水電站地下廠房通風(fēng)系統(tǒng)智能化改造方案研究

陳日偉，李超順，侯福年，李永剛，陳學(xué)志

（1.烏江渡發(fā)電廠，貴州遵義563100；2.華中科技大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，武漢430074）

水電能源在我國(guó)電力能源系統(tǒng)中占有重要地位，目前我國(guó)已修建水電站5 萬(wàn)座以上，其中大中型水電站已有230 多座［1］。水電站廠房作為電站重要的水工建筑物，用于安裝容納水輪機(jī)、水輪發(fā)電機(jī)以及各種輔助設(shè)備。部分水電站因地理?xiàng)l件限制和工程建設(shè)的需要而建造成地下式廠房，其埋深一般在100 m以上，環(huán)境較為潮濕。此外，廠房?jī)?nèi)部安裝有大量水輪機(jī)主輔設(shè)備，設(shè)備運(yùn)行散熱容易導(dǎo)致廠房悶熱、潮濕，機(jī)械設(shè)備銹蝕、電器設(shè)備絕緣降低、漏電、擊穿等問(wèn)題，嚴(yán)重影響設(shè)備的安全運(yùn)行及工作人員的人身安全［2］。因此，開展水電站地下廠房通風(fēng)研究，設(shè)計(jì)一套良好的地下廠房智能化通風(fēng)系統(tǒng)，對(duì)廠房?jī)?nèi)的濕熱負(fù)荷等不良因素進(jìn)行調(diào)控，對(duì)廠房?jī)?nèi)機(jī)電設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行具有十分重要的作用。

在我國(guó)，對(duì)于水電站地下廠房通風(fēng)系統(tǒng)的研究仍處于初級(jí)階段，傳統(tǒng)自然通風(fēng)、機(jī)械通風(fēng)、空調(diào)通風(fēng)或其復(fù)合形式被國(guó)內(nèi)大多數(shù)水電站采用［3，4］，地下廠房?jī)?nèi)通風(fēng)不足或通風(fēng)過(guò)剩兩種極端情況時(shí)有發(fā)生。自20世紀(jì)70年代以來(lái)，國(guó)內(nèi)外一批專家學(xué)者對(duì)水電站地下廠房通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行了廣泛的研究，通過(guò)大量的理論研究，結(jié)合新的技術(shù)手段，進(jìn)行了大量的模型試驗(yàn)，為之后的進(jìn)一步研究積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)和科研數(shù)據(jù)［5-8］。劉希臣［9，10］對(duì)水電站地下廠房?jī)?nèi)的熱濕環(huán)境的形成進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，創(chuàng)新性提出了水電站地下廠房?jī)?nèi)濕熱負(fù)荷的調(diào)控策略，為之后的研究提供了科學(xué)支撐。郭俊勛［11］將水電站地下廠房?jī)?nèi)部溫度和濕度作為主要的研究對(duì)象，通過(guò)CFD 數(shù)值模擬，對(duì)廠房?jī)?nèi)溫度場(chǎng)和濕度場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬和仿真分析，并在一定程度上改善了地下廠房?jī)?nèi)的通風(fēng)效果，同時(shí)也為解決水電站地下廠房通風(fēng)問(wèn)題提出了新途徑。這些針對(duì)水電站地下廠房通風(fēng)系統(tǒng)的探索和研究，取得了一定的進(jìn)展，但研究對(duì)象仍是以傳統(tǒng)方式為主，缺乏理論研究和技術(shù)層面的突破，難以應(yīng)對(duì)廠房?jī)?nèi)復(fù)雜多變的場(chǎng)景及應(yīng)用模式，無(wú)法實(shí)現(xiàn)地下廠房通風(fēng)系統(tǒng)的最優(yōu)運(yùn)行。因此，本文依據(jù)工程實(shí)際需求，結(jié)合離線測(cè)試和三維流場(chǎng)仿真模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果，構(gòu)建能夠適應(yīng)不同運(yùn)行場(chǎng)景的廠房智能通風(fēng)與決策系統(tǒng)，對(duì)廠房的風(fēng)機(jī)進(jìn)行智能控制，最終實(shí)現(xiàn)廠房空氣質(zhì)量和節(jié)能綜合相對(duì)最優(yōu)控制。此外，還設(shè)計(jì)了具備地下廠房智能通風(fēng)系統(tǒng)各風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)顯示和遠(yuǎn)程控制等功能的水電站地下廠房溫度、濕度及空氣質(zhì)量在線監(jiān)控系統(tǒng)。

