水电站顶盖排水系统设计优化探讨

李天智,张 英

（溪洛渡电厂筹建处，云南 永善 443133）

水电站顶盖排水系统设计优化探讨

李天智,张 英

（溪洛渡电厂筹建处，云南 永善 443133）

结合部分水电站顶盖排水系统的设计和运行情况，对顶盖排水系统的测量装置、控制系统、排水方式进行了深入的分析，提出了应用较好的优化建议。

水电站；顶盖排水系统；探讨；优化建议

0 前言

长期以来，水电站顶盖排水系统始终是困扰水电站安全运行的重要因素之一，说其大，它只不过是水轮机的一个辅助系统，说其小，他却常常使电站机组强迫停运，甚至引起水淹水导事故，严重威胁到水电站的安全稳定运行。在水电站蜗壳和尾水充水后，主轴密封的漏水、导叶套筒的漏水或其它的漏水会聚积到顶盖上，水电站顶盖排水系统的主要功能就是将顶盖上的积水排走，防止积水过多，发生水淹水导的事故。本文结合国内外部分水电站顶盖排水系统的设计和运行情况，对顶盖排水系统的测量装置、控制系统、排水方式进行了分析，提出了较为实用的优化建议，希望为水电站顶盖排水系统的安全可靠运行提供一些帮助。

1 顶盖水位的测量装置

水位测量装置种类较多，从大的方面来分主要有浮子式水位计、压力式水位计、超声波水位计、电子水尺、雷达水位计和激光水位计，通常顶盖积水水位的测量主要采用浮子式水位计和压力式水位计。

1.1 浮子式水位计

浮子式水位计是一种被广泛应用于各行各业的测量装置，其种类较多，但用于顶盖水位测量的常采用磁浮子水位传感器、磁翻板式和磁性浮球水位信号器等。此类测量装置定型产品较多，但也在部分电站出现过一些小故障。从发生的故障来看，大致有以下几种：1）簧管引出线焊点脱焊。机组振动、焊接不良是造成脱焊的主要原因。2）干簧触点粘死。顶盖上工作环境恶劣，且浮子长时间动作频繁，容易造成干簧触点粘死。3）干簧节点动作不稳定。簧管有一定的动作区域，磁性浮球处于动作区域内时节点动作，在区域外时节点返回，如果水位上升过快，浮球经过簧管动作区域的时间小于装置启动整定时间，控制装置就不能启动。在水位升高以后水位随大轴旋转而上下波动，也会引起干簧节点动作不稳定。4）浮子表面易附污垢导致浮子变重和腐烂，节点难于翻转。5）浮子的引出电缆也长期浸泡在油水中，容易被腐蚀，造成信号拒动及控制电源短路。

1.2 压力式水位计

压力式水位计是近年来发展较快的一种测量装置，其通过压力传感器，把与液位深度成正比的液体静压力准确测量出来，并经过专用信号调理电路转换成标准（电流或电压）信号输出，建立起输出信号与液体深度的线性对应关系，实现对液体深度的精确测量。此类产品在电站实际运行过程中也出现过一些小故障：1）泥沙於堵测压进水孔。由于其测压变送器的进水只有几个小孔，而有些电站水中泥沙含量很高，泥沙很容易於堵进水孔，造成测量水位不变，引起严重后果。2）有一定的测量误差。由于顶盖积水有时候泥沙含量高，有时候水中漏油较多，有时候又为清水，积水的密度相差较大，引起水位测量误差。

1.3 优化建议

顶盖积水水位的测量是防止水淹水导、造成机组强停最为关键的环节，是电厂运行值班人员准确监视的基础，是控制系统成功与否的重要因素，为了保证测量准确可靠和以后的检修维护方便，所选测量元件在选用成功定型产品的同时还应关注以下几点：1）结合电站的实际情况，考虑各类测量装置的优缺点，充分调研，选用适合电站特点的产品。2）装设2套以上不同测量原理的测量装置，有条件的电站可以装设2套水位传感器（模拟量4～20m A实时监测）和2套水位信号器（开关节点定值控制）。3）对水位波动时节点的抖动现象，可采用延时的方法解决。4）要充分考虑测量装置电源的可靠性，最好不同的测量装置取用不同来源的电源。5）安装规范。要按照相关产品说明书要求，必须竖直安装，不能有倾斜；考虑到顶盖的振动较大，装设必须牢固可靠；各套传感器安装要采用统一的水位基准点。

