錦屏一級水電站監(jiān)控系統(tǒng)遠(yuǎn)方緊急啟停機(jī)組檢修排水泵可行性研究

劉 江 紅， 楊 自 聰， 梅 沈 鋒， 梁 成 剛， 楊 澤 鵬

(雅礱江流域水電開發(fā)有限公司，四川 成都 610051)

1 概 述

錦屏一級水電站位于四川省鹽源縣、木里縣交界的雅礱江干流，是雅礱江水能資源最富集的中、下游河段五級水電開發(fā)中的第一級。水庫正常蓄水位1 880 m，相應(yīng)庫容77.6億m3，調(diào)節(jié)庫容49.1億 m3，為年調(diào)節(jié)水庫。電站裝有6臺單機(jī)容量600 MW的水電機(jī)組，總裝機(jī)容量3 600 MW，設(shè)計年利用小時數(shù)4 616 h，設(shè)計多年平均年發(fā)電量166.20億kWh。錦屏一級水電站首臺機(jī)組于2013年8月30日正式投產(chǎn)發(fā)電，2014年7月12日6臺機(jī)組全部投產(chǎn)發(fā)電。錦屏一級水電站作為西電東送主要電源點之一，廠房深埋在下游水位之下。因此，為確保電站安全，防止發(fā)生水淹廠房等重大事故，廠房滲漏排水、機(jī)組排水系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行尤為重要。

錦屏一級水電站機(jī)組檢修排水系統(tǒng)用于機(jī)組檢修時排除壓力鋼管、蝸殼和尾水管內(nèi)的積水。機(jī)組檢修排水采用間接排水方式，當(dāng)機(jī)組檢修時，壓力鋼管和蝸殼積水通過DN400液動球閥排至尾水管，機(jī)組尾水管內(nèi)存水經(jīng)過DN800尾水盤形閥匯集到預(yù)埋的排水總管后排入檢修集水井(容量為400 m3)，再通過5臺長軸深井泵排出至尾水調(diào)壓室。檢修集水井布置在靠近6號機(jī)組段側(cè)的下游檢修泵室下[1]。

2 機(jī)組檢修排水系統(tǒng)配備設(shè)備

錦屏一級水電站機(jī)組檢修排水系統(tǒng)的主要設(shè)備由35臺長軸深井泵組成，水泵為潛水多級混流泵，設(shè)計額定流量1 250 m3/h，設(shè)計揚(yáng)程60 m。 水泵后設(shè)置泵控閥、電動球閥等設(shè)備，控制系統(tǒng)由現(xiàn)地控制柜和10 kV開關(guān)控制柜組成。

2.1 長軸深井泵

每臺長軸深井泵配套10 kV電機(jī)，電機(jī)采用風(fēng)冷卻，在電機(jī)上軸承、下軸承、定子繞組均設(shè)有PT100 溫度測量元件。泵的吸入口垂直向下，出口水平，免抽真空啟動，單基礎(chǔ)安裝，水泵和電機(jī)直聯(lián)；從電機(jī)端俯視，水泵轉(zhuǎn)子部件逆時針方向旋轉(zhuǎn)。泵中間軸、揚(yáng)水管和護(hù)管為多節(jié)，軸采用套筒聯(lián)軸器聯(lián)接。

2.2 泵控閥

泵控閥選用以色列伯爾梅特分740S產(chǎn)品，此閥門是一種由導(dǎo)閥控制，液壓隔膜驅(qū)動的自動控制閥門。閥門由管道壓力驅(qū)動，反應(yīng)迅速而平穩(wěn)，開啟及關(guān)閉速度可調(diào)[2]。泵控閥安裝于水泵出水側(cè)，與水泵聯(lián)動，發(fā)揮背壓啟動以及主動關(guān)閉(先于水泵關(guān)閉)的作用，以防止開泵和停泵時產(chǎn)生壓力波動，并在事故停泵時，具有止回功能，水泵控制閥可實現(xiàn)快速關(guān)閉。利用水泵啟停時，閥門前后的水壓差作為控制動力，具有隨水泵的啟閉而自動啟閉的功能；閥門啟閉動作過程能有效地防止因水錘壓力波升高而產(chǎn)生的事故。據(jù)現(xiàn)場使用情況調(diào)查和實測，停泵水錘壓力峰值均在工作壓力的1．3倍以內(nèi)[3]。

2.3 控制系統(tǒng)

