抽水蓄能机组调相压水控制系统分析

张 斌 吴同茂 邓常浩

（1.福建仙游抽水蓄能有限公司，福建 莆田 351266；2.长沙科智防雷工程有限公司，湖南 长沙 410000）

1 调相压水基本情况介绍

调相压水系统是抽水蓄能电站常规设置的控制系统，由机械液压和电气控制两部分组成。主要功能是在机组导叶关闭后，使用压缩空气将转轮室内水位下压并维持在尾水锥管合适位置，使转轮暴露在空气中，从而让机组实现抽水和调相等。调相压水控制过程分为调相启动时的充气压水过程和抽水调相转抽水时的排气回水过程。涉及的硬件设备包括压水空气储气罐、主压气阀、补气阀、尾水管液位测量装置、蜗壳、顶盖和尾水管排气阀。整个过程主要是通过监控系统或调相压水PLC对以上各硬件设备的控制使其合理配合，顺利完成压气排水和排气回水过程。

1.1 充气压水过程

充气压水时通过机组转轮室注入压缩空气将水位压至转轮以下，以降低机组在调相启动过程中和调相运行时的功率，并通过自动补气逻辑保证水位一直处于一个恒定的高程范围。典型的充气压水控制流程如图1所示。

图1 抽水蓄能机组压气压水典型控制流程

1.2 排气回水过程

排气回水时通过打开蜗壳、顶盖和尾水管的排气阀将尾水管的压缩空气排出，随着水位的升高转轮逐渐在尾水中旋转，此时机组功率增加，监控系统适时打开球阀和导叶，机组将尾水的水向上库输送，从而完成抽水调相转抽水的工况转换。典型的排气回水控制流程如图2所示。

图2 排气回水典型控制流程

2 尾水水位测量装置

2.1 尾水水位测量装置配置情况

目前国内各抽水蓄能尾水管水位测量装置按信号原理分类主要有两种：一是采用开关量信号控制，主要有磁翻板磁性位置开关、音叉开关、超声波液位开关、电极式液位开关、电导式液位开关和电容式液位开关；二是采用模拟量液位信号，主要有磁翻板液位计、差压变送器、波导雷达式液位计和射频导纳式液位计。部分电站开关量和模拟量信号均有配置，但只有小部分电站两种信号均参与调相压水控制。

2.2 尾水水位测量装置应用情况及推荐配置

经过二十多家抽水蓄能电站的尾水水位测量设备应用和缺陷情况调研，对不同原理水位开关和水位计可靠性进行总结分析，得到以下结论。

音叉开关、电极式液位开关、电容式液位开关、电导式液位开关容易受介质污染导致性能下降，磁性开关容易受配套的磁性浮子和周围环境（磁场）影响导致误动或拒动。总的来说，超声波液位开关、音叉开关使用单位较多，故障率也相对较低。所以在不同原理上，液位开关的可靠性排序如下：超声波液位开关≥电容式液位开关≈音叉开关≈电极式液位开关≈电导式液位开关≥磁性开关。

磁翻板液位计容易受磁性浮子的影响导致数据失真，差压变送器容易受管路气体的影响导致水位信号波动较大并且需要定期排气以保障可靠性。配置模拟量信号的电站在磁翻板和差压变送器上的使用率和故障率相差不大。在不同原理上，液位计的可靠性排序如下：波导雷达式液位计≈磁翻板液位计≥差压变送器。

因此，为了提高尾水管水位信号的可靠性，尾水水位信号宜配置一套开关量和一套模拟量液位信号装置，两套液位计/开关宜采用不同原理元件并安装在不同管路上，同时在控制逻辑中冗余配置。