深入開展水電站地下廠房智能化通風(fēng)在線監(jiān)測(cè)和控制的研究與工程應(yīng)用示范，有利于提高水電站地下廠房通風(fēng)設(shè)計(jì)水平；有利于實(shí)現(xiàn)水電站“遠(yuǎn)程集控、少人維護(hù)”的生產(chǎn)管理模式，提升水電站智能化運(yùn)行水平；有利于提高水電站設(shè)備維護(hù)水平和人員工作安全系數(shù)和舒適度，減小廠房?jī)?nèi)設(shè)備故障率，從而產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

1 基本情況介紹

某水電站建于20世紀(jì)80年代，是我國(guó)在喀斯特巖溶地區(qū)自主設(shè)計(jì)施工建設(shè)的第一座大型水電站，也是烏江梯級(jí)電站開發(fā)的第一座大型水電站。電站地下廠房安裝有3 臺(tái)單機(jī)容量250 MW 水輪發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量為750 MW。地下廠房通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)源由額定功率為45 kW 的4 臺(tái)送風(fēng)機(jī)和2 臺(tái)排風(fēng)機(jī)構(gòu)成。通風(fēng)機(jī)運(yùn)行方式為遠(yuǎn)程手動(dòng)，組合運(yùn)行，送風(fēng)方式為隔墻送風(fēng)。

本文的研究目的在于設(shè)計(jì)水電站地下式廠房溫度、濕度、速度、煙灰和送排風(fēng)系統(tǒng)的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)水電站的老廠房通風(fēng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)全過(guò)程環(huán)境參數(shù)的集中監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)廠房?jī)?nèi)送排風(fēng)機(jī)的智能控制運(yùn)行，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)不同工況、季節(jié)的測(cè)量和數(shù)值建模研究，提出智能化通風(fēng)系統(tǒng)改造的建議，改善廠房?jī)?nèi)的工作環(huán)境，提高機(jī)電設(shè)備運(yùn)行的安全可靠性，延長(zhǎng)機(jī)電設(shè)備使用壽命，降低機(jī)械設(shè)備故障率，提高運(yùn)行維護(hù)人員的工作效率和管理水平，進(jìn)一步幫助水電站優(yōu)化資產(chǎn)運(yùn)行水平，節(jié)省能耗、降低運(yùn)行費(fèi)用和強(qiáng)化規(guī)范管理。

2 在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)思路

本套在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的思想是：先根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，分析系統(tǒng)需求；然后設(shè)計(jì)硬件部分，重點(diǎn)是控制系統(tǒng)和變送器；接著設(shè)計(jì)下位機(jī)程序和開發(fā)上位機(jī)軟件，再與硬件設(shè)備聯(lián)合調(diào)試；最后，對(duì)整套系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)合調(diào)試，編寫在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的施工方案，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)施工和調(diào)試。在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路如圖1所示。

在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用分布式架構(gòu)，分為三層：管理層、中間層和現(xiàn)場(chǎng)層。中間層的PLC 之間采用以太網(wǎng)或光纖連接，每個(gè)PLC 負(fù)責(zé)指定的固定區(qū)域，而中間層和管理層之間采用以太網(wǎng)連接，形成分布式在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的控制系統(tǒng)拓?fù)鋱D如圖2所示。

管理層是指運(yùn)行在工控機(jī)中在線監(jiān)測(cè)的上位機(jī)軟件系統(tǒng)，組態(tài)軟件作為開發(fā)工具，不僅能設(shè)計(jì)人機(jī)交互界面，還可通過(guò)該軟件實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控、遠(yuǎn)程控制和故障報(bào)警等功能。除此之外，其強(qiáng)大的運(yùn)算能力還能實(shí)現(xiàn)更高級(jí)的智能控制策略。

中間層的主要功能為數(shù)據(jù)傳輸和風(fēng)機(jī)控制。采用PLC 對(duì)各風(fēng)機(jī)啟停，將不同的環(huán)境參數(shù)變送器采集到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，傳輸?shù)焦芾韺拥墓た貦C(jī)上。同時(shí)，主站PLC 配有觸摸屏，通過(guò)觸摸屏讀取環(huán)境參數(shù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)的遠(yuǎn)程控制。

現(xiàn)場(chǎng)層是底層，主要布置各類變送器、風(fēng)機(jī)和繼電器。按功能分類，變送器可分為溫度型、濕度型、風(fēng)速型、氧氣型和空氣質(zhì)量型等。在線測(cè)試采用的傳感器均選用工業(yè)級(jí)變送器，傳感器是能將規(guī)定的被測(cè)量按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置。當(dāng)傳感器的輸出為規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)時(shí)，則稱為變送器［12］。送/排風(fēng)機(jī)將以數(shù)字輸出信號(hào)來(lái)傳輸其運(yùn)行狀態(tài)信號(hào)。若送/排風(fēng)機(jī)采用變頻控制，則將以模擬輸出信號(hào)來(lái)傳輸其運(yùn)行狀態(tài)信號(hào)。

