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(xué)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(fā)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(tái)15MW 常規(guī)水輪發(fā)電機(jī)組和2 臺(tái)11MW 抽水蓄能機(jī)組，1960 年11 月17日首臺(tái)機(jī)組正式投入運(yùn)行，1975 年2 月6 日六臺(tái)機(jī)組全部投產(chǎn)運(yùn)行，為全國第一座國產(chǎn)抽水蓄能電站。

1 水源分析

密云白河水電廠發(fā)電用水取自密云水庫，上游側(cè)廠房后山處設(shè)一口調(diào)壓井，由調(diào)壓井引出2 條鋼管，到廠房前每條鋼管各分3 路，1 號(hào)、2 號(hào)和3 號(hào)機(jī)組對(duì)應(yīng)一個(gè)鋼管，4 號(hào)、5 號(hào)和6 號(hào)機(jī)組對(duì)應(yīng)一個(gè)鋼管。為了對(duì)發(fā)電機(jī)組進(jìn)行防飛逸保護(hù)及引水隧洞發(fā)生事故和機(jī)組檢修時(shí)進(jìn)行擋水處理，從調(diào)壓井引出的兩條鋼管進(jìn)水口處各設(shè)有一道閘門，并且每臺(tái)機(jī)組蝸殼前鋼管處設(shè)有蝴蝶閥，對(duì)機(jī)組的蝸殼前的進(jìn)水進(jìn)行啟閉操作，平時(shí)正常發(fā)電狀態(tài)下機(jī)組的蝴蝶閥一直處于開啟狀態(tài)[1]。

密云白河水電廠機(jī)組投運(yùn)時(shí)間較長，機(jī)組的導(dǎo)水葉漏水量偏大，這些因素給廠房機(jī)組設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來了一定的安全風(fēng)險(xiǎn)及隱患。另外，調(diào)壓井進(jìn)口閘門雖然能夠通過直流電源進(jìn)行急降操作，但對(duì)于出現(xiàn)水淹廠房事故時(shí)，需要運(yùn)行值班人員能夠在很短的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行相關(guān)事故處理，同時(shí)在沒有水淹廠房事故報(bào)警的情況下，這些事故操作對(duì)于運(yùn)行值班人員有著很高的要求，因此，為應(yīng)對(duì)上游側(cè)來水導(dǎo)致水淹廠房事故的突發(fā)情況，本文針對(duì)防止水淹廠房保護(hù)的設(shè)計(jì)顯得尤為重要。

2 設(shè)計(jì)依據(jù)及配置策略

密云白河水電廠在建設(shè)初期，未配置防水淹廠房保護(hù)系統(tǒng)，這為水電廠的安全生產(chǎn)帶來了嚴(yán)重的安全風(fēng)險(xiǎn)和隱患[2]。防水淹廠房系統(tǒng)的功能是在機(jī)組蝸殼取水管路破裂、頂蓋破裂、蝸殼進(jìn)人口、尾水進(jìn)人口大量漏水等情況造成水淹廠房事故時(shí)，自動(dòng)或手動(dòng)啟動(dòng)進(jìn)水閘門緊急落門及全廠機(jī)組事故停機(jī)流程。此次系統(tǒng)改造以浮子、浸水傳感器為水淹廠房信號(hào)感知單元，由于電廠內(nèi)安裝2 種機(jī)型即常規(guī)機(jī)組和蓄能機(jī)組，不同機(jī)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(jī)、常規(guī)機(jī)的最底層-排水泵層，每處安裝2 套水位信號(hào)器裝置，并在公用系統(tǒng)及機(jī)組現(xiàn)地控制單元的PLC 中設(shè)置報(bào)警和事故停機(jī)及關(guān)閉蝶閥邏輯，在中控室公用系統(tǒng)盤柜內(nèi)設(shè)置了緊急停機(jī)按鈕，并在廠房內(nèi)不同層級(jí)區(qū)域搭配安裝了3 套聲光報(bào)警裝置，以滿足水電廠日常安全運(yùn)行要求。

根據(jù)《水力發(fā)電廠自動(dòng)化設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)范》（NB/T 35 004-2013）中“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(duì)觸頭輸出。當(dāng)水位達(dá)到水位信號(hào)器第一上限時(shí)報(bào)警，當(dāng)同時(shí)有2 套水位信號(hào)器的第二上限信號(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)?！盵3]

3 結(jié)構(gòu)配置

3.1 硬件配置情況

在廠房最底層-排水泵層設(shè)置2 套的水位信號(hào)器裝置，常規(guī)機(jī)組和蓄能機(jī)組各一套，常規(guī)機(jī)組安裝在常規(guī)機(jī)排水泵層，蓄能機(jī)組安裝在蓄能機(jī)排水泵層，每套裝置含4 個(gè)浮子傳感器，按照一個(gè)低位（報(bào)警），三個(gè)高位（事故停機(jī)）的位置要求來安裝，并用2 套不同原理的傳感器組合進(jìn)行使用。

