蘇洼龍水電站檢修排水系統優化方案探討

王 佳 揚

(華電金沙江上游水電開發有限公司蘇洼龍分公司，四川 甘孜 627654)

0 引 言

水電站檢修排水系統是關系著水電站安全運行的重要環節，水電站檢修排水系統主要作用是將機組檢修時的蝸殼、壓力鋼管、尾水管的排水、工作閘門、尾水閘門的漏水以及檢修集水井清洗用水排至尾水。

2021年11月中旬，蘇洼龍水電站檢修排水系統經過首臺機組的引水發電系統充、排水試驗，取得成功，但其檢修排水系統的諸多安全隱患也隨之暴露出來。因此，借助現階段有效的PLC技術及更合理的電氣設計方法，深入探究蘇洼龍水電站檢修排水系統的優化方案和改進方向，從而使蘇洼龍水電站檢修排水系統運行更加安全、可靠，是當務之急。

1 蘇洼龍水電站檢修排水系統現階段存在的安全隱患

1.1 排水泵的構成及運行

蘇洼龍檢修排水泵由4臺額定功率315 kW,額定電壓380 V，功率因數0.88絕緣等級為F級的電機構成，4臺電機電源均取自于檢修400 V母線，雖然每臺電機經由西門子軟啟動裝置很大程度降低了(直接啟動：直接啟動情況下啟動電流為額定電流的4～7倍；軟啟動裝置啟動：使用西門子軟啟動裝置啟動，一般啟動電流為額定電流的2.5倍左右)啟動電流[1]，但是啟動電流仍然可達1 200 A以上，正常運行時的額定電流也高達543A，如果同時3臺及以上的電機運行，檢修變壓器(型號：SCBH15-1600/10.5)將無法正常工作，嚴重時將引起保護裝置動作，使400 V檢修母線癱瘓，甚至可能引起水淹廠房的嚴重后果。

1.2 啟動方式

蘇洼龍檢修排水系統設置遠方啟動方式(通過硬回路實現)，在緊急情況下，可由中控室值班人員在上位機直接發出指令來啟動電機進行緊急排水，但是，由于設計之初并沒有考慮啟動排水泵前預先啟動潤滑水的硬回路，這樣的啟動方式將無法避免電機干磨的情況，影響電機使用壽命，嚴重的降低檢修排水的工作效率。

1.3 控制方式

蘇洼龍檢修排水系統排水泵的控制方式設為“自動/切除/手動”三種模式，正常情況下，4臺排水泵都在“切除”位置。機組檢修時切至“手動”位置，待機組尾水管內積水排凈后，控制方式切至“自動”位置運行。4臺排水泵運行方式采取主備用切換的輪換模式，并未設置定時輪換的切換方式[2]。由此可見，在進水量大于單臺水泵排水量的情況下，電機會連續長時間運行(已發現公用檢修排水1號和3號泵連續工作6 h的歷史記錄)，最終導致電機線圈過熱，嚴重降低整套檢修排水備用泵的使用率。

2 隱患的優化方案

2.1 400 V檢修排水系統用電負荷的優化

蘇洼龍水電站廠用電系統采用10 kV、0.4 kV兩級電壓供電，其中主廠房10 kV供電系統分為三段母線，廠用工作電源分別從1號、2號發電機機端各引接1臺18/10 kV高壓廠用變壓器，經過降壓后接至Ⅰ段10 kV母線；從3號、4號發電機機端各引接1臺高壓廠用變壓器，經過降壓后接至Ⅲ段10 kV母線；10 kV外來電源和柴油發電機組(1 331 kW/1664 kVA)均接至Ⅱ段10 kV母線上。Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ段母線之間均設置母聯聯絡斷路器。當任一10 kV廠用電母線發生故障時，系統根據故障情況自動投切至其他正常運行的廠用電源，以確保廠用電供電的可靠性。在正常運行情況下，除保安、檢修系統用電外，所有400 V廠用電系統均設置兩段母線，每段電源均取自不同的10 kV母線，經10/0.4 kV廠用變接入400 V配電盤，兩回電源互為備用。400 V檢修母線所屬的57B檢修專用變壓器，設置于廠用10 kV Ⅲ段母線下，400 V檢修母線為單母運行方式，沒有冗余配置。由此可見，如果400 V檢修母線出現故障，將不可避免地造成下屬所有負荷全部失電，檢修排水系統也不能正常工作。此外，在設計之初，考慮到4臺排水泵同時啟動的電流過大會導致400 V檢修母線上斷路器跳閘，在檢修排水系統PLC增加了逐臺依次延遲啟動電機的邏輯程序。但是，卻未曾考慮到當3臺排水泵正常運行，第四臺排水泵啟動時，檢修排水的總電流將高達2 800 A以上。蘇洼龍水電站檢修專用變壓器額定容量為1 600 kVA，低壓側額定電流為2 309 A，由此可見，57B檢修專用變壓器容量并不能滿足這種比較特殊運行方式的需要。

