軸流轉(zhuǎn)槳式機(jī)組頂蓋排水系統(tǒng)改造淺析

丁 凱

(國電大渡河深溪溝水電有限公司，四川漢源 625300)

1 概述

深溪溝水電站位于四川省漢源縣，為大渡河干流規(guī)劃的第十八級電站，其上一梯級為已建成發(fā)電的瀑布溝水電站，下一級為規(guī)劃中的枕頭壩水電站。深溪溝水電站為河床式布置，主要任務(wù)為發(fā)電。電站裝設(shè)4臺(tái)軸流轉(zhuǎn)槳式水輪發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量660 MW。電站按無人值班(少人值守)原則設(shè)計(jì)。深溪溝水電站首臺(tái)機(jī)(1#機(jī))于2010年6月成功投產(chǎn)。

2 機(jī)組頂蓋排水系統(tǒng)的重要性

機(jī)組頂蓋排水系統(tǒng)具有排除由于水輪機(jī)主軸密封等止水面的漏水所造成的頂蓋積水，擔(dān)負(fù)著保證水導(dǎo)軸承的安全重任。深溪溝水電站水輪機(jī)為ZZ－LH－830型軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)。軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)頂蓋排水有異于混流式水輪機(jī)?；炝魇剿啓C(jī)頂蓋排水主要依靠座環(huán)的固定空心導(dǎo)葉以自流方式排至滲漏集水井，而軸流式機(jī)組頂蓋排水則完全依靠水泵排水，一旦頂蓋排水系統(tǒng)出現(xiàn)故障，就會(huì)直接影響機(jī)組的安全運(yùn)行。

由于水電站主軸密封盒導(dǎo)葉軸套漏水量較大，使水泵啟停頻繁，經(jīng)常因控制回路故障造成水淹頂蓋、淹沒軸承，水導(dǎo)軸承透平油進(jìn)水會(huì)影響油膜并引起軸頸銹蝕進(jìn)而導(dǎo)致機(jī)組被迫停機(jī)或退出熱備用，輕則造成數(shù)小時(shí)停電，重則影響數(shù)日，從而造成電站較大的經(jīng)濟(jì)損失。每次水淹水導(dǎo)軸承均要更換油槽透平油并清洗水導(dǎo)、檢查控制回路等，工作量很大。

3 問題分析

深溪溝水電站頂蓋排水系統(tǒng)配置了三臺(tái)排水泵，采用常規(guī)的液位傳感器等元件控制水泵運(yùn)行。在深溪溝水電站1F機(jī)組運(yùn)行過程中，主要存在以下問題。

3.1 自然條件

深溪溝水電站建在大渡河流域。大渡河因其河水含沙量高又稱“銅河”，高含沙水流對水輪發(fā)電機(jī)組的過流部件有極大的磨蝕作用，同時(shí)也會(huì)嚴(yán)重磨損機(jī)組主軸密封、增大漏水量，使水泵啟停頻繁，從而對頂蓋排水系統(tǒng)的可靠性提出了更高的要求。

3.2 水位測量

頂蓋排水系統(tǒng)采用一路普通液位傳感器作為信號源控制排水泵啟停，而沒有采用雙路配置，其可靠性較差、測量精度較差;同時(shí)，因受頂蓋水位波動(dòng)影響較大，不適合測量動(dòng)態(tài)水位;頂蓋內(nèi)特別潮濕，元器件工作環(huán)境惡劣;存在因采樣值誤差大而造成控制的可靠性差，易造成水淹頂蓋的隱患。

3.3 人機(jī)界面

頂蓋排水控制系統(tǒng)無任何人機(jī)交互界面，不能向運(yùn)行維護(hù)人員提供有效的運(yùn)行信息，對排水系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)視不直觀，不便于參數(shù)設(shè)置、現(xiàn)場操作等維護(hù)工作。

3.4 PLC 配置

頂蓋排水控制系統(tǒng)PLC采用施耐德Twido系列，為施耐德較低端的產(chǎn)品，可擴(kuò)展性和維護(hù)性較差。同時(shí)，由于該系統(tǒng)沒有實(shí)現(xiàn)與計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)機(jī)通訊，導(dǎo)致計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)無法監(jiān)視頂蓋水位，不利于電站運(yùn)行維護(hù)人員對水位的實(shí)時(shí)監(jiān)測和事故的及時(shí)發(fā)現(xiàn)與處理。

