錦屏一級水電站監控系統遠方緊急啟停機組檢修排水泵可行性研究

劉 江 紅， 楊 自 聰， 梅 沈 鋒， 梁 成 剛， 楊 澤 鵬

(雅礱江流域水電開發有限公司，四川 成都 610051)

1 概 述

錦屏一級水電站位于四川省鹽源縣、木里縣交界的雅礱江干流，是雅礱江水能資源最富集的中、下游河段五級水電開發中的第一級。水庫正常蓄水位1 880 m，相應庫容77.6億m3，調節庫容49.1億 m3，為年調節水庫。電站裝有6臺單機容量600 MW的水電機組，總裝機容量3 600 MW，設計年利用小時數4 616 h，設計多年平均年發電量166.20億kWh。錦屏一級水電站首臺機組于2013年8月30日正式投產發電，2014年7月12日6臺機組全部投產發電。錦屏一級水電站作為西電東送主要電源點之一，廠房深埋在下游水位之下。因此，為確保電站安全，防止發生水淹廠房等重大事故，廠房滲漏排水、機組排水系統安全穩定運行尤為重要。

錦屏一級水電站機組檢修排水系統用于機組檢修時排除壓力鋼管、蝸殼和尾水管內的積水。機組檢修排水采用間接排水方式，當機組檢修時，壓力鋼管和蝸殼積水通過DN400液動球閥排至尾水管，機組尾水管內存水經過DN800尾水盤形閥匯集到預埋的排水總管后排入檢修集水井(容量為400 m3)，再通過5臺長軸深井泵排出至尾水調壓室。檢修集水井布置在靠近6號機組段側的下游檢修泵室下[1]。

2 機組檢修排水系統配備設備

錦屏一級水電站機組檢修排水系統的主要設備由35臺長軸深井泵組成，水泵為潛水多級混流泵，設計額定流量1 250 m3/h，設計揚程60 m。 水泵后設置泵控閥、電動球閥等設備，控制系統由現地控制柜和10 kV開關控制柜組成。

2.1 長軸深井泵

每臺長軸深井泵配套10 kV電機，電機采用風冷卻，在電機上軸承、下軸承、定子繞組均設有PT100 溫度測量元件。泵的吸入口垂直向下，出口水平，免抽真空啟動，單基礎安裝，水泵和電機直聯；從電機端俯視，水泵轉子部件逆時針方向旋轉。泵中間軸、揚水管和護管為多節，軸采用套筒聯軸器聯接。

2.2 泵控閥

泵控閥選用以色列伯爾梅特分740S產品，此閥門是一種由導閥控制，液壓隔膜驅動的自動控制閥門。閥門由管道壓力驅動，反應迅速而平穩，開啟及關閉速度可調[2]。泵控閥安裝于水泵出水側，與水泵聯動，發揮背壓啟動以及主動關閉(先于水泵關閉)的作用，以防止開泵和停泵時產生壓力波動，并在事故停泵時，具有止回功能，水泵控制閥可實現快速關閉。利用水泵啟停時，閥門前后的水壓差作為控制動力，具有隨水泵的啟閉而自動啟閉的功能；閥門啟閉動作過程能有效地防止因水錘壓力波升高而產生的事故。據現場使用情況調查和實測，停泵水錘壓力峰值均在工作壓力的1．3倍以內[3]。

2.3 控制系統

現地配置有現地控制柜，每一臺泵的動力電源單獨取自不同的廠用電10 kV母線，排水系統現地采用PLC控制器，控制回路中將廠用電的10 kV饋線開關當作接觸器，現地不設置接觸器，也未配置軟啟動器[4]。集水井內設有2套投入式水位變送器和1套浮子式液位開關用于自動控制水泵啟停，分別設有停泵水位、工作泵啟動水位、備用泵啟動水位、集水井高報警水位等，并將水位信號上送至計算機監控系統，用于遠方監視。正常情況下，控制系統根據水位自動控制排水泵啟停，監控系統不具備遠方直接啟動和停止排水泵的功能。

3 機組檢修排水泵啟停控制原理

3.1 泵控閥控制原理

泵控閥由一個電磁閥控制，帶限位開關，三路電磁導閥控和止回閥的水力控制閥。錦屏一級水電站選用常閉型，且增加了一個水流加速器以加快閥門反應速度。泵控閥控制原理見圖1。在水泵停機狀態及水泵開啟運行正常后的工作狀態下，S10電磁閥均不帶電。S10電磁閥斷不帶電時，A與P(壓力水)接通，S10電磁閥帶電時， A與R(大氣)接通。S10電磁閥在閥門關閉時及造壓過程中帶電運行。54B水流加速器在S10電磁閥帶電時，0與2接通，在S10電磁閥不帶電時，1與2接通。

