焦國(guó)彬，胡恩勝

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

皂市水庫(kù)位于湖南常德市石門縣境內(nèi)澧水一級(jí)支流渫水上，下距石門縣城19 km，是“98 大洪水”之后國(guó)務(wù)院批準(zhǔn)的長(zhǎng)江流域防洪治理的國(guó)家“十五”重點(diǎn)水利工程。水庫(kù)以防洪為主，兼有發(fā)電、航運(yùn)、供水、灌溉、旅游等綜合利用。電站裝機(jī)120 MW，年發(fā)電量3.3 億kW·h，年利用小時(shí)數(shù)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(jī)組檢修排水是指水輪發(fā)電機(jī)組、引水隧洞、壓力鋼管和進(jìn)水主閥檢修時(shí),排除引水隧洞和壓力鋼管、蝸殼、尾水管內(nèi)的水，以及檢修期間上游進(jìn)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(jìn)行排水[1]。皂市水電站未設(shè)計(jì)檢修排水廊道和集水井，僅配置2 臺(tái)管道泵。電站自2008 年投產(chǎn)后，經(jīng)歷多次檢修，2臺(tái)檢修排水泵在自動(dòng)控制方式下，均發(fā)生水泵頻繁啟停，即停泵后幾秒到十幾秒再次啟動(dòng)，然后馬上又停止，反反復(fù)復(fù)；尾水管內(nèi)水位較低時(shí)，尤為明顯[2]。水泵頻繁啟停，會(huì)降低水泵的正常使用壽命，嚴(yán)重情況下，可能會(huì)造成水泵電機(jī)燒毀。由于自動(dòng)控制不可靠，每次機(jī)組檢修時(shí)，運(yùn)行人員采用手動(dòng)方式啟停水泵，大量的精力投入到水泵和尾水管水位的監(jiān)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(jìn)行了本研究。

2 機(jī)組檢修排水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

皂市水電站未設(shè)計(jì)機(jī)組檢修排水廊道和集水井，僅配置2 臺(tái)管道泵；機(jī)組檢修期間，進(jìn)水口檢修閘門和尾水檢修閘門的漏水匯集到尾水管內(nèi)，再通過盤型閥排至一根橫向布置的集水鋼管內(nèi)，鋼管內(nèi)徑80 cm、容積11.55 m3，由2 臺(tái)離心泵（揚(yáng)程：25.8 m；排水流量：400 m3/h；功率：40 kW）排至下游。其控制系統(tǒng)是GE 公司生產(chǎn)的FANUC 系列PLC，通過安裝在2 號(hào)排水泵進(jìn)水管入口處的兩對(duì)壓力開關(guān)控制離心泵啟停，2 臺(tái)泵互為主備用，輪流啟動(dòng)。原設(shè)計(jì)停泵、啟主泵、啟備泵、超高報(bào)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(jī)組檢修排水結(jié)構(gòu)圖

3 水泵啟停不穩(wěn)定原因分析

3.1 管道壓力波動(dòng)

在啟停定值壓力相差很小的情況下，空氣、水錘效應(yīng)和機(jī)械震動(dòng)造成的水壓波動(dòng)對(duì)壓力開關(guān)有較大影響。

空氣：原設(shè)計(jì)需將集水鋼管內(nèi)水抽完才停止水泵，實(shí)際工況是集水鋼管容積小，排水泵功率大，排水泵在很短時(shí)間就能將水抽干，甚至在未抽完之前就有空氣進(jìn)入到水泵（在進(jìn)水管處用正負(fù)壓力表可監(jiān)測(cè)到負(fù)壓，最大可達(dá)到-0.05 MPa），測(cè)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(nèi)如果漏水偏大，很快就能充滿集水鋼管，壓力上升，水泵啟動(dòng)，如此反復(fù)。

水錘效應(yīng)：壓力開關(guān)原設(shè)計(jì)啟停定值壓力相差很小，水錘效應(yīng)對(duì)其影響非常大；水泵停泵瞬間，水流慣性導(dǎo)致測(cè)壓管壓力迅速上升，超過啟主泵壓力，繼而排水泵啟動(dòng)；排水泵啟動(dòng)后測(cè)壓管壓力迅速減小，排水泵又立刻停止；然后重復(fù)以上過程，直至將集水鋼管完全抽干。