針對蘇洼龍水電站現有的廠用電運行方式，增加冗余配置的另外一段400 V檢修母線已不能解決變壓器容量不夠的事實，合理科學地轉移400 V檢修母線下屬負荷的分配，并結合廠用電用電負荷的實際情況和保障廠用電安全用電原則，400 V公用段還有若干備用負荷電源點可以接入。經整定計算和校核，完全能夠滿足2臺檢修排水泵的所需負荷。而且，400 V公用母線有2段母線實現互相備用的冗余配置，即便在任意一段失電情況下，另外一段也會根據實際情況動作備用自投裝置，使400 V公用母線重新得電繼續正常供電。所以，可將2臺排水泵電機電源移至400 V公用I段母線備用電源點，這樣既能有效保證檢修排水系統電源供電可靠性，又能合理分配負荷避免保護(過電流)跳閘，使400 V廠用電負荷分配更加合理，使用更加高效。

2.2 檢修排水泵啟動方式的優化

蘇洼龍檢修排水系統排水泵的啟動方式有“自動/手動/遠方啟動”3種模式(見圖1)。在正常情況下，機組檢修時切至“手動”位置運行，將機組尾水管內積水排完后，控制方式切至“自動”位置，PLC將根據檢修集水井水位的變化來啟停排水泵實現PLC的邏輯自動控制。在緊急突發情況下，若遇PLC損壞或其他緊急狀況，當值值班人員還可以通過上位機(監控系統)直接發出指令來遠方啟動排水泵。

圖1 “自動/手動/遠方啟動”的3種模式

但蘇洼龍水電站檢修排水泵在遠方啟動的方式下，并未預先通入潤滑水對深井泵進行潤滑[3]，便增大了軸承與傳動軸間的摩擦力和振動，輕者會破壞電機的絕緣功能，影響電機壽命，重者還會損壞電機本身，造成不可挽回的損失。因此，為了杜絕這種情況的發生，需要在電機啟動前投入潤滑水。根據已有的檢修排水泵遠方啟動原理可知，檢修排水泵遠方啟動由上位機發令至公用LCU柜，再由公用LCU柜下發命令至開出繼電器，讓X1：19與X1：21之間的繼電器輔助接點接通從而啟動電機，而潤滑水電磁閥電源為24V直流，所以不能直接從排水泵遠方啟動的輔助接點把信號并接擴展過來。但是，為了保證潤滑水電磁閥和排水泵的遠方啟動為同一啟動源(即同一繼電器開出后的不同輔助接點)，只能將潤滑水電磁閥電源從排水泵遠方啟動開出繼電器的另外輔助接點引入，這樣上位機一旦發出啟動機組檢修排水泵的命令，潤滑水電磁閥就能瞬時得電并投入使用。

一般而言，潤滑水電磁閥打開后，給1分鐘的潤滑水讓排水泵得到充分的潤滑便可啟動，由于蘇洼龍水電站海拔較高，天氣常年較干燥，所以應考慮增加其潤滑的時間。在確定泵體潤滑時間后，將公用LCU遠方啟動開出繼電器更換為可設置延時閉合的時間繼電器，然后將排水泵遠方啟動的回路引入到可設置延時的一對接點，這樣就可以根據季節或者氣候的變換來人為設定潤滑時間。遠方啟動潤滑水電磁閥的回路設置在不帶延時的一對接點上，當中控室值班人員下達啟動某臺檢修排水泵后，控制命令由操作員站下發至公用LCU柜，再由公用LCU柜的PLC裝置開出至已更換的時間繼電器，潤滑水電磁閥瞬時得電打開其對應的潤滑水閥門，而后經過整定時間延時啟動對應的排水泵。這樣既能滿足緊急情況下上位機能開出檢修排水泵的需要，又可避免大量改造排水泵控制回路與程序控制邏輯而浪費不必要的人力和財力。

