蘇洼龍水電站檢修排水系統(tǒng)優(yōu)化方案探討

王 佳 揚(yáng)

(華電金沙江上游水電開發(fā)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(tǒng)是關(guān)系著水電站安全運(yùn)行的重要環(huán)節(jié)，水電站檢修排水系統(tǒng)主要作用是將機(jī)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(tǒng)經(jīng)過首臺機(jī)組的引水發(fā)電系統(tǒng)充、排水試驗(yàn)，取得成功，但其檢修排水系統(tǒng)的諸多安全隱患也隨之暴露出來。因此，借助現(xiàn)階段有效的PLC技術(shù)及更合理的電氣設(shè)計(jì)方法，深入探究蘇洼龍水電站檢修排水系統(tǒng)的優(yōu)化方案和改進(jìn)方向，從而使蘇洼龍水電站檢修排水系統(tǒng)運(yùn)行更加安全、可靠，是當(dāng)務(wù)之急。

1 蘇洼龍水電站檢修排水系統(tǒng)現(xiàn)階段存在的安全隱患

1.1 排水泵的構(gòu)成及運(yùn)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(shù)0.88絕緣等級為F級的電機(jī)構(gòu)成，4臺電機(jī)電源均取自于檢修400 V母線，雖然每臺電機(jī)經(jīng)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(dá)1 200 A以上，正常運(yùn)行時的額定電流也高達(dá)543A，如果同時3臺及以上的電機(jī)運(yùn)行，檢修變壓器(型號：SCBH15-1600/10.5)將無法正常工作，嚴(yán)重時將引起保護(hù)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(yán)重后果。

1.2 啟動方式

蘇洼龍檢修排水系統(tǒng)設(shè)置遠(yuǎn)方啟動方式(通過硬回路實(shí)現(xiàn))，在緊急情況下，可由中控室值班人員在上位機(jī)直接發(fā)出指令來啟動電機(jī)進(jìn)行緊急排水，但是，由于設(shè)計(jì)之初并沒有考慮啟動排水泵前預(yù)先啟動潤滑水的硬回路，這樣的啟動方式將無法避免電機(jī)干磨的情況，影響電機(jī)使用壽命，嚴(yán)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(tǒng)排水泵的控制方式設(shè)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(jī)組檢修時切至“手動”位置，待機(jī)組尾水管內(nèi)積水排凈后，控制方式切至“自動”位置運(yùn)行。4臺排水泵運(yùn)行方式采取主備用切換的輪換模式，并未設(shè)置定時輪換的切換方式[2]。由此可見，在進(jìn)水量大于單臺水泵排水量的情況下，電機(jī)會連續(xù)長時間運(yùn)行(已發(fā)現(xiàn)公用檢修排水1號和3號泵連續(xù)工作6 h的歷史記錄)，最終導(dǎo)致電機(jī)線圈過熱，嚴(yán)重降低整套檢修排水備用泵的使用率。

2 隱患的優(yōu)化方案

2.1 400 V檢修排水系統(tǒng)用電負(fù)荷的優(yōu)化

蘇洼龍水電站廠用電系統(tǒng)采用10 kV、0.4 kV兩級電壓供電，其中主廠房10 kV供電系統(tǒng)分為三段母線，廠用工作電源分別從1號、2號發(fā)電機(jī)機(jī)端各引接1臺18/10 kV高壓廠用變壓器，經(jīng)過降壓后接至Ⅰ段10 kV母線；從3號、4號發(fā)電機(jī)機(jī)端各引接1臺高壓廠用變壓器，經(jīng)過降壓后接至Ⅲ段10 kV母線；10 kV外來電源和柴油發(fā)電機(jī)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(shè)置母聯(lián)聯(lián)絡(luò)斷路器。當(dāng)任一10 kV廠用電母線發(fā)生故障時，系統(tǒng)根據(jù)故障情況自動投切至其他正常運(yùn)行的廠用電源，以確保廠用電供電的可靠性。在正常運(yùn)行情況下，除保安、檢修系統(tǒng)用電外，所有400 V廠用電系統(tǒng)均設(shè)置兩段母線，每段電源均取自不同的10 kV母線，經(jīng)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(shè)置于廠用10 kV Ⅲ段母線下，400 V檢修母線為單母運(yùn)行方式，沒有冗余配置。由此可見，如果400 V檢修母線出現(xiàn)故障，將不可避免地造成下屬所有負(fù)荷全部失電，檢修排水系統(tǒng)也不能正常工作。此外，在設(shè)計(jì)之初，考慮到4臺排水泵同時啟動的電流過大會導(dǎo)致400 V檢修母線上斷路器跳閘，在檢修排水系統(tǒng)PLC增加了逐臺依次延遲啟動電機(jī)的邏輯程序。但是，卻未曾考慮到當(dāng)3臺排水泵正常運(yùn)行，第四臺排水泵啟動時，檢修排水的總電流將高達(dá)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(cè)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(yùn)行方式的需要。

