水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控技術(shù)與經(jīng)濟(jì)效益的研究

趙紅濤

（隴縣段家峽水電有限責(zé)任公司，陜西 寶雞 721200）

一、水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控技術(shù)的缺陷

一是，目前水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控技術(shù)功能單一，不能充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)監(jiān)控技術(shù)的絕對優(yōu)勢。

現(xiàn)行的計(jì)算機(jī)監(jiān)控技術(shù)只能完成常規(guī)設(shè)備所能完成的任務(wù)，從功能上分析只能和常規(guī)技術(shù)平齊，對水電站經(jīng)濟(jì)效益的提高起到輔助作用，不能充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)監(jiān)控技術(shù)的絕對優(yōu)勢。

二是，無法將計(jì)算機(jī)監(jiān)控技術(shù)和水電站經(jīng)濟(jì)效益有效結(jié)合。

現(xiàn)行的計(jì)算機(jī)監(jiān)控技術(shù)由于沒有突破常規(guī)技術(shù)功能，無法和水電站經(jīng)濟(jì)效益有效結(jié)合是制約計(jì)算機(jī)監(jiān)控技術(shù)發(fā)展的主要原因。在已建成的水電站技術(shù)改造中，推行的速度比較緩慢?？梢哉f明兩個問題：一是已建成水電站對計(jì)算機(jī)監(jiān)控技術(shù)的認(rèn)識不足；二是現(xiàn)行的計(jì)算機(jī)監(jiān)控技術(shù)具有一定的技術(shù)缺陷。導(dǎo)致水電站計(jì)算機(jī)技術(shù)監(jiān)控改造后，并不能給企業(yè)帶來明顯的經(jīng)濟(jì)效益。

現(xiàn)行的技術(shù)改造主要以“少人值班，無人值守”為目的，但是現(xiàn)狀是很多電站改造前后運(yùn)行人員編制不可能大幅度的減少，企業(yè)看不到計(jì)算機(jī)監(jiān)控技術(shù)的絕對優(yōu)勢，相反只能給企業(yè)增加成本。如果能夠?qū)⒂?jì)算機(jī)監(jiān)控技術(shù)和水電站經(jīng)濟(jì)效益相結(jié)合，就可以大幅度提高技術(shù)改造的熱情。

許多年來，利用計(jì)算機(jī)監(jiān)控技術(shù)來提高水電站經(jīng)濟(jì)效益為目的技術(shù)方法一直無法突破原有的一些技術(shù)瓶頸。在計(jì)算機(jī)監(jiān)控技術(shù)的發(fā)展初期，能夠?qū)⒗鲜嚼^電保護(hù)更新為計(jì)算機(jī)管理，將“人工值守”變?yōu)椤吧偃酥蛋?，無人值守”就已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了水電人多年的夢想。隨著該技術(shù)在行業(yè)內(nèi)應(yīng)用，其上述缺點(diǎn)逐漸暴露了出來。同時，隨著小水電在國內(nèi)市場經(jīng)濟(jì)的轉(zhuǎn)型，現(xiàn)行的計(jì)算機(jī)監(jiān)控技術(shù)已經(jīng)不能滿足市場的需要，要求該技術(shù)必須具有新的技術(shù)支撐。如果能將計(jì)算機(jī)監(jiān)控技術(shù)轉(zhuǎn)變成以計(jì)算機(jī)監(jiān)控輔以計(jì)算機(jī)控制下的水電站精準(zhǔn)運(yùn)行為主，不但能夠提高水電站的經(jīng)濟(jì)效益，而且會激發(fā)水電人對計(jì)算機(jī)監(jiān)控技術(shù)的熱情。

二、水電站計(jì)算機(jī)控制下的精準(zhǔn)運(yùn)行研究

水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控及控制下的水電站精準(zhǔn)運(yùn)行問題研究包括兩個方面的內(nèi)容：

1.水輪機(jī)最優(yōu)效率運(yùn)行的問題

所謂水輪機(jī)最優(yōu)效率運(yùn)行，就是在水輪機(jī)引用不同流量時的效率對比，以選擇同流量下的最高效率點(diǎn)為目的的運(yùn)行方式，以水輪機(jī)效率最大化為最終目標(biāo)。

