抽水蓄能機組調相壓水控制系統分析

張 斌 吳同茂 鄧常浩

（1.福建仙游抽水蓄能有限公司，福建 莆田 351266；2.長沙科智防雷工程有限公司，湖南 長沙 410000）

1 調相壓水基本情況介紹

調相壓水系統是抽水蓄能電站常規設置的控制系統，由機械液壓和電氣控制兩部分組成。主要功能是在機組導葉關閉后，使用壓縮空氣將轉輪室內水位下壓并維持在尾水錐管合適位置，使轉輪暴露在空氣中，從而讓機組實現抽水和調相等。調相壓水控制過程分為調相啟動時的充氣壓水過程和抽水調相轉抽水時的排氣回水過程。涉及的硬件設備包括壓水空氣儲氣罐、主壓氣閥、補氣閥、尾水管液位測量裝置、蝸殼、頂蓋和尾水管排氣閥。整個過程主要是通過監控系統或調相壓水PLC對以上各硬件設備的控制使其合理配合，順利完成壓氣排水和排氣回水過程。

1.1 充氣壓水過程

充氣壓水時通過機組轉輪室注入壓縮空氣將水位壓至轉輪以下，以降低機組在調相啟動過程中和調相運行時的功率，并通過自動補氣邏輯保證水位一直處于一個恒定的高程范圍。典型的充氣壓水控制流程如圖1所示。

圖1 抽水蓄能機組壓氣壓水典型控制流程

1.2 排氣回水過程

排氣回水時通過打開蝸殼、頂蓋和尾水管的排氣閥將尾水管的壓縮空氣排出，隨著水位的升高轉輪逐漸在尾水中旋轉，此時機組功率增加，監控系統適時打開球閥和導葉，機組將尾水的水向上庫輸送，從而完成抽水調相轉抽水的工況轉換。典型的排氣回水控制流程如圖2所示。

圖2 排氣回水典型控制流程

2 尾水水位測量裝置

2.1 尾水水位測量裝置配置情況

目前國內各抽水蓄能尾水管水位測量裝置按信號原理分類主要有兩種：一是采用開關量信號控制，主要有磁翻板磁性位置開關、音叉開關、超聲波液位開關、電極式液位開關、電導式液位開關和電容式液位開關；二是采用模擬量液位信號，主要有磁翻板液位計、差壓變送器、波導雷達式液位計和射頻導納式液位計。部分電站開關量和模擬量信號均有配置，但只有小部分電站兩種信號均參與調相壓水控制。

2.2 尾水水位測量裝置應用情況及推薦配置

經過二十多家抽水蓄能電站的尾水水位測量設備應用和缺陷情況調研，對不同原理水位開關和水位計可靠性進行總結分析，得到以下結論。

音叉開關、電極式液位開關、電容式液位開關、電導式液位開關容易受介質污染導致性能下降，磁性開關容易受配套的磁性浮子和周圍環境（磁場）影響導致誤動或拒動?？偟膩碚f，超聲波液位開關、音叉開關使用單位較多，故障率也相對較低。所以在不同原理上，液位開關的可靠性排序如下：超聲波液位開關≥電容式液位開關≈音叉開關≈電極式液位開關≈電導式液位開關≥磁性開關。

磁翻板液位計容易受磁性浮子的影響導致數據失真，差壓變送器容易受管路氣體的影響導致水位信號波動較大并且需要定期排氣以保障可靠性。配置模擬量信號的電站在磁翻板和差壓變送器上的使用率和故障率相差不大。在不同原理上，液位計的可靠性排序如下：波導雷達式液位計≈磁翻板液位計≥差壓變送器。

因此，為了提高尾水管水位信號的可靠性，尾水水位信號宜配置一套開關量和一套模擬量液位信號裝置，兩套液位計/開關宜采用不同原理元件并安裝在不同管路上，同時在控制邏輯中冗余配置。