2 顶盖泵控制系统

顶盖排水系统的排水方式虽然有几种选择，但顶盖泵强迫排水是大多数水电站选择的方式之一，顶盖泵控制系统是顶盖排水系统的中枢，在此，就顶盖泵控制系统进行分析。

2.1 常规回路控制

早期各二次控制系统多采用常规回路控制，它是采用开关、节点、各类继电器、接触器、熔断器、信号指示等元器件组成的控制回路。其优点：各控制元器件均可以看见，哪一个元件故障能较为直观的看出来。缺点：元件的故障率高，控制原理的改变都要进行硬件的改动，控制方式不灵活，可靠性差，维护工作量大。

2.2 可编程控制

随着可编程控制技术的发展，现在二次控制系统也较多采用PLC控制。其优点：可通过编程，实现灵活控制；易实现逻辑判断、分析处理、自诊断和自检功能；与上位机通讯方便，易实现远方监控。缺点：有些PLC程序运行一段时间后容易死机；不同厂家的产品互换性差。

2.3 优化建议

鉴于顶盖排水系统的重要性，建议有条件的电站采用混合控制方式，在采用PLC控制的同时，还增设简单的常规回路控制。在正常情况下，采用PLC控制，在PLC故障时，自动切至常规回路控制，最好在电站监控系统上的启停命令能跨过PLC，直接作用于常规回路。

每台顶盖泵的动力电源最好取用独立的电源，避免电源发生短路后，所有顶盖泵动力电源都消失；有条件的电站，应考虑其上端电源应来自不同的0.4k V盘柜，避免上端电源消失后，所有顶盖泵无动力电源。

采用计时的方式对每一台泵的运行时间进行累计，当主用泵运行一段时间（可人为设定）后，自动将其切换为备用泵，减少人为切换，使各台泵运行时间均衡。加设顶盖泵每次运行时间监测，当一台泵运行时间较长（可根据实际情况设定）后，向监控系统输出报警信号，同时启动备用泵，以实现泵排水效率低和异常漏水的监视。将接收到的水位信号进行比对，发现较大偏差时，以接近上一次水位值为有效值，同时向监控系统输出报警信号，实现测量装置异常监视。控制回路宜采用锁存继电器以保存启动控制命令，在控制和动力电源切换后以及动力柜电源短时失电恢复后，系统能自动恢复此前的工作状态。

3 排水方式的选择

根据国内外水电站的设计和运行情况来看，水电站的顶盖排水系统一般选用三种排水方式：自流排水方式、顶盖泵排水方式、射流泵排水方式。

3.1 自流排水方式

自流排水方式是最为经济的一种方式，主要用于混流式机组。它就是将部分固定导叶的中心开一个小孔，通过固定导叶的小孔把顶盖上的积水排走，开孔导叶的数量和布置的位置要结合漏水的估算和顶盖上设备布置情况。

3.2 顶盖泵排水方式

顶盖泵排水方式是水电站应用最为广泛的一种方式，是轴流转桨式机组常用的一种排水方式。随着电力工业的发展，顶盖泵的选择种类也比较多，有普通离心泵、自吸泵和潜水泵等。顶盖排水泵的使用环境和电力生产特点决定了其在性能上必须具备以下优点：1）故障率低，可靠性高，便于故障处理，故障处理时间短。2）能够频繁启停。3）抗磨损、寿命长、能长期输送泥沙含量较高的水。

