单泵带双机变频恒压技术供水在水电厂的应用

张 黎，周其彬，王子铭

（1.四川华能涪江水电有限责任公司，四川省成都市 610041；2.华能西藏发电有限公司，四川省成都市 610200）

单泵带双机变频恒压技术供水在水电厂的应用

张 黎1，周其彬1，王子铭2

（1.四川华能涪江水电有限责任公司，四川省成都市 610041；2.华能西藏发电有限公司，四川省成都市 610200）

本文介绍了变频恒压技术供水控制系统在水牛家电厂中的应用，着重说明了一台技术供水泵运行供两台机组冷却水的节能控制理念，以及系统逻辑控制程序更改后在实际应用中达到的良好效果。

变频器；恒压供水；节能

0 引言

水牛家电厂位于四川省绵阳市平武县涪江上游左岸最大的支流上，为火溪河一库四级梯级开发的“龙头”水库电站，电厂水库库容1.342亿m3，调节库容1.092亿m3，具有年调节能力。装设2台单机容量为35MW的立轴混流式水轮发电机组，多年平均发电量2.112亿kWh，保证出力为25.1MW，年利用小时数3020h。

水牛家电厂技术供水系统采用离心式水泵直接抽尾水的供水方式，全厂配置3台公用技术供水泵，水泵额定扬程45m，流量350m3/h，电动机额定功率为75kW，电流128A，公用技术供水控制单元以变频器、PLC作为系统控制的核心部件，以设定技术供水干管压力为控制目标，以变频器内部PID为控制算法，组成恒压闭环控制系统，保持技术供水管网压力恒定，原有运行方式为一台机组运行启动一台技术供水泵。

1 控制系统组成

图1 技术供水单元组成

技术供水控制单元组成如图1所示，系统跟踪技术供水干管压力与压力设定值的偏差变化情况，经变频器内部进行PID运算，自动控制水泵电机转速，实现闭环自动调整恒压供水。PLC采用安德里茨公司AMC 1703系列控制器，配置CPU、DI、DO、AI、AO模块，并通过智能以太网卡连接至站内监控系统环网；变频器采用施耐德公司的ATV38系列变频器；公用技术供水干管安装2只西门子压力变送器P1、P2，两台机组技术供水干管分别安装1只西门子压力变送器P3、P4，型号为SITRANS P系列7MF 1580，量程为0～1.0MPa。

PLC通过AI模块分别采集3台变频器输出的运行频率信号，以及P1、P2、P3、P4压力变送器反馈信号，并将上位机压力设定值（0～10V）与公用技术供水干管压力反馈值（4～20mA）通过AO模块分别输出给3台变频器。PLC根据程序逻辑控制3台变频器启停；变频器一是作为电动机的软启动装置，限制电动机的启动电流，二是根据给定值与反馈值的偏差量进行PID控制，输出频率控制电动机的转速，从而使系统处于稳定的工作状态，保持管路水压恒定。

在运行中发现，当两台机组运行时，先启动的水泵出口阀全开（行程指示约5cm高），电动机电流为100A左右；而后启动的水泵出口阀开启较少（行程指示约0.6cm高），电动机电流70A左右。通过综合分析，水牛家电厂技术供水泵在选型时有点偏大，水泵整体运行效率较低。为进一步降低厂用电能耗，提高设备运行可靠性，水牛家电厂技术供水系统经过试验验证，能够单泵带双机恒压供水运行，并且仅通过更改逻辑控制程序后即可实现。

2 单泵带双机控制功能实现

如图2所示，两台机组LCU与技术供水控制单元采用以太网通信，自动开机过程中机组LCU发出开机启泵令，并将机组处于运行及停机的状态信号通过通信送给技术供水控制单元，由技术供水单元PLC进行自动启停泵控制：一是收到机组LCU开机流程中发出的启动水泵令；二是通过机组状态信号判断机组是否运行（在不执行自动开机流程如手动开机的情况下也能自动启停水泵）。

图2 机组LCU启停水泵逻辑框图

2.1 单泵带双机恒压供水

单泵带双机运行方式：只要有任一台机组开机就启动主用水泵，开第二台机组不再自动启动第二台水泵；双机运行时，停一台机组时不停水泵，在2台机组均停机的情况下，自动停止所有处于运行的水泵（包括上位机人为启动）。整个技术供水单元3台水泵控制程序分为单泵带双机恒压供水、异常工况处理、上下位机协同三部分，如图3所示。

2.1.1 主备轮换

3台技术供水泵采取一主二备的工作方式，按1-2-3-1顺序进行主用泵标志轮换，任意一台机组运行启动主用泵。主用泵轮换条件：一是上位机人为停止当前主用泵；二是当前主用泵运行累计满8h（为使得3台泵运行时间均衡，采用运行累计计时，如果另外2台泵均故障，则暂停累计计时）；三是出现内部或外部故障，内部故障时该泵只在短时内退出备用，外部故障要在恢复后才能投入备用。

2.1.2 恒压控制

图3 技术供水泵控制逻辑框图

安装于公用技术供水干管上的两个压力变送器P1、P2测量值作为系统压力控制及监测信号，而分别安装于两台机组供水电动碟阀后端供水干管上的压力变送器P3、P4测量值仅作为机组供水压力监测信号，同时安装有温度变送器作为供水温度监测信号。值班人员可以根据供水温度与机组各部的温度设定供水系统压力，可设定范围为0.3～ 0.5MPa。

