轴流转桨式机组顶盖排水系统改造浅析

丁 凯

(国电大渡河深溪沟水电有限公司，四川汉源 625300)

1 概述

深溪沟水电站位于四川省汉源县，为大渡河干流规划的第十八级电站，其上一梯级为已建成发电的瀑布沟水电站，下一级为规划中的枕头坝水电站。深溪沟水电站为河床式布置，主要任务为发电。电站装设4台轴流转桨式水轮发电机组，总装机容量660 MW。电站按无人值班(少人值守)原则设计。深溪沟水电站首台机(1#机)于2010年6月成功投产。

2 机组顶盖排水系统的重要性

机组顶盖排水系统具有排除由于水轮机主轴密封等止水面的漏水所造成的顶盖积水，担负着保证水导轴承的安全重任。深溪沟水电站水轮机为ZZ－LH－830型轴流转桨式水轮机。轴流转桨式水轮机顶盖排水有异于混流式水轮机。混流式水轮机顶盖排水主要依靠座环的固定空心导叶以自流方式排至渗漏集水井，而轴流式机组顶盖排水则完全依靠水泵排水，一旦顶盖排水系统出现故障，就会直接影响机组的安全运行。

由于水电站主轴密封盒导叶轴套漏水量较大，使水泵启停频繁，经常因控制回路故障造成水淹顶盖、淹没轴承，水导轴承透平油进水会影响油膜并引起轴颈锈蚀进而导致机组被迫停机或退出热备用，轻则造成数小时停电，重则影响数日，从而造成电站较大的经济损失。每次水淹水导轴承均要更换油槽透平油并清洗水导、检查控制回路等，工作量很大。

3 问题分析

深溪沟水电站顶盖排水系统配置了三台排水泵，采用常规的液位传感器等元件控制水泵运行。在深溪沟水电站1F机组运行过程中，主要存在以下问题。

3.1 自然条件

深溪沟水电站建在大渡河流域。大渡河因其河水含沙量高又称“铜河”，高含沙水流对水轮发电机组的过流部件有极大的磨蚀作用，同时也会严重磨损机组主轴密封、增大漏水量，使水泵启停频繁，从而对顶盖排水系统的可靠性提出了更高的要求。

3.2 水位测量

顶盖排水系统采用一路普通液位传感器作为信号源控制排水泵启停，而没有采用双路配置，其可靠性较差、测量精度较差;同时，因受顶盖水位波动影响较大，不适合测量动态水位;顶盖内特别潮湿，元器件工作环境恶劣;存在因采样值误差大而造成控制的可靠性差，易造成水淹顶盖的隐患。

3.3 人机界面

顶盖排水控制系统无任何人机交互界面，不能向运行维护人员提供有效的运行信息，对排水系统运行状态监视不直观，不便于参数设置、现场操作等维护工作。

3.4 PLC 配置

顶盖排水控制系统PLC采用施耐德Twido系列，为施耐德较低端的产品，可扩展性和维护性较差。同时，由于该系统没有实现与计算机监控系统进行联机通讯，导致计算机监控系统无法监视顶盖水位，不利于电站运行维护人员对水位的实时监测和事故的及时发现与处理。

3.5 动力电源

三台排水泵电源分别取自厂用400 V自用电，可靠性较差。一旦该段电源消失或故障，将直接中断排水泵工作，造成水淹顶盖机组停机等后果。

4 解决方案

基于以上问题，并考虑到顶盖排水系统的重要性，为减少运行维护工作量，避免因顶盖淹水造成机组被迫停机带来的损失，同时，由于顶盖水位处在无人值守的部位，因此，要求监控设备十分可靠、万无一失，从而更有利于深溪沟水电站无人值班(少人值守)。经过认真分析调研，对该系统进行了以下改造。

4.1 增设人机交互界面

控制系统PLC系统采用施耐德XBTGT5330型10.4”彩色液晶TFT触摸显示屏作为人机接口，触摸屏与PLC通信，画面显示系统运行状态的实时信息，具有数据的输入与显示、报警处理及打印功能，控制功能满足运行人员正常操作的需要。

4.2 水位信号的处理

取消原来的水位传感器，改用两个超声波水位测量仪和一组浮子开关。

超声波水位测量仪是一种先进的、非接触式物位测量仪器，可用于测量各种容器或管道内液体的液位高低和流量大小，尤其适用于污水、有腐蚀性的场合，很适合机组顶盖这种环境较为恶劣的场合使用。此外，超声波液位计测量精度高，安装维护简便。超声波液位计的探头安装在受测液体的上方，探头受电激励后，通过空气向其下的液体发射超声波，超声波将被液体反射，回波被探头接收和监测并被转换为电信号。超声波在发射和接收之间所需的时间与探头和液体表面之间的距离成比例。