針對蘇洼龍水電站現(xiàn)有的廠用電運(yùn)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(shí)，合理科學(xué)地轉(zhuǎn)移400 V檢修母線下屬負(fù)荷的分配，并結(jié)合廠用電用電負(fù)荷的實(shí)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(fù)荷電源點(diǎn)可以接入。經(jīng)整定計(jì)算和校核，完全能夠滿足2臺檢修排水泵的所需負(fù)荷。而且，400 V公用母線有2段母線實(shí)現(xiàn)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(jù)實(shí)際情況動作備用自投裝置，使400 V公用母線重新得電繼續(xù)正常供電。所以，可將2臺排水泵電機(jī)電源移至400 V公用I段母線備用電源點(diǎn)，這樣既能有效保證檢修排水系統(tǒng)電源供電可靠性，又能合理分配負(fù)荷避免保護(hù)(過電流)跳閘，使400 V廠用電負(fù)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(yōu)化

蘇洼龍檢修排水系統(tǒng)排水泵的啟動方式有“自動/手動/遠(yuǎn)方啟動”3種模式(見圖1)。在正常情況下，機(jī)組檢修時切至“手動”位置運(yùn)行，將機(jī)組尾水管內(nèi)積水排完后，控制方式切至“自動”位置，PLC將根據(jù)檢修集水井水位的變化來啟停排水泵實(shí)現(xiàn)PLC的邏輯自動控制。在緊急突發(fā)情況下，若遇PLC損壞或其他緊急狀況，當(dāng)值值班人員還可以通過上位機(jī)(監(jiān)控系統(tǒng))直接發(fā)出指令來遠(yuǎn)方啟動排水泵。

圖1 “自動/手動/遠(yuǎn)方啟動”的3種模式

但蘇洼龍水電站檢修排水泵在遠(yuǎn)方啟動的方式下，并未預(yù)先通入潤滑水對深井泵進(jìn)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(jī)的絕緣功能，影響電機(jī)壽命，重者還會損壞電機(jī)本身，造成不可挽回的損失。因此，為了杜絕這種情況的發(fā)生，需要在電機(jī)啟動前投入潤滑水。根據(jù)已有的檢修排水泵遠(yuǎn)方啟動原理可知，檢修排水泵遠(yuǎn)方啟動由上位機(jī)發(fā)令至公用LCU柜，再由公用LCU柜下發(fā)命令至開出繼電器，讓X1：19與X1：21之間的繼電器輔助接點(diǎn)接通從而啟動電機(jī)，而潤滑水電磁閥電源為24V直流，所以不能直接從排水泵遠(yuǎn)方啟動的輔助接點(diǎn)把信號并接擴(kuò)展過來。但是，為了保證潤滑水電磁閥和排水泵的遠(yuǎn)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(diǎn))，只能將潤滑水電磁閥電源從排水泵遠(yuǎn)方啟動開出繼電器的另外輔助接點(diǎn)引入，這樣上位機(jī)一旦發(fā)出啟動機(jī)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(yīng)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(yuǎn)方啟動開出繼電器更換為可設(shè)置延時閉合的時間繼電器，然后將排水泵遠(yuǎn)方啟動的回路引入到可設(shè)置延時的一對接點(diǎn)，這樣就可以根據(jù)季節(jié)或者氣候的變換來人為設(shè)定潤滑時間。遠(yuǎn)方啟動潤滑水電磁閥的回路設(shè)置在不帶延時的一對接點(diǎn)上，當(dāng)中控室值班人員下達(dá)啟動某臺檢修排水泵后，控制命令由操作員站下發(fā)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(yīng)的潤滑水閥門，而后經(jīng)過整定時間延時啟動對應(yīng)的排水泵。這樣既能滿足緊急情況下上位機(jī)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(fèi)不必要的人力和財(cái)力。

