水轮机顶盖排水控制系统优化及其应用技术

水轮机顶盖排水控制系统优化及其应用技术
摘要：本文介绍了华能戈枕水电厂低水头轴流转浆双调式机组的顶盖排水控制
系统情况，分析运行中存在的问题，为满足电厂“无人值班（少人值守）”设计要求，针对顶盖排水常规继电器回路控制系统、上位机水位监视进行优化改造，提
高控制系统自动化功能，实现及时排出支持盖内积水，控制其水位在规定范围内
运行，保障机组长期、安全、稳定运行。

关键词：顶盖排水；控制系统；PLC；液位变送器
引言
华能戈枕水电厂位于昌化江中下游，上距大广坝水电站27km，下距入海口
35km，是昌化江梯级开发规划的下游梯级低水头河床式电站。

水库正常蓄水位
54m，死水位48m，调节库容0.41亿m3，具有日调节性能，以灌溉为主，兼顾
供水、发电等综合效益，主要来水为7-10月份强热带风暴、台风产生的降雨。

枢纽电站装机容量为80MW，采用2台单机容量40MW的ZZ-LH-500轴流转浆机组，额定设计水头22.5m，多年平均发电量1.094亿kWh，按无人值班（少人值守）
设计。

为了保障水轮发电机组正常运行，防止水从主轴和支持盖之间渗漏到机坑内，淹没水导轴承，破坏水导轴承的工作，水轮发电机组必须设置主轴密封装置，水
轮机主轴密封是水轮机重要保护作用，安装在水导轴承的下面，我厂主轴密封采
用端面密封方式，依靠弹簧将装有圆形橡胶块的圆盘托起，使圆形橡胶块和固定
在主轴上的不锈钢圆环紧贴起到密封作用，中间靠润滑水形成一层水膜确保不发
生干摩擦，同时机组正常运行时由于压力，流道内的水也会渗漏至支持盖，需要
将支持盖内水靠顶盖排水系统进行抽排，防止水淹水导，以确保机组安全稳定运行。

一改造前顶盖排水控制系统情况
机组投产时，按照设计院最初设计，为保证机组安全稳定运行，排出支持盖
内积水，水轮机导水机构、水封等处漏水均流入支持盖内，通过两台排水泵向机
坑外排出，在高水位时启动备用泵。

如图1所示，我厂两台水轮发电机组各设有
两台排水泵，功率均为5.5KW，一台潜水泵，一台自吸式。

主回路采用交流380V
交流电源供电，电源取至各自机组的机旁盘电源柜，均为双电源供电。

如图2所示，控制回路电源由主回路电源B相的220V交流电源提供，控制回路为常规的
继电器回路。

操作箱控制把手方式设有“远方”、“ 手动”、“ 主用”、“ 备用”“切除”，但“远方”控制监控没有接入，不能实现“远方”控制。

正常运行时，顶盖排水泵自动控制，一台排水泵“主用”，一台排水泵“备用”，并设有水位信号器，分别设置排水泵停泵水位、启动水位和报警高水位，采用一
个由德国柯普乐生产的型号为KSR三接点浮体磁性开关控制。

当顶盖水位达到上
限时，KSR浮体磁性开关SLW2触点接通，启动主用排水泵排水；当水位达到下
限时，KSR浮体磁性开关SLW3触点接通，停止水泵运行；当水位过高时，KSR浮体磁性开关SLW1触点接通，投入备用水泵排水并立即报警。

图1 改造前顶盖排水泵主回路
图2 改造前顶盖排水系统控制回路
当自动控制出现故障时，可以通过现地控制把手切至“手动”启动排水泵排水，
达到停泵水位时，将控制把手切至“切除”停止水泵运行。

二存在问题分析
1顶盖排水系统控制回路为常规的继电器回路，自动化功能低，继电器数量多，回路接线复杂，故障率高，且不易维护。

2自机组投运以来，KSR浮体磁性开关经常发生浮球卡阻，致使触点不能正常动作、断开。

通过图2可知，KSR浮体磁性开关触点是通过220V交流电接入控制回路，相对于24V直流电源绝缘要求高，而其长期处于潮湿环境，再加上接线处密封不良，造成绝缘降低，各触点接头互相导通，长期通电发热，经常导致触点黏连。

以上两种情况经常导致顶盖排水系统不能正常工作，造成机组被迫停运，同时存在水淹水导重大隐患。

3上位机无顶盖水位显示，不利于顶盖水位监视。

当顶盖排水泵发生故障或失去电源不能自动启停时，上位机顶盖上水位监视可以帮助运行人员了解顶盖水位上涨情况，做好事故应急处置，降低水淹水导事故发生风险。

4目前顶盖排水潜水泵切换方式只有手动和自动启停方式，而自动控制方式“主用”、“备用”是固定的，不能实现自动切换，长时间一台泵运行对设备存在很大的隐患。

同时不具备上位机“远方”控制功能，不利于无人值班“少人值守”模式要求。

当主用泵发生故障时，只能人为现地操作切换，给运行人员带来了一定的额外工作量，误操作也会给设备带来一定风险；如无人为干预切换，顶盖水位达到备用泵启动水位时，备用泵启动排水，存在水淹水导的隐患。

