某水电站厂区排水系统改造升级

广东水电二局股份有限公司 汪 勋

1 概述

某电站位于桃江县境内资水干流的下游，是资水干流倒数第二级，电站为河床式厂房，安装有5台13MW 灯泡贯流式水轮发电机组。

水电站排水系统分为厂区排水、渗漏排水和检修排水三大类，主要作用是排除生产废水、检修积水和生活污水，避免厂房内部积水和潮湿，保证水电站设备的正常运行和检修。某水电站位置纬度偏低，为大陆性特征明显的亚热带季风气候，春夏季，地面南北气流对峙，气旋及锋面活动频繁，雨水较多，天气多变。每年5～8月为电站的主汛期，此时雨水多发、降雨集中且持续时间较长，电站厂房相对地势较低，大量降水如果在短时间内汇聚于厂区，厂区积水及厂外山洪将全部汇集于厂区集水井，由于地势和设计原因积雨不能快速排出，导致沉沙井积水迅速向上涨漫出，严重时积水将漫入厂房，对机组及设备安全运行构成严重威胁。厂区排水系统分布如图1所示。

图1 厂区排水系统分布

2 情况介绍

某水电站厂区排水系统由两台型号为WQ800-16-55型潜水泵，厂区集水井，管路，阀门及自动控制元件组成。主要用来排厂区积水，水泵有自动和手动两种控制方式，正常情况下由集水井内浮子接点控制自动回路，两台泵互为备用，轮换运行，当厂区集水井水位达到4.45m 高程时主用泵启动并发送信号至上位机，当集水井水位到达4.75m 时备用泵启动并报警，当渗漏集水井水位达到2.00m 时，主备用泵自动停止。厂区排水以自流排水为主，当下游水位高于40.00m 高程时，关闭厂区自流排水阀OS501，自流排水管出口大约在41.50m 高程。

2022年6月2日21时左右水电厂厂区骤降暴雨，降雨持续时间长，且降雨量大。某水电站坝址水情站点测得21时至次日凌晨5时降雨量累计达162mm，其中3日2时至3时降雨量就高达75mm，4时08分上位机报“厂区排水报警水位”。面对极端天气，水电站厂区排水系统已经满负荷运行，仍不能满足排水要求，导致大量积水在厂房门口雍高，存在厂区积水倒灌生产厂房的威胁。

3 原因分析

3.1 厂区现有排水系统设计不合理，无法满足极端天气下厂区排水要求

通过现场实际调查关于沉沙井溢流及排水不畅等原因导致水漫厂区的现象，其主要原因有以下几个方面，一是副厂房排水沟出口偏小，导致多余积水无法通过天沟及时排至厂房下游，只能通过下水管汇入厂房集水井，加重厂区排水系统负担；二是厂区上游来水段生活垃圾较多，堵塞沉沙井拦污栅，导致排水不畅；三是当集水井水位过高时，沉沙井积水将无法及时排出，导致水位上涨过快并溢出[1]。

3.2 厂区集水井水位变化不能实时监视，不能及时发现厂区积水量变化

经现场查看，原厂区排水控制屏上无集水井水位监视设备，运行值班人员需现地进行查看、确认集水井水位，然后汇报至运行值长，值长根据水位情况再安排值班员手动启动厂区排水泵进行排水。从值班员现地确认水位到启动排水泵，整个过程至少需要3人进行配合。在降雨特别集中时，值班人员需要每30min 对集水井水位进行一次检查，尤其是在晚上，视线不好将影响值班人员对水位的判断，给巡视工作带来不便。

3.3 厂区排水泵不能根据水位自动启动，无法自动提前启动厂区排水泵

经现场查看原厂区排水泵控制方式最初设计为手自动控制，采用浮球开关接点实现自动控制功能，但由于浮球开关接点不可靠，多次出现水位达到启泵水位或者停止水位时水泵不能自动启、停，为了确保水泵的安全运行，从2009年开始浮球开关接点已处于断开状态，只采用手动方式进行控制。采用手动方式控制时，值班人员需去现场查看、确认集水井水位，且排水过程需要安排人员对集水井水位进行监视，以防止水位抽干电机长时间运行造成电机线圈过热、烧毁。如果值班人员巡视不到位或者水位上涨过快，未能及时手动启动排水泵进行排水，将会导致积水从集水井漫出，严重时将造成水进厂房等不安全事件的发生，危及设备及人身安全。