3 充氣壓水控制分析

3.1 主壓水閥控制

目前的調相壓水系統一般由監控系統直接控制或配置單獨調相壓水PLC由PLC控制。

主壓水閥開啟控制邏輯中一般為壓水流程中監控或PLC收到壓水令時開啟。

主壓水閥關閉邏輯分三種：一是受時間控制，即開閥后延時關閉，其中個別電站開閥邏輯還受調相壓水氣罐壓力控制，氣罐壓力高則長延時關閉，氣罐壓力低則短延時關閉；二是受液位計/開關控制，到達關閥水位時關閉，一般為尾水水位低信號控制，個別電站設有防止主壓水閥卡澀或位置開關異常的邏輯，即發令開啟調相壓水液壓閥后××s內未收到全開位置信號，則發令關閉液壓閥，××s后再次發令開啟液壓閥（在開主壓水閥步序的執行時間內，如始終無法收到全開位置信號，則會以××s一個周期開關此液壓閥），關閥時收到主壓水閥全開信號或液位低信號延時××s發關閥令；三是同時受時間和液位控制，其中一個滿足條件則發關閥令。為避免主壓水閥開啟后無法正常關閉導致壓水過多，建議采用時間和液位同時控制的邏輯，并設置防止主壓水閥卡澀或位置開關異常的邏輯，根據本電站尾水管大小合理設置壓水時間（若具備條件可設置氣罐壓力控制）。

3.2 補氣邏輯

尾水管氣壓的保持取決于尾水管的漏氣量，若機組漏氣量大，則壓水保持時間將縮短，補氣時間間隔也將縮短。補氣邏輯的作用是使抽水蓄能機組在調相工況下保持尾水管水位在一定高程范圍，目前主要有兩種：一是只受尾水管水位控制，即壓水保持時尾水管水位上升至補氣水位開啟補氣閥，尾水管水位降低至低水位時關閉補氣閥；另一種是分別受時間和水位控制，即尾水管水位低信號復歸后水位上升至補氣水位（水位介于尾水管水位低和補氣水位之間時），延時××min開啟補氣閥，水位降至低水位后關閉補氣閥。在日常運維階段，設備主人應定期檢查和分析補氣時間間隔，判斷是否存在尾水管漏氣增大的情況。

補氣閥開閥邏輯分兩種：一是在第一次壓水時和主壓水閥同時開啟，部分電站有設置；二是在壓水保持時水位上升至補氣水位后開啟，該邏輯是補氣閥典型控制邏輯，各抽蓄電站主要采用此開閥邏輯。

3.3 充氣壓水成功、失敗判據

機組調相充氣壓水的時間主要受到儲氣罐氣壓、尾水管部分容積、下庫水位、轉輪漏氣量等因素影響，具體還要根據實際調試情況判定[1]。目前主要的壓水成功判據有：尾水水位到達壓水成功水位與各閥門的狀態位置正常。為防止壓水過度，當尾水管水位檢測裝置檢測到水位低信號應立即停止壓氣和補氣。其中尾水管水位的判據有兩種，一是判斷尾水管水位高復歸&尾水管水位低到達，二是只判斷尾水管水位低信號到達。該邏輯設計較好的電站，其水位低信號分別通過不同原理的模擬量和開關量信號冗余判斷，采用單一的液位計/液位開關信號的電站可能由單一元件故障導致壓水失敗。

壓水失敗判據主要為：各閥門動作異常超時跳機和水位異常超時跳機。部分單位設置了水位高保護。

4 排氣回水控制分析

4.1 回水成功判據

回水成功判據分幾種：一是判斷濺水功率到達和相關閥門狀態正常；二是判斷濺水壓力到達和相關閥門狀態正常；三是判斷濺水功率到達或濺水壓力到達和相關閥門狀態正常；四是判斷回水水位到達和相關閥門狀態正常；五是判斷回水水位到達與濺水功率到達和相關閥門狀態正常。

4.2 回水失敗判據

回水失敗判據主要為：閥門狀態異常、液位異常等導致的步序超時，或濺水功率到達后導葉或球閥未開啟導致的功率保護動作。

5 調相壓水的其他影響

調相壓水過程除以上尾水水位、壓氣、補氣、排氣的影響，其成功率還受到上下迷宮環冷卻、水環的影響，部分電站設計了蝸殼排氣閥（蝸殼平壓閥）。在調相轉抽水的回水過程中，還需要和球閥開啟、導葉開啟相配合。

5.1 迷宮環冷卻

機組調相運行時，轉輪在空氣中旋轉摩擦會產生熱量，使轉輪和上下迷宮環發熱，因此，必須向上下迷宮環提供冷卻水。目前的迷宮環保護采用的有迷宮環溫度一級越限報警，二級越限跳閘。部分電站還采用了調相運行時上下迷宮環流量低報警、跳機的邏輯。為提高機組運行可靠性，采用迷宮環溫度跳機邏輯，迷宮環流量低報警。

