呂惠青，張?zhí)?，蔡智?/p>

(中國電建集團(tuán)華東勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，杭州，310014)

1 概述

楊房溝水電站位于四川省涼山彝族自治州木里縣境內(nèi)的雅礱江中游河段麥地龍鄉(xiāng)上游約6km處，是雅礱江中游河段一庫七級(jí)開發(fā)的第六級(jí)，上距孟底溝水電站37km，下距卡拉水電站33km。電站裝機(jī)容量1500MW，地下廠房內(nèi)裝設(shè)4臺(tái)375MW立軸混流式水輪發(fā)電機(jī)組，中控室布置在地下副廠房內(nèi)。

電站引水發(fā)電系統(tǒng)布置在樞紐左岸，機(jī)組引水系統(tǒng)采用一管一機(jī)布置，共設(shè)有4條引水隧洞。每條引水隧洞進(jìn)口設(shè)有1道快速閘門，作為機(jī)組的防飛逸設(shè)施、隧洞發(fā)生事故時(shí)的保護(hù)和機(jī)組檢修時(shí)的擋水設(shè)施。當(dāng)機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)發(fā)生故障無法關(guān)機(jī)時(shí)，可通過遠(yuǎn)方或現(xiàn)地控制方式在2min內(nèi)動(dòng)水快速關(guān)閉孔口；或當(dāng)隧洞發(fā)生事故時(shí)，動(dòng)水關(guān)閉快速閘門?？焖匍l門啟閉設(shè)備采用液壓啟閉機(jī)，通過一門一機(jī)一站一控進(jìn)行操作，每扇快速閘門設(shè)置有獨(dú)立的液壓啟閉機(jī)和現(xiàn)地控制柜。

電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)在每臺(tái)機(jī)組的機(jī)旁設(shè)置了一個(gè)現(xiàn)地控制單元(LCU)，并在進(jìn)水口閘門啟閉機(jī)室設(shè)置有各機(jī)組LCU的進(jìn)水口遠(yuǎn)程I/O，機(jī)組LCU距離進(jìn)水口遠(yuǎn)程I/O約1.5km，各機(jī)組LCU與各自的進(jìn)水口遠(yuǎn)程I/O通過單模光纖相連。每臺(tái)機(jī)組的機(jī)旁還設(shè)置有一套用于水力機(jī)械事故保護(hù)的獨(dú)立于機(jī)組LCU的水機(jī)保護(hù)屏，其輸入信號(hào)與機(jī)組LCU相獨(dú)立，采用可編程控制器(PLC)來實(shí)現(xiàn)其控制保護(hù)功能。在電站發(fā)生重要的水機(jī)事故或機(jī)組LCU冗余系統(tǒng)全部故障或工作電源全部失去時(shí)，水機(jī)保護(hù)屏能執(zhí)行完整的停機(jī)過程控制。

2 防水淹廠房控制保護(hù)回路的相關(guān)要求

2.1 《水力發(fā)電廠自動(dòng)化設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)范》(NB/T 35004-2013)要求

(1)在中控室和機(jī)旁應(yīng)設(shè)置獨(dú)立于監(jiān)控系統(tǒng)的事故閘門緊急關(guān)閉按鈕及回路，并以硬接線(包括獨(dú)立光纜)的形式接至閘門的控制回路；

(2)廠房最底層(含操作廊道)設(shè)置不少于3套水位信號(hào)器，每套水位信號(hào)器至少包括2對觸頭輸出。當(dāng)水位達(dá)到第一上限時(shí)報(bào)警，當(dāng)同時(shí)有2套水位信號(hào)器第二上限信號(hào)動(dòng)作時(shí)，作用于緊急事故停機(jī)并發(fā)水淹廠房報(bào)警信號(hào)，啟動(dòng)廠房事故廣播系統(tǒng)。

