关于生态流量与发电调水自动控制系统的改造及应用

林鸣耀

（泉州市龙门滩引水工程管理处，福建 泉州362500）

1 概况

福建省泉州市彭村水库是一座以供水、防洪功能为主兼有发电等综合效益的中型水利枢纽工程，是泉州七库连通工程的源头水库。该水库是泉州地区的第三大水库和最大的中型水库，是晋江下游600 多万泉州人民的应急备用水源工程。大坝控制流域面积144.5 km2，多年平均径流量1.76 亿m3；水库正常蓄水位642 m，总库容7843 万m3。彭村水库电站装机容量为2×3.7MW，水轮机型号HLA630-WJ-84，最大水头95 m，额定水头80 m、最小水头69 m，额定流量5.234 m3/s；因此，利用水轮发电机组开机能确保≮0.7 m3/s 生态流量要求。

因原放水锥阀的控制方式是采用人工现场操作模式进行的，且兼有不宜频繁操作及执行生态放水任务时产生的噪音和扬水潮气污染等问题。本次改造的目的在于解决上述问题的同时，充分利用水资源创造经济效益和减少人力资源的投入及控制的方便快捷，保证生态下泄系统的持续不间断运行。

2 改造前的要点和难点分析

2.1 电气方面

本次改造首先分析机组自动化系统是否具备生态放水在机组发电时能自动关闭，机组停机自动能开启的功能。

彭村水库电站电气主接线图见图1。

由图1 可见，本电站均配备KYN 型系列高压柜，采用可移开式开关手车，所有的开关量均发送到机组LCU 自动化控制系统进行控制，只要在原有的开停机自动系统流程中稍加改造，判断机组出口601、602 开关的分合闸位置用于自动控制生态下泄流量的启闭。综上，电气方面具备改造条件。

图1 彭村水库电站电气主接线图

2.2 机械方面

本次改造其次要分析生态放水系统是否具备机组自动化系统的联动功能。

2.2.1 原生态放水系统的构成

本单位采用管道式生态下泄流量控制，生态放水系统主要由生态放水碟阀和放水锥阀及配套操作系统、辅助系统组成（见图2）。生态放水系统的主要控制元件由生态放水主阀和放水锥阀为DN400、1.6 MPa 电、手动蝶阀和锥阀组成；经查阅资料及联系厂家，蝶阀和锥阀均不能配合机组开停机进行频繁开关操作。为达到改造预期效果，需选用一款能配合机组频繁开停机操作并具备调流调压功能的阀门进行改造安装。

图2 生态放水系统图

思路的切入点为机组自动化开停机流程中使用的技术供水电动液压控制阀能配合机组的频繁开停机操作。为此，特地向多家相关阀门厂家进行技术改造选型的相关咨询；经总结，X600 水力电动控制阀（见图3）具备上述功能。

图3 改进前X600 液控阀

2.2.2 X600 液控阀的改进

X600 水力电动控制阀的作用与用途：该阀门是用来安装在管道中，作业遥控开启和关闭的阀门。可取代用来启闭闸阀或蝶阀的大型电动装置，具有体积小、重量轻、维修简单、使用方便、安全可靠，并允许应用于需要频繁操作的场合。X600 水力电动控制阀的应用彻底解决了生态放水碟阀和生态放水锥阀不能频繁操作的问题。因该液控阀正常只有全开和全关两个位置，据厂家提供数据DN400、X600 液控阀最大过水流量为≮2.5 m3/s，为此需对该阀门进行改进，增加用于调整液控阀开启时的开度。

改进后在该液控阀阀膜片压板上腔增加上限位调节杆（见图4）用于调整控制阀门开启时的开度，并具备一定的调流调压功能，保证生态下泄流量≮0.7 m3/s 流量的可调整性能。

图4 改进后X600 液控阀

3 改造方案的实施

3.1 机械方面的改造

X600 液控阀安装，见图5。本次改造安装不再采用放水锥阀进行泄压放水；原因如下：虽然该类型阀门具有结构简单、重量轻、启闭力小操作轻便、泄流时喷出水舌为喇叭状，空中扩散掺气、消能效果好等优点；但由于该类阀门的结构特点决定了工作过程中不可避免的会产生气穴现象，即当水流通过锥形阀口或经过狭窄缝隙等处时，流通面积缩小，流速升高，压差增大，阀口处产生低压区域，局部压力下降至饱和和蒸气压以下，气穴现象由此产生。而气穴现象对锥形阀本事有诸多不利影响，气穴现象产生的气泡如果溃灭，将产生汽蚀现象。汽蚀现象会引起噪音及机械振动。因项目地点临近村落，为解决村民反映的生态放水噪音问题，本次改造放弃使用锥形阀，采用排水弯管（出水口高程负1 m 安装） 加消能池的方法进行生态放水下泄排放(见图5）。

