水电站地下厂房通风系统智能化改造方案研究

陈日伟，李超顺，侯福年，李永刚，陈学志

（1.乌江渡发电厂，贵州遵义563100；2.华中科技大学土木与水利工程学院，武汉430074）

水电能源在我国电力能源系统中占有重要地位，目前我国已修建水电站5 万座以上，其中大中型水电站已有230 多座［1］。水电站厂房作为电站重要的水工建筑物，用于安装容纳水轮机、水轮发电机以及各种辅助设备。部分水电站因地理条件限制和工程建设的需要而建造成地下式厂房，其埋深一般在100 m以上，环境较为潮湿。此外，厂房内部安装有大量水轮机主辅设备，设备运行散热容易导致厂房闷热、潮湿，机械设备锈蚀、电器设备绝缘降低、漏电、击穿等问题，严重影响设备的安全运行及工作人员的人身安全［2］。因此，开展水电站地下厂房通风研究，设计一套良好的地下厂房智能化通风系统，对厂房内的湿热负荷等不良因素进行调控，对厂房内机电设备安全稳定运行具有十分重要的作用。

在我国，对于水电站地下厂房通风系统的研究仍处于初级阶段，传统自然通风、机械通风、空调通风或其复合形式被国内大多数水电站采用［3，4］，地下厂房内通风不足或通风过剩两种极端情况时有发生。自20世纪70年代以来，国内外一批专家学者对水电站地下厂房通风系统进行了广泛的研究，通过大量的理论研究，结合新的技术手段，进行了大量的模型试验，为之后的进一步研究积累了宝贵的经验和科研数据［5-8］。刘希臣［9，10］对水电站地下厂房内的热湿环境的形成进行了系统的研究，创新性提出了水电站地下厂房内湿热负荷的调控策略，为之后的研究提供了科学支撑。郭俊勋［11］将水电站地下厂房内部温度和湿度作为主要的研究对象，通过CFD 数值模拟，对厂房内温度场和湿度场进行数值模拟和仿真分析，并在一定程度上改善了地下厂房内的通风效果，同时也为解决水电站地下厂房通风问题提出了新途径。这些针对水电站地下厂房通风系统的探索和研究，取得了一定的进展，但研究对象仍是以传统方式为主，缺乏理论研究和技术层面的突破，难以应对厂房内复杂多变的场景及应用模式，无法实现地下厂房通风系统的最优运行。因此，本文依据工程实际需求，结合离线测试和三维流场仿真模拟实验结果，构建能够适应不同运行场景的厂房智能通风与决策系统，对厂房的风机进行智能控制，最终实现厂房空气质量和节能综合相对最优控制。此外，还设计了具备地下厂房智能通风系统各风机运行状态显示和远程控制等功能的水电站地下厂房温度、湿度及空气质量在线监控系统。

深入开展水电站地下厂房智能化通风在线监测和控制的研究与工程应用示范，有利于提高水电站地下厂房通风设计水平；有利于实现水电站“远程集控、少人维护”的生产管理模式，提升水电站智能化运行水平；有利于提高水电站设备维护水平和人员工作安全系数和舒适度，减小厂房内设备故障率，从而产生经济效益和社会效益。

1 基本情况介绍

某水电站建于20世纪80年代，是我国在喀斯特岩溶地区自主设计施工建设的第一座大型水电站，也是乌江梯级电站开发的第一座大型水电站。电站地下厂房安装有3 台单机容量250 MW 水轮发电机组，总装机容量为750 MW。地下厂房通风系统风源由额定功率为45 kW 的4 台送风机和2 台排风机构成。通风机运行方式为远程手动，组合运行，送风方式为隔墙送风。

本文的研究目的在于设计水电站地下式厂房温度、湿度、速度、烟灰和送排风系统的在线监测系统，对水电站的老厂房通风系统实现全过程环境参数的集中监测，实现厂房内送排风机的智能控制运行，通过现场不同工况、季节的测量和数值建模研究，提出智能化通风系统改造的建议，改善厂房内的工作环境，提高机电设备运行的安全可靠性，延长机电设备使用寿命，降低机械设备故障率，提高运行维护人员的工作效率和管理水平，进一步帮助水电站优化资产运行水平，节省能耗、降低运行费用和强化规范管理。

2 在线监测系统设计

2.1 设计思路

本套在线监测系统设计的思想是：先根据现场的实际情况，分析系统需求；然后设计硬件部分，重点是控制系统和变送器；接着设计下位机程序和开发上位机软件，再与硬件设备联合调试；最后，对整套系统进行联合调试，编写在线监测系统的施工方案，进行现场施工和调试。在线监测系统设计思路如图1所示。

在线监测系统采用分布式架构，分为三层：管理层、中间层和现场层。中间层的PLC 之间采用以太网或光纤连接，每个PLC 负责指定的固定区域，而中间层和管理层之间采用以太网连接，形成分布式在线监测系统。在线监测系统的控制系统拓扑图如图2所示。

管理层是指运行在工控机中在线监测的上位机软件系统，组态软件作为开发工具，不仅能设计人机交互界面，还可通过该软件实现实时监控、远程控制和故障报警等功能。除此之外，其强大的运算能力还能实现更高级的智能控制策略。

中间层的主要功能为数据传输和风机控制。采用PLC 对各风机启停，将不同的环境参数变送器采集到的实时数据，传输到管理层的工控机上。同时，主站PLC 配有触摸屏，通过触摸屏读取环境参数实时数据和实现风机的远程控制。