水輪機(jī)最優(yōu)工況是指設(shè)計(jì)運(yùn)行環(huán)境下的運(yùn)行工況，在整個水輪機(jī)的研究中是以進(jìn)出口三角形作為研究方法，以水輪機(jī)理論方程作為計(jì)算依據(jù)。經(jīng)過研究，目前，水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的效率已經(jīng)得到大幅度的提高，而對為水輪機(jī)提供水流的流道卻研究很少，也就是忽視了非最優(yōu)工況的研究。由于反擊式水輪機(jī)做功主要以勢能作為主要做功能源，以水流和轉(zhuǎn)輪相切為最佳功率轉(zhuǎn)換。但是實(shí)際運(yùn)行中很難保證其運(yùn)行在最優(yōu)工況，隨時會發(fā)生變化。在這些變化中，由于提供做功的流道的變化，使水流在轉(zhuǎn)輪室內(nèi)出現(xiàn)撞擊或脫流，造成轉(zhuǎn)輪做功條件的惡化，效率下降得很快。這里主要取決于兩個方面的變化：

(1）由于無調(diào)節(jié)式水電站設(shè)計(jì)流量和實(shí)際運(yùn)行的流量差異，水輪機(jī)實(shí)際較長時間運(yùn)行在非設(shè)計(jì)工況。

在設(shè)計(jì)無調(diào)節(jié)式水電站時，設(shè)計(jì)流量通常是一個論證流量，實(shí)際運(yùn)行中水電站由于引水流量為自然來水量，隨時發(fā)生變化。當(dāng)流量小于設(shè)計(jì)流量時，轉(zhuǎn)輪工作點(diǎn)就會向左偏移，流量越小偏移越大，離最佳工作點(diǎn)越遠(yuǎn)；反之亦相同。尤其并入大網(wǎng)以后，水電站的最優(yōu)工作只是一個有效點(diǎn)，在水輪機(jī)運(yùn)行效率線中，水電站維持在最優(yōu)工作點(diǎn)的時間非常短暫，大多數(shù)時間均處在非最優(yōu)區(qū)間。

(2）由于調(diào)節(jié)式水電站設(shè)計(jì)水頭和實(shí)際水頭存在差異，水輪機(jī)實(shí)際較長時間工作在非設(shè)計(jì)工況。

調(diào)節(jié)式水電站設(shè)計(jì)水頭通常是一個加權(quán)平均水頭。實(shí)際運(yùn)行中水輪機(jī)運(yùn)行水頭變化很大，當(dāng)運(yùn)行水頭在設(shè)計(jì)水頭時，水輪機(jī)效率工作在最佳效率點(diǎn)；當(dāng)運(yùn)行水頭小于設(shè)計(jì)水頭時，轉(zhuǎn)輪工作點(diǎn)向上偏移，水頭越小偏移越大，離最佳工作點(diǎn)越遠(yuǎn)；反之亦相同。

2.計(jì)算機(jī)監(jiān)控下的水電站效益提升的問題的研究

水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控下的效益提升問題包括兩個方面的問題：

(1）新建水電站以降低投資成本來提升效益問題的研究。

新建水電站中機(jī)電設(shè)備投資中，水輪發(fā)電機(jī)組為主要投資，如果能夠降低水輪機(jī)發(fā)電機(jī)的造價，必然會大幅度降低機(jī)電設(shè)備的投資。要降低水輪發(fā)電機(jī)造價，必須提高水輪機(jī)的轉(zhuǎn)速比，只有提高水輪機(jī)的轉(zhuǎn)速比才能降低機(jī)組造價，從而降低機(jī)房造價，減少水電站的投資。

(2）水電站在相同引水流量下，提高水輪機(jī)效率來提升效益問題的研究。

常規(guī)的水輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)是不采用人為干涉的，在不同的引水流量下，水輪機(jī)效率下降，機(jī)組無法進(jìn)行調(diào)節(jié)，只能按固有特性曲線進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)，所以效率下降較多。因此，只有采取人為進(jìn)行效率干預(yù)，才能最大限度的實(shí)現(xiàn)水輪機(jī)的效率提高。

以上的研究、設(shè)計(jì)、制造均以水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪模型參數(shù)及型譜表（圖）為指導(dǎo)，但是在實(shí)際運(yùn)行中，水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪模型參數(shù)及型譜表（圖）往往被當(dāng)做一張廢紙而拋棄，這是因?yàn)槿斯み\(yùn)行的狀態(tài)無法實(shí)現(xiàn)迅速對實(shí)際運(yùn)行參數(shù)和該表（圖）的分析計(jì)算，更無法實(shí)現(xiàn)快速調(diào)節(jié)。而現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)也沒有發(fā)現(xiàn)該表（圖）的重要性。隨著科技發(fā)展，快速、靈活、精準(zhǔn)的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)逐漸呈現(xiàn)在世人面前，水電人逐漸發(fā)現(xiàn)該表（圖）的重要性。如果能夠?qū)崿F(xiàn)以該表（圖）在水電站的實(shí)際設(shè)計(jì)、運(yùn)行中為指導(dǎo)，進(jìn)行隨時調(diào)節(jié)，其效益是巨大的。總之水輪機(jī)最優(yōu)效率運(yùn)行的問題研究就是實(shí)現(xiàn)水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪模型參數(shù)及型譜表（圖）的研究，更是水輪機(jī)非最優(yōu)工況的研究。