图5 改造后X600 液控阀安装图

3.2 电气方面的改造

3.2.1 X600 液控阀与机组自动化LCU 的联控改造

将阀门的自动控制结合到机组的自动化开停机流程中，实现X600 液控阀的自动控制。

X600 液控阀的自动控制原理见图6。

图6 X600 液控阀自动控制原理方框图

当两台机组的出口开关手车处于“工作”位时，且任意某个开关处于合闸状态即通过机组LCU 命令现场X600 液控阀CPU 执行关阀令，系统进入机组发电生态下泄状态。

当两台机组的出口开关手车处于“工作”位时，且两开关均处于断开状态时即通过机组LCU 命令现场X600 液控阀CPU执行开阀令，系统进入管道生态下泄状态。

关阀回路判断开关手车“工作”位置的目的在于为保证机组检修开关手车处于“试验”位置时，因继保试验等需要的合开关时操作引起的误关生态下泄液控阀的现象发生。开阀回路判断开关手车非“工作”位置，在于保证机组检修开关手车在非“工作”位置时，应无条件执行开阀令，保证既定生态下泄流量的不间断执行。

3.2.2 X600 液控阀与机组自动化LCU 的联控改造

X600 液控阀现场CPU 控制原理见图7。

图7 X600 液控阀现场CPU 控制原理图

为保证系统X600 液控阀工作的可靠性，在该系统的电源部分增加了UPS 不间断电源容量为1000VA 一套（见图6）。现场设置控制方式转换开关，正常系统处于远方“自动”控制状态；系统异常时可切换至“手动”状态，由电站运行人员判断，在上位机电脑手动开关阀门；当机组LCU 处于检修状态时亦可用于进行现场开关液控阀操作。

为保证生态放水系统X600 液控阀工作的可靠性，本次改造采用常开式电磁阀用于X600 液控阀的控制；即在不执行生态放水任务时该电磁阀处于通电状态，当执行生态放水任务时该电磁阀处于断电状态，保证因系统停电或系统故障及检修时引起的误关闭液控阀的操作，是确保生态下泄流量持续不间断放水的另一技术保障措施。

4 生态下泄流量改造后经济效益

根据水利部门要求彭村水库下泄流量为≮0.7 m3/s；改造前，通过生态放水系统的管道24 小时不间断执行生态下泄流量任务每年需放水2207.52 万m3；我处批复电价为0.331 元，如果全部用于发电可产生441.5 万kW·h 的电能, 创收146 万元。彭村水库电站装机容量为2×3.7MW，多年平均发电量为2830 kW·h,年利用小时数3825 h，设计高程为80 m、设计单机流量为5.234 m3/s；丰水期实际双机同时运行小时数约1440 h，单机运行小时数约2780 h，即全年机组开机保证生态流量时间约为4220 h。如果在开机发电期间关闭生态下泄流量0.7 m3/s 计算，全年可节省水能1063.44 万m3用于发电212.688 万kW·h，创收70.4 万元；本次改造费用9.4 万元，投入产出比例达749%。

5 结语

5.1 结论

经技术更新改造以来，设备运行可靠稳定。因此，只要合理安排发电计划调整发电负荷充分利用机组发电的方式进行生态流量下泄；既保证生态下泄流量的需求又能更好的充分利用水利资源创造经济效益。本次技术改造原理简单，具有投入资金少、见效快；并具备技术普遍性等特点。既充分利用水利资源创造经济效益又减少管理成本和人员成本的投入。

5.2 建议

河床式电站及坝后式电站可采用的自动化控制方式有微机自动化控制，控制电缆控制和无线遥控三种。对于新建项目和已建控制水平较高的，可考虑将生态流量控制编入机组开停机流程采用微机自动化控制。对于机组较小且自动化控制水平较低的可采用直接根据机组出口开关及刀闸的开关量，通过控制电缆直接连接的方式进行自动化控制改造。对于视野比较开阔且控制光缆或控制电缆难以敷设的，可采用现场开关量加无线I/O 控制器对现地无线I/O 控制器进行组网无线同步控制执行生态下泄流量的开关操作。