圖1 泵控閥控制原理圖

3.2 機組檢修排水泵啟動自動控制

機組檢修排水泵啟動時，控制系統先開啟長軸深井泵潤滑水，延時2 m發令合10 kV開關，泵電機啟動后水壓送至泵控閥進口。啟泵時，S10電磁閥同時通電10 s(根據現場工況可延長或減少通電時間)。當泵出口壓力達到預定壓力時，電磁閥斷電，水從閥門上腔通過54B水流加速器排向大氣，此時，閥門開啟，泵啟動成功。啟泵時，S10電磁閥短時通電10 s，只為確保泵啟動到達額定轉速前泵控閥在全關狀態，以實現泵空載啟動。而現場實際安裝調試過程中經過反復驗證,泵控閥正常情況均能夠關閉到位。若泵在停運時泵控閥退出全關位置，則說明管路中水在倒流，可能會造成泵反轉，監控系統則會發出報警信號，以便現場檢查處理。所以，在機組檢修排水控制系統程序中，泵啟動前沒有設置將S10電磁閥短時通電10 s的操作步驟。

3.3 機組檢修排水泵停止自動控制

機組檢修排水泵停止時，控制系統先發令使S10電磁閥通電，S10的A與R(大氣)接通，54 B水流加速器，0與2接通。隨后，壓力水通過水流加速器進入上泵控閥控制腔，主閥緩慢關閉，隔離運行中的水泵和系統。閥位指示桿位置下降時，啟動閥門限位開關傳遞泵控閥全關信號到控制系統，控制系統發令分10 kV開關，泵停止成功。在到達預設延時時間后，控制器給S10電磁閥斷電，54 B水流加速器在泵控閥上腔水壓作用下使1與2接通，回到初始狀態，等待水泵下一次接受信號時正常開啟。泵控閥受液壓作用保持關閉。

4 監控遠方啟停檢修排水泵分析與實踐

4.1 監控遠方啟泵

監控遠方啟泵時，只需先現地手動開啟長軸深井泵潤滑水，延時2 m在電站監控系統發令合10 kV開關即可。電機啟動后閥前水壓逐步上升，當水壓超過系統靜壓時，閥門開啟壓力增大，上腔壓力水從54 B水流加速器排向大氣，此時，閥門開啟，泵啟動成功。與控制系統自動啟泵過程相比，沒有任何實際差別。

4.2 監控遠方停泵

監控遠方停泵時，直接在電站監控系統發令分10 kV開關。泵停止后，泵控閥板在重力及背壓彈簧的作用下開始向下回落，加之管路中帶壓水流一路從7 A、7.1 A 處向閥門上腔進氣，另一路水通過4 A內置帶濾網過濾器處取水加至G壓力平衡裝置，使泵控閥在水流方向改變前快速關閉，泵停止成功。與控制系統自動停泵過程相比，遠方停泵時電機在泵控閥關閉前停止運行，但隨后，泵控閥自動在水流方向改變前快速關閉，對檢修排水泵瞬時流量幾乎為零。

4.3 現場實際驗證

2020年1月5日，錦屏一級水電站運行人員利用4號機組檢修尾水管排水機會，按照上述分析步驟做了遠方啟停機組檢修排水泵驗證試驗。現地純手動開啟潤滑水電磁閥，開啟潤滑水并保持長流水狀態，確保泵的控制保持在自動方式，以便水位到達停泵水位時，機組檢修排水泵可以自動停泵。啟泵時，現場檢查泵啟動過程及運行正常，且機組檢修排水泵運行指示燈點亮。當檢修集水井水位下降至停泵水位時，由于機組檢修排水控制系統能檢測到泵運行狀態，控制系統自動停泵，停泵過程正常。再次遠方啟動機組檢修排水泵運行一段時間后，監控系統拉開泵10 kV開關后，現場檢查泵停運行正常，泵控閥能自動快速關閉到位，機組檢修排水泵未出現反轉情況，現場沒有出現水錘造成相關異響等情況發生。

5 結 語

根據上述分析及實踐證明，在錦屏一級水電站機組檢修排水控制系統未進行任何技術改造的情況下，可以實現遠方直接啟停機組檢修排水泵，其重要意義體現如下：

(1)在機組檢修期進行尾水管排水時，可以提前遠方啟動機組檢修排水泵，將檢修集水井水位抽至停泵水位；在機組檢修排水過程中，可根據集水井水位上升及下降速度靈活調整機組檢修排水泵運行臺數。

為提高尾水管排水效率，減少排水時間提供理論基礎及實踐支撐。

(2)由于錦屏一級水電站廠房滲漏排水系統與機組檢修排水系統現場設備及控制系統完全一樣，當廠房滲漏排水及機組檢修排水控制系統異常時，可以遠方直接啟動排水泵進行排水。所以，上述分析及結論同樣適合廠房滲漏排水系統，為汛期確保設備安全穩定運行提供了有力保障。

由于上述分析及結論是在未對機組檢修排水控制系統進行任何技術改造情況下進行的，所以，在遠方直接停泵過程中，存在對水泵及泵控閥造成損傷的風險。建議后續類似情況在進行機組檢修排水及廠房滲漏排水控制系統設計時，增加控制系統遠方啟停泵的功能，已投產電站未設置該功能的應進行技術改造以實現監控遠方直接啟停排水泵的功能[5]。