2.2 硬件設(shè)計(jì)

在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)控制的主要設(shè)備為風(fēng)機(jī)和變送器。風(fēng)機(jī)有啟動(dòng)、停止、復(fù)歸和故障四個(gè)反饋信號(hào)，以及風(fēng)機(jī)啟動(dòng)、停止、故障復(fù)歸3個(gè)輸出信號(hào)；變送器只有環(huán)境數(shù)據(jù)的輸出信號(hào)。

根據(jù)要求，主站PLC 的系統(tǒng)設(shè)備控制選配的三菱Q 系列。由于水電站供電采用的是雙電源切換，因此控制系統(tǒng)工作電源也需采用AC220V＋DC220V 并行工作，自動(dòng)無(wú)擾切換，每臺(tái)PLC 配備一臺(tái)逆變電源。主站PLC 控制柜系統(tǒng)圖如圖3所示。其中：H0XX 表示動(dòng)力電纜；H1XX 表示網(wǎng)線（雙絞線）；H2XX 表示信號(hào)電纜；H3XX表示通訊電纜。

1號(hào)分站PLC和2號(hào)分站PLC功能只有模擬量的輸入輸出，控制柜系統(tǒng)圖類似于主站PLC。而3 號(hào)分站PLC 需要控制風(fēng)機(jī)和軟啟動(dòng)器。其中，每臺(tái)送/引風(fēng)機(jī)的軟啟動(dòng)器需要一個(gè)啟動(dòng)信號(hào)，一個(gè)故障信號(hào)和一個(gè)輸出啟停信號(hào)，以及需要配置一個(gè)故障復(fù)位信號(hào)對(duì)6 臺(tái)軟啟動(dòng)器發(fā)生故障時(shí)進(jìn)行復(fù)位操作。3 號(hào)分站PLC控制柜系統(tǒng)圖如圖4所示。

2.3 軟件設(shè)計(jì)

在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)由上位機(jī)和下位機(jī)兩部分構(gòu)成。上位機(jī)是控制對(duì)象，一般是工控機(jī)或服務(wù)器，其作用是直接發(fā)出操作命令；下位機(jī)是被控制對(duì)象，一般是PLC 和其他智能模塊，其作用是直接控制設(shè)備和讀取設(shè)備狀況。

對(duì)于在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，上位機(jī)部分是基于組態(tài)王的監(jiān)控軟件，開發(fā)人機(jī)互動(dòng)可視化界面，通過(guò)連接變送器來(lái)獲取廠房?jī)?nèi)的實(shí)時(shí)環(huán)境數(shù)據(jù)，如溫度、濕度、煙塵和氧氣濃度等環(huán)境監(jiān)測(cè)參量，實(shí)現(xiàn)環(huán)境實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、遠(yuǎn)程監(jiān)控、數(shù)據(jù)管理、報(bào)警功能等功能。下位機(jī)部分是基于PLC 的自動(dòng)控制系統(tǒng)，以通風(fēng)機(jī)和監(jiān)測(cè)設(shè)備為控制對(duì)象，實(shí)現(xiàn)對(duì)水電站地下式廠房在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的控制。其中，PLC 程序包括風(fēng)機(jī)控制、數(shù)據(jù)采集和PLC 通訊等，人機(jī)交互界面能實(shí)時(shí)監(jiān)控廠房環(huán)境的數(shù)據(jù)，根據(jù)預(yù)先設(shè)置的控制策略來(lái)調(diào)整各通風(fēng)機(jī)的啟停，實(shí)現(xiàn)對(duì)水電站地下廠房典型工況的自動(dòng)調(diào)節(jié)。

國(guó)內(nèi)常用的組態(tài)軟件，主要由亞控公司的組態(tài)王和昆侖公司的MCGS為主［13］。組態(tài)王除具有界面友好、操作簡(jiǎn)單、實(shí)時(shí)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)外，其系統(tǒng)升級(jí)改造簡(jiǎn)單，且穩(wěn)定可靠，已經(jīng)能滿足大多數(shù)情況下的控制要求，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域。本系統(tǒng)選用組態(tài)王作為開發(fā)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)控制、環(huán)境數(shù)據(jù)采集和故障報(bào)警等功能。

