某电站水轮发电机组顶盖排水控制设计改造

赖志文，喻方圆，王婉秋，石振球

(1．中国华电集团有限公司衢州乌溪江分公司，浙江 衢州 324000；
2．浙江富春江水电设备有限公司，浙江 杭州 311121)

水电厂顶盖排水系统是保障机组安全运行的重要因素之一[1]，若不加重视，严重情况下会使顶盖内积水来不及排出，导致水淹水轮机室的后果，严重威胁机组的安全稳定运行[2]。

水轮发电机组转动部件和固定部件之间通过抗磨环和密封圈进行密封，随着机组的长期运行，抗磨环和密封圈会不断磨损和老化，顶盖内水位上升速度加快；
再加上顶盖排水泵随着机组的长期运行，排水效率会逐渐降低，使得排水泵频繁启停，水泵电机会加速老化，减少了排水泵使用寿命，增加了排水泵故障率，影响机组的安全稳定运行。

中国华电集团有限公司衢州乌溪江分公司尝试对顶盖排水泵控制方案改造，采用1台大功率变频顶盖排水泵，根据顶盖液位变频控制排水泵的运行频率，实现顶盖内液位实时控制。该方案在节省设备费用的同时，提升了顶盖排水效率，并对后期顶盖漏水量大时有一定预留的排水能力空间。

2.1 原顶盖排水方案

某电站是位于乌溪江流域两级开发的梯级电站，拥有5台混流式水轮发电机组，其中部分机组运行已超过25 a。该电站每台机组水轮机室顶盖内安装有3台顶盖排水泵，3台顶盖排水泵均为潜水泵；
顶盖内安装有1只连杆浮球液位开关，液位开关自带3个浮球，用于输出低液位、高液位、过高报警液位信号(开关量)；
水轮机室外壁安装1只顶盖排水泵控制箱。

原方案有现地和自动控制两种控制方式，其中现地控制通过控制箱面板的3台泵单独的启停按钮来实现；
自动控制通过控制箱内PLC编程实现[3]。当顶盖内液位达到过高报警液位时，向监控发出报警信号；
高液位时，PLC根据3只水泵的启停频率，优先启动频率低的排水泵；
低液位时，停止顶盖排水泵抽水；
依此类推，3台顶盖排水泵根据电机启停频率的大小循环启停[4]。

根据现场工作人员定期观察，初期该方案在自动控制模式运行下，顶盖排水泵平均约15 min启停1次水泵，并且在运行半年后顶盖排水泵的启停间隔会明显缩短，在13 min左右。3台顶盖排水泵启停间隔有较明显的缩短，并有随着机组运行年份的加长间隔有逐渐缩短的趋势。

2.2 原顶盖排水方案的弊端

(1)弊端1：占用空间大。由于水轮机室顶盖内空间狭小，导致顶盖能够蓄水的容积有限，3台顶盖排水泵均为潜水泵，在水位高时，水泵基本都淹没在顶盖内，3台顶盖排水泵的体积占用空间无形中使得顶盖蓄水容积进一步缩小。

(2)弊端2：故障率高，检修难。由于水车室内机械设备复杂繁多，顶盖上部有导叶接力器、导叶连杆、检修密封气管路、水导轴承油槽油冷却水管路、接力器操作油管路以及各种自动化元件的电缆交错布置其中，使得水轮机室内各种检修都变得困难，安全隐患多。顶盖内3台顶盖排水泵意味着出现机械故障和电气故障概率比单台水泵的概率大很多。另外，原方案中排水泵采用常规交流泵，频繁启停可能导致电机过载和损坏，同时还会导致电机散热不良，使电机的温度上升，对排水泵电机使用寿命和性能稳定性影响很大。