在廠房安裝3 臺(tái)帶語音播報(bào)功能的一體化聲光報(bào)警裝置，分別位于常規(guī)機(jī)組水輪機(jī)層、常規(guī)機(jī)組發(fā)電機(jī)層、蓄能機(jī)組水輪機(jī)層，當(dāng)遇水淹廠房事故時(shí)，報(bào)警裝置發(fā)出報(bào)警，可閃爍燈光并發(fā)出定置語音報(bào)警，用于提醒，通過不同方式告知廠內(nèi)生產(chǎn)人員，便于事故逃生[4]。

在中控室公用開關(guān)站LCU 柜內(nèi)安裝機(jī)組一鍵停機(jī)按鈕，方便緊急情況下用于各機(jī)組水淹廠房事故運(yùn)行人員下手動(dòng)停機(jī)，避免事故擴(kuò)大化。

每臺(tái)機(jī)組加裝1 個(gè)“水淹廠房事故停機(jī)”壓板，由運(yùn)行人員進(jìn)行投退操作，當(dāng)壓板退出時(shí)，機(jī)組接收到水淹廠房停機(jī)信號(hào)時(shí)將不再啟動(dòng)事故停機(jī)流程及關(guān)蝶閥流程，但仍可作用于發(fā)出聲光進(jìn)行告警。

3.2 動(dòng)作邏輯設(shè)計(jì)

方案一（如圖1）：2 套共16 個(gè)浮子傳感器信號(hào)發(fā)送至監(jiān)控系統(tǒng)各機(jī)組PLC 中并經(jīng)該單元進(jìn)行邏輯處理即啟動(dòng)告警。

各機(jī)組LCU 經(jīng)過“水淹廠房事故”壓板接收到浮子信號(hào)后，在各自的機(jī)組PLC 中進(jìn)行信號(hào)邏輯分析，每套3 個(gè)高位浮子傳感器報(bào)警信號(hào)進(jìn)行3 選2 處理，即有任意2 個(gè)高位浮子傳感器報(bào)警信號(hào)即認(rèn)為該處有水淹廠房事故已經(jīng)發(fā)生，并將立即啟動(dòng)機(jī)組事故停機(jī)流程、關(guān)閉蝶閥，以防止水淹廠房事故擴(kuò)大，并將事故信號(hào)發(fā)送給公用系統(tǒng)。

當(dāng)公用系統(tǒng)PLC 接到機(jī)組發(fā)來的事故信號(hào)后，發(fā)送給上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)報(bào)警包括事件記錄、光字牌彈出和語音報(bào)警播報(bào)；同時(shí)公用系統(tǒng)PLC開出執(zhí)行關(guān)閉鋼管進(jìn)口快速閘門命令，并同時(shí)啟動(dòng)聲光報(bào)警器，運(yùn)行人員可根據(jù)實(shí)際情況，使用公用系統(tǒng)盤柜內(nèi)機(jī)組一鍵緊急停機(jī)按鈕，手動(dòng)啟動(dòng)機(jī)組事故停機(jī)流程。

方案二（如圖2）：2 套共16 個(gè)浮子傳感器信號(hào)發(fā)送至計(jì)算機(jī)監(jiān)控公用系統(tǒng)PLC 并經(jīng)該單元進(jìn)行邏輯處理即啟動(dòng)告警。

圖2 信息傳輸框圖方案二

公用PLC 接收到浮子信號(hào)后，在公用系統(tǒng)PLC 中進(jìn)行信號(hào)邏輯分析，每套3 個(gè)高位浮子傳感器報(bào)警信號(hào)進(jìn)行3 選2 處理，即有任意2 個(gè)高位浮子傳感器報(bào)警信號(hào)即認(rèn)為該處有水淹廠房事故已經(jīng)發(fā)生，處理后發(fā)送至上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)報(bào)警，上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)報(bào)警包括事件記錄、光字牌彈出和語音報(bào)警播報(bào)。當(dāng)公用系統(tǒng)PLC 判斷水淹廠房事故發(fā)生后，其立即向各機(jī)組發(fā)送事故停機(jī)開入信號(hào)，關(guān)閉鋼管進(jìn)口快速閘門，同時(shí)啟動(dòng)聲光報(bào)警器，運(yùn)行人員可根據(jù)實(shí)際情況，使用機(jī)組一鍵緊急停機(jī)按鈕，手動(dòng)啟動(dòng)各機(jī)組緊急停機(jī)流程。

各機(jī)組收到公用系統(tǒng)PLC 水淹廠房停機(jī)信號(hào)后且在機(jī)組LCU 中“水淹廠房事故”壓板投入情況下，將立即啟動(dòng)機(jī)組事故停機(jī)流程，同時(shí)啟動(dòng)關(guān)閉蝶閥流程，以防止水淹廠房事故擴(kuò)大。