浮子开关是液位测量控制最常用的传统、可靠的元件。若只采用这种接触式水位计，必须将传感器探头插入水中，但探头及电缆很快就会被腐蚀坏，从而影响正常的测量。而将这两种元件同时参与控制逻辑，可全面提高测量元件的冗余能力。两路超声波测量水位信号同时上送电站计算机监控系统和顶盖排水控制PLC。两路超声波测量水位信号和水位浮球开关信号同时参与PLC控制，两种测量信号互检和热备用。当两路信号不一致或传感器故障时，均能报出相应告警信号。

在水位控制中，当顶盖积水水位上升到一定高度时，排水泵自动启动，从而保证顶盖积水水位在规定范围内;顶盖水位在规定的最低水位时能自动停止水泵运转;顶盖水位到达故障水位和警戒水位时，能自动发出故障信号;水泵故障能自动发出报警信号。

4.3 PLC 配置

机组顶盖排水及漏油泵控制系统PLC选用施耐德Quantum系列PLC，配存储卡，PLC软件贮存在闪存(Flash memory)里。采用单MB+通讯网络与计算机监控系统机组LCU进行通信，并配置一个串行通信接口或USB编程口与现场调试设备进行通信。整套PLC配置了独立的离散量、模拟量输入输出模块，使每种模块完成各自的采集或控制输出功能，避免混合模块。PLC机架采用冗余电源模块供电，顶盖排水泵的输入、输出信号接入不同的I/O模板，防止单一模块损坏后影响到整个控制系统的正常工作。

4.4 应急处理

顶盖排水增加了一台应急潜水泵，在检修或紧急情况下可现场手动启动抽水至渗漏集水井。该潜水泵能够实现手、自动控制。

4.5 动力电源处理

增加排水泵双电源切换装置。动力电源采用AC380V双电源供电，电源分别取自机组自用电Ⅰ段和Ⅱ段，柜内配置动力电源双电源切换开关，切换装置两路进线电源分别设置空开，从而大大提高了电源的可靠性。

4.6 控制电源处理

机组顶盖排水控制系统屏内开关电源输入采用交、直流双电源供电，为PLC、自动化元件和传感器等提供DC24V工作电源，每路输入/输出均设有空开保护。

4.7 控制方式

顶盖排水泵分别在控制柜上设置现地手动、自动控制方式选择切换开关，各切换开关均设“手动”、“自动”、“切除”三档。将控制方式选择切换开关置于“自动”控制方式时，PLC根据超声波液位变送器和液位开关的信号自动启/停水泵，当PLC故障或死机时可通过超声波液位变送器的输出接点直接启/停水泵;必要时，运行人员也可通过计算机监控系统网络在计算机监控系统上远方直接启/停水泵。当切换开关设置于“切除”位置时，相应水泵退出运行。当切换开关置于“手动”位置时，直接启动水泵，并闭锁自动控制命令的输出。应急潜水泵平时不参与轮换，当水位达到高报警1值时自动投入应急潜水泵。

4.8 报警功能和运行信息处理

PLC能自动统计每台水泵的当前及累计运行时间和启动次数，无论切换开关置于任何位置，PLC均能输出泵的运行状态信号、主要故障信号，以点亮柜上的指示灯，所有故障信号能自保持，在故障消失后不可自动复归，需由运行人员现场复归或通过监控系统远方复归，以便于维护人员查找和处理故障。

切换开关位置状态信号、电机故障信号、电机运行状态信号、顶盖水位过异常信号、顶盖水位上上限报警信号、电源故障信号、PLC故障信号等开关量信号通过硬接点上送计算机监控系统，同时将顶盖水位4～20 mA的模拟信号上送计算机监控系统。除上述常规信号外，PLC还通过MB+通讯网络与计算机监控系统进行通信，上送设备运行状态信号(包括每台泵的运行和停止状态、泵处在工作和备用状态等)，所有故障和报警信号(包括电机故障、电机控制保护器故障、PLC故障、I/O模板故障、电源故障、传感器故障等)，各模拟量实测值以及泵的当前及累计运行时间和动作次数的统计结果等，从而更有助于运行维护人员对该系统进行全面的监视和故障判别处理。

5 结语

经过对深溪沟水电站1#机组顶盖排水系统进行改造，大大提升了该系统的可靠性。运行实践证明，PLC输入输出隔离中间逻辑回路采用程序实现而非继电器实现，避免了输入输出回路相互干扰或回路中某一中间节点接触不好所造成的回路运行不正常，达到了回路更加可靠的目的。回路更合理、更可靠、自控能力更强，故障报警系统得到完善，大大减少了运行人员的工作量，并可通过计算机监控系统进行监视控制，实现“少人值班、无人值守”。