4 优化改进措施

对现有排水系统进行适当优化，将主副厂房积水引至厂房下游，同时对沉沙井增加分水沟。在降雨量过大时，由于排水系统集水面积较大，集水井积水短时聚集，且不能进行有效分流，同时由于主副厂房排水出口偏小，不能及时将积水排出，导致多余的积水汇流至集水井，加重排水系统负担，鉴于以上情况具体优化方法[2-3]。

一是将主副厂房落水管道进行封堵，积水可直接流入下游尾水。阻止积水进入集水井，少排水系统集水面积。主副厂房排水管位置如图2所示。

图2 主副厂房排水管位置

二是加大副厂房排水出口，将涵管改为明沟，保障主副厂房积水能及时排至下游。主副厂房排水出口改造前后对比见表1及如图3所示。

表1 主副厂房排水出口改造前后对比

图3 改造副厂房排水口对比

三是在沉沙井一侧增开一条400×600mm 的分水沟，当沉沙井排水出现拥堵时，通过分水沟分流至自流排水管路，同时也可以将沉沙井部分生活垃圾带走，改善沉沙井拦污栅堵塞状况。沉沙井增开的分水沟位置如图4所示。

图4 沉沙井增开的分水沟位置

四是在沉沙井侧边增开的分水沟，在来水加大的情况下进行分流，同时也带走了上游的一些生活垃圾，缓解了厂区排水泵的排水压力，有效提高了厂区排水系统排水效率；增大主副厂房排水出口，可以将主副厂房超过2000m2降水面积的积水及时排至下游，减少了集水井的积水量，大大提高了厂区排水系统效率。

五是在厂区集水井增加投入式水位传感器，同时在厂区排水泵控制屏上安装水位测控仪，并将水位信号接入测控仪及上位机[4]。投入式水位传感器是根据液位传感器的信号输出开启放水或者进水的阀门而使水位保持恒定的一种控制器。也可以说液位开关输出的是一种开关信号，液位开关首先要确定液位的高度，依据这个高度来输出开关量信号。

具体实施步骤，在厂区排水泵控制屏前门面板开孔，将水位测控仪安装固定，在集水井安装麦克投入式水位传感器，利用原来浮球开关接点控制电缆将水位传感器信号接入水位测控仪，设定相关测量参数，确认接线无误后，接通水位测控仪装置电源，现场对水位进行核实，确定传感器位置后，将传感器放入焊接好的保护钢管内，绑扎固定。经过改造后，集水井水位能在厂区排水泵控制屏上进行显示，同时将该水位信号以RS485通讯方式接入上位机，上位机也能显示集水井水位，方便运行值班人员对水位的监控，遇到突发情况及时作出正确处理。

六是在厂区集水井控制屏上增加PLC，并导入控制程序，实现厂区排水泵自动启停功能。当水位达到警戒水位时，排水泵自动启动排水，当水排空或水位达到安全低程时，排水泵自动停止。为了实现厂区排水泵能根据集水井水位自动启停功能，采用PLC 控制技术，选用施耐德TWIDO 系列PLC，该系列PLC 具有结构紧凑、配置灵活、功能强大等优点，可以保障系统的稳定运行。具体实施步骤是：在厂区排水泵控制屏安装PLC，导入已编写完成的厂区排水泵自动控制程序，然后将水位测控仪上相关水位控制接点接入PLC 对应接点，设置相关启停、报警参数，使各接点能根据水位正确动作，PLC 接收到水位动作信号并经过内部程序运行后，控制相关外部电气回路实现厂区排水水泵的启停，同时还设置有高水位报警信号，提醒运行值班人员引起注意。

当降雨量较小或未达到峰值水量时，厂区排水可以通过自流系统排至厂房下游，不需要启动厂区排水泵；当出现大暴雨或者雨量较为集中、时间持续较长时，自流系统排水不能及时有效的将积水排出时，此时PLC 控制系统可以根据集水井水位自动启动排水泵，保证厂区积水及时排出。这样就不需要运行值班人员抵达现场查看厂区集水井水位，再根据厂区集水井水位上涨情况启停水泵，有效提高了厂区排水可靠性，减少了运行人员工作量。

5 结语

某水电站厂区排水系统改造升级后，实现了厂区排水系统自动化控制，缩短了水泵启动时间，提高了厂区排水效率，且对厂区排水系统相关部位进行了优化，对沉沙井增开分水沟及扩大副厂房排水出口，有效减少了厂区排水系统的集水面积，减轻了厂区集水井的排水负担。改造后运行可靠，达到了预期效果，消除了极端天气下，排水不畅水淹厂房的危险，同时减轻了水电厂运行值班人员的工作量。