焦国彬，胡恩胜

（湖南澧水流域水利水电开发有限责任公司皂市水电站，湖南 常德 415311）

皂市水库位于湖南常德市石门县境内澧水一级支流渫水上，下距石门县城19 km，是“98 大洪水”之后国务院批准的长江流域防洪治理的国家“十五”重点水利工程。水库以防洪为主，兼有发电、航运、供水、灌溉、旅游等综合利用。电站装机120 MW，年发电量3.3 亿kW·h，年利用小时数2 750 h，保证出力18.4 MW，工程总投资38 亿元。

1 概述

水电站机组检修排水是指水轮发电机组、引水隧洞、压力钢管和进水主阀检修时,排除引水隧洞和压力钢管、蜗壳、尾水管内的水，以及检修期间上游进水口检修闸门和下游尾水检修闸门的密封漏水，通常采用集水廊道或集水井进行排水[1]。皂市水电站未设计检修排水廊道和集水井，仅配置2 台管道泵。电站自2008 年投产后，经历多次检修，2台检修排水泵在自动控制方式下，均发生水泵频繁启停，即停泵后几秒到十几秒再次启动，然后马上又停止，反反复复；尾水管内水位较低时，尤为明显[2]。水泵频繁启停，会降低水泵的正常使用寿命，严重情况下，可能会造成水泵电机烧毁。由于自动控制不可靠，每次机组检修时，运行人员采用手动方式启停水泵，大量的精力投入到水泵和尾水管水位的监视上，干扰了正常工作，并且存在水淹厂房的安全隐患[3]。为解决以上问题，进行了本研究。

2 机组检修排水系统结构

皂市水电站未设计机组检修排水廊道和集水井，仅配置2 台管道泵；机组检修期间，进水口检修闸门和尾水检修闸门的漏水汇集到尾水管内，再通过盘型阀排至一根横向布置的集水钢管内，钢管内径80 cm、容积11.55 m3，由2 台离心泵（扬程：25.8 m；排水流量：400 m3/h；功率：40 kW）排至下游。其控制系统是GE 公司生产的FANUC 系列PLC，通过安装在2 号排水泵进水管入口处的两对压力开关控制离心泵启停，2 台泵互为主备用，轮流启动。原设计停泵、启主泵、启备泵、超高报警定值依次为：0.003 MPa、0.010 MPa、0.013 MPa、0.015 MPa。

图1 皂市水电站机组检修排水结构图

3 水泵启停不稳定原因分析

3.1 管道压力波动

在启停定值压力相差很小的情况下，空气、水锤效应和机械震动造成的水压波动对压力开关有较大影响。

空气：原设计需将集水钢管内水抽完才停止水泵，实际工况是集水钢管容积小，排水泵功率大，排水泵在很短时间就能将水抽干，甚至在未抽完之前就有空气进入到水泵（在进水管处用正负压力表可监测到负压，最大可达到-0.05 MPa），测压管压力迅速降低，水泵停止；又因集水钢管容积较小，尾水管内如果漏水偏大，很快就能充满集水钢管，压力上升，水泵启动，如此反复。

水锤效应：压力开关原设计启停定值压力相差很小，水锤效应对其影响非常大；水泵停泵瞬间，水流惯性导致测压管压力迅速上升，超过启主泵压力，继而排水泵启动；排水泵启动后测压管压力迅速减小，排水泵又立刻停止；然后重复以上过程，直至将集水钢管完全抽干。

机械震动：压力开关安装在2 号水泵进水口处，水泵运行时，其机械震动对管道进口处的压力开关影响很大；据现场观测，当2 号泵运行时，压力开关接点抖动较为频繁，1 号水泵运行时，压力开关接点抖动稍缓。

3.2 控制系统缺陷

原控制系统采用传统的简易控制方案，程序分为水泵轮换、水泵启动条件、信号触发三个模块，未考虑微小水压条件下的稳定性问题。

信号触发模块工作原理如图2 所示，水泵管道入口的压力开关将信号送至PLC 的DI 模块，由这四个开关量直接启动三个逻辑变量和水位超高报警输出线圈，再将V_M009 的常开点、V_M010 的常闭点、V_M011 的常开点串入到启动回路中；当满足相应条件时，输出启停控制量到DO 模块，继而控制排水泵启停。即：当gzbstart 闭合，启动主泵；当bybstart 闭合，启动备用泵；当stop 闭合，切停水泵，当swcg 闭合，发出水位超高报警。

