水輪機自動化控制系統(tǒng)設置與應用

李勇　李明

摘要：水輪機是水力發(fā)電生產(chǎn)的主控設備，水輪機工作狀態(tài)決定著水電站生產(chǎn)效率?；谧詣涌刂萍夹g發(fā)展背景下，水電站開始對水輪機實施自動化升級，利用自動控制技術解決傳統(tǒng)水輪機運行缺陷。文章分析了現(xiàn)階段水輪機組運行存在的問題，總結了水輪機自動化控制發(fā)展趨勢，介紹了自動控制系統(tǒng)在水輪機調(diào)控中的應用方法。

關鍵詞：水輪機；自動化控制系統(tǒng)；水力發(fā)電；主控設備；水電站 文獻標識碼：A

中圖分類號：TP273 文章編號：1009-2374（2015）19-0066-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.19.032

水力發(fā)電是現(xiàn)代電力生產(chǎn)主要方式之一，利用自然水源產(chǎn)生機械能轉變?yōu)殡娔?，為地區(qū)供電使用提供了資源保障。隨著科學技術快速發(fā)展，我國水力發(fā)電工程規(guī)模日趨擴大化，水輪機在發(fā)電系統(tǒng)中的作用更加顯著。同時，自動化控制成為水力發(fā)電的新模式，利用自動控制系統(tǒng)對水輪機組實施綜合調(diào)控，全面提升了機組結構的可操控性。水電站要充分利用自動控制系統(tǒng)優(yōu)勢，建立更先進的水輪機自動化控制平臺。

1 水輪機的構成

水輪機是現(xiàn)代電力生產(chǎn)的主控裝置之一，核心功能是實現(xiàn)能量之間轉換處理，由水能轉變?yōu)闄C械能，為發(fā)電生產(chǎn)提供必要的設備條件。我國水力發(fā)電行業(yè)經(jīng)歷了很長的改革時間，發(fā)展至今，電力行業(yè)開始采用自動化水輪機，用于水電站內(nèi)設備組裝與控制，利用驅(qū)動原理產(chǎn)生電能資源。按照現(xiàn)階段常用水輪機組，其主要由轉子、定子、導軸承、機架、推力軸承、冷卻器、制動器等部分構成。每一個組成部分均有其相對應的功能，共同組裝成了新型水輪機組運行模式，帶動了發(fā)電生產(chǎn)行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

2 水輪機運行存在的問題

水力發(fā)電機是電力生產(chǎn)常用設備，以能量轉換原理為基礎產(chǎn)出能量作為發(fā)電來源，維持了區(qū)域用電生產(chǎn)一體化建設進程。受到主客觀因素影響，水輪機運行期間出現(xiàn)能耗過高現(xiàn)象，導致機組發(fā)電效能達不到預定水平，進而阻礙了發(fā)電廠日常發(fā)電作業(yè)狀態(tài)，不利于區(qū)域用電的最優(yōu)化運行。水輪機能耗過高的原因主要有：

2.1 設備問題

水力水輪機是利用熱能發(fā)電的生產(chǎn)設備，其內(nèi)外結構性能對機組能耗有著直接性的影響，也是阻礙電力生產(chǎn)流程的一大原因。在水電站中，上游水庫中的水經(jīng)引水管引向水輪機，推動水輪機轉輪旋轉，帶動發(fā)電機發(fā)電。設備性能不足會降低能量轉換效率，電氣系統(tǒng)故障會影響水能、機械能、電能的轉換效率，這些都會增加機組的能耗系數(shù)。此外，水電站為了節(jié)約發(fā)電生產(chǎn)成本，配備機組裝置不符合操控要求，發(fā)電高峰期時設備常發(fā)生多種故障，導致水輪機結構性能下降。

2.2 操作問題

除了水輪機設備外，發(fā)電廠日常生產(chǎn)與管理方式也會影響機組能耗，這是不可忽略的客觀因素。首先，值班人員對水輪機的操控技能不足，機組運行階段故障率偏高，阻礙了水力熱能的產(chǎn)出量；其次，電站對機組設備缺少嚴格的管理措施，不注重機組維修、維護，組件磨損、零件老化等問題，同樣對機組能耗有直接影響；最后，設備更新、在線監(jiān)測、故障防護等，對機組能耗系數(shù)均有明顯的影響。例如，作完功的水則通過尾水管道排向下游，水頭越高、流量越大，水輪機的輸出功率也就越大，若值班人員操控不當，很容易引起機組故障。

3 水輪機自動化的發(fā)展趨勢

隨著電力產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，傳統(tǒng)發(fā)電方式與高科技作業(yè)模式存在著明顯差距，建立更加多樣性的發(fā)電生產(chǎn)方案，這是電力企業(yè)新時期改革的重點內(nèi)容。信息技術是發(fā)電控制系統(tǒng)的核心支撐，借助信息科技設定自動化控制系統(tǒng)具有可行性價值，維持了水輪發(fā)電機的穩(wěn)步運行。未來水輪機機組將朝著自動化控制方向發(fā)展，下面結合三種常用水輪機，分析自動化控制的發(fā)展趨勢：

3.1 臥式結構

隨著電力科技不斷發(fā)展，水輪發(fā)電機結構也呈現(xiàn)了多樣化形式，臥式結構機組是比較普遍的形式，沖擊式水輪機是比較普遍的。臥式結構機組多數(shù)選用2～3個軸承，2個軸承機組的軸向長度短，內(nèi)部結構相對緊密，安裝與調(diào)試靈活，但若轉速達不到要求則會增加機組負荷，此時要采用3個軸承機組。當前，臥式機組基本實現(xiàn)了自動化控制改造，由人工智能技術完成相應的調(diào)控人物，利用信號轉換處理器對自然語言、機器語言進行綜合處理，這些都為臥式機組控制創(chuàng)造了有利條件。