3.5 動(dòng)力電源

三臺(tái)排水泵電源分別取自廠用400 V自用電，可靠性較差。一旦該段電源消失或故障，將直接中斷排水泵工作，造成水淹頂蓋機(jī)組停機(jī)等后果。

4 解決方案

基于以上問題，并考慮到頂蓋排水系統(tǒng)的重要性，為減少運(yùn)行維護(hù)工作量，避免因頂蓋淹水造成機(jī)組被迫停機(jī)帶來的損失，同時(shí)，由于頂蓋水位處在無人值守的部位，因此，要求監(jiān)控設(shè)備十分可靠、萬無一失，從而更有利于深溪溝水電站無人值班(少人值守)。經(jīng)過認(rèn)真分析調(diào)研，對該系統(tǒng)進(jìn)行了以下改造。

4.1 增設(shè)人機(jī)交互界面

控制系統(tǒng)PLC系統(tǒng)采用施耐德XBTGT5330型10.4”彩色液晶TFT觸摸顯示屏作為人機(jī)接口，觸摸屏與PLC通信，畫面顯示系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)信息，具有數(shù)據(jù)的輸入與顯示、報(bào)警處理及打印功能，控制功能滿足運(yùn)行人員正常操作的需要。

4.2 水位信號的處理

取消原來的水位傳感器，改用兩個(gè)超聲波水位測量儀和一組浮子開關(guān)。

超聲波水位測量儀是一種先進(jìn)的、非接觸式物位測量儀器，可用于測量各種容器或管道內(nèi)液體的液位高低和流量大小，尤其適用于污水、有腐蝕性的場合，很適合機(jī)組頂蓋這種環(huán)境較為惡劣的場合使用。此外，超聲波液位計(jì)測量精度高，安裝維護(hù)簡便。超聲波液位計(jì)的探頭安裝在受測液體的上方，探頭受電激勵(lì)后，通過空氣向其下的液體發(fā)射超聲波，超聲波將被液體反射，回波被探頭接收和監(jiān)測并被轉(zhuǎn)換為電信號。超聲波在發(fā)射和接收之間所需的時(shí)間與探頭和液體表面之間的距離成比例。

浮子開關(guān)是液位測量控制最常用的傳統(tǒng)、可靠的元件。若只采用這種接觸式水位計(jì)，必須將傳感器探頭插入水中，但探頭及電纜很快就會(huì)被腐蝕壞，從而影響正常的測量。而將這兩種元件同時(shí)參與控制邏輯，可全面提高測量元件的冗余能力。兩路超聲波測量水位信號同時(shí)上送電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)和頂蓋排水控制PLC。兩路超聲波測量水位信號和水位浮球開關(guān)信號同時(shí)參與PLC控制，兩種測量信號互檢和熱備用。當(dāng)兩路信號不一致或傳感器故障時(shí)，均能報(bào)出相應(yīng)告警信號。

在水位控制中，當(dāng)頂蓋積水水位上升到一定高度時(shí)，排水泵自動(dòng)啟動(dòng)，從而保證頂蓋積水水位在規(guī)定范圍內(nèi);頂蓋水位在規(guī)定的最低水位時(shí)能自動(dòng)停止水泵運(yùn)轉(zhuǎn);頂蓋水位到達(dá)故障水位和警戒水位時(shí)，能自動(dòng)發(fā)出故障信號;水泵故障能自動(dòng)發(fā)出報(bào)警信號。

4.3 PLC 配置

機(jī)組頂蓋排水及漏油泵控制系統(tǒng)PLC選用施耐德Quantum系列PLC，配存儲(chǔ)卡，PLC軟件貯存在閃存(Flash memory)里。采用單MB+通訊網(wǎng)絡(luò)與計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)機(jī)組LCU進(jìn)行通信，并配置一個(gè)串行通信接口或USB編程口與現(xiàn)場調(diào)試設(shè)備進(jìn)行通信。整套PLC配置了獨(dú)立的離散量、模擬量輸入輸出模塊，使每種模塊完成各自的采集或控制輸出功能，避免混合模塊。PLC機(jī)架采用冗余電源模塊供電，頂蓋排水泵的輸入、輸出信號接入不同的I/O模板，防止單一模塊損壞后影響到整個(gè)控制系統(tǒng)的正常工作。

4.4 應(yīng)急處理

頂蓋排水增加了一臺(tái)應(yīng)急潛水泵，在檢修或緊急情況下可現(xiàn)場手動(dòng)啟動(dòng)抽水至滲漏集水井。該潛水泵能夠?qū)崿F(xiàn)手、自動(dòng)控制。