2.2 异常工况处理

2.2.1 水泵启动失败

判断自动启泵是否成功，须P1和P2同时满足，在发出启主泵命令50s内水压P1、P2从0MPa上升至0.3MPa以上，判断水泵启动成功，启泵令发出50s之后就不再判。否则发出综合报警，将该泵停止，从主用泵轮换至下一台泵并自动启动。这种方式检测水泵是否启动成功，支持连续自动启动备泵，直到水压正常为止。

2.2.2 运行中水压异常

正常运行时，恒压供水是否正常，P1、P2任一个压力降低至0.3MPa以下则不正常，延时60s发出综合报警，保持该泵运行不停泵，并将主用泵标志轮换至下一台泵自动启动。这种方式检测只要单个水压不正常，支持连续自动启动备泵，直到水压正常为止。

2.2.3 压力检测异常

为及时发现P1、P2变送器出现测量误差或者断线失电，不管水泵是否运行，PLC时刻监测|P1－P2|是否大于0.1MPa，并延时30s发出报警，正常时以P1测量值作为恒压控制的目标，出现P1断线则自动将P2测量值作为恒压控制目标；出现P1、P2测量超差，值班员参考P3、P4的测量值人为判断是否P1出现异常，从而重新设定P2测量值为控制目标。这种方式为了防止运行时由于压力变送器不可预见的故障造成调节失常，继而造成管网压力失恒引发失压或超压管路泄漏、机组冷却器损坏等事故。

2.2.4 其他工况

水泵出口示流信号器和水泵运行信号、泵控阀打开信号只报警，不参与控制；上位机人为启动的水泵不进行启动失败与运行中水压异常检测，只检测启动及运行中水泵出口示流信号器和水泵运行信号、泵控阀打开信号并发出综合报警。将3台泵的主用状态、综合故障、水泵启动失败、运行中水压异常以及任一一台机组运行的信号送上位机。

2.3 上下位机协同

与上位机人为干预配合：任何情况下支持上位机人为启动无故障的水泵，也可人为停止任一非主用泵；如果人为将主用泵停止，而此时有机组运行，则将下一台泵作为主用泵并自动启动；手动启动的备用水泵累计运行满8h后自动停泵，不再自动启下一台泵。

3 运行效果分析

3.1 高效节能

通过采用变频恒压控制后，水泵按设定的压力变频运行，频率变化范围基本控制在40～50Hz范围内，电动机运行电流较工频运行有明显降低。水牛家电厂两台机组历年运行小时一般都在3000h左右，原来是单泵带单机，1年水泵总共运行时间约6000h。修改为一台泵带双机后，运行时间折半约3000h。最终按保守估计，可以节约一台水泵运行2000h能耗，水泵电动机功率为75kW，将出力折算到50kW计算，每年可节省厂用电约10万kWh。

3.2 提高可靠性

单泵带双机变频恒压控制运行后，上位机设定正常运行干管压力为0.42MPa，将两台机组各部水压调整相同，空冷水压0.13MPa，上导轴承水压0.26MPa，下导轴承水压0.26MPa，水导轴承水压0.32MPa，满足运行要求，压力波动控制在±0.03MPa，原来一机一泵运行方式只能有一台泵备用，现在单泵双机运行方式可以使得两台泵均为备用，提高了技术供水的可靠性和安全性，保证了上导轴承、推力轴承、空气冷却器、下导轴承、水导轴承各部分的供水质量。

由于技术供水取水口位于两台机组尾水肘管，机组在负荷和水头变化等工况下运行时需要尾水补气改善机组运行条件，从而造成尾水中产生大量气泡。这些气泡部分通过取水管聚集到管路和泵体内，经常出现备用水泵启动抽不上水情况，严重影响机组运行安全。改为单泵带双机变频恒压控制运行后，水泵运行都在40Hz以上，会快速地将空气带走，水泵进入稳定工况运行。技术供水运行方式修改两年以来，从未出现过水泵进空气抽不上水的问题，消除了机组安全运行隐患，提高了水泵运行稳定性和机组供水可靠性。

4 结束语

水牛家电厂技术供水系统改为单泵双机运行方式后，经过两年多来的连续运行，该控制系统运行稳定，可靠性高，高效节能，维护量小，未发生影响机组运行的故障和事故。

[1] 莫慧芳. PLC在变频恒压供水系统的应用.变频器世界，2007，(5)：80-82.

[2] 严杰,蔡守辉.智能水电厂现地控制单元发展趋势.水电自动化与大坝监测，2011，35(2)：1-4.

[3] 刘定友,陈红梅.小浪底水力发电厂清水控制系统.水电自动化与大坝监测，2002，26(4)：23-25.

张 黎（1980—），男，工程师，主要研究方向：水电厂/集控中心监控自动化技术管理。E-mail：zhangl@hnfjgs.com

周其彬（1980—），男，技师，主要研究方向：梯级水电厂机电设备维护检修管理。E-mail：zhouqb@hnfjgs.com

王子铭（1978—），男，高级工程师，主要研究方向：水电厂/集控中心监控自动化技术管理。E-mail：outofcity@126.com

Single Water Pump for Two Hydro Generators with Varying Frequency Speed amp; Constant Pressure Hydrotech and Its Application to Hydropower Plant

ZHANG Li1, ZHOU Qibin1, WANG Ziming2
(1.Sichuan Huaneng Fujiang Hydropower Co. Ltd.,Chengdu 610041 China;2.Huaneng Tibet Power Generation Co. Ltd., Chengdu 610200 China)

This paper introduces the variable frequency constant pressure water supply control system used in Shuiniu-jia Hydropower Plant,and focuses on the introduction of the operation of a water supply pump for cooling water for two units of energy-saving control concept and system logic control program after the change in the actual application to achieve good results.

inverter;constant pressure hydrotech;energy saving