機(jī)械震動(dòng)：壓力開關(guān)安裝在2 號(hào)水泵進(jìn)水口處，水泵運(yùn)行時(shí)，其機(jī)械震動(dòng)對(duì)管道進(jìn)口處的壓力開關(guān)影響很大；據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，當(dāng)2 號(hào)泵運(yùn)行時(shí)，壓力開關(guān)接點(diǎn)抖動(dòng)較為頻繁，1 號(hào)水泵運(yùn)行時(shí)，壓力開關(guān)接點(diǎn)抖動(dòng)稍緩。

3.2 控制系統(tǒng)缺陷

原控制系統(tǒng)采用傳統(tǒng)的簡(jiǎn)易控制方案，程序分為水泵輪換、水泵啟動(dòng)條件、信號(hào)觸發(fā)三個(gè)模塊，未考慮微小水壓條件下的穩(wěn)定性問題。

信號(hào)觸發(fā)模塊工作原理如圖2 所示，水泵管道入口的壓力開關(guān)將信號(hào)送至PLC 的DI 模塊，由這四個(gè)開關(guān)量直接啟動(dòng)三個(gè)邏輯變量和水位超高報(bào)警輸出線圈，再將V_M009 的常開點(diǎn)、V_M010 的常閉點(diǎn)、V_M011 的常開點(diǎn)串入到啟動(dòng)回路中；當(dāng)滿足相應(yīng)條件時(shí)，輸出啟?？刂屏康紻O 模塊，繼而控制排水泵啟停。即：當(dāng)gzbstart 閉合，啟動(dòng)主泵；當(dāng)bybstart 閉合，啟動(dòng)備用泵；當(dāng)stop 閉合，切停水泵，當(dāng)swcg 閉合，發(fā)出水位超高報(bào)警。

圖2 原PLC 程序信號(hào)觸發(fā)模塊（GE FANUC PLC）

由于信號(hào)未經(jīng)處理直接輸出，且啟停條件中無(wú)穩(wěn)定性控制程序，當(dāng)信號(hào)發(fā)生抖動(dòng)時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)機(jī)組檢修排水泵頻繁啟停和尾水管水位超高報(bào)警/復(fù)歸頻繁刷屏的問題。

4 解決方案

皂市水電站已投產(chǎn)運(yùn)行多年，已無(wú)法重新改建排水廊道和集水井，面對(duì)這種特殊形式的排水結(jié)構(gòu)和啟停定值壓力相差微小的實(shí)際工況，直接消除壓力波動(dòng)的難度非常大；因此，從控制系統(tǒng)入手，重新設(shè)計(jì)控制程序才是解決問題的最佳方案。經(jīng)過研究，提出了采用信號(hào)防抖處理和啟動(dòng)條件閉鎖相結(jié)合的方案，增加控制系統(tǒng)穩(wěn)定性，防止排水泵頻繁啟停。

4.1 重新計(jì)算和校核啟停水位

機(jī)組檢修期間，尾水管檢修進(jìn)人門處于開啟狀態(tài)，如果不能控制好尾水管水位，極易造成水淹廠房的嚴(yán)重后果。因此設(shè)計(jì)檢修排水啟動(dòng)水位時(shí)，應(yīng)充分考慮尾水管水位安全裕度來(lái)保證檢修工作安全。

皂市電站機(jī)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(jìn)人門高程為66.48 m。經(jīng)過計(jì)算和試驗(yàn)，設(shè)定機(jī)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(bào)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(jù)計(jì)算，即使2 臺(tái)水泵同時(shí)故障，也能保證不低于20 h 的安全時(shí)間進(jìn)行搶修，安全裕度滿足檢修工作要求。

依據(jù)以上數(shù)據(jù)，對(duì)壓力開關(guān)設(shè)定值重新進(jìn)行整定，停泵、啟主泵、啟備泵、超高報(bào)警設(shè)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(diào)，排水泵工作負(fù)載變大，為防止電機(jī)過載，需進(jìn)行試驗(yàn)和校核。經(jīng)試驗(yàn)，排水泵最大工作電流92 A，未超過銘牌允許值。