現(xiàn)地配置有現(xiàn)地控制柜，每一臺泵的動力電源單獨取自不同的廠用電10 kV母線，排水系統(tǒng)現(xiàn)地采用PLC控制器，控制回路中將廠用電的10 kV饋線開關(guān)當(dāng)作接觸器，現(xiàn)地不設(shè)置接觸器，也未配置軟啟動器[4]。集水井內(nèi)設(shè)有2套投入式水位變送器和1套浮子式液位開關(guān)用于自動控制水泵啟停，分別設(shè)有停泵水位、工作泵啟動水位、備用泵啟動水位、集水井高報警水位等，并將水位信號上送至計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，用于遠(yuǎn)方監(jiān)視。正常情況下，控制系統(tǒng)根據(jù)水位自動控制排水泵啟停，監(jiān)控系統(tǒng)不具備遠(yuǎn)方直接啟動和停止排水泵的功能。

3 機(jī)組檢修排水泵啟停控制原理

3.1 泵控閥控制原理

泵控閥由一個電磁閥控制，帶限位開關(guān)，三路電磁導(dǎo)閥控和止回閥的水力控制閥。錦屏一級水電站選用常閉型，且增加了一個水流加速器以加快閥門反應(yīng)速度。泵控閥控制原理見圖1。在水泵停機(jī)狀態(tài)及水泵開啟運行正常后的工作狀態(tài)下，S10電磁閥均不帶電。S10電磁閥斷不帶電時，A與P(壓力水)接通，S10電磁閥帶電時， A與R(大氣)接通。S10電磁閥在閥門關(guān)閉時及造壓過程中帶電運行。54B水流加速器在S10電磁閥帶電時，0與2接通，在S10電磁閥不帶電時，1與2接通。

圖1 泵控閥控制原理圖

3.2 機(jī)組檢修排水泵啟動自動控制

機(jī)組檢修排水泵啟動時，控制系統(tǒng)先開啟長軸深井泵潤滑水，延時2 m發(fā)令合10 kV開關(guān)，泵電機(jī)啟動后水壓送至泵控閥進(jìn)口。啟泵時，S10電磁閥同時通電10 s(根據(jù)現(xiàn)場工況可延長或減少通電時間)。當(dāng)泵出口壓力達(dá)到預(yù)定壓力時，電磁閥斷電，水從閥門上腔通過54B水流加速器排向大氣，此時，閥門開啟，泵啟動成功。啟泵時，S10電磁閥短時通電10 s，只為確保泵啟動到達(dá)額定轉(zhuǎn)速前泵控閥在全關(guān)狀態(tài)，以實現(xiàn)泵空載啟動。而現(xiàn)場實際安裝調(diào)試過程中經(jīng)過反復(fù)驗證,泵控閥正常情況均能夠關(guān)閉到位。若泵在停運時泵控閥退出全關(guān)位置，則說明管路中水在倒流，可能會造成泵反轉(zhuǎn)，監(jiān)控系統(tǒng)則會發(fā)出報警信號，以便現(xiàn)場檢查處理。所以，在機(jī)組檢修排水控制系統(tǒng)程序中，泵啟動前沒有設(shè)置將S10電磁閥短時通電10 s的操作步驟。

3.3 機(jī)組檢修排水泵停止自動控制

機(jī)組檢修排水泵停止時，控制系統(tǒng)先發(fā)令使S10電磁閥通電，S10的A與R(大氣)接通，54 B水流加速器，0與2接通。隨后，壓力水通過水流加速器進(jìn)入上泵控閥控制腔，主閥緩慢關(guān)閉，隔離運行中的水泵和系統(tǒng)。閥位指示桿位置下降時，啟動閥門限位開關(guān)傳遞泵控閥全關(guān)信號到控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)發(fā)令分10 kV開關(guān)，泵停止成功。在到達(dá)預(yù)設(shè)延時時間后，控制器給S10電磁閥斷電，54 B水流加速器在泵控閥上腔水壓作用下使1與2接通，回到初始狀態(tài)，等待水泵下一次接受信號時正常開啟。泵控閥受液壓作用保持關(guān)閉。

4 監(jiān)控遠(yuǎn)方啟停檢修排水泵分析與實踐

4.1 監(jiān)控遠(yuǎn)方啟泵

監(jiān)控遠(yuǎn)方啟泵時，只需先現(xiàn)地手動開啟長軸深井泵潤滑水，延時2 m在電站監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)令合10 kV開關(guān)即可。電機(jī)啟動后閥前水壓逐步上升，當(dāng)水壓超過系統(tǒng)靜壓時，閥門開啟壓力增大，上腔壓力水從54 B水流加速器排向大氣，此時，閥門開啟，泵啟動成功。與控制系統(tǒng)自動啟泵過程相比，沒有任何實際差別。