3 充气压水控制分析

3.1 主压水阀控制

目前的调相压水系统一般由监控系统直接控制或配置单独调相压水PLC由PLC控制。

主压水阀开启控制逻辑中一般为压水流程中监控或PLC收到压水令时开启。

主压水阀关闭逻辑分三种：一是受时间控制，即开阀后延时关闭，其中个别电站开阀逻辑还受调相压水气罐压力控制，气罐压力高则长延时关闭，气罐压力低则短延时关闭；二是受液位计/开关控制，到达关阀水位时关闭，一般为尾水水位低信号控制，个别电站设有防止主压水阀卡涩或位置开关异常的逻辑，即发令开启调相压水液压阀后××s内未收到全开位置信号，则发令关闭液压阀，××s后再次发令开启液压阀（在开主压水阀步序的执行时间内，如始终无法收到全开位置信号，则会以××s一个周期开关此液压阀），关阀时收到主压水阀全开信号或液位低信号延时××s发关阀令；三是同时受时间和液位控制，其中一个满足条件则发关阀令。为避免主压水阀开启后无法正常关闭导致压水过多，建议采用时间和液位同时控制的逻辑，并设置防止主压水阀卡涩或位置开关异常的逻辑，根据本电站尾水管大小合理设置压水时间（若具备条件可设置气罐压力控制）。

3.2 补气逻辑

尾水管气压的保持取决于尾水管的漏气量，若机组漏气量大，则压水保持时间将缩短，补气时间间隔也将缩短。补气逻辑的作用是使抽水蓄能机组在调相工况下保持尾水管水位在一定高程范围，目前主要有两种：一是只受尾水管水位控制，即压水保持时尾水管水位上升至补气水位开启补气阀，尾水管水位降低至低水位时关闭补气阀；另一种是分别受时间和水位控制，即尾水管水位低信号复归后水位上升至补气水位（水位介于尾水管水位低和补气水位之间时），延时××min开启补气阀，水位降至低水位后关闭补气阀。在日常运维阶段，设备主人应定期检查和分析补气时间间隔，判断是否存在尾水管漏气增大的情况。

补气阀开阀逻辑分两种：一是在第一次压水时和主压水阀同时开启，部分电站有设置；二是在压水保持时水位上升至补气水位后开启，该逻辑是补气阀典型控制逻辑，各抽蓄电站主要采用此开阀逻辑。

3.3 充气压水成功、失败判据

机组调相充气压水的时间主要受到储气罐气压、尾水管部分容积、下库水位、转轮漏气量等因素影响，具体还要根据实际调试情况判定[1]。目前主要的压水成功判据有：尾水水位到达压水成功水位与各阀门的状态位置正常。为防止压水过度，当尾水管水位检测装置检测到水位低信号应立即停止压气和补气。其中尾水管水位的判据有两种，一是判断尾水管水位高复归&尾水管水位低到达，二是只判断尾水管水位低信号到达。该逻辑设计较好的电站，其水位低信号分别通过不同原理的模拟量和开关量信号冗余判断，采用单一的液位计/液位开关信号的电站可能由单一元件故障导致压水失败。

压水失败判据主要为：各阀门动作异常超时跳机和水位异常超时跳机。部分单位设置了水位高保护。

4 排气回水控制分析

4.1 回水成功判据

回水成功判据分几种：一是判断溅水功率到达和相关阀门状态正常；二是判断溅水压力到达和相关阀门状态正常；三是判断溅水功率到达或溅水压力到达和相关阀门状态正常；四是判断回水水位到达和相关阀门状态正常；五是判断回水水位到达与溅水功率到达和相关阀门状态正常。

4.2 回水失败判据

回水失败判据主要为：阀门状态异常、液位异常等导致的步序超时，或溅水功率到达后导叶或球阀未开启导致的功率保护动作。

5 调相压水的其他影响

调相压水过程除以上尾水水位、压气、补气、排气的影响，其成功率还受到上下迷宫环冷却、水环的影响，部分电站设计了蜗壳排气阀（蜗壳平压阀）。在调相转抽水的回水过程中，还需要和球阀开启、导叶开启相配合。

5.1 迷宫环冷却

机组调相运行时，转轮在空气中旋转摩擦会产生热量，使转轮和上下迷宫环发热，因此，必须向上下迷宫环提供冷却水。目前的迷宫环保护采用的有迷宫环温度一级越限报警，二级越限跳闸。部分电站还采用了调相运行时上下迷宫环流量低报警、跳机的逻辑。为提高机组运行可靠性，采用迷宫环温度跳机逻辑，迷宫环流量低报警。