2.3 檢修排水泵PLC程序的優(yōu)化

蘇洼龍水電站檢修排水系統(tǒng)選用施耐德公司Modicon-M340型的PLC產(chǎn)品，此款產(chǎn)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(jié)構(gòu)化文本 ST、順序控制 SFC共5種匯編語言的編寫。根據(jù)蘇洼龍水電站檢修排水的日常任務(wù)需要，4臺排水泵依據(jù)主備切換順序依次進(jìn)行輪換，其中并未設(shè)置排水泵運(yùn)行時間過長的切換邏輯，若在特殊的運(yùn)行工況下，就有可能造成某臺排水泵一直運(yùn)行不能進(jìn)行切換的情況從而出現(xiàn)電機(jī)發(fā)熱甚至燒毀電機(jī)的風(fēng)險(xiǎn)。為避免類似的情況發(fā)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(jìn)行優(yōu)化，當(dāng)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(jìn)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(gòu)成：

(1)當(dāng)前排水泵主機(jī)號由COMPARE比較塊實(shí)現(xiàn)；

(2)排水泵具備啟動條件；

(3)排水泵正在運(yùn)行狀態(tài)信號。

如果上面3個條件都滿足，那么，現(xiàn)在正在運(yùn)行的排水泵的主機(jī)號通過運(yùn)算塊(OPERATE))將當(dāng)前運(yùn)行的排水泵主機(jī)號加一。如果主機(jī)號數(shù)字大于泵的總數(shù)，主機(jī)號MAIN_NO則置為1。這樣實(shí)現(xiàn)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(jìn)程對每一個初始變量的重新定義。例如，當(dāng)前1號排水泵MAIN_NO初始化主機(jī)號為1，那么，就得定義另外3臺排水泵的初始化主機(jī)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(yùn)算處理負(fù)擔(dān)從而降低PLC工作效率。所以，可以利用Unity Pro軟件中強(qiáng)大的 FBD模塊功能[4]，調(diào)用功能塊FBD中計(jì)時器功能塊和切換功能塊來優(yōu)化這一過程。因此，不僅可以在梯形圖中嵌入計(jì)時器功能塊來統(tǒng)計(jì)每臺排水泵的已運(yùn)行時間，還能統(tǒng)計(jì)排水泵啟動次數(shù)。由此，便可依據(jù)每臺排水泵已啟動次數(shù)和已運(yùn)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(chǔ)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?yōu)橐粋€可控的可視化時間變量(SET_CHANGE_HOUR)來人為設(shè)定排水泵輪換時間，用來控制排水泵單次運(yùn)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(shè)置排水泵的單次運(yùn)行時間，讓每一臺排水泵可以根據(jù)實(shí)際情況來設(shè)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(jī)組檢修排水泵PLC控制程序經(jīng)上述優(yōu)化后，可達(dá)到3點(diǎn)預(yù)期效果：

(1)規(guī)避排水泵電機(jī)因長時間運(yùn)轉(zhuǎn)而損壞絕緣風(fēng)險(xiǎn)；

(2)無需擔(dān)心因倒廠用電而破壞輪泵的邏輯；

(3)運(yùn)行人員可根據(jù)排水泵電機(jī)工況隨時設(shè)定輪換時間。

3 結(jié) 語

在自動化技術(shù)飛速發(fā)展的今天，現(xiàn)代化的水電廠各大系統(tǒng)也越來越離不開對智能化自動控制技術(shù)的依賴。為確保水電站檢修排水系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行，不僅需要對檢修排水系統(tǒng)用電負(fù)荷進(jìn)行合理的規(guī)劃，還需要對檢修排水系統(tǒng)的硬件和軟件進(jìn)行全面的技術(shù)升級。只有通過不斷的技術(shù)創(chuàng)新和科學(xué)改進(jìn)，才能保障水電廠的檢修排水系統(tǒng)一直處于最優(yōu)工況。此外，除了應(yīng)加大資金投入提高設(shè)備自身的硬水平以增加設(shè)備的使用壽命和抗損能力，更應(yīng)該引進(jìn)優(yōu)秀運(yùn)行維護(hù)人員來提高設(shè)備的軟實(shí)力，降低外在人為因素帶來的負(fù)面影響。故軟硬兼施更能讓整個電力系統(tǒng)運(yùn)作更加高效和安全可靠。