皂市水電站機組檢修排水控制系統優化

焦國彬，胡恩勝

（湖南澧水流域水利水電開發有限責任公司皂市水電站，湖南 常德 415311）

皂市水庫位于湖南常德市石門縣境內澧水一級支流渫水上，下距石門縣城19 km，是“98 大洪水”之后國務院批準的長江流域防洪治理的國家“十五”重點水利工程。水庫以防洪為主，兼有發電、航運、供水、灌溉、旅游等綜合利用。電站裝機120 MW，年發電量3.3 億kW·h，年利用小時數2 750 h，保證出力18.4 MW，工程總投資38 億元。

1 概述

水電站機組檢修排水是指水輪發電機組、引水隧洞、壓力鋼管和進水主閥檢修時,排除引水隧洞和壓力鋼管、蝸殼、尾水管內的水，以及檢修期間上游進水口檢修閘門和下游尾水檢修閘門的密封漏水，通常采用集水廊道或集水井進行排水[1]。皂市水電站未設計檢修排水廊道和集水井，僅配置2 臺管道泵。電站自2008 年投產后，經歷多次檢修，2臺檢修排水泵在自動控制方式下，均發生水泵頻繁啟停，即停泵后幾秒到十幾秒再次啟動，然后馬上又停止，反反復復；尾水管內水位較低時，尤為明顯[2]。水泵頻繁啟停，會降低水泵的正常使用壽命，嚴重情況下，可能會造成水泵電機燒毀。由于自動控制不可靠，每次機組檢修時，運行人員采用手動方式啟停水泵，大量的精力投入到水泵和尾水管水位的監視上，干擾了正常工作，并且存在水淹廠房的安全隱患[3]。為解決以上問題，進行了本研究。

2 機組檢修排水系統結構

皂市水電站未設計機組檢修排水廊道和集水井，僅配置2 臺管道泵；機組檢修期間，進水口檢修閘門和尾水檢修閘門的漏水匯集到尾水管內，再通過盤型閥排至一根橫向布置的集水鋼管內，鋼管內徑80 cm、容積11.55 m3，由2 臺離心泵（揚程：25.8 m；排水流量：400 m3/h；功率：40 kW）排至下游。其控制系統是GE 公司生產的FANUC 系列PLC，通過安裝在2 號排水泵進水管入口處的兩對壓力開關控制離心泵啟停，2 臺泵互為主備用，輪流啟動。原設計停泵、啟主泵、啟備泵、超高報警定值依次為：0.003 MPa、0.010 MPa、0.013 MPa、0.015 MPa。

圖1 皂市水電站機組檢修排水結構圖

3 水泵啟停不穩定原因分析

3.1 管道壓力波動

在啟停定值壓力相差很小的情況下，空氣、水錘效應和機械震動造成的水壓波動對壓力開關有較大影響。

空氣：原設計需將集水鋼管內水抽完才停止水泵，實際工況是集水鋼管容積小，排水泵功率大，排水泵在很短時間就能將水抽干，甚至在未抽完之前就有空氣進入到水泵（在進水管處用正負壓力表可監測到負壓，最大可達到-0.05 MPa），測壓管壓力迅速降低，水泵停止；又因集水鋼管容積較小，尾水管內如果漏水偏大，很快就能充滿集水鋼管，壓力上升，水泵啟動，如此反復。

水錘效應：壓力開關原設計啟停定值壓力相差很小，水錘效應對其影響非常大；水泵停泵瞬間，水流慣性導致測壓管壓力迅速上升，超過啟主泵壓力，繼而排水泵啟動；排水泵啟動后測壓管壓力迅速減小，排水泵又立刻停止；然后重復以上過程，直至將集水鋼管完全抽干。

機械震動：壓力開關安裝在2 號水泵進水口處，水泵運行時，其機械震動對管道進口處的壓力開關影響很大；據現場觀測，當2 號泵運行時，壓力開關接點抖動較為頻繁，1 號水泵運行時，壓力開關接點抖動稍緩。

3.2 控制系統缺陷

原控制系統采用傳統的簡易控制方案，程序分為水泵輪換、水泵啟動條件、信號觸發三個模塊，未考慮微小水壓條件下的穩定性問題。

信號觸發模塊工作原理如圖2 所示，水泵管道入口的壓力開關將信號送至PLC 的DI 模塊，由這四個開關量直接啟動三個邏輯變量和水位超高報警輸出線圈，再將V_M009 的常開點、V_M010 的常閉點、V_M011 的常開點串入到啟動回路中；當滿足相應條件時，輸出啟停控制量到DO 模塊，繼而控制排水泵啟停。即：當gzbstart 閉合，啟動主泵；當bybstart 閉合，啟動備用泵；當stop 閉合，切停水泵，當swcg 閉合，發出水位超高報警。