三优化改造方案
图3 改造后顶盖排水系统控制回路
1顶盖排水系统电源改造
如图3所示，排水泵的动力交流电源为AC380V，原动力电源各自取至自己的机旁盘，虽然都是双电源供电，为防止某一机旁动力盘故障，导致整个顶盖排水泵交流电源消失，将两台泵电动机的动力电缆分别从两台机旁动力盘柜接入。

控制主回路电源不变，仍由排水泵动力电源B相的220V交流电源提供。

如图4所示，新增加的可编程控制器电源取自水轮机端子箱的逆变电源AC220，以保证在控制主回路和动力电源消失的情况下，PLC依旧可以向上位机监控发出启泵水位、高水位报警。

2控制回路改造
2.1将常规继电器控制回路改为现在普遍采用的可编程控制器PLC控制回路。

这次改造选用西门子S7-200CN型号外加扩展模块的PLC，特点：运行工作稳定，抗外部干扰能力强，可靠性高，接线简单，只需接入相应的输入量，通过编写内部程序来实现输出自动控制，改变控制方式灵活方便，使用维护方便，易于扩展后续功能。

图4 改造后顶盖排水系统辅助控制回路
2.2如图4所示，将KSR浮体磁性开关触点通过220V交流电接入控制回路改为PLC输入电源24V直流接入，以改变绝缘容易降低，导致相互接通回路。

为了达到更可靠控制，除KSR浮体磁性开关外，每台机组顶盖排水系统各另加一个型号MSB9418、量程1m、输出4～20mA的两线制投入式液位变送器接入PLC，采集顶盖水位的模拟量信号，实现相互独立、双冗余顶盖水位信号采集输入。

2.3 每台机组各增加一个型号ASM/Ti-1（1）、量程1m、输出4～20mA的两线制投入式液位变送器，通过独立回路接入各机组LCU柜，将水位模拟量信号上
送至监控系统上位机，来实现上位机对顶盖水位的显示。

2.4 更换顶盖排水系统现地控制箱，按照图纸重新布局内部接线。

控制箱控制
把手方式改为“手动”、“切除”、“自动”，另增加各排水泵“启动”、“停止”按钮。

通
过“自动”控制回路增加上位机“远方”控制，命令通过PLC输入端接入，编写PLC
内部程序来操作排水泵远方启停。

3 改造时PLC程序编写需要注意的问题
3.1“自动”模式，依据参与“自动”排水泵的台数，采用PLC实现“主/备泵”间的
自动轮流启/停。

3.2当仅一台排水泵投入“自动”时，当排水泵完成一次启停后，PLC仍视此台
排水泵为主用泵；
3.3“自动”模式，当其中一台排水泵故障时，PLC自动停止故障排水泵的运行，同时能自动投入另一台排水泵运行，继续完成顶盖排水；
3.4“自动”模式，设置运行超时保护，当其中一台排水泵运行超时，报警并停
止运行，同时启动另外一台排水泵，完成顶盖排水；
3.5在“自动”模式下，通过监控系统开出启停信号输出至PLC，同样完成排水
泵的交替控制；
3.6当两台排水泵均没有投入“自动”或者存在回路故障时，PLC不开出两台排
水泵动作信号。

四改造后顶盖排水系统控制情况
当两台排水泵的控制回路均投入“自动”并且回路无故障时，假设1#泵为主用
排水泵，2#泵为备用排水泵，当 PLC输入信号“水位上限”接通或水位模拟量信号
达到启动值时，PLC开出主用排水泵动作即“启动1#泵”信号，启动1#泵排水；当PLC输入信号“水位下限”接通或水位模拟量信号达到停止值时，PLC复归“启动1#泵”信号，停止1#泵排水；PLC内部执行双泵轮换程序，将1#泵设为备用排水泵，将2#泵设为主用排水泵，实现主备排水泵自动切换。

当PLC输入信号“水位过高”
接通或水位模拟量信号达到过高值时，PLC开出主用泵动作和备用泵动作即“启动
1#泵”信号和“启动2#泵”信号，两台排水泵同时启动排水；当PLC输入信号“水位
下限”接通和水位模拟量信号达到停止值时，PLC复归“启动1#泵”信号，复归“启
动2#泵”信号，两台排水泵同时停止工作。

当仅一台排水泵的控制回路投入“自动”时，其控制与上述过程相同，只是当
其完成一次启停后，PLC仍视此台排水泵为主用泵。

在“手动”模式下，通过现地控制的启动或停止按钮，来实现排水泵的启停。

在“自动”模式下，通过上位机监控系统开出启停信号输出至PLC，来实现排水泵的启停。

五结论
两台机组经过改造后，通过近几年的运行实践，顶盖排水再未发生过KSR浮
体磁性开关故障造成机组被迫停运，运行可靠稳定，表明我厂顶盖排水系统改造
是成功的。

现有的水电厂机组顶盖排水控制系统，通常采用的是通过浮球磁性开
关直接对排水泵进行直接控制，当浮球开关发生故障或损坏后，排水泵将不能动
作或误动，不能及时有效的将支持盖内积水排出，这样给机组安全稳定运行带来
了严重的威胁。

对于这种普遍存在的现象，我厂机组顶盖排水系统的成功改造对
同样存在此现象的电厂有参考借鉴的意义。

参考资料
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