图2 原PLC 程序信号触发模块（GE FANUC PLC）

由于信号未经处理直接输出，且启停条件中无稳定性控制程序，当信号发生抖动时，就会出现机组检修排水泵频繁启停和尾水管水位超高报警/复归频繁刷屏的问题。

4 解决方案

皂市水电站已投产运行多年，已无法重新改建排水廊道和集水井，面对这种特殊形式的排水结构和启停定值压力相差微小的实际工况，直接消除压力波动的难度非常大；因此，从控制系统入手，重新设计控制程序才是解决问题的最佳方案。经过研究，提出了采用信号防抖处理和启动条件闭锁相结合的方案，增加控制系统稳定性，防止排水泵频繁启停。

4.1 重新计算和校核启停水位

机组检修期间，尾水管检修进人门处于开启状态，如果不能控制好尾水管水位，极易造成水淹厂房的严重后果。因此设计检修排水启动水位时，应充分考虑尾水管水位安全裕度来保证检修工作安全。

皂市电站机组尾水肘管段底部高程为59.77 m，顶部高程为62.65 m，尾水管检修进人门高程为66.48 m。经过计算和试验，设定机组检修排水停泵水位高程为60 m，启主泵水位高程为61.2 m，启备用泵水位高程为61.4 m，水位超高报警高程为61.5 m。尾水管停泵水位线至启泵水位线之间的容积约为800 m3，尾水管肘管段启泵水位线上部空间约为1 000 m3；我站尾水管正常漏水量为20~50 m3/h，根据计算，即使2 台水泵同时故障，也能保证不低于20 h 的安全时间进行抢修，安全裕度满足检修工作要求。

依据以上数据，对压力开关设定值重新进行整定，停泵、启主泵、启备泵、超高报警设定值依次为：0.010 MPa、0.022 MPa、0.024 MPa、0.025 MPa。

4.2 校核排水泵最大工作电流

因启泵水位线大幅上调，排水泵工作负载变大，为防止电机过载，需进行试验和校核。经试验，排水泵最大工作电流92 A，未超过铭牌允许值。

4.3 重新设计PLC 程序

新PLC 程序信号触发模块工作原理如图3 所示，V_M009 的常开点、V_M010 的常闭点、V_M011的常开点在原启动回路中作用保持不变，增加4 个On Delay Timer 定时器和1 个On Delay Stopwatch Timer 定时器。

图3 新PLC 程序信号触发模块（GE FANUC PLC）

图4 2022 年1 号机组A 修期间检修排水泵运行记录

（1）当gzbstart 连续保持100 ms 闭合，R00004定时器输出高电平，由启动回路的V_M009 常开点启动主水泵。

（2）当bybstart 连续保持100 ms 闭合，R00013定时器输出高电平，由启动回路的V_M011 常开点启动备用泵。

（3）当stop 连续保持50 ms 闭合，R00007 定时器输出高电平，V_M010 保持置位，由启动回路的V_M010 常闭点切停水泵，同时R00010 定时器开始计时，1 200 ms 后定时器输出高电平，V_M010 复位；在此1 200 ms 时间内，因V_M010 保持置位，启动回路中的V_M010 常闭点会保持断开状态，所以启动回路会被闭锁，即使gzbstart 连续保持100 ms 闭合也无法启动水泵，待管道压力波动自然消除水压平稳后（根据实际工况和试验结果，设定为1 200 ms），解锁启动回路；V_M010 复位后，V_M010 常闭点将R00010 定时器复位，等待下次触发。

（4）当swcg 连续保持300 ms 闭合，R00016 定时器输出高电平，由Q_swcg 输出尾水管水位超高报警。

表1 机组检修排水控制PLC 变量解释

4.4 改善测压条件

原测压管为直管，将其改为缓冲弯管，并加以固定减缓机械震动；在测压管相同位置加装一个同水平高度的泄压阀，用于减缓水锤效应。

4.5 模拟试验

将程序下载至机组检修排水系统PLC 内进行测试，程序启动运行后，通过在控制柜内短接端子方式，模拟各种工况进行启停试验。经试验，结果符合PLC 程序设定。

表2 模拟试验过程

4.6 实际运行验证

经过2 个月的实际运行验证，水泵启动和停止稳定，未再出现频繁启停和不稳定状况，轮换启停可靠；备用泵启停可靠；满足实际工作需要。

5 结语

本研究在皂市水电站的应用，不改变现有排水系统管路和控制系统硬件结构，仅优化控制程序就解决了机组检修排水泵频繁启停和不稳定的问题，技术改造成本几乎为零；消除了因自动控制系统不稳定而造成水淹厂房的隐患，为电站产生较好的安全效益；改善了水泵运行工况，延长了水泵寿命和配件更换周期，节省了一定的运行维护费用。研究成果可推广到其他相同排水形式的电站，并在类似控制系统的信号防抖处理和控制系统稳定性设计方面具有一定参考意义。