（1）普通离心泵

普通离心泵（非自灌式离心泵）需加引水并设置底阀，在顶盖上积水很浅且易淤积泥沙的环境，底阀故障率高，一旦底阀出现故障，水泵就不能正常工作，在顶盖较为狭小的空间里检修底阀比较麻烦。普通离心泵不适合作为顶盖排水泵。

（2）自吸泵

国内外一些水电站选用自吸泵作为顶盖泵，自吸泵在起动前不需灌水（在泵首次启动之前需灌水），经短时间运转，靠泵本身的作用，即可把水吸上来，投入正常运转。但自吸泵起动后不会立即出水，一般有1～3min间歇供水时间，因此在机组开机时，如果遇到水封漏水很大，则容易引起淹水导事故。根据自吸泵的工作原理，和水泵相连的进出水管接口必须紧固密封，吸水管端法兰、阀门或管路漏气，水泵都不会正常工作。其中电动空气阀故障率相对较高，原因是电动空气阀密封件为橡胶材料，暴露在空气中易老化和进入灰尘，在频繁启停的情况下密封受损很快。一旦电动空气阀密封受损，在水泵下次启动时就不能可靠密封，从而导致空气进入吸水管路而使水泵抽不上来水，造成机组强迫停运。

（3）潜水泵

潜水泵的泵体和电动机可浸入水中工作，是水电站选用较多的一种顶盖泵。其主要优点有以下几个方面：噪音较小，启动迅速，系统效率高，造价低，耗能少，可靠性高，安装、使用、维护方便简单。但在使用过程中电源必须接地可靠，加装漏电保护器；对杂物较多的水源抽水时要加过滤网。

3.3 射流泵排水方式

在水电站设计中，顶盖内的积水虽然一般采用自流排水或顶盖泵排水，但也有装设射流泵作为备用排水方式。射流泵的喷嘴一般选择与上游水库相连（一般从压力钢管引入），利用其压力水将顶盖上的积水排出。在水电站遭遇地质灾害，厂用电源全部消失的情况下，射流泵排水就显得非常重要了，这也要求与其相关联的设备都要考虑可纯手动操作。

3.4 优化建议

（1）在条件允许的情况下，顶盖排水系统首选自流排水方式，其次根据实际情况选用顶盖泵排水方式和射流泵排水方式，有条件的电站应选用2种方式混合运行。

（2）顶盖泵的出口除了安装高质量的逆止阀外，应在逆止阀的外端加装截止阀，用于逆止阀损坏后关断水流检修。

（3）有条件的电站应在每一台排水泵后安装独立的排水管，避免排水管破裂后影响整个排水，也可避免排水回流的问题。

（4）顶盖加强筋板底部的积水通孔在满足顶盖强度的基础上，应保证开孔足够，以满足汇流的水量大于泵的排水水量，避免泵频繁启动和极端情况下局部淹水导。

（5）采用自流排水方式要在固定导叶的小孔上装设滤网，防止导水孔的堵塞；射流泵的喷嘴入口处要装设滤网，防止垃圾造成堵塞；如排水直接排到下游尾水水位以下，建议在出水口也加装滤网，避免尾水回水将异物带入排水管，将其堵塞。

（6）有条件的电站可利用技术供水泵的变频控制技术，把顶盖排出的压力水并入技术供水系统，作为机组的冷却水，达到节约能源的目的。

4 结语

顶盖排水系统是水电站安全稳定运行的重要保障，在其设计中应体现“安全可靠、配置合理、维护方便”的原则，重点要解决的问题是：1）水位测量装置准确可靠；2）控制系统应具备高度的冗余功能和极端情况下的应急功能；3）排水方式节能、可靠。当然，要想从根本上解决顶盖排水系统的问题，还必须从漏水这一源头抓起，研究提高机组主轴密封的有效性和导叶套筒的密封性，减少顶盖的漏水量，为机组安全稳定运行提供更加优异的条件。

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1672-5387（2013）01-0020-03

2012-05-17

李天智（1974-），男，高级工程师，从事水电站技术工作。