2.2 《國家能源局綜合司關(guān)于加強(qiáng)水電站水淹廠房防范工作的通知》(國能綜函安全〔2017〕66號(hào))要求

(1)檢查獨(dú)立硬布線緊急操作系統(tǒng)水淹廠房報(bào)警信號(hào)作用于機(jī)組停機(jī)和關(guān)閉事故閘門的保護(hù)動(dòng)作邏輯和回路可靠性；

(2)檢查中控室內(nèi)設(shè)置的緊急操作按鈕箱在緊急情況下可以通過獨(dú)立于監(jiān)控系統(tǒng)的硬布線回路直接作用于機(jī)組停機(jī)、關(guān)閉事故閘門，檢查并核實(shí)操作電源應(yīng)獨(dú)立可靠，并進(jìn)行模擬試驗(yàn)；

(3)檢查發(fā)電機(jī)層逃生通道手動(dòng)啟動(dòng)水淹廠房按鈕，在緊急情況下可以通過獨(dú)立于監(jiān)控系統(tǒng)的硬布線回路直接作用于機(jī)組停機(jī)、關(guān)閉事故閘門，核實(shí)操作電源應(yīng)獨(dú)立可靠，并進(jìn)行模擬試驗(yàn)；

(4)檢查廠房內(nèi)獨(dú)立的水淹廠房聲光、警鈴等報(bào)警系統(tǒng)功能；

(5)檢查調(diào)速器控制回路電源可靠性，核實(shí)調(diào)速器“得電關(guān)閉”和“失電關(guān)閉”雙回路冗余控制功能；

(6)檢查進(jìn)水口事故閘門的控制電源可靠性，緊急關(guān)門命令不經(jīng)過PLC直接動(dòng)作于關(guān)閉閘門；

(7)檢查電站監(jiān)控系統(tǒng)、勵(lì)磁系統(tǒng)、調(diào)速系統(tǒng)、保護(hù)系統(tǒng)和故障錄波裝置等設(shè)備的時(shí)鐘對時(shí)功能。

3 設(shè)計(jì)方案

3.1 遠(yuǎn)方緊急關(guān)閉進(jìn)水口快速閘門回路設(shè)計(jì)

楊房溝水電站在中控室設(shè)置一面緊急停機(jī)落門屏，緊急停機(jī)落門屏設(shè)有1-4號(hào)機(jī)組各自的“緊急停機(jī)落閘門按鈕”。電站在機(jī)旁的每臺(tái)水機(jī)保護(hù)屏上設(shè)置“緊急停機(jī)落閘門按鈕”。每個(gè)按鈕帶四個(gè)常開獨(dú)立接點(diǎn)。

楊房溝水電站中控室距離進(jìn)水口快速閘門約1.5km，為徹底消除地電位反擊、雷擊、長電纜電容放電等可能的影響，人工緊急操作的信號(hào)傳輸采用光纜，該光纜與監(jiān)控系統(tǒng)局域網(wǎng)光纜分開，構(gòu)成信號(hào)傳輸通道的冗余，進(jìn)一步提高了可靠性。

中控室緊急停機(jī)落門屏按機(jī)組設(shè)有4套遠(yuǎn)控信號(hào)光纖傳輸裝置，每臺(tái)機(jī)組的水機(jī)保護(hù)屏上各設(shè)置1套遠(yuǎn)控信號(hào)光纖傳輸裝置，與設(shè)置在每臺(tái)機(jī)組LCU的進(jìn)水口遠(yuǎn)程I/O柜上的2套遠(yuǎn)控信號(hào)光纖傳輸裝置組成每臺(tái)機(jī)各2對光纖傳輸裝置，通過2根獨(dú)立單模光纜，用于傳輸各機(jī)組的緊急停機(jī)落閘門按鈕直接關(guān)閉進(jìn)水口快速閘門的信號(hào)。每套遠(yuǎn)控信號(hào)光纖傳輸裝置有2個(gè)開關(guān)量輸入回路和2個(gè)開關(guān)量輸出回路。

