容积式单孔漏水测量装置在张河湾抽水蓄能电站的应用

韩晓涛，袁鹏飞，王泽玉，高海荣，邱 伟，董旭龙

（1.国网新源控股有限公司检修分公司，北京市 100068；2.河北张河湾蓄能发电有限责任公司，河北省石家庄市 050300）

0 引言

张河湾抽水蓄能电站位于河北省石家庄市井陉县测鱼镇附近的甘陶河干流上。电站总装机容量1000MW，装机4台，单机容量250MW。电站枢纽主要由上水库、水道系统、地下厂房系统及地面出线场、下水库拦河坝和拦排沙工程等组成，工程等级为一等。

上水库位于下水库左岸的老爷庙山顶，采用开挖筑坝围库而成[1]。上水库工程主要包括堆石坝、库盆沥青混凝土防渗面板、排水系统、库岸基础处理等。上水库坝顶高程812m，坝顶轴线长2846.0m，坝顶宽8.0～10.0m，上游坝坡1：1.75，下游坝坡1：1.5，最大坝高（坝轴线处）57m。上水库正常蓄水位为810m，死水位为779m，工作水深31m，总库容789.0万m3，调节库容717.5万m3。上水库地下水位线高程约为522m，远低于上水库库底及进/出水口底板高程。

张河湾抽水蓄能电站上水库渗漏主要发生在进出水口区域，进出水口区域的前池底板和沉砂池底板处的库底廊道两侧设置了排水管，采用容积法测量各排水管漏水量，库底各区域渗漏量及渗漏总量采用自动量水堰计测量。

1 单孔漏水测量装置仪器布置情况

从运行到现在，上水库库底廊道排水管流量一直采用容积法人工观测（积水桶、量杯、秒表）。因抽水蓄能电站抽水发电，上水库水位从死水位至正常蓄水位变化频繁，人工观测法不能实时观测各排水孔渗漏数据，且人工观测误差大，精度低，为了实时监测上水库库盆及进出水口渗漏情况，在2018年，张河湾抽水蓄能电站针对现场实际情况，在上水库库底排水廊道内的主要漏水部位安装了15台单孔漏水测量装置，设备由哈尔滨今星公司提供并安装调试（主要单孔监测点分布见图1），并于2018年10月，在上水库放空检查及渗漏修复后、上水库充水前，安装调试完毕并投入试运行[2]。

2 单孔漏水测量装置结构、工作原理、参数指标、通信方式

2.1 单孔漏水测量装置结构

该装置主要由采集控制器、测量控制器、遥控器、漏水箱、直流电动推杆、硅胶密封垫、进水管、排水口、液位反馈接点等组成（见图2和图3）。直流电动推杆是该装置的动力部分，在不测量时处于收缩状态，硅胶密封垫抬起，排水口导通，水由排水口直接排出，这样可避免在不测量时钙质在箱内沉积。测量时，在测量控制器的控制下，直流电动推杆推动硅胶密封垫直到排水口被堵住，水由底部排水管流入水箱内。当水箱内水位液面达到最大标定容积所对应的位置或测量时间时，测量控制器使直流电动推杆收缩，排水口打开，箱内的水由排水口直接排出。

2.1.1 单孔漏水测量装置外观及接口定义

（1）测量控制器：控制直流电动推杆、液位反馈电极并与采集控制器通信；

（2）注水口：设备入水口；

（3）注水箱：设备储水装置，内部装有液位反馈电极；

图3 单孔漏水采集控制器实物图Figure 3 Physical diagram of single hole water leakage acquisition controller

（4）箱体：采用304不锈钢；

（5）出水口：设备出水口；

（6）硅胶密封垫：与直流电动推杆配合，测量时封堵出水口；

（7）直流电动推杆：与硅胶密封垫配合，测量时封堵出水口。

2.1.2 采集控制器实物

（1）液晶显示屏：显示测量结果以及相应参数；

（2）CAN总线接口：设备CAN总线接入口；

（3）AC220接口：设备交流电源输入口；

（4）RS232接口：设备RS232通信接口；

（5）直流电源输出和RS485通信接口：为漏水测量控制器提供电源，并与漏水测量控制器通信；

（6）红外接收头：与红外遥控器通信。

2.2 工作原理及参数指标

单孔测量装置仪器的原理沿用容积法，在结构上根据水的导电性采用了灵敏度更高的电极测量方法，为了兼容大小流量，水箱内设有起始点、下限点、中限点、上限点四个液位反馈接点，下限设定值约为500mL，中限设定值约为2200mL，上限设定值约为4750mL，测量时间为30分钟时，最小测值为1mL/s，用户可根据漏水情况设定测量等待时间。直流电动推杆是本装置的动力部分，在不测量时处于收缩状态；设备通电后，直流电动推杆推动硅胶密封垫将排水口堵住，水由底部排水管流入水箱内，通过设定的限位计算出流量的大小；测量完成后，直流电动杆将硅胶密封垫抬起，排水口打开，水由排水口直接排出，可直接避免不测量时钙质在箱体内沉积，成功解决了结钙问题。同时液晶屏页面显示各限位、电压、计时、状态等信息，且可以保存五个历史测量数据，以便人工比测和现场观测时，可以直接查看流量数据及变化情况（具体技术参数指标见表1）。