開發(fā)一套友好的人機(jī)互動(dòng)可視化操作界面，運(yùn)維人員和管理人員可直接對(duì)其進(jìn)行環(huán)境監(jiān)測(cè)與遠(yuǎn)程控制，例如讀取實(shí)時(shí)環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、啟停風(fēng)機(jī)、故障報(bào)警等功能。通過(guò)對(duì)組態(tài)王的設(shè)計(jì)，在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的操作界面具備系統(tǒng)管理、設(shè)備管理、狀態(tài)監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)查詢等功能，其中，在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的詳細(xì)功能如圖5所示。

在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，選擇用戶名和輸入密碼后，根據(jù)用戶根據(jù)設(shè)定好的權(quán)限來(lái)操作在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。在點(diǎn)擊“進(jìn)入系統(tǒng)”按鈕之后，便會(huì)直接跳轉(zhuǎn)到系統(tǒng)管理中的“快捷菜單”頁(yè)面，“快捷菜單”頁(yè)面包含五大功能：風(fēng)機(jī)控制、閾值設(shè)置、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、故障報(bào)警、歷史查詢等功能。

3 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)水電站地下式廠房?jī)?nèi)各層室溫度、濕度、O2濃度、PM2.5濃度及風(fēng)速進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。在機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)，測(cè)得60 s 內(nèi)廠房?jī)?nèi)各典型層室的環(huán)境參數(shù)及風(fēng)速大小等監(jiān)測(cè)指標(biāo)的平均值如表1所示。

由表1可得出，對(duì)于地下廠房?jī)?nèi)的各典型層室，發(fā)電機(jī)層的平均溫度明顯低于其余各層室；而發(fā)電機(jī)層的平均濕度都高于其他層。此外，在監(jiān)測(cè)過(guò)程中容易發(fā)現(xiàn)隨著通風(fēng)機(jī)開啟數(shù)量增加，各監(jiān)測(cè)位置的風(fēng)速逐漸變大。結(jié)合三維流場(chǎng)仿真結(jié)果分析，造成這種現(xiàn)象的原因是：發(fā)電機(jī)層內(nèi)空間寬敞，各類型機(jī)電設(shè)備較少，且通過(guò)進(jìn)廠交通洞與外界相通，有良好的通風(fēng)效果。而其余各層室的進(jìn)風(fēng)主要來(lái)自于廠房?jī)?nèi)配置的送排風(fēng)機(jī)，廠房?jī)?nèi)空氣質(zhì)量、溫度及濕度與通風(fēng)機(jī)通風(fēng)量的大小與有很大的關(guān)聯(lián)。

4 結(jié) 語(yǔ)

在“遠(yuǎn)程集控、少人維護(hù)”運(yùn)行模式迅速推廣的背景下，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研、參考相關(guān)研究文獻(xiàn)和研究成果，對(duì)水電站地下廠房通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行了綜合分析，設(shè)計(jì)了負(fù)荷現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況的離線測(cè)試試驗(yàn)。分析離線測(cè)設(shè)結(jié)果，結(jié)合水電站地下式廠房?jī)?nèi)部溫度、濕度、PM2.5 等的三維流場(chǎng)仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對(duì)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置位置進(jìn)行了優(yōu)化調(diào)整。在不同工況下，采集各處測(cè)點(diǎn)的環(huán)境數(shù)據(jù)，測(cè)試得到的數(shù)據(jù)將作為日后地下廠房通風(fēng)系統(tǒng)改造提供支持。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，可以歸納出，通風(fēng)問(wèn)題主要在于部分區(qū)域微風(fēng)甚至無(wú)風(fēng)，廠房?jī)?nèi)的空氣質(zhì)量過(guò)于依賴風(fēng)機(jī)，建議適當(dāng)增加風(fēng)機(jī)和風(fēng)口的數(shù)量。此外，在實(shí)際應(yīng)用中，可以將自診斷技術(shù)與在線監(jiān)控系統(tǒng)相結(jié)合，使得系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中，能夠直接調(diào)用故障診斷數(shù)據(jù)庫(kù)，自動(dòng)處理故障。另外，由于監(jiān)控系統(tǒng)配備了自診斷技術(shù)，系統(tǒng)具備自我學(xué)習(xí)的功能，能對(duì)新發(fā)生的故障進(jìn)行學(xué)習(xí)與存儲(chǔ)，減少因發(fā)生事故而導(dǎo)致設(shè)備停機(jī)的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)水電站地下式廠房通風(fēng)系統(tǒng)的自動(dòng)化與智能化。