在電站中控室與進(jìn)水口快速閘門的距離較遠(yuǎn)時(shí)(超過600m)，采用遠(yuǎn)控信號(hào)光纖傳輸裝置通過光纜傳輸關(guān)閉進(jìn)水口快速閘門信號(hào)的方式在國內(nèi)錦屏二級(jí)、苗尾等大型電站里已成功應(yīng)用，安全可靠，可以保障遠(yuǎn)方緊急關(guān)閉進(jìn)水口快速閘門的可靠。

3.2 防水淹廠房PLC設(shè)計(jì)

為進(jìn)一步完善防水淹廠房的獨(dú)立硬接線回路，在地下廠房發(fā)電層1號(hào)機(jī)旁設(shè)置有1面防水淹廠房PLC柜，配置1塊CPU模塊、1塊電源模塊、2塊16點(diǎn)開關(guān)量輸入模塊和3塊8點(diǎn)開關(guān)量輸出模塊等。防水淹廠房PLC柜采用交流和直流雙回路供電，PLC不接入計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，不與其他任何系統(tǒng)通信。

3.3 水淹廠房水位信號(hào)器設(shè)計(jì)

楊房溝水電站按規(guī)范要求在地下廠房最底層的操作廊道層設(shè)置有3套浮球液位開關(guān)，分別布置在操作廊道層的1號(hào)機(jī)組靠近副廠房側(cè)、2號(hào)機(jī)組與3號(hào)機(jī)組之間、3號(hào)機(jī)組和4號(hào)機(jī)組之間。每套浮球液位開關(guān)包括2對獨(dú)立觸頭輸出，1對觸點(diǎn)定義為水位過高信號(hào)(整定值為離操作廊道層地面400mm)；1對觸點(diǎn)定義為水位高信號(hào)(整定值為離操作廊道層地面200mm)。

3.4 水淹廠房按鈕和獨(dú)立的聲光、警鈴報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊房溝電站地下廠房發(fā)電機(jī)層的疏散通道：

(1)進(jìn)廠交通洞：交通洞進(jìn)口高程2003.00m，位于廠房右側(cè)，自洞口至地下廠房安裝場(1992.00m高程)總長1183.00m，洞寬10.50m，高9.00m，為地下廠房機(jī)電設(shè)備運(yùn)輸?shù)闹饕ǖ?，此路線作為地下廠房工作人員平時(shí)工作的主要交通通道和疏散出口。

(2)通風(fēng)兼安全洞：通風(fēng)兼安全洞位于安裝場端副廠房廠右側(cè)，與安裝場端副廠房2015.00m高程相連，向東與主變排風(fēng)洞、尾調(diào)通風(fēng)洞相連，向南與左岸低線繞壩交通洞相通，可經(jīng)左岸低線繞壩交通洞疏散至室外地面，為地下廠房另一個(gè)安全疏散出口。

(3)廠房進(jìn)風(fēng)洞兼交通洞：廠房進(jìn)風(fēng)洞兼交通洞與副廠房2012.80m高程相通，向東經(jīng)排水洞向南和進(jìn)廠交通洞連接，主副廠房可由廠房進(jìn)風(fēng)洞兼交通洞經(jīng)進(jìn)廠交通洞疏散至室外地面。

根據(jù)楊房溝水電站地下廠房的疏散通道設(shè)計(jì)，在電站的發(fā)電機(jī)層1號(hào)機(jī)組段和靠近安裝場的4號(hào)機(jī)組段各設(shè)置1套防水淹廠房按鈕盒，每個(gè)按鈕盒均設(shè)置4個(gè)帶安全防護(hù)罩的按鈕，分別為1-4號(hào)機(jī)防水淹廠房按鈕，每個(gè)按鈕帶3副觸點(diǎn)。

在電站的發(fā)電機(jī)層4號(hào)機(jī)組段和中控室各設(shè)置1套水淹廠房專用的聲光報(bào)警器和警鈴報(bào)警裝置。聲光報(bào)警器和警鈴報(bào)警裝置由防水淹廠房PLC柜啟動(dòng)和供電。