表1 技术参数指标Table 1 Technical parameter index

2.3 通信方式

张河湾抽水蓄能电站，根据《水工安全监测自动化系统建设指导意见》，在2018年，上水库库底廊道布设了一条光缆，由上水库库底廊道～上水库值班室～厂房～下水库水工楼～下水库坝底层廊道范围形成了由单、多模光缆组成的观测系统骨干以太网通信总线。单孔漏水测量装置采用CAN线通信方式，CAN总线作为上水库库底廊道渗漏观测分支总线，在上水库库底廊道量水堰所用的以太网交换机处接入骨干网，采集计算机设置在下水库坝头水工楼处，采集到的数据通过计算机串行口实时单向发送到内网观测数据库。这种以太网+CAN通信总线形式抗干扰能力强，兼容其他厂家设备，性能远优于传统的RS-485总线。

3 单孔漏水测量装置的运行情况

2018年10月9 日因上水库放空检查及修复处理后蓄水，单孔漏水测量装置观测频次设为1小时/次；2019年2月因渗漏量减小，大部分测孔渗漏量值为0 L/s，单孔漏水测量装置观测频次改为1天/次。到目前为止，该系统完全替代了人工观测，运行状况良好。

3.1 人工比测分析

比测结果见表2，典型的比测过程线见图4～图9。 单孔漏水测量装置自安装运行以来，每月进行一次人工比测，通过比测数据和过程线可以看出：单孔漏水流量小时观测时间较长，比测差值小；流量大时观测时间相对较短，比测差值较流量小时大；各装置人工比测最大差值为0.003L/s。总体上看，单孔漏水测量装置观测数据可靠，人工比测差值很小，实时数据入库及时，满足现场实际工作需要和规范要求[3]（见表2）。

表2 上水库单孔漏水人工、自动化测值比测统计表Table 2 Statistical tablele for comparison of manual and automatic measurement values of single hole leakage of upper reservoir L/s

图4 单孔WP023渗漏量与库水位变化过程线Figure 4 Process line of single-hole WP023 leakage and reservoir water level change

图5 单孔WP023渗漏量人工自动化比测过程线Figure 5 Process line of manual and automatic measurement of single-hole WP023 leakage

图6 单孔WP022渗漏量与库水位变化过程线Figure 6 Process line of single-hole WP022 leakage and reservoir water level change

图7 单孔WP022渗漏量人工自动化比测过程线Figure 7 Process line of manual and automatic measurement of single-hole WP022 leakage

图8 单孔WP016渗漏量与库水位变化过程线Figure 8 Process line of single-hole WP016 leakage and reservoir water level change

图9 单孔WP016渗漏量人工自动化比测过程线Figure 9 Process line of manual and automatic measurement of single-hole WP016 leakage

3.2 短期稳定性测试

短期稳定性测试：在现场针对各测量装置通过快速连续10次自动测量并记录测值，求得平均值，计算出差值比例，以检验自动量水堰装置的短期稳定性。目前，15台单孔测量装置中测点WP17、SWP023、QC87、QCW091、QW15、QW17已无渗水或是呈滴水状态，故测不出渗漏量[4]，见表3。

表3 上水库单孔渗流短期稳定性流量记录表Table 3 Short-term stability flow record of single-hole seepage flow in the reservoir mL/s

按照规范要求，容积法观测渗漏量时，两次测值之差不得大于平均值的5%。从表3可以看出：张河湾上水库单孔漏水测量装置的测量差值比例只有WP10精度为1.8%，其他各孔测量装置均小于1%，完全满足规范要求。

3.3 长期稳定性分析

单孔漏水测量装置主要由采集控制器、测量控制器、白钢保护箱体、漏水箱、液位反馈接点、直流电动推杆、硅胶密封垫等组成。其中，采集控制器、测量控制器为电子产品，其寿命与其他类型采集模块相似；用来测量的箱体为白钢箱体，非测量时间水流不经过箱体内部，不会出现结钙影响观测精度问题，液位反馈接点为白钢针，固定在箱体内部，不会随着时间推移发生锈蚀、移位，标定好的容积不会变化，可长期使用，测量精度不会产生变化，故测量装置采集的数据长期稳定性好[5]。

3.4 系统维护情况

单孔漏水测量装置的直流电动推杆、硅胶密封垫是本装置的动力机械构成部分，为测量装置的易损件，这两个构件的质量决定了系统的维护量；单孔漏水测量装置的直流电动推杆、硅胶密封垫均设在漏水箱外、白钢保护箱体内，更换方便。2018年10月上水库单孔漏水测量系统安装调试完毕并投入试运行，至2019年11月末，15个测量装置中，采集控制器、测量控制器及通信系统未出现故障；共有1个测量装置的直流电动推杆发生故障并及时更换，硅胶密封垫全部更换一次。根据硅胶密封垫特性，当观测频次为1次/天时，建议每年更换一次硅胶密封垫[6]。

4 结束语

单孔漏水测量系统从2018年11月在张河湾抽水蓄能电站正式投入试运行至今，系统运行状况良好，完全替代了人工观测工作，大幅提高了工作效率，系统有较高的推广价值。其突出特点为：①箱体内部不结钙，设备维护简单，维护量小，测量结果观测精度高且无飘移、无跳值；②控制系统模块防潮性能好，系统运行稳定；③控制装置和显示装置设在测量箱处，能在现场使用遥控器直接进行测量操作，比测简单；④测量范围不受限制，单孔漏水流量大时，只要增加箱体容积即可；⑤该系统通信采用以太网+CAN通信总线形式，抗干扰能力强，可与其他厂家设备共用以太网总线，兼容性好，性能远优于传统的 RS-485总线[7]。