(3)弊端3：投资大，不环保。3台顶盖排水泵控制方案的采购成本和改造成本较大，排水泵在运行过程保持电网额定频率50 Hz运行，初期由于漏水量不大，泵的启停次数不多；
随着机组运行年限加长，机组漏水量变大，顶盖内积水积存速度加快，以及排水泵效率降低，排水泵的启停频率会越来越高，影响泵的使用寿命。到后期存在排水泵排水效率不满足顶盖排水要求的情况，需要重新更换更大功率的排水泵；
而改造更换排水泵及控制系统需要消耗较大的人力、物力和财力。同时，由于电机的启停需要耗费大量的电能，也不利于节能环保。

3.1 改造后的顶盖排水方案

改造后方案主要由1台变频排水泵、1台变频器、1只人机交互设备(触摸屏)、1只PLC(可编程逻辑控制器)、1只液位传感器构成(输出模拟量信号)，在水轮机室外壁配有1只顶盖排水泵控制箱。

排水泵主要依靠变频器控制，利用顶盖内液位传感器实测的水位输出模拟量信号来自动调节变频泵的运行频率，且排水泵的运行频率可根据水位由高到低自动控制。远方控制时，中控室能够通过电气硬接点方式，单点开出进行顶盖排水变频泵启停及频率参数给定，同时通过通讯在上位机显示电机频率、运行速度、运行电流信息。自动控制时，机组开机时由监控发送启泵指令，变频器根据水位自动调节排水泵工作频率运行抽水。停机时，由监控系统开出停止命令，进行停泵。现地控制时，通过现地控制箱上的启动/停止按钮启停排水泵，并可通过控制箱上电位器操作减小/增加电机运行频率。触摸屏有电机频率、运行速度、运行电流显示，控制流程图如图1所示。

图1 顶盖排水泵控制流程图

3.2 改造后的顶盖排水方案具体控制步骤

当控制方式为现地控制时，在动力电源已经接通的情况下，通过控制箱上的启动(SB2)/停止按钮(SB1)，启动顶盖排水泵按照额定频率运行或停止排水泵，现地控制箱上排水泵运行状态灯作相应指示。

当现地需要手动调节顶盖排水泵运行速度时，通过控制箱上的电位计旋钮(RP1)旋转调节排水泵的运行频率，达到手动控制排水速度的效果。

当初始控制方式为自动控制方式时，且动力电源已经接通，PLC收到监控给出启泵指令并发出指令给变频器，使变频器处于远方给定频率状态。

若远方有启泵信号且停泵信号未开启，则PLC发出指令使变频器按照默认频率37.5 Hz频率启动排水泵，远方、现地指示灯发生相应变位。

当远方发出指定频率指令给PLC时，PLC通过模拟量输出口输出相应频率参数给变频器，使变频器按照远方指定频率运行。

当初始控制方式为自动控制方式时，且动力电源已经接通，远方启泵信号及停泵信号未发出指令，则PLC根据接收到的顶盖内液位传感器采集的液位信息进行排水泵控制；
若液位超过预先在PLC内设置的启泵液位，则启动排水泵。

当排水泵启动后，按照预先在PLC内编程的液位与排水泵启动频率关系，根据液位实时调节排水泵排水速度，液位下降则排水泵频率下降。

当顶盖内的液位降低到预先设置的停泵液位时，则PLC发出停泵指令。直到顶盖内液位再次达到PLC内预先设置的启泵液位，重新启泵。

具体控制原理图及PLC接线图如图2、图3所示。

图2 顶盖排水泵控制原理图

图3 顶盖排水泵控制PLC接线图

使用变频排水泵替换多台排水泵的方式进行顶盖内积水抽排目前在该电站运行效果良好，可根据积水速度智能调节顶盖排水泵抽排水效率，根据顶盖内积水液位最初液位高度缓慢或工频启动排水泵，根据液位的下降逐步降低排水泵运行频率，缓慢停止排水泵。该改造不仅克服了原技术方案中存在的缺陷，而且具有广泛适用性，既方便施工和节省初期改造成本，也便于后期维护保养；
同时还满足水电站“无人值班”(少人值守)的运行方式[5]。

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