3.5 調(diào)速器“得電關(guān)閉”和“失電關(guān)閉”回路設(shè)計(jì)

電站調(diào)速器采用雙微機(jī)調(diào)節(jié)器，設(shè)置2套獨(dú)立電源分別給A、B套調(diào)節(jié)器供電，每套獨(dú)立電源采用交/直流兩回電源輸入。調(diào)速器設(shè)置有“得電動(dòng)作”的緊急停機(jī)閥和2個(gè)“失電動(dòng)作”的掉電停機(jī)閥。緊急情況下，可通過使緊急停機(jī)閥“得電動(dòng)作”，控制主配壓閥關(guān)閉導(dǎo)葉，實(shí)現(xiàn)緊急停機(jī)；2個(gè)掉電停機(jī)閥同時(shí)失電時(shí)，調(diào)速器也可控制主配壓閥關(guān)閉導(dǎo)葉，實(shí)現(xiàn)調(diào)速器掉電停機(jī)功能。調(diào)速器的停機(jī)回路做到了“得電關(guān)閉”和“失電關(guān)閉”雙回路冗余控制功能。

3.6 進(jìn)水口快速閘門緊急關(guān)閉回路設(shè)計(jì)

電站進(jìn)水口快速閘門控制回路采用2路交流電源切換后的交流電源，再另外由電站提供一路直流電源供電，電源可靠。中控室緊急停機(jī)屏和機(jī)組水機(jī)保護(hù)屏緊急關(guān)門命令采用不經(jīng)過快速閘門控制系統(tǒng)的PLC直接動(dòng)作于快速閉門控制電磁閥的設(shè)計(jì)。

3.7 監(jiān)控系統(tǒng)、勵(lì)磁系統(tǒng)、調(diào)速系統(tǒng)、保護(hù)系統(tǒng)和故障錄波裝置等設(shè)備的時(shí)鐘對時(shí)功能

電站設(shè)置1套時(shí)鐘同步系統(tǒng)，配置2臺(tái)冗余主時(shí)鐘，2臺(tái)主時(shí)鐘同時(shí)接收北斗和GPS對時(shí)信號(hào)，通過子時(shí)鐘給全站設(shè)備對時(shí)。時(shí)鐘同步裝置可提供NTP網(wǎng)絡(luò)接口(RJ45)、時(shí)分秒脈沖(空接點(diǎn))、時(shí)間報(bào)文(RS232/RS422/RS485)、IRIG-B方式及DCF77對時(shí)信號(hào)輸出。

根據(jù)各系統(tǒng)設(shè)備的對時(shí)要求，電站的監(jiān)控系統(tǒng)采用NTP網(wǎng)絡(luò)對時(shí)方式；勵(lì)磁系統(tǒng)、保護(hù)系統(tǒng)和故障錄波裝置采用IRIG-B方式對時(shí)；調(diào)速系統(tǒng)采用NTP網(wǎng)絡(luò)對時(shí)。

3.8 防水淹廠房控制保護(hù)回路

根據(jù)防水淹廠房控制要求，每個(gè)防水淹廠房按鈕的3副觸點(diǎn)用途為：1副觸點(diǎn)接至中控室緊急停機(jī)屏對應(yīng)機(jī)組的遠(yuǎn)控信號(hào)光纖傳輸裝置輸入回路，用于直接啟動(dòng)遠(yuǎn)方緊急關(guān)閉進(jìn)水口快速閘門；1副觸點(diǎn)接至防水淹廠房PLC柜開入，啟動(dòng)聲光、警鈴報(bào)警及機(jī)組LCU和水機(jī)保護(hù)屏的緊急停機(jī)流程；1副觸點(diǎn)接至地下副廠房公用5LCU，用于監(jiān)控系統(tǒng)記錄啟動(dòng)水淹廠房的按鈕動(dòng)作信號(hào)的信號(hào)源。