2.3 檢修排水泵PLC程序的優化

蘇洼龍水電站檢修排水系統選用施耐德公司Modicon-M340型的PLC產品，此款產品程序基于Unity Pro軟件平臺編寫，該軟件平臺支持功能塊圖 FBD、梯形圖語言 LD、指令表 IL、結構化文本 ST、順序控制 SFC共5種匯編語言的編寫。根據蘇洼龍水電站檢修排水的日常任務需要，4臺排水泵依據主備切換順序依次進行輪換，其中并未設置排水泵運行時間過長的切換邏輯，若在特殊的運行工況下，就有可能造成某臺排水泵一直運行不能進行切換的情況從而出現電機發熱甚至燒毀電機的風險。為避免類似的情況發生和安全合理的使用4臺排水泵，需要將已有的檢修排水泵PLC程序重新進行優化，當前版本的檢修排水泵控制程序的編寫者主要使用梯形圖(即LD匯編語言)對排水泵主備切換邏輯進行編寫。

由LD匯編語言編寫的檢修排水泵的主備切換邏輯程序依靠三個條件構成：

(1)當前排水泵主機號由COMPARE比較塊實現；

(2)排水泵具備啟動條件；

(3)排水泵正在運行狀態信號。

如果上面3個條件都滿足，那么，現在正在運行的排水泵的主機號通過運算塊(OPERATE))將當前運行的排水泵主機號加一。如果主機號數字大于泵的總數，主機號MAIN_NO則置為1。這樣實現所有排水泵的主備切換邏輯，雖然這樣編程減少了中間很多變量的使用，卻能增加程序初始化進程對每一個初始變量的重新定義。例如，當前1號排水泵MAIN_NO初始化主機號為1，那么，就得定義另外3臺排水泵的初始化主機號MAIN_NO為2、3、4。這樣的編寫方式將會增加PLC初始化掃描時長，增加PLC的CPU運算處理負擔從而降低PLC工作效率。所以，可以利用Unity Pro軟件中強大的 FBD模塊功能[4]，調用功能塊FBD中計時器功能塊和切換功能塊來優化這一過程。因此，不僅可以在梯形圖中嵌入計時器功能塊來統計每臺排水泵的已運行時間，還能統計排水泵啟動次數。由此，便可依據每臺排水泵已啟動次數和已運行的時間來合理啟動排水泵，更加高效地使用4臺排水泵。而且，在此功能塊的基礎上還能增加生成一個時間可控變量，將排水泵的輪換過程變為一個可控的可視化時間變量(SET_CHANGE_HOUR)來人為設定排水泵輪換時間，用來控制排水泵單次運行最大的時間。再將此時間變量引入至觸摸屏上[5]，操作人員可以更改設置排水泵的單次運行時間，讓每一臺排水泵可以根據實際情況來設置排水泵輪換時間，有效地提高每一臺排水泵的可利用率。

機組檢修排水泵PLC控制程序經上述優化后，可達到3點預期效果：

(1)規避排水泵電機因長時間運轉而損壞絕緣風險；

(2)無需擔心因倒廠用電而破壞輪泵的邏輯；

(3)運行人員可根據排水泵電機工況隨時設定輪換時間。

3 結 語

在自動化技術飛速發展的今天，現代化的水電廠各大系統也越來越離不開對智能化自動控制技術的依賴。為確保水電站檢修排水系統的安全可靠運行，不僅需要對檢修排水系統用電負荷進行合理的規劃，還需要對檢修排水系統的硬件和軟件進行全面的技術升級。只有通過不斷的技術創新和科學改進，才能保障水電廠的檢修排水系統一直處于最優工況。此外，除了應加大資金投入提高設備自身的硬水平以增加設備的使用壽命和抗損能力，更應該引進優秀運行維護人員來提高設備的軟實力，降低外在人為因素帶來的負面影響。故軟硬兼施更能讓整個電力系統運作更加高效和安全可靠。