5.2 水环

水环主要为水轮机转轮旋转的离心力将迷宫环、主轴密封冷却水、球阀密封漏水等甩向导叶，在转轮和导叶间形成的[2]。水环可以防止大量压缩空气经过导叶间隙进入蜗壳，同时可以冷却转轮。但水环过厚会增大转轮阻力矩，也会导致迷宫环温度升高产生有害振动。所以，抽水蓄能机组一般在底环上设置水环排水阀将水环排至尾水管，并通过蜗壳排气阀排入尾水。一般水环排水阀在转速20%～25%时打开，水环排水阀设计时应充分考虑两侧压差，避免因压差过大导致阀门开启失败或损坏。

5.3 各排气阀

蜗壳排气阀又称蜗壳平压阀，在调相运行时将转轮室逸出至蜗壳的高压气排至下库，避免机组抽水调相转抽水时蜗壳内存在大量气体，容易造成急剧上升的水流夹杂蜗壳中未排尽的气体通过压力钢管冲向上库，产生气爆，并给机组带来一定的振动危害。

顶盖排气阀：在调相工况转抽水工况时打开，将顶盖的气体排走，防止气体存留在顶盖中影响抽水吸收功率。

尾水管排气阀：在调相转抽水工况下将尾水管大量气体排出，是调相转抽水工况的主要排气管路。

因此，各排气阀的开关控制的时间把握对于机组工况转换的成功率至关重要，以上排气阀的时间控制主要为主机厂家设定，但需要运行调试时根据实际排气情况进行不断优化，提高工况转换成功率。以上排气管路中一般设有一个液压阀和一个电动阀，在液压阀关闭失败的时候延时关闭电动阀，防止尾水从排气管路排出。

5.4 溅水功率

调相工况转抽水工况时，先将尾水管中的气体排出，关闭水环排水阀，在水环排水阀关闭后转轮在转轮室搅水环的过程称为一级溅水功率；在水位缓慢上升的过程中尾水管水位碰至转轮时，机组吸收的功率称为二级溅水功率。为防止机组长时间在二级溅水功率运行时影响机组摆度和顶盖振动，设计了溅水功率保护，即到达二级溅水功率后未收到球阀和导叶开启的信号则延时跳机。因此，在工况转换过程中导叶和球阀的开启信号变得至关重要，在各抽水电站曾多次发生因球阀、导叶位置元件故障导致工况转换失败的情况。

6 典型控制逻辑推荐

6.1 主压水阀控制逻辑

主压水阀宜采用时间和液位双控制逻辑，即采用固定开阀时间，时间到达后自动关阀，或尾水水位到达后发关阀令。建议采用防止主压水阀卡涩或位置开关异常的逻辑。

6.2 补气控制逻辑

补气阀宜采用分别受时间和液位双控制逻辑，即压水保持时液位上升至补气水位则开启补气阀，液位降至低水位时或开启时长到达关闭补气阀，或者液位在液位低和补气液位之间时，延时××min开启补气阀（固定开启时长），水位降至低水位或开启时长到达关闭补气阀。第一次压水时补气阀宜和主压水阀同时开启。

尾水管宜设置水位高高、水位高补气、水位低停止补气、水位低低四个水位信号。

为避免水位信号抖动，频繁开启补气阀，液位信号宜采用不同原理的模拟量和开关量冗余判断。

6.3 压水判据

压水成功宜采用液位高复归&（液位低到达或液位低低到达）判据，防止液位开关误动导致尾水实际水位未到转轮以下，同时液位信号宜采用不同原理的模拟量和开关量冗余判断。

6.4 回水判据

为防止水位信号或功率元件故障误动导致尾水水位实际未回至转轮以上，回水成功宜采用溅水功率&（水位信号或溅水压力）（考虑到溅水功率更可靠）&相关阀门的正确位置进行判断。

为防止单一水位信号故障导致回水失败，水位信号宜采用不同管路、不同原理的开关量和模拟量信号冗余判断。

7 结束语

随着电网的快速发展，抽水蓄能电站作为新型电力系统不可或缺的灵活调节资源，承担着保障大电网安全、服务清洁能源消纳、促进电力系统优化运行的重要作用，显然已经成为电网的重要组成部分。抽水调相作为抽水蓄能电站一个重要运行工况，对调相压水的可靠性提出了新的要求，所以在抽水蓄能机组的调相压水系统硬件设计和控制逻辑配置方面也需要进一步改善和提高，希望以上分析和结论可为国内抽水蓄能机组调相压水的设计提供借鉴。