3.8.1 防水淹廠房PLC動(dòng)作邏輯

(1)操作廊道層的3套浮球液位開關(guān)的水位高和水位過高信號(hào)，當(dāng)有任意2套浮球液位開關(guān)的水位過高信號(hào)報(bào)警時(shí)，啟動(dòng)全部機(jī)組的緊急事故停機(jī)流程，同時(shí)啟動(dòng)2套水淹廠房專用的聲光報(bào)警器和警鈴報(bào)警裝置進(jìn)行水淹廠房報(bào)警；

(2)發(fā)電機(jī)層1號(hào)機(jī)組段和4號(hào)機(jī)組段的各機(jī)組水淹廠房按鈕動(dòng)作時(shí)，啟動(dòng)對應(yīng)機(jī)組的緊急事故停機(jī)流程，同時(shí)啟動(dòng)2套水淹廠房專用的聲光報(bào)警器和警鈴報(bào)警裝置進(jìn)行水淹廠房報(bào)警。

3.8.2 防水淹廠房PLC發(fā)水淹廠房信號(hào)的輸出觸點(diǎn)回路設(shè)計(jì)

(1)DO開出4個(gè)觸點(diǎn)，分別接至1-4號(hào)機(jī)組LCU的開關(guān)量輸入模塊，啟動(dòng)機(jī)組LCU的緊急事故停機(jī)流程；

(2)DO開出4個(gè)觸點(diǎn)，分別接至1-4號(hào)機(jī)組水機(jī)保護(hù)屏的開關(guān)量輸入模塊，啟動(dòng)水機(jī)保護(hù)屏的緊急事故停機(jī)流程；

(3)DO開出4個(gè)觸點(diǎn)，分別接至1-4號(hào)機(jī)組水機(jī)保護(hù)屏的遠(yuǎn)控信號(hào)光纖傳輸裝置開關(guān)量輸入回路，通過光纖硬布線回路，直接關(guān)閉進(jìn)水口快速閘門；

(4)DO開出2個(gè)觸點(diǎn)，分別接至發(fā)電機(jī)層和中控室設(shè)置的2套水淹廠房專用的聲光報(bào)警器和警鈴報(bào)警裝置，啟動(dòng)聲光和警鈴報(bào)警。

4 結(jié)語

近些年，受地震、泥石流和極端暴雨等自然災(zāi)害影響，水電站水淹廠房事件時(shí)有發(fā)生，電站運(yùn)行安全受到較大影響，經(jīng)濟(jì)損失嚴(yán)重。防水淹廠房控制保護(hù)回路的設(shè)計(jì)是否可靠對于加強(qiáng)水淹廠房事故的防范，減少水淹廠房帶來的損失起著至關(guān)重要的作用。

楊房溝水電站的水淹廠房控制保護(hù)回路，通過設(shè)置防水淹廠房PLC柜、設(shè)置遠(yuǎn)方通過光纖硬布線直接動(dòng)作緊急關(guān)閉進(jìn)水口快速閘門和電纜硬接線啟動(dòng)水機(jī)保護(hù)屏的緊急停機(jī)流程作用于機(jī)組停機(jī)等設(shè)計(jì)，在水淹廠房報(bào)警信號(hào)出現(xiàn)時(shí)，可獨(dú)立硬布線緊急操作機(jī)組停機(jī)和關(guān)閉進(jìn)水口快速閘門。該保護(hù)控制回路很好地滿足了相關(guān)規(guī)范和能源局對加強(qiáng)水電站水淹廠房防范工作的要求，在緊急情況下，可有效避免電站事故擴(kuò)大和財(cái)產(chǎn)損失。

楊房溝水電站設(shè)計(jì)的防水淹廠房控制保護(hù)回路設(shè)計(jì)，可為后續(xù)其他類似水電站的相關(guān)設(shè)計(jì)提供借鑒。