水電廠防水淹廠房保護系統的設計與實現

李冬陽，胡智宇，毛 琦

（1.北京華電水電有限公司，北京 101512；2.中國水利水電科學研究院，北京 100038）

密云白河水電廠位于北京市東北部的密云水庫白河大壩下，距北京市約100km，是一座以防洪、供水、發電和灌溉為目的的綜合性水利樞紐工程，廠房為典型的壩后式廠房，白河水電站裝有4 臺15MW 常規水輪發電機組和2 臺11MW 抽水蓄能機組，1960 年11 月17日首臺機組正式投入運行，1975 年2 月6 日六臺機組全部投產運行，為全國第一座國產抽水蓄能電站。

1 水源分析

密云白河水電廠發電用水取自密云水庫，上游側廠房后山處設一口調壓井，由調壓井引出2 條鋼管，到廠房前每條鋼管各分3 路，1 號、2 號和3 號機組對應一個鋼管，4 號、5 號和6 號機組對應一個鋼管。為了對發電機組進行防飛逸保護及引水隧洞發生事故和機組檢修時進行擋水處理，從調壓井引出的兩條鋼管進水口處各設有一道閘門，并且每臺機組蝸殼前鋼管處設有蝴蝶閥，對機組的蝸殼前的進水進行啟閉操作，平時正常發電狀態下機組的蝴蝶閥一直處于開啟狀態[1]。

密云白河水電廠機組投運時間較長，機組的導水葉漏水量偏大，這些因素給廠房機組設備的安全穩定運行帶來了一定的安全風險及隱患。另外，調壓井進口閘門雖然能夠通過直流電源進行急降操作，但對于出現水淹廠房事故時，需要運行值班人員能夠在很短的時間內進行相關事故處理，同時在沒有水淹廠房事故報警的情況下，這些事故操作對于運行值班人員有著很高的要求，因此，為應對上游側來水導致水淹廠房事故的突發情況，本文針對防止水淹廠房保護的設計顯得尤為重要。

2 設計依據及配置策略

密云白河水電廠在建設初期，未配置防水淹廠房保護系統，這為水電廠的安全生產帶來了嚴重的安全風險和隱患[2]。防水淹廠房系統的功能是在機組蝸殼取水管路破裂、頂蓋破裂、蝸殼進人口、尾水進人口大量漏水等情況造成水淹廠房事故時，自動或手動啟動進水閘門緊急落門及全廠機組事故停機流程。此次系統改造以浮子、浸水傳感器為水淹廠房信號感知單元，由于電廠內安裝2 種機型即常規機組和蓄能機組，不同機組的高程存在差異，因此，浮子、浸水傳感器分別安裝于蓄能機、常規機的最底層-排水泵層，每處安裝2 套水位信號器裝置，并在公用系統及機組現地控制單元的PLC 中設置報警和事故停機及關閉蝶閥邏輯，在中控室公用系統盤柜內設置了緊急停機按鈕，并在廠房內不同層級區域搭配安裝了3 套聲光報警裝置，以滿足水電廠日常安全運行要求。

根據《水力發電廠自動化設計技術規范》（NB/T 35 004-2013）中“廠房最底層（含操作廊道）設置不少于3 套水位信號器，每套水位信號器至少包括2 對觸頭輸出。當水位達到水位信號器第一上限時報警，當同時有2 套水位信號器的第二上限信號動作時，作用于緊急事故停機并發水淹廠房報警信號，啟動廠房事故廣播系統。”[3]

3 結構配置

3.1 硬件配置情況

在廠房最底層-排水泵層設置2 套的水位信號器裝置，常規機組和蓄能機組各一套，常規機組安裝在常規機排水泵層，蓄能機組安裝在蓄能機排水泵層，每套裝置含4 個浮子傳感器，按照一個低位（報警），三個高位（事故停機）的位置要求來安裝，并用2 套不同原理的傳感器組合進行使用。

在廠房安裝3 臺帶語音播報功能的一體化聲光報警裝置，分別位于常規機組水輪機層、常規機組發電機層、蓄能機組水輪機層，當遇水淹廠房事故時，報警裝置發出報警，可閃爍燈光并發出定置語音報警，用于提醒，通過不同方式告知廠內生產人員，便于事故逃生[4]。

在中控室公用開關站LCU 柜內安裝機組一鍵停機按鈕，方便緊急情況下用于各機組水淹廠房事故運行人員下手動停機，避免事故擴大化。

每臺機組加裝1 個“水淹廠房事故停機”壓板，由運行人員進行投退操作，當壓板退出時，機組接收到水淹廠房停機信號時將不再啟動事故停機流程及關蝶閥流程，但仍可作用于發出聲光進行告警。

3.2 動作邏輯設計

方案一（如圖1）：2 套共16 個浮子傳感器信號發送至監控系統各機組PLC 中并經該單元進行邏輯處理即啟動告警。

各機組LCU 經過“水淹廠房事故”壓板接收到浮子信號后，在各自的機組PLC 中進行信號邏輯分析，每套3 個高位浮子傳感器報警信號進行3 選2 處理，即有任意2 個高位浮子傳感器報警信號即認為該處有水淹廠房事故已經發生，并將立即啟動機組事故停機流程、關閉蝶閥，以防止水淹廠房事故擴大，并將事故信號發送給公用系統。