4.3 重新設(shè)計(jì)PLC 程序

新PLC 程序信號(hào)觸發(fā)模塊工作原理如圖3 所示，V_M009 的常開點(diǎn)、V_M010 的常閉點(diǎn)、V_M011的常開點(diǎn)在原啟動(dòng)回路中作用保持不變，增加4 個(gè)On Delay Timer 定時(shí)器和1 個(gè)On Delay Stopwatch Timer 定時(shí)器。

圖3 新PLC 程序信號(hào)觸發(fā)模塊（GE FANUC PLC）

圖4 2022 年1 號(hào)機(jī)組A 修期間檢修排水泵運(yùn)行記錄

（1）當(dāng)gzbstart 連續(xù)保持100 ms 閉合，R00004定時(shí)器輸出高電平，由啟動(dòng)回路的V_M009 常開點(diǎn)啟動(dòng)主水泵。

（2）當(dāng)bybstart 連續(xù)保持100 ms 閉合，R00013定時(shí)器輸出高電平，由啟動(dòng)回路的V_M011 常開點(diǎn)啟動(dòng)備用泵。

（3）當(dāng)stop 連續(xù)保持50 ms 閉合，R00007 定時(shí)器輸出高電平，V_M010 保持置位，由啟動(dòng)回路的V_M010 常閉點(diǎn)切停水泵，同時(shí)R00010 定時(shí)器開始計(jì)時(shí)，1 200 ms 后定時(shí)器輸出高電平，V_M010 復(fù)位；在此1 200 ms 時(shí)間內(nèi)，因V_M010 保持置位，啟動(dòng)回路中的V_M010 常閉點(diǎn)會(huì)保持?jǐn)嚅_狀態(tài)，所以啟動(dòng)回路會(huì)被閉鎖，即使gzbstart 連續(xù)保持100 ms 閉合也無(wú)法啟動(dòng)水泵，待管道壓力波動(dòng)自然消除水壓平穩(wěn)后（根據(jù)實(shí)際工況和試驗(yàn)結(jié)果，設(shè)定為1 200 ms），解鎖啟動(dòng)回路；V_M010 復(fù)位后，V_M010 常閉點(diǎn)將R00010 定時(shí)器復(fù)位，等待下次觸發(fā)。

（4）當(dāng)swcg 連續(xù)保持300 ms 閉合，R00016 定時(shí)器輸出高電平，由Q_swcg 輸出尾水管水位超高報(bào)警。

表1 機(jī)組檢修排水控制PLC 變量解釋

4.4 改善測(cè)壓條件

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

4.5 模擬試驗(yàn)

將程序下載至機(jī)組檢修排水系統(tǒng)PLC 內(nèi)進(jìn)行測(cè)試，程序啟動(dòng)運(yùn)行后，通過在控制柜內(nèi)短接端子方式，模擬各種工況進(jìn)行啟停試驗(yàn)。經(jīng)試驗(yàn)，結(jié)果符合PLC 程序設(shè)定。

表2 模擬試驗(yàn)過程

4.6 實(shí)際運(yùn)行驗(yàn)證

經(jīng)過2 個(gè)月的實(shí)際運(yùn)行驗(yàn)證，水泵啟動(dòng)和停止穩(wěn)定，未再出現(xiàn)頻繁啟停和不穩(wěn)定狀況，輪換啟?？煽浚粋溆帽脝⑼？煽浚粷M足實(shí)際工作需要。

5 結(jié)語(yǔ)

本研究在皂市水電站的應(yīng)用，不改變現(xiàn)有排水系統(tǒng)管路和控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)，僅優(yōu)化控制程序就解決了機(jī)組檢修排水泵頻繁啟停和不穩(wěn)定的問題，技術(shù)改造成本幾乎為零；消除了因自動(dòng)控制系統(tǒng)不穩(wěn)定而造成水淹廠房的隱患，為電站產(chǎn)生較好的安全效益；改善了水泵運(yùn)行工況，延長(zhǎng)了水泵壽命和配件更換周期，節(jié)省了一定的運(yùn)行維護(hù)費(fèi)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(tǒng)的信號(hào)防抖處理和控制系統(tǒng)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)方面具有一定參考意義。