容積式單孔漏水測量裝置在張河灣抽水蓄能電站的應用

韓曉濤，袁鵬飛，王澤玉，高海榮，邱 偉，董旭龍

（1.國網新源控股有限公司檢修分公司，北京市 100068；2.河北張河灣蓄能發電有限責任公司，河北省石家莊市 050300）

0 引言

張河灣抽水蓄能電站位于河北省石家莊市井陘縣測魚鎮附近的甘陶河干流上。電站總裝機容量1000MW，裝機4臺，單機容量250MW。電站樞紐主要由上水庫、水道系統、地下廠房系統及地面出線場、下水庫攔河壩和攔排沙工程等組成，工程等級為一等。

上水庫位于下水庫左岸的老爺廟山頂，采用開挖筑壩圍庫而成[1]。上水庫工程主要包括堆石壩、庫盆瀝青混凝土防滲面板、排水系統、庫岸基礎處理等。上水庫壩頂高程812m，壩頂軸線長2846.0m，壩頂寬8.0～10.0m，上游壩坡1：1.75，下游壩坡1：1.5，最大壩高（壩軸線處）57m。上水庫正常蓄水位為810m，死水位為779m，工作水深31m，總庫容789.0萬m3，調節庫容717.5萬m3。上水庫地下水位線高程約為522m，遠低于上水庫庫底及進/出水口底板高程。

張河灣抽水蓄能電站上水庫滲漏主要發生在進出水口區域，進出水口區域的前池底板和沉砂池底板處的庫底廊道兩側設置了排水管，采用容積法測量各排水管漏水量，庫底各區域滲漏量及滲漏總量采用自動量水堰計測量。

1 單孔漏水測量裝置儀器布置情況

從運行到現在，上水庫庫底廊道排水管流量一直采用容積法人工觀測（積水桶、量杯、秒表）。因抽水蓄能電站抽水發電，上水庫水位從死水位至正常蓄水位變化頻繁，人工觀測法不能實時觀測各排水孔滲漏數據，且人工觀測誤差大，精度低，為了實時監測上水庫庫盆及進出水口滲漏情況，在2018年，張河灣抽水蓄能電站針對現場實際情況，在上水庫庫底排水廊道內的主要漏水部位安裝了15臺單孔漏水測量裝置，設備由哈爾濱今星公司提供并安裝調試（主要單孔監測點分布見圖1），并于2018年10月，在上水庫放空檢查及滲漏修復后、上水庫充水前，安裝調試完畢并投入試運行[2]。

2 單孔漏水測量裝置結構、工作原理、參數指標、通信方式

2.1 單孔漏水測量裝置結構

該裝置主要由采集控制器、測量控制器、遙控器、漏水箱、直流電動推桿、硅膠密封墊、進水管、排水口、液位反饋接點等組成（見圖2和圖3）。直流電動推桿是該裝置的動力部分，在不測量時處于收縮狀態，硅膠密封墊抬起，排水口導通，水由排水口直接排出，這樣可避免在不測量時鈣質在箱內沉積。測量時，在測量控制器的控制下，直流電動推桿推動硅膠密封墊直到排水口被堵住，水由底部排水管流入水箱內。當水箱內水位液面達到最大標定容積所對應的位置或測量時間時，測量控制器使直流電動推桿收縮，排水口打開，箱內的水由排水口直接排出。

2.1.1 單孔漏水測量裝置外觀及接口定義

（1）測量控制器：控制直流電動推桿、液位反饋電極并與采集控制器通信；

（2）注水口：設備入水口；

（3）注水箱：設備儲水裝置，內部裝有液位反饋電極；

圖3 單孔漏水采集控制器實物圖Figure 3 Physical diagram of single hole water leakage acquisition controller

（4）箱體：采用304不銹鋼；

（5）出水口：設備出水口；

（6）硅膠密封墊：與直流電動推桿配合，測量時封堵出水口；

（7）直流電動推桿：與硅膠密封墊配合，測量時封堵出水口。

2.1.2 采集控制器實物

（1）液晶顯示屏：顯示測量結果以及相應參數；

（2）CAN總線接口：設備CAN總線接入口；

（3）AC220接口：設備交流電源輸入口；

（4）RS232接口：設備RS232通信接口；

（5）直流電源輸出和RS485通信接口：為漏水測量控制器提供電源，并與漏水測量控制器通信；

（6）紅外接收頭：與紅外遙控器通信。

2.2 工作原理及參數指標

單孔測量裝置儀器的原理沿用容積法，在結構上根據水的導電性采用了靈敏度更高的電極測量方法，為了兼容大小流量，水箱內設有起始點、下限點、中限點、上限點四個液位反饋接點，下限設定值約為500mL，中限設定值約為2200mL，上限設定值約為4750mL，測量時間為30分鐘時，最小測值為1mL/s，用戶可根據漏水情況設定測量等待時間。直流電動推桿是本裝置的動力部分，在不測量時處于收縮狀態；設備通電后，直流電動推桿推動硅膠密封墊將排水口堵住，水由底部排水管流入水箱內，通過設定的限位計算出流量的大小；測量完成后，直流電動桿將硅膠密封墊抬起，排水口打開，水由排水口直接排出，可直接避免不測量時鈣質在箱體內沉積，成功解決了結鈣問題。同時液晶屏頁面顯示各限位、電壓、計時、狀態等信息，且可以保存五個歷史測量數據，以便人工比測和現場觀測時，可以直接查看流量數據及變化情況（具體技術參數指標見表1）。