5.2 水環

水環主要為水輪機轉輪旋轉的離心力將迷宮環、主軸密封冷卻水、球閥密封漏水等甩向導葉，在轉輪和導葉間形成的[2]。水環可以防止大量壓縮空氣經過導葉間隙進入蝸殼，同時可以冷卻轉輪。但水環過厚會增大轉輪阻力矩，也會導致迷宮環溫度升高產生有害振動。所以，抽水蓄能機組一般在底環上設置水環排水閥將水環排至尾水管，并通過蝸殼排氣閥排入尾水。一般水環排水閥在轉速20%～25%時打開，水環排水閥設計時應充分考慮兩側壓差，避免因壓差過大導致閥門開啟失敗或損壞。

5.3 各排氣閥

蝸殼排氣閥又稱蝸殼平壓閥，在調相運行時將轉輪室逸出至蝸殼的高壓氣排至下庫，避免機組抽水調相轉抽水時蝸殼內存在大量氣體，容易造成急劇上升的水流夾雜蝸殼中未排盡的氣體通過壓力鋼管沖向上庫，產生氣爆，并給機組帶來一定的振動危害。

頂蓋排氣閥：在調相工況轉抽水工況時打開，將頂蓋的氣體排走，防止氣體存留在頂蓋中影響抽水吸收功率。

尾水管排氣閥：在調相轉抽水工況下將尾水管大量氣體排出，是調相轉抽水工況的主要排氣管路。

因此，各排氣閥的開關控制的時間把握對于機組工況轉換的成功率至關重要，以上排氣閥的時間控制主要為主機廠家設定，但需要運行調試時根據實際排氣情況進行不斷優化，提高工況轉換成功率。以上排氣管路中一般設有一個液壓閥和一個電動閥，在液壓閥關閉失敗的時候延時關閉電動閥，防止尾水從排氣管路排出。

5.4 濺水功率

調相工況轉抽水工況時，先將尾水管中的氣體排出，關閉水環排水閥，在水環排水閥關閉后轉輪在轉輪室攪水環的過程稱為一級濺水功率；在水位緩慢上升的過程中尾水管水位碰至轉輪時，機組吸收的功率稱為二級濺水功率。為防止機組長時間在二級濺水功率運行時影響機組擺度和頂蓋振動，設計了濺水功率保護，即到達二級濺水功率后未收到球閥和導葉開啟的信號則延時跳機。因此，在工況轉換過程中導葉和球閥的開啟信號變得至關重要，在各抽水電站曾多次發生因球閥、導葉位置元件故障導致工況轉換失敗的情況。

6 典型控制邏輯推薦

6.1 主壓水閥控制邏輯

主壓水閥宜采用時間和液位雙控制邏輯，即采用固定開閥時間，時間到達后自動關閥，或尾水水位到達后發關閥令。建議采用防止主壓水閥卡澀或位置開關異常的邏輯。

6.2 補氣控制邏輯

補氣閥宜采用分別受時間和液位雙控制邏輯，即壓水保持時液位上升至補氣水位則開啟補氣閥，液位降至低水位時或開啟時長到達關閉補氣閥，或者液位在液位低和補氣液位之間時，延時××min開啟補氣閥（固定開啟時長），水位降至低水位或開啟時長到達關閉補氣閥。第一次壓水時補氣閥宜和主壓水閥同時開啟。

尾水管宜設置水位高高、水位高補氣、水位低停止補氣、水位低低四個水位信號。

為避免水位信號抖動，頻繁開啟補氣閥，液位信號宜采用不同原理的模擬量和開關量冗余判斷。

6.3 壓水判據

壓水成功宜采用液位高復歸&（液位低到達或液位低低到達）判據，防止液位開關誤動導致尾水實際水位未到轉輪以下，同時液位信號宜采用不同原理的模擬量和開關量冗余判斷。

6.4 回水判據

為防止水位信號或功率元件故障誤動導致尾水水位實際未回至轉輪以上，回水成功宜采用濺水功率&（水位信號或濺水壓力）（考慮到濺水功率更可靠）&相關閥門的正確位置進行判斷。

為防止單一水位信號故障導致回水失敗，水位信號宜采用不同管路、不同原理的開關量和模擬量信號冗余判斷。

7 結束語

隨著電網的快速發展，抽水蓄能電站作為新型電力系統不可或缺的靈活調節資源，承擔著保障大電網安全、服務清潔能源消納、促進電力系統優化運行的重要作用，顯然已經成為電網的重要組成部分。抽水調相作為抽水蓄能電站一個重要運行工況，對調相壓水的可靠性提出了新的要求，所以在抽水蓄能機組的調相壓水系統硬件設計和控制邏輯配置方面也需要進一步改善和提高，希望以上分析和結論可為國內抽水蓄能機組調相壓水的設計提供借鑒。