现场层是底层，主要布置各类变送器、风机和继电器。按功能分类，变送器可分为温度型、湿度型、风速型、氧气型和空气质量型等。在线测试采用的传感器均选用工业级变送器，传感器是能将规定的被测量按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。当传感器的输出为规定的标准信号时，则称为变送器［12］。送/排风机将以数字输出信号来传输其运行状态信号。若送/排风机采用变频控制，则将以模拟输出信号来传输其运行状态信号。

2.2 硬件设计

在线监测系统控制的主要设备为风机和变送器。风机有启动、停止、复归和故障四个反馈信号，以及风机启动、停止、故障复归3个输出信号；变送器只有环境数据的输出信号。

根据要求，主站PLC 的系统设备控制选配的三菱Q 系列。由于水电站供电采用的是双电源切换，因此控制系统工作电源也需采用AC220V＋DC220V 并行工作，自动无扰切换，每台PLC 配备一台逆变电源。主站PLC 控制柜系统图如图3所示。其中：H0XX 表示动力电缆；H1XX 表示网线（双绞线）；H2XX 表示信号电缆；H3XX表示通讯电缆。

1号分站PLC和2号分站PLC功能只有模拟量的输入输出，控制柜系统图类似于主站PLC。而3 号分站PLC 需要控制风机和软启动器。其中，每台送/引风机的软启动器需要一个启动信号，一个故障信号和一个输出启停信号，以及需要配置一个故障复位信号对6 台软启动器发生故障时进行复位操作。3 号分站PLC控制柜系统图如图4所示。

2.3 软件设计

在线监测系统软件设计由上位机和下位机两部分构成。上位机是控制对象，一般是工控机或服务器，其作用是直接发出操作命令；下位机是被控制对象，一般是PLC 和其他智能模块，其作用是直接控制设备和读取设备状况。

对于在线监测系统，上位机部分是基于组态王的监控软件，开发人机互动可视化界面，通过连接变送器来获取厂房内的实时环境数据，如温度、湿度、烟尘和氧气浓度等环境监测参量，实现环境实时数据监测、远程监控、数据管理、报警功能等功能。下位机部分是基于PLC 的自动控制系统，以通风机和监测设备为控制对象，实现对水电站地下式厂房在线监测系统的控制。其中，PLC 程序包括风机控制、数据采集和PLC 通讯等，人机交互界面能实时监控厂房环境的数据，根据预先设置的控制策略来调整各通风机的启停，实现对水电站地下厂房典型工况的自动调节。

国内常用的组态软件，主要由亚控公司的组态王和昆仑公司的MCGS为主［13］。组态王除具有界面友好、操作简单、实时性强等优点外，其系统升级改造简单，且稳定可靠，已经能满足大多数情况下的控制要求，被广泛应用于工业领域。本系统选用组态王作为开发平台，实现风机控制、环境数据采集和故障报警等功能。

开发一套友好的人机互动可视化操作界面，运维人员和管理人员可直接对其进行环境监测与远程控制，例如读取实时环境监测数据、启停风机、故障报警等功能。通过对组态王的设计，在线监测系统的操作界面具备系统管理、设备管理、状态监测和数据查询等功能，其中，在线监测系统的详细功能如图5所示。

在系统运行时，选择用户名和输入密码后，根据用户根据设定好的权限来操作在线监测系统。在点击“进入系统”按钮之后，便会直接跳转到系统管理中的“快捷菜单”页面，“快捷菜单”页面包含五大功能：风机控制、阈值设置、实时数据、故障报警、历史查询等功能。

3 监测数据分析

在线监测系统对水电站地下式厂房内各层室温度、湿度、O2浓度、PM2.5浓度及风速进行实时监测。在机组正常运行时，测得60 s 内厂房内各典型层室的环境参数及风速大小等监测指标的平均值如表1所示。

由表1可得出，对于地下厂房内的各典型层室，发电机层的平均温度明显低于其余各层室；而发电机层的平均湿度都高于其他层。此外，在监测过程中容易发现随着通风机开启数量增加，各监测位置的风速逐渐变大。结合三维流场仿真结果分析，造成这种现象的原因是：发电机层内空间宽敞，各类型机电设备较少，且通过进厂交通洞与外界相通，有良好的通风效果。而其余各层室的进风主要来自于厂房内配置的送排风机，厂房内空气质量、温度及湿度与通风机通风量的大小与有很大的关联。

4 结 语

在“远程集控、少人维护”运行模式迅速推广的背景下，通过现场调研、参考相关研究文献和研究成果，对水电站地下厂房通风系统进行了综合分析，设计了负荷现场实际情况的离线测试试验。分析离线测设结果，结合水电站地下式厂房内部温度、湿度、PM2.5 等的三维流场仿真实验结果，对各监测点布置位置进行了优化调整。在不同工况下，采集各处测点的环境数据，测试得到的数据将作为日后地下厂房通风系统改造提供支持。根据试验结果，可以归纳出，通风问题主要在于部分区域微风甚至无风，厂房内的空气质量过于依赖风机，建议适当增加风机和风口的数量。此外，在实际应用中，可以将自诊断技术与在线监控系统相结合，使得系统在运行过程中，能够直接调用故障诊断数据库，自动处理故障。另外，由于监控系统配备了自诊断技术，系统具备自我学习的功能，能对新发生的故障进行学习与存储，减少因发生事故而导致设备停机的问题，实现水电站地下式厂房通风系统的自动化与智能化。