表1 技術參數指標Table 1 Technical parameter index

2.3 通信方式

張河灣抽水蓄能電站，根據《水工安全監測自動化系統建設指導意見》，在2018年，上水庫庫底廊道布設了一條光纜，由上水庫庫底廊道～上水庫值班室～廠房～下水庫水工樓～下水庫壩底層廊道范圍形成了由單、多模光纜組成的觀測系統骨干以太網通信總線。單孔漏水測量裝置采用CAN線通信方式，CAN總線作為上水庫庫底廊道滲漏觀測分支總線，在上水庫庫底廊道量水堰所用的以太網交換機處接入骨干網，采集計算機設置在下水庫壩頭水工樓處，采集到的數據通過計算機串行口實時單向發送到內網觀測數據庫。這種以太網+CAN通信總線形式抗干擾能力強，兼容其他廠家設備，性能遠優于傳統的RS-485總線。

3 單孔漏水測量裝置的運行情況

2018年10月9 日因上水庫放空檢查及修復處理后蓄水，單孔漏水測量裝置觀測頻次設為1小時/次；2019年2月因滲漏量減小，大部分測孔滲漏量值為0 L/s，單孔漏水測量裝置觀測頻次改為1天/次。到目前為止，該系統完全替代了人工觀測，運行狀況良好。

3.1 人工比測分析

比測結果見表2，典型的比測過程線見圖4～圖9。 單孔漏水測量裝置自安裝運行以來，每月進行一次人工比測，通過比測數據和過程線可以看出：單孔漏水流量小時觀測時間較長，比測差值小；流量大時觀測時間相對較短，比測差值較流量小時大；各裝置人工比測最大差值為0.003L/s。總體上看，單孔漏水測量裝置觀測數據可靠，人工比測差值很小，實時數據入庫及時，滿足現場實際工作需要和規范要求[3]（見表2）。

表2 上水庫單孔漏水人工、自動化測值比測統計表Table 2 Statistical tablele for comparison of manual and automatic measurement values of single hole leakage of upper reservoir L/s

圖4 單孔WP023滲漏量與庫水位變化過程線Figure 4 Process line of single-hole WP023 leakage and reservoir water level change

圖5 單孔WP023滲漏量人工自動化比測過程線Figure 5 Process line of manual and automatic measurement of single-hole WP023 leakage

圖6 單孔WP022滲漏量與庫水位變化過程線Figure 6 Process line of single-hole WP022 leakage and reservoir water level change

圖7 單孔WP022滲漏量人工自動化比測過程線Figure 7 Process line of manual and automatic measurement of single-hole WP022 leakage

圖8 單孔WP016滲漏量與庫水位變化過程線Figure 8 Process line of single-hole WP016 leakage and reservoir water level change

圖9 單孔WP016滲漏量人工自動化比測過程線Figure 9 Process line of manual and automatic measurement of single-hole WP016 leakage

3.2 短期穩定性測試

短期穩定性測試：在現場針對各測量裝置通過快速連續10次自動測量并記錄測值，求得平均值，計算出差值比例，以檢驗自動量水堰裝置的短期穩定性。目前，15臺單孔測量裝置中測點WP17、SWP023、QC87、QCW091、QW15、QW17已無滲水或是呈滴水狀態，故測不出滲漏量[4]，見表3。

表3 上水庫單孔滲流短期穩定性流量記錄表Table 3 Short-term stability flow record of single-hole seepage flow in the reservoir mL/s

按照規范要求，容積法觀測滲漏量時，兩次測值之差不得大于平均值的5%。從表3可以看出：張河灣上水庫單孔漏水測量裝置的測量差值比例只有WP10精度為1.8%，其他各孔測量裝置均小于1%，完全滿足規范要求。

3.3 長期穩定性分析

單孔漏水測量裝置主要由采集控制器、測量控制器、白鋼保護箱體、漏水箱、液位反饋接點、直流電動推桿、硅膠密封墊等組成。其中，采集控制器、測量控制器為電子產品，其壽命與其他類型采集模塊相似；用來測量的箱體為白鋼箱體，非測量時間水流不經過箱體內部，不會出現結鈣影響觀測精度問題，液位反饋接點為白鋼針，固定在箱體內部，不會隨著時間推移發生銹蝕、移位，標定好的容積不會變化，可長期使用，測量精度不會產生變化，故測量裝置采集的數據長期穩定性好[5]。

3.4 系統維護情況

單孔漏水測量裝置的直流電動推桿、硅膠密封墊是本裝置的動力機械構成部分，為測量裝置的易損件，這兩個構件的質量決定了系統的維護量；單孔漏水測量裝置的直流電動推桿、硅膠密封墊均設在漏水箱外、白鋼保護箱體內，更換方便。2018年10月上水庫單孔漏水測量系統安裝調試完畢并投入試運行，至2019年11月末，15個測量裝置中，采集控制器、測量控制器及通信系統未出現故障；共有1個測量裝置的直流電動推桿發生故障并及時更換，硅膠密封墊全部更換一次。根據硅膠密封墊特性，當觀測頻次為1次/天時，建議每年更換一次硅膠密封墊[6]。

4 結束語

單孔漏水測量系統從2018年11月在張河灣抽水蓄能電站正式投入試運行至今，系統運行狀況良好，完全替代了人工觀測工作，大幅提高了工作效率，系統有較高的推廣價值。其突出特點為：①箱體內部不結鈣，設備維護簡單，維護量小，測量結果觀測精度高且無飄移、無跳值；②控制系統模塊防潮性能好，系統運行穩定；③控制裝置和顯示裝置設在測量箱處，能在現場使用遙控器直接進行測量操作，比測簡單；④測量范圍不受限制，單孔漏水流量大時，只要增加箱體容積即可；⑤該系統通信采用以太網+CAN通信總線形式，抗干擾能力強，可與其他廠家設備共用以太網總線，兼容性好，性能遠優于傳統的 RS-485總線[7]。