機程序和開發上位機軟件，再與硬件設備聯合調試；最后，對整套系統進行聯合調試，編寫在線監測系統的施工方案，進行現場施工和調試。在線監測系統設計思路如圖1所示。

在線監測系統采用分布式架構，分為三層：管理層、中間層和現場層。中間層的PLC 之間采用以太網或光纖連接，每個PLC 負責指定的固定區域，而中間層和管理層之間采用以太網連接，形成分布式在線監測系統。在線監測系統的控制系統拓撲圖如圖2所示。

管理層是指運行在工控機中在線監測的上位機軟件系統，組態軟件作為開發工具，不僅能設計人機交互界面，還可通過該軟件實現實時監控、遠程控制和故障報警等功能。除此之外，其強大的運算能力還能實現更高級的智能控制策略。

中間層的主要功能為數據傳輸和風機控制。采用PLC 對各風機啟停，將不同的環境參數變送器采集到的實時數據，傳輸到管理層的工控機上。同時，主站PLC 配有觸摸屏，通過觸摸屏讀取環境參數實時數據和實現風機的遠程控制。

現場層是底層，主要布置各類變送器、風機和繼電器。按功能分類，變送器可分為溫度型、濕度型、風速型、氧氣型和空氣質量型等。在線測試采用的傳感器均選用工業級變送器，傳感器是能將規定的被測量按照一定的規律轉換成可用輸出信號的器件或裝置。當傳感器的輸出為規定的標準信號時，則稱為變送器［12］。送/排風機將以數字輸出信號來傳輸其運行狀態信號。若送/排風機采用變頻控制，則將以模擬輸出信號來傳輸其運行狀態信號。

2.2 硬件設計

在線監測系統控制的主要設備為風機和變送器。風機有啟動、停止、復歸和故障四個反饋信號，以及風機啟動、停止、故障復歸3個輸出信號；變送器只有環境數據的輸出信號。

根據要求，主站PLC 的系統設備控制選配的三菱Q 系列。由于水電站供電采用的是雙電源切換，因此控制系統工作電源也需采用AC220V＋DC220V 并行工作，自動無擾切換，每臺PLC 配備一臺逆變電源。主站PLC 控制柜系統圖如圖3所示。其中：H0XX 表示動力電纜；H1XX 表示網線（雙絞線）；H2XX 表示信號電纜；H3XX表示通訊電纜。

1號分站PLC和2號分站PLC功能只有模擬量的輸入輸出，控制柜系統圖類似于主站PLC。而3 號分站PLC 需要控制風機和軟啟動器。其中，每臺送/引風機的軟啟動器需要一個啟動信號，一個故障信號和一個輸出啟停信號，以及需要配置一個故障復位信號對6 臺軟啟動器發生故障時進行復位操作。3 號分站PLC控制柜系統圖如圖4所示。

2.3 軟件設計

在線監測系統軟件設計由上位機和下位機兩部分構成。上位機是控制對象，一般是工控機或服務器，其作用是直接發出操作命令；下位機是被控制對象，一般是PLC 和其他智能模塊，其作用是直接控制設備和讀取設備狀況。

對于在線監測系統，上位機部分是基于組態王的監控軟件，開發人機互動可視化界面，通過連接變送器來獲取廠房內的實時環境數據，如溫度、濕度、煙塵和氧氣濃度等環境監測參量，實現環境實時數據監測、遠程監控、數據管理、報警功能等功能。下位機部分是基于PLC 的自動控制系統，以通風機和監測設備為控制對象，實現對水電站地下式廠房在線監測系統的控制。其中，PLC 程序包括風機控制、數據采集和PLC 通訊等，人機交互界面能實時監控廠房環境的數據，根據預先設置的控制策略來調整各通風機的啟停，實現對水電站地下廠房典型工況的自動調節。

國內常用的組態軟件，主要由亞控公司的組態王和昆侖公司的MCGS為主［13］。組態王除具有界面友好、操作簡單、實時性強等優點外，其系統升級改造簡單，且穩定可靠，已經能滿足大多數情況下的控制要求，被廣泛應用于工業領域。本系統選用組態王作為開發平臺，實現風機控制、環境數據采集和故障報警等功能。

開發一套友好的人機互動可視化操作界面，運維人員和管理人員可直接對其進行環境監測與遠程控制，例如讀取實時環境監測數據、啟停風機、故障報警等功能。通過對組態王的設計，在線監測系統的操作界面具備系統管理、設備管理、狀態監測和數據查詢等功能，其中，在線監測系統的詳細功能如圖5所示。

在系統運行時，選擇用戶名和輸入密碼后，根據用戶根據設定好的權限來操作在線監測系統。在點擊“進入系統”按鈕之后，便會直接跳轉到系統管理中的“快捷菜單”頁面，“快捷菜單”頁面包含五大功能：風機控制、閾值設置、實時數據、故障報警、歷史查詢等功能。

3 監測數據分析

在線監測系統對水電站地下式廠房內各層室溫度、濕度、O2濃度、PM2.5濃度及風速進行實時監測。在機組正常運行時，測得60 s 內廠房內各典型層室的環境參數及風速大小等監測指標的平均值如表1所示。

由表1可得出，對于地下廠房內的各典型層室，發電機層的平均溫度明顯低于其余各層室；而發電機層的平均濕度都高于其他層。此外，在監測過程中容易發現隨著通風機開啟數量增加，各監測位置的風速逐漸變大。結合三維流場仿真結果分析，造成這種現象的原因是：發電機層內空間寬敞，各類型機電設備較少，且通過進廠交通洞與外界相通，有良好的通風效果。而其余各層室的進風主要來自于廠房內配置的送排風機，廠房內空氣質量、溫度及濕度與通風機通風量的大小與有很大的關聯。

4 結 語

在“遠程集控、少人維護”運行模式迅速推廣的背景下，通過現場調研、參考相關研究文獻和研究成果，對水電站地下廠房通風系統進行了綜合分析，設計了負荷現場實際情況的離線測試試驗。分析離線測設結果，結合水電站地下式廠房內部溫度、濕度、PM2.5 等的三維流場仿真實驗結果，對各監測點布置位置進行了優化調整。在不同工況下，采集各處測點的環境數據，測試得到的數據將作為日后地下廠房通風系統改造提供支持。根據試驗結果，可以歸納出，通風問題主要在于部分區域微風甚至無風，廠房內的空氣質量過于依賴風機，建議適當增加風機和風口的數量。此外，在實際應用中，可以將自診斷技術與在線監控系統相結合，使得系統在運行過程中，能夠直接調用故障診斷數據庫，自動處理故障。另外，由于監控系統配備了自診斷技術，系統具備自我學習的功能，能對新發生的故障進行學習與存儲，減少因發生事故而導致設備停機的問題，實現水電站地下式廠房通風系統的自動化與智能化。