4.2 監(jiān)控遠(yuǎn)方停泵

監(jiān)控遠(yuǎn)方停泵時，直接在電站監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)令分10 kV開關(guān)。泵停止后，泵控閥板在重力及背壓彈簧的作用下開始向下回落，加之管路中帶壓水流一路從7 A、7.1 A 處向閥門上腔進(jìn)氣，另一路水通過4 A內(nèi)置帶濾網(wǎng)過濾器處取水加至G壓力平衡裝置，使泵控閥在水流方向改變前快速關(guān)閉，泵停止成功。與控制系統(tǒng)自動停泵過程相比，遠(yuǎn)方停泵時電機(jī)在泵控閥關(guān)閉前停止運行，但隨后，泵控閥自動在水流方向改變前快速關(guān)閉，對檢修排水泵瞬時流量幾乎為零。

4.3 現(xiàn)場實際驗證

2020年1月5日，錦屏一級水電站運行人員利用4號機(jī)組檢修尾水管排水機(jī)會，按照上述分析步驟做了遠(yuǎn)方啟停機(jī)組檢修排水泵驗證試驗?，F(xiàn)地純手動開啟潤滑水電磁閥，開啟潤滑水并保持長流水狀態(tài)，確保泵的控制保持在自動方式，以便水位到達(dá)停泵水位時，機(jī)組檢修排水泵可以自動停泵。啟泵時，現(xiàn)場檢查泵啟動過程及運行正常，且機(jī)組檢修排水泵運行指示燈點亮。當(dāng)檢修集水井水位下降至停泵水位時，由于機(jī)組檢修排水控制系統(tǒng)能檢測到泵運行狀態(tài)，控制系統(tǒng)自動停泵，停泵過程正常。再次遠(yuǎn)方啟動機(jī)組檢修排水泵運行一段時間后，監(jiān)控系統(tǒng)拉開泵10 kV開關(guān)后，現(xiàn)場檢查泵停運行正常，泵控閥能自動快速關(guān)閉到位，機(jī)組檢修排水泵未出現(xiàn)反轉(zhuǎn)情況，現(xiàn)場沒有出現(xiàn)水錘造成相關(guān)異響等情況發(fā)生。

5 結(jié) 語

根據(jù)上述分析及實踐證明，在錦屏一級水電站機(jī)組檢修排水控制系統(tǒng)未進(jìn)行任何技術(shù)改造的情況下，可以實現(xiàn)遠(yuǎn)方直接啟停機(jī)組檢修排水泵，其重要意義體現(xiàn)如下：

(1)在機(jī)組檢修期進(jìn)行尾水管排水時，可以提前遠(yuǎn)方啟動機(jī)組檢修排水泵，將檢修集水井水位抽至停泵水位；在機(jī)組檢修排水過程中，可根據(jù)集水井水位上升及下降速度靈活調(diào)整機(jī)組檢修排水泵運行臺數(shù)。

為提高尾水管排水效率，減少排水時間提供理論基礎(chǔ)及實踐支撐。

(2)由于錦屏一級水電站廠房滲漏排水系統(tǒng)與機(jī)組檢修排水系統(tǒng)現(xiàn)場設(shè)備及控制系統(tǒng)完全一樣，當(dāng)廠房滲漏排水及機(jī)組檢修排水控制系統(tǒng)異常時，可以遠(yuǎn)方直接啟動排水泵進(jìn)行排水。所以，上述分析及結(jié)論同樣適合廠房滲漏排水系統(tǒng)，為汛期確保設(shè)備安全穩(wěn)定運行提供了有力保障。

由于上述分析及結(jié)論是在未對機(jī)組檢修排水控制系統(tǒng)進(jìn)行任何技術(shù)改造情況下進(jìn)行的，所以，在遠(yuǎn)方直接停泵過程中，存在對水泵及泵控閥造成損傷的風(fēng)險。建議后續(xù)類似情況在進(jìn)行機(jī)組檢修排水及廠房滲漏排水控制系統(tǒng)設(shè)計時，增加控制系統(tǒng)遠(yuǎn)方啟停泵的功能，已投產(chǎn)電站未設(shè)置該功能的應(yīng)進(jìn)行技術(shù)改造以實現(xiàn)監(jiān)控遠(yuǎn)方直接啟停排水泵的功能[5]。