4.5 動(dòng)力電源處理

增加排水泵雙電源切換裝置。動(dòng)力電源采用AC380V雙電源供電，電源分別取自機(jī)組自用電Ⅰ段和Ⅱ段，柜內(nèi)配置動(dòng)力電源雙電源切換開關(guān)，切換裝置兩路進(jìn)線電源分別設(shè)置空開，從而大大提高了電源的可靠性。

4.6 控制電源處理

機(jī)組頂蓋排水控制系統(tǒng)屏內(nèi)開關(guān)電源輸入采用交、直流雙電源供電，為PLC、自動(dòng)化元件和傳感器等提供DC24V工作電源，每路輸入/輸出均設(shè)有空開保護(hù)。

4.7 控制方式

頂蓋排水泵分別在控制柜上設(shè)置現(xiàn)地手動(dòng)、自動(dòng)控制方式選擇切換開關(guān)，各切換開關(guān)均設(shè)“手動(dòng)”、“自動(dòng)”、“切除”三檔。將控制方式選擇切換開關(guān)置于“自動(dòng)”控制方式時(shí)，PLC根據(jù)超聲波液位變送器和液位開關(guān)的信號自動(dòng)啟/停水泵，當(dāng)PLC故障或死機(jī)時(shí)可通過超聲波液位變送器的輸出接點(diǎn)直接啟/停水泵;必要時(shí)，運(yùn)行人員也可通過計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)在計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)上遠(yuǎn)方直接啟/停水泵。當(dāng)切換開關(guān)設(shè)置于“切除”位置時(shí)，相應(yīng)水泵退出運(yùn)行。當(dāng)切換開關(guān)置于“手動(dòng)”位置時(shí)，直接啟動(dòng)水泵，并閉鎖自動(dòng)控制命令的輸出。應(yīng)急潛水泵平時(shí)不參與輪換，當(dāng)水位達(dá)到高報(bào)警1值時(shí)自動(dòng)投入應(yīng)急潛水泵。

4.8 報(bào)警功能和運(yùn)行信息處理

PLC能自動(dòng)統(tǒng)計(jì)每臺(tái)水泵的當(dāng)前及累計(jì)運(yùn)行時(shí)間和啟動(dòng)次數(shù)，無論切換開關(guān)置于任何位置，PLC均能輸出泵的運(yùn)行狀態(tài)信號、主要故障信號，以點(diǎn)亮柜上的指示燈，所有故障信號能自保持，在故障消失后不可自動(dòng)復(fù)歸，需由運(yùn)行人員現(xiàn)場復(fù)歸或通過監(jiān)控系統(tǒng)遠(yuǎn)方復(fù)歸，以便于維護(hù)人員查找和處理故障。

切換開關(guān)位置狀態(tài)信號、電機(jī)故障信號、電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)信號、頂蓋水位過異常信號、頂蓋水位上上限報(bào)警信號、電源故障信號、PLC故障信號等開關(guān)量信號通過硬接點(diǎn)上送計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，同時(shí)將頂蓋水位4～20 mA的模擬信號上送計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。除上述常規(guī)信號外，PLC還通過MB+通訊網(wǎng)絡(luò)與計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行通信，上送設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信號(包括每臺(tái)泵的運(yùn)行和停止?fàn)顟B(tài)、泵處在工作和備用狀態(tài)等)，所有故障和報(bào)警信號(包括電機(jī)故障、電機(jī)控制保護(hù)器故障、PLC故障、I/O模板故障、電源故障、傳感器故障等)，各模擬量實(shí)測值以及泵的當(dāng)前及累計(jì)運(yùn)行時(shí)間和動(dòng)作次數(shù)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果等，從而更有助于運(yùn)行維護(hù)人員對該系統(tǒng)進(jìn)行全面的監(jiān)視和故障判別處理。

5 結(jié)語

經(jīng)過對深溪溝水電站1#機(jī)組頂蓋排水系統(tǒng)進(jìn)行改造，大大提升了該系統(tǒng)的可靠性。運(yùn)行實(shí)踐證明，PLC輸入輸出隔離中間邏輯回路采用程序?qū)崿F(xiàn)而非繼電器實(shí)現(xiàn)，避免了輸入輸出回路相互干擾或回路中某一中間節(jié)點(diǎn)接觸不好所造成的回路運(yùn)行不正常，達(dá)到了回路更加可靠的目的?；芈犯侠?、更可靠、自控能力更強(qiáng)，故障報(bào)警系統(tǒng)得到完善，大大減少了運(yùn)行人員的工作量，并可通過計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)視控制，實(shí)現(xiàn)“少人值班、無人值守”。