當公用系統PLC 接到機組發來的事故信號后，發送給上位機監控系統，上位機監控系統報警包括事件記錄、光字牌彈出和語音報警播報；同時公用系統PLC開出執行關閉鋼管進口快速閘門命令，并同時啟動聲光報警器，運行人員可根據實際情況，使用公用系統盤柜內機組一鍵緊急停機按鈕，手動啟動機組事故停機流程。

方案二（如圖2）：2 套共16 個浮子傳感器信號發送至計算機監控公用系統PLC 并經該單元進行邏輯處理即啟動告警。

圖2 信息傳輸框圖方案二

公用PLC 接收到浮子信號后，在公用系統PLC 中進行信號邏輯分析，每套3 個高位浮子傳感器報警信號進行3 選2 處理，即有任意2 個高位浮子傳感器報警信號即認為該處有水淹廠房事故已經發生，處理后發送至上位機監控系統報警，上位機監控系統報警包括事件記錄、光字牌彈出和語音報警播報。當公用系統PLC 判斷水淹廠房事故發生后，其立即向各機組發送事故停機開入信號，關閉鋼管進口快速閘門，同時啟動聲光報警器，運行人員可根據實際情況，使用機組一鍵緊急停機按鈕，手動啟動各機組緊急停機流程。

各機組收到公用系統PLC 水淹廠房停機信號后且在機組LCU 中“水淹廠房事故”壓板投入情況下，將立即啟動機組事故停機流程，同時啟動關閉蝶閥流程，以防止水淹廠房事故擴大。

根據現場實際勘察，方案二更加便于施工、能夠更加合理地利用現有電纜，節省了施工成本；從信號源和信號傳遞路徑上分析，方案二的自動化元器件的工作電源更加統一，排除了因工作電源不同帶來的信號干擾，信息傳輸集中在公用控制系統中，減少了信號傳遞過程中的分散及干擾。因此，選擇方案二更為優化。

3.3 公用系統PLC 邏輯實現

公用系統PLC 采用的通用公司GE9030 PLC，工程中使用GE 公司的PME 軟件進行梯形編程圖邏輯編程，從而實現方案二中的邏輯設計，蓄能機側“3 選2”功能實現；為了第一時間提醒運行人員水淹廠房事故的發生，在廠房安裝了3 臺帶有語音播報功能的一體化聲光報警裝置，并由公用系統PLC 自動控制；水位信號器裝置安裝在全廠最低的一層，排水泵層（常規機和蓄能機）。

3.4 機組PLC 邏輯實現

機組LCU 系統PLC 采用的施耐德公司M580 系列PLC，工程中使用施耐德公司的Unity 軟件進行梯形編程圖邏輯編程，在方案二中各機組收到公用系統PLC 水淹廠房事故停機信號后且在“水淹廠房事故”壓板投入情況下，將立即啟動事故停機流程及關閉蝶閥流程的功能實現，為防止機組蝶閥在動水中關閉及各機組蝶閥同時關閉對于鋼管產生沖擊影響，對于機組蝶閥關閉時間設在導葉關閉之后，并且每臺機組關閉蝶閥時間依次進行延時關閉[5]。

4 設備安裝

4.1 水位信號器安裝高程確定

經過現場多次勘察，蓄能機排水泵層高程為85m，常規機排水泵層高程為90m，兩個高程上方各安裝8 個兩種不同原理的水位信號器，保證蓄能機排水泵層在水位達到85.2m 發出水淹廠房報警信號，85.5m 啟動事故停機流程及關閉蝶閥流程。保證常規機排水泵層在水位達到90.2m 發出水淹廠房報警信號，90.5m 啟動事故停機流程及關閉蝶閥流程。

4.2 水位信號器的接線

根據水淹廠房水位信號器工作時環境的特殊性，要求裝置能夠在浸水過程中穩定運行及電源可靠，因此，水位信號器電源選擇直流24V 電源，并且實行雙路供電，保證設備電源可靠，同時要求信號器設備密封性完整嚴密，安裝過程中完全保證做好防水處理工作。

5 結語

水電廠水淹廠房事故的發生不僅會損害廠房內設備，迫使機組停機造成重大的經濟損失，也會威脅廠房內部及下游人民群眾的生命財產安全。本次防水淹廠房保護系統改造配置了水位信號器裝置、聲光報警裝置等硬件設備，優化了公用系統PLC 及機組LCU 中PLC 關于水淹廠房保護的邏輯判斷條件，經過多次現場試驗滿足了設計標準要求，提升了水淹廠房事故發生時的應急處置能力。使用這種設計提高了電廠防水淹廠房事故的報警信息發布準確性和事故應急處理及時性，更加全面地反映水電廠的實際情況，從而保障了電廠的安全生產，同時也是避免經濟損失、保證人身財產安全、提升水電廠經濟效益的重要舉措。