某水電站廠區(qū)排水系統(tǒng)改造升級

廣東水電二局股份有限公司 汪 勛

1 概述

某電站位于桃江縣境內(nèi)資水干流的下游，是資水干流倒數(shù)第二級，電站為河床式廠房，安裝有5臺13MW 燈泡貫流式水輪發(fā)電機組。

水電站排水系統(tǒng)分為廠區(qū)排水、滲漏排水和檢修排水三大類，主要作用是排除生產(chǎn)廢水、檢修積水和生活污水，避免廠房內(nèi)部積水和潮濕，保證水電站設(shè)備的正常運行和檢修。某水電站位置緯度偏低，為大陸性特征明顯的亞熱帶季風氣候，春夏季，地面南北氣流對峙，氣旋及鋒面活動頻繁，雨水較多，天氣多變。每年5～8月為電站的主汛期，此時雨水多發(fā)、降雨集中且持續(xù)時間較長，電站廠房相對地勢較低，大量降水如果在短時間內(nèi)匯聚于廠區(qū)，廠區(qū)積水及廠外山洪將全部匯集于廠區(qū)集水井，由于地勢和設(shè)計原因積雨不能快速排出，導致沉沙井積水迅速向上漲漫出，嚴重時積水將漫入廠房，對機組及設(shè)備安全運行構(gòu)成嚴重威脅。廠區(qū)排水系統(tǒng)分布如圖1所示。

圖1 廠區(qū)排水系統(tǒng)分布

2 情況介紹

某水電站廠區(qū)排水系統(tǒng)由兩臺型號為WQ800-16-55型潛水泵，廠區(qū)集水井，管路，閥門及自動控制元件組成。主要用來排廠區(qū)積水，水泵有自動和手動兩種控制方式，正常情況下由集水井內(nèi)浮子接點控制自動回路，兩臺泵互為備用，輪換運行，當廠區(qū)集水井水位達到4.45m 高程時主用泵啟動并發(fā)送信號至上位機，當集水井水位到達4.75m 時備用泵啟動并報警，當滲漏集水井水位達到2.00m 時，主備用泵自動停止。廠區(qū)排水以自流排水為主，當下游水位高于40.00m 高程時，關(guān)閉廠區(qū)自流排水閥OS501，自流排水管出口大約在41.50m 高程。

2022年6月2日21時左右水電廠廠區(qū)驟降暴雨，降雨持續(xù)時間長，且降雨量大。某水電站壩址水情站點測得21時至次日凌晨5時降雨量累計達162mm，其中3日2時至3時降雨量就高達75mm，4時08分上位機報“廠區(qū)排水報警水位”。面對極端天氣，水電站廠區(qū)排水系統(tǒng)已經(jīng)滿負荷運行，仍不能滿足排水要求，導致大量積水在廠房門口雍高，存在廠區(qū)積水倒灌生產(chǎn)廠房的威脅。

3 原因分析

3.1 廠區(qū)現(xiàn)有排水系統(tǒng)設(shè)計不合理，無法滿足極端天氣下廠區(qū)排水要求

通過現(xiàn)場實際調(diào)查關(guān)于沉沙井溢流及排水不暢等原因?qū)е滤S區(qū)的現(xiàn)象，其主要原因有以下幾個方面，一是副廠房排水溝出口偏小，導致多余積水無法通過天溝及時排至廠房下游，只能通過下水管匯入廠房集水井，加重廠區(qū)排水系統(tǒng)負擔；二是廠區(qū)上游來水段生活垃圾較多，堵塞沉沙井攔污柵，導致排水不暢；三是當集水井水位過高時，沉沙井積水將無法及時排出，導致水位上漲過快并溢出[1]。

3.2 廠區(qū)集水井水位變化不能實時監(jiān)視，不能及時發(fā)現(xiàn)廠區(qū)積水量變化

經(jīng)現(xiàn)場查看，原廠區(qū)排水控制屏上無集水井水位監(jiān)視設(shè)備，運行值班人員需現(xiàn)地進行查看、確認集水井水位，然后匯報至運行值長，值長根據(jù)水位情況再安排值班員手動啟動廠區(qū)排水泵進行排水。從值班員現(xiàn)地確認水位到啟動排水泵，整個過程至少需要3人進行配合。在降雨特別集中時，值班人員需要每30min 對集水井水位進行一次檢查，尤其是在晚上，視線不好將影響值班人員對水位的判斷，給巡視工作帶來不便。

3.3 廠區(qū)排水泵不能根據(jù)水位自動啟動，無法自動提前啟動廠區(qū)排水泵

經(jīng)現(xiàn)場查看原廠區(qū)排水泵控制方式最初設(shè)計為手自動控制，采用浮球開關(guān)接點實現(xiàn)自動控制功能，但由于浮球開關(guān)接點不可靠，多次出現(xiàn)水位達到啟泵水位或者停止水位時水泵不能自動啟、停，為了確保水泵的安全運行，從2009年開始浮球開關(guān)接點已處于斷開狀態(tài)，只采用手動方式進行控制。采用手動方式控制時，值班人員需去現(xiàn)場查看、確認集水井水位，且排水過程需要安排人員對集水井水位進行監(jiān)視，以防止水位抽干電機長時間運行造成電機線圈過熱、燒毀。如果值班人員巡視不到位或者水位上漲過快，未能及時手動啟動排水泵進行排水，將會導致積水從集水井漫出，嚴重時將造成水進廠房等不安全事件的發(fā)生，危及設(shè)備及人身安全。