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際勘察，方案二更加便于施工、能夠更加合理地利用現(xiàn)有電纜，節(jié)省了施工成本；從信號(hào)源和信號(hào)傳遞路徑上分析，方案二的自動(dòng)化元器件的工作電源更加統(tǒng)一，排除了因工作電源不同帶來的信號(hào)干擾，信息傳輸集中在公用控制系統(tǒng)中，減少了信號(hào)傳遞過程中的分散及干擾。因此，選擇方案二更為優(yōu)化。

3.3 公用系統(tǒng)PLC 邏輯實(shí)現(xiàn)

公用系統(tǒng)PLC 采用的通用公司GE9030 PLC，工程中使用GE 公司的PME 軟件進(jìn)行梯形編程圖邏輯編程，從而實(shí)現(xiàn)方案二中的邏輯設(shè)計(jì)，蓄能機(jī)側(cè)“3 選2”功能實(shí)現(xiàn)；為了第一時(shí)間提醒運(yùn)行人員水淹廠房事故的發(fā)生，在廠房安裝了3 臺(tái)帶有語音播報(bào)功能的一體化聲光報(bào)警裝置，并由公用系統(tǒng)PLC 自動(dòng)控制；水位信號(hào)器裝置安裝在全廠最低的一層，排水泵層（常規(guī)機(jī)和蓄能機(jī)）。

3.4 機(jī)組PLC 邏輯實(shí)現(xiàn)

機(jī)組LCU 系統(tǒng)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(jìn)行梯形編程圖邏輯編程，在方案二中各機(jī)組收到公用系統(tǒng)PLC 水淹廠房事故停機(jī)信號(hào)后且在“水淹廠房事故”壓板投入情況下，將立即啟動(dòng)事故停機(jī)流程及關(guān)閉蝶閥流程的功能實(shí)現(xiàn)，為防止機(jī)組蝶閥在動(dòng)水中關(guān)閉及各機(jī)組蝶閥同時(shí)關(guān)閉對(duì)于鋼管產(chǎn)生沖擊影響，對(duì)于機(jī)組蝶閥關(guān)閉時(shí)間設(shè)在導(dǎo)葉關(guān)閉之后，并且每臺(tái)機(jī)組關(guān)閉蝶閥時(shí)間依次進(jìn)行延時(shí)關(guān)閉[5]。

4 設(shè)備安裝

4.1 水位信號(hào)器安裝高程確定

經(jīng)過現(xiàn)場多次勘察，蓄能機(jī)排水泵層高程為85m，常規(guī)機(jī)排水泵層高程為90m，兩個(gè)高程上方各安裝8 個(gè)兩種不同原理的水位信號(hào)器，保證蓄能機(jī)排水泵層在水位達(dá)到85.2m 發(fā)出水淹廠房報(bào)警信號(hào)，85.5m 啟動(dòng)事故停機(jī)流程及關(guān)閉蝶閥流程。保證常規(guī)機(jī)排水泵層在水位達(dá)到90.2m 發(fā)出水淹廠房報(bào)警信號(hào)，90.5m 啟動(dòng)事故停機(jī)流程及關(guān)閉蝶閥流程。

4.2 水位信號(hào)器的接線

根據(jù)水淹廠房水位信號(hào)器工作時(shí)環(huán)境的特殊性，要求裝置能夠在浸水過程中穩(wěn)定運(yùn)行及電源可靠，因此，水位信號(hào)器電源選擇直流24V 電源，并且實(shí)行雙路供電，保證設(shè)備電源可靠，同時(shí)要求信號(hào)器設(shè)備密封性完整嚴(yán)密，安裝過程中完全保證做好防水處理工作。

5 結(jié)語

水電廠水淹廠房事故的發(fā)生不僅會(huì)損害廠房內(nèi)設(shè)備，迫使機(jī)組停機(jī)造成重大的經(jīng)濟(jì)損失，也會(huì)威脅廠房內(nèi)部及下游人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全。本次防水淹廠房保護(hù)系統(tǒng)改造配置了水位信號(hào)器裝置、聲光報(bào)警裝置等硬件設(shè)備，優(yōu)化了公用系統(tǒng)PLC 及機(jī)組LCU 中PLC 關(guān)于水淹廠房保護(hù)的邏輯判斷條件，經(jīng)過多次現(xiàn)場試驗(yàn)滿足了設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求，提升了水淹廠房事故發(fā)生時(shí)的應(yīng)急處置能力。使用這種設(shè)計(jì)提高了電廠防水淹廠房事故的報(bào)警信息發(fā)布準(zhǔn)確性和事故應(yīng)急處理及時(shí)性，更加全面地反映水電廠的實(shí)際情況，從而保障了電廠的安全生產(chǎn)，同時(shí)也是避免經(jīng)濟(jì)損失、保證人身財(cái)產(chǎn)安全、提升水電廠經(jīng)濟(jì)效益的重要舉措。