圖2 原PLC 程序信號觸發模塊（GE FANUC PLC）

由于信號未經處理直接輸出，且啟停條件中無穩定性控制程序，當信號發生抖動時，就會出現機組檢修排水泵頻繁啟停和尾水管水位超高報警/復歸頻繁刷屏的問題。

4 解決方案

皂市水電站已投產運行多年，已無法重新改建排水廊道和集水井，面對這種特殊形式的排水結構和啟停定值壓力相差微小的實際工況，直接消除壓力波動的難度非常大；因此，從控制系統入手，重新設計控制程序才是解決問題的最佳方案。經過研究，提出了采用信號防抖處理和啟動條件閉鎖相結合的方案，增加控制系統穩定性，防止排水泵頻繁啟停。

4.1 重新計算和校核啟停水位

機組檢修期間，尾水管檢修進人門處于開啟狀態，如果不能控制好尾水管水位，極易造成水淹廠房的嚴重后果。因此設計檢修排水啟動水位時，應充分考慮尾水管水位安全裕度來保證檢修工作安全。

皂市電站機組尾水肘管段底部高程為59.77 m，頂部高程為62.65 m，尾水管檢修進人門高程為66.48 m。經過計算和試驗，設定機組檢修排水停泵水位高程為60 m，啟主泵水位高程為61.2 m，啟備用泵水位高程為61.4 m，水位超高報警高程為61.5 m。尾水管停泵水位線至啟泵水位線之間的容積約為800 m3，尾水管肘管段啟泵水位線上部空間約為1 000 m3；我站尾水管正常漏水量為20~50 m3/h，根據計算，即使2 臺水泵同時故障，也能保證不低于20 h 的安全時間進行搶修，安全裕度滿足檢修工作要求。

依據以上數據，對壓力開關設定值重新進行整定，停泵、啟主泵、啟備泵、超高報警設定值依次為：0.010 MPa、0.022 MPa、0.024 MPa、0.025 MPa。

4.2 校核排水泵最大工作電流

因啟泵水位線大幅上調，排水泵工作負載變大，為防止電機過載，需進行試驗和校核。經試驗，排水泵最大工作電流92 A，未超過銘牌允許值。

4.3 重新設計PLC 程序

新PLC 程序信號觸發模塊工作原理如圖3 所示，V_M009 的常開點、V_M010 的常閉點、V_M011的常開點在原啟動回路中作用保持不變，增加4 個On Delay Timer 定時器和1 個On Delay Stopwatch Timer 定時器。

圖3 新PLC 程序信號觸發模塊（GE FANUC PLC）

圖4 2022 年1 號機組A 修期間檢修排水泵運行記錄

（1）當gzbstart 連續保持100 ms 閉合，R00004定時器輸出高電平，由啟動回路的V_M009 常開點啟動主水泵。

（2）當bybstart 連續保持100 ms 閉合，R00013定時器輸出高電平，由啟動回路的V_M011 常開點啟動備用泵。

（3）當stop 連續保持50 ms 閉合，R00007 定時器輸出高電平，V_M010 保持置位，由啟動回路的V_M010 常閉點切停水泵，同時R00010 定時器開始計時，1 200 ms 后定時器輸出高電平，V_M010 復位；在此1 200 ms 時間內，因V_M010 保持置位，啟動回路中的V_M010 常閉點會保持斷開狀態，所以啟動回路會被閉鎖，即使gzbstart 連續保持100 ms 閉合也無法啟動水泵，待管道壓力波動自然消除水壓平穩后（根據實際工況和試驗結果，設定為1 200 ms），解鎖啟動回路；V_M010 復位后，V_M010 常閉點將R00010 定時器復位，等待下次觸發。

（4）當swcg 連續保持300 ms 閉合，R00016 定時器輸出高電平，由Q_swcg 輸出尾水管水位超高報警。

表1 機組檢修排水控制PLC 變量解釋

4.4 改善測壓條件

原測壓管為直管，將其改為緩沖彎管，并加以固定減緩機械震動；在測壓管相同位置加裝一個同水平高度的泄壓閥，用于減緩水錘效應。

4.5 模擬試驗

將程序下載至機組檢修排水系統PLC 內進行測試，程序啟動運行后，通過在控制柜內短接端子方式，模擬各種工況進行啟停試驗。經試驗，結果符合PLC 程序設定。

表2 模擬試驗過程

4.6 實際運行驗證

經過2 個月的實際運行驗證，水泵啟動和停止穩定，未再出現頻繁啟停和不穩定狀況，輪換啟停可靠；備用泵啟停可靠；滿足實際工作需要。

5 結語

本研究在皂市水電站的應用，不改變現有排水系統管路和控制系統硬件結構，僅優化控制程序就解決了機組檢修排水泵頻繁啟停和不穩定的問題，技術改造成本幾乎為零；消除了因自動控制系統不穩定而造成水淹廠房的隱患，為電站產生較好的安全效益；改善了水泵運行工況，延長了水泵壽命和配件更換周期，節省了一定的運行維護費用。研究成果可推廣到其他相同排水形式的電站，并在類似控制系統的信號防抖處理和控制系統穩定性設計方面具有一定參考意義。