4 優(yōu)化改進措施

對現(xiàn)有排水系統(tǒng)進行適當優(yōu)化，將主副廠房積水引至廠房下游，同時對沉沙井增加分水溝。在降雨量過大時，由于排水系統(tǒng)集水面積較大，集水井積水短時聚集，且不能進行有效分流，同時由于主副廠房排水出口偏小，不能及時將積水排出，導致多余的積水匯流至集水井，加重排水系統(tǒng)負擔，鑒于以上情況具體優(yōu)化方法[2-3]。

一是將主副廠房落水管道進行封堵，積水可直接流入下游尾水。阻止積水進入集水井，少排水系統(tǒng)集水面積。主副廠房排水管位置如圖2所示。

圖2 主副廠房排水管位置

二是加大副廠房排水出口，將涵管改為明溝，保障主副廠房積水能及時排至下游。主副廠房排水出口改造前后對比見表1及如圖3所示。

表1 主副廠房排水出口改造前后對比

圖3 改造副廠房排水口對比

三是在沉沙井一側(cè)增開一條400×600mm 的分水溝，當沉沙井排水出現(xiàn)擁堵時，通過分水溝分流至自流排水管路，同時也可以將沉沙井部分生活垃圾帶走，改善沉沙井攔污柵堵塞狀況。沉沙井增開的分水溝位置如圖4所示。

圖4 沉沙井增開的分水溝位置

四是在沉沙井側(cè)邊增開的分水溝，在來水加大的情況下進行分流，同時也帶走了上游的一些生活垃圾，緩解了廠區(qū)排水泵的排水壓力，有效提高了廠區(qū)排水系統(tǒng)排水效率；增大主副廠房排水出口，可以將主副廠房超過2000m2降水面積的積水及時排至下游，減少了集水井的積水量，大大提高了廠區(qū)排水系統(tǒng)效率。

五是在廠區(qū)集水井增加投入式水位傳感器，同時在廠區(qū)排水泵控制屏上安裝水位測控儀，并將水位信號接入測控儀及上位機[4]。投入式水位傳感器是根據(jù)液位傳感器的信號輸出開啟放水或者進水的閥門而使水位保持恒定的一種控制器。也可以說液位開關(guān)輸出的是一種開關(guān)信號，液位開關(guān)首先要確定液位的高度，依據(jù)這個高度來輸出開關(guān)量信號。

具體實施步驟，在廠區(qū)排水泵控制屏前門面板開孔，將水位測控儀安裝固定，在集水井安裝麥克投入式水位傳感器，利用原來浮球開關(guān)接點控制電纜將水位傳感器信號接入水位測控儀，設(shè)定相關(guān)測量參數(shù)，確認接線無誤后，接通水位測控儀裝置電源，現(xiàn)場對水位進行核實，確定傳感器位置后，將傳感器放入焊接好的保護鋼管內(nèi)，綁扎固定。經(jīng)過改造后，集水井水位能在廠區(qū)排水泵控制屏上進行顯示，同時將該水位信號以RS485通訊方式接入上位機，上位機也能顯示集水井水位，方便運行值班人員對水位的監(jiān)控，遇到突發(fā)情況及時作出正確處理。

六是在廠區(qū)集水井控制屏上增加PLC，并導入控制程序，實現(xiàn)廠區(qū)排水泵自動啟停功能。當水位達到警戒水位時，排水泵自動啟動排水，當水排空或水位達到安全低程時，排水泵自動停止。為了實現(xiàn)廠區(qū)排水泵能根據(jù)集水井水位自動啟停功能，采用PLC 控制技術(shù)，選用施耐德TWIDO 系列PLC，該系列PLC 具有結(jié)構(gòu)緊湊、配置靈活、功能強大等優(yōu)點，可以保障系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。具體實施步驟是：在廠區(qū)排水泵控制屏安裝PLC，導入已編寫完成的廠區(qū)排水泵自動控制程序，然后將水位測控儀上相關(guān)水位控制接點接入PLC 對應(yīng)接點，設(shè)置相關(guān)啟停、報警參數(shù)，使各接點能根據(jù)水位正確動作，PLC 接收到水位動作信號并經(jīng)過內(nèi)部程序運行后，控制相關(guān)外部電氣回路實現(xiàn)廠區(qū)排水水泵的啟停，同時還設(shè)置有高水位報警信號，提醒運行值班人員引起注意。

當降雨量較小或未達到峰值水量時，廠區(qū)排水可以通過自流系統(tǒng)排至廠房下游，不需要啟動廠區(qū)排水泵；當出現(xiàn)大暴雨或者雨量較為集中、時間持續(xù)較長時，自流系統(tǒng)排水不能及時有效的將積水排出時，此時PLC 控制系統(tǒng)可以根據(jù)集水井水位自動啟動排水泵，保證廠區(qū)積水及時排出。這樣就不需要運行值班人員抵達現(xiàn)場查看廠區(qū)集水井水位，再根據(jù)廠區(qū)集水井水位上漲情況啟停水泵，有效提高了廠區(qū)排水可靠性，減少了運行人員工作量。

5 結(jié)語

某水電站廠區(qū)排水系統(tǒng)改造升級后，實現(xiàn)了廠區(qū)排水系統(tǒng)自動化控制，縮短了水泵啟動時間，提高了廠區(qū)排水效率，且對廠區(qū)排水系統(tǒng)相關(guān)部位進行了優(yōu)化，對沉沙井增開分水溝及擴大副廠房排水出口，有效減少了廠區(qū)排水系統(tǒng)的集水面積，減輕了廠區(qū)集水井的排水負擔。改造后運行可靠，達到了預期效果，消除了極端天氣下，排水不暢水淹廠房的危險，同時減輕了水電廠運行值班人員的工作量。