三、計(jì)算機(jī)監(jiān)控下的水電站效益提升的理論研究

計(jì)算機(jī)監(jiān)控下的水電站效益提高的辦法是一個系統(tǒng)工程，由以下幾個方面構(gòu)成：

1.以PID原理構(gòu)成水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)

現(xiàn)行的以PID原理構(gòu)成的調(diào)速器只能完成水電站的并網(wǎng)、增減負(fù)荷、正常開停機(jī)及事故停機(jī)。以PID原理構(gòu)成的水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)是現(xiàn)行PID調(diào)速器及以PID原理水輪機(jī)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)構(gòu)成的。在完成以上任務(wù)的同時，完成水輪機(jī)最佳效率點(diǎn)的計(jì)算、選擇、調(diào)節(jié)等任務(wù)。

2.以PID原理構(gòu)成水輪發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)

圖1 水輪機(jī)運(yùn)行曲線圖

現(xiàn)行的數(shù)字式勵磁系統(tǒng)只能完成發(fā)電機(jī)的起勵、勵磁調(diào)節(jié)、滅磁等任務(wù)。以PID原理構(gòu)成的水輪發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)不但能完成以上任務(wù)，同時可以輔助以PID原理構(gòu)成的水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，完成機(jī)組穩(wěn)定。

3.水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控技術(shù)的研究結(jié)果

通過對水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控技術(shù)的研究，可以得出以下結(jié)果：

(1）水輪機(jī)在實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行中可以按照水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪模型圖運(yùn)行，提高水輪機(jī)運(yùn)行整體效率，達(dá)到水電站的精準(zhǔn)運(yùn)行。

計(jì)算機(jī)監(jiān)控下的水電站可以提高水電站的整體效率，使得水輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)特性曲線變寬，運(yùn)行在高效區(qū)的時間變長，如圖1。

(2）在水電站設(shè)計(jì)新建時，可以減小水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪直徑，增加發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速，大大降低水電站一次性水力機(jī)械的投資。

新建水電站時可以減少水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪直徑，提高水輪機(jī)轉(zhuǎn)速，見表1。

四、計(jì)算機(jī)控制下的水電站精確運(yùn)行的技術(shù)推廣

該技術(shù)不但可以應(yīng)用在新建水電站的設(shè)計(jì)中，而且可以推廣到已建成水電站的技術(shù)改造中。我國有許多已建成水電站還沒有進(jìn)行計(jì)算機(jī)監(jiān)控技術(shù)改造，而且在這些電站技術(shù)改造中，若應(yīng)用該技術(shù)則能夠極大地提高水輪機(jī)的運(yùn)行效率，提高水電站的經(jīng)濟(jì)效益，必將激發(fā)已建成水電站的計(jì)算機(jī)監(jiān)控技術(shù)改造的積極性。

表1

五、計(jì)算機(jī)控制下的水電站精確運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)效益

按兩部分進(jìn)行效益分析：

1.對水電站的效益

(1）對水電站運(yùn)行效益的提高：

經(jīng)過分析計(jì)算，采用該項(xiàng)技術(shù)后會使原水輪機(jī)的整體效率提高4.98%。2008年全國水電總發(fā)電量6000億kW?h，若都采用該項(xiàng)技術(shù)將多發(fā)電293億kW?h，增加銷售收入88多億元。

(2）降低水輪機(jī)制造成本對水電站效益的提高：

采用計(jì)算機(jī)控制下的水電站精確運(yùn)行可以提高發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速，提高水輪機(jī)的比轉(zhuǎn)速，降低水輪機(jī)造價，降低廠房尺寸，減少投資。

2.對生產(chǎn)該設(shè)備企業(yè)的效益

全國水電站裝機(jī)容量已經(jīng)達(dá)到1.75億kW，若實(shí)行該項(xiàng)技術(shù)改造，生產(chǎn)該設(shè)備的企業(yè)凈收入按100元/kW計(jì)算，該企業(yè)就可以凈收入175億元。