3.2 立式結構

近幾年來，國內(nèi)開始研發(fā)各種自主品牌水輪機，堅持以科技創(chuàng)新成果帶動發(fā)電行業(yè)發(fā)展。國產(chǎn)水輪機研發(fā)過程中，多數(shù)選用立式機組結構，這類機組主要由混流式、軸流式水輪機驅(qū)動等，按照不同發(fā)電方案要求進行選擇，這些都可以幫助機組發(fā)揮出預期的操控效果。在信息科技成果推動下，立式結構機組開始以自動控制為中心，以智能控制系統(tǒng)為調(diào)度中心，用智能機器人取代人工操作。人工智能技術實現(xiàn)了操控中心的一體化，為區(qū)域調(diào)度控制提供多元化平臺，滿足了水力發(fā)電機組作業(yè)要求。

3.3 貫流式結構

水輪機自動化改造是行業(yè)科技趨勢，也是促進發(fā)電行業(yè)結構調(diào)整的有效方式，這些都有助于控制系統(tǒng)功能升級與改造。針對機組存在的功能性缺失問題，貫流式結構也必須實施綜合改造與調(diào)整。貫流式發(fā)電機機組以水輪機驅(qū)動為中心，配備了軸流式水輪機作為控制中心，這類機組具有可調(diào)度性，在中小型或低位水電站中得到普遍應用。顯示器貫流式機組也開始進行多功能調(diào)節(jié)，利用智能技術完成發(fā)電系統(tǒng)的一體化改造，為中小型水電站智能改造提供了技術支撐。

4 水輪機自動化系統(tǒng)的設置與應用

水力發(fā)電是現(xiàn)代電力生產(chǎn)方式之一，利用水運動產(chǎn)出機械能后轉變?yōu)殡娔?，保持地區(qū)供電運輸作業(yè)的穩(wěn)定性。水輪機是水力發(fā)電的核心設備，其能耗系數(shù)不僅關系著電廠運營收益，也影響著地區(qū)實際供配電效率。為了避免能耗過高帶來的不利影響，可根據(jù)實際情況對水輪機實施節(jié)能改造，創(chuàng)建更加優(yōu)越的水力發(fā)電生產(chǎn)環(huán)境。

4.1 電機控制endprint

自動化控制是人與計算機之間傳遞、交換信息的媒介和對話接口，是計算機系統(tǒng)的重要組成部分。電氣控制主要包括電壓調(diào)節(jié)裝置、過載、短路保護單元和電壓調(diào)節(jié)器等。我國水利發(fā)電已經(jīng)實現(xiàn)了人工一體化方式，用機器取代人工操作適應了多功能平臺要求，降低了人工發(fā)電控制的難度。機械設備是水力發(fā)電控制的主要設備，利用大、中、小型等可控制設備為中心，配合電氣系統(tǒng)完成自動化操作。

4.2 柴油機控制

主要由啟動、停機操作、電子調(diào)節(jié)器及液晶顯示模塊等部分組成，實現(xiàn)對柴油機的工作狀態(tài)進行監(jiān)控。發(fā)電機電系統(tǒng)技術綜合了各項科技成果，將計算機技術、傳感技術、通信技術等相互融通，構建了更為穩(wěn)定的機電作業(yè)平臺，協(xié)調(diào)了水輪發(fā)電機組系統(tǒng)內(nèi)部元件之間的平衡性，深入挖掘人機界面的可利用功能。此外，系統(tǒng)技術具有延續(xù)性特點，能按照水電站生產(chǎn)體系制定出不同的方案。

4.3 微機控制

該部分是柴油發(fā)電機組自動控制的核心，主要由主機控制單元、信號檢測單元、功率驅(qū)動單元、參數(shù)顯示單元和電源單元等組成。并非所有水電站發(fā)電都是直接啟動運行，所有水輪發(fā)電機設備正式運行前都要經(jīng)過詳細的組裝與調(diào)試，為自動發(fā)電控制創(chuàng)造良好的工作環(huán)境，實現(xiàn)了發(fā)電數(shù)字的一體化調(diào)控。自動控制技術以仿真技術理論為指導，從實踐中優(yōu)化了系統(tǒng)控制結構層，進而帶動人機界面控制的多功能特點。

4.4 數(shù)字控制

“數(shù)字化”控制是水輪發(fā)電機自動化發(fā)展趨勢，以數(shù)字信號為轉換中心，借助計算機應用技術完成原始數(shù)據(jù)處理，提升了發(fā)電機數(shù)據(jù)處理的速率。數(shù)字技術由智能計算機參與控制，按照水電站分布及結構特點，設定了相對穩(wěn)定的作業(yè)體系，在無需人工參與控制條件下實現(xiàn)了一體化生產(chǎn)，值班人員可根據(jù)井內(nèi)實況選擇技術方案參與生產(chǎn)。

5 結語

水力發(fā)電是電能生產(chǎn)的主要模式之一，為區(qū)域用電規(guī)劃建立了能源供應體系。水輪機是水力發(fā)電系統(tǒng)的核心部分，其功能狀態(tài)決定著水電站發(fā)電效率，關系著廣大用戶日常用電質(zhì)量水平。從安全生產(chǎn)角度來說，企業(yè)要建立科技化機組調(diào)度方案，解決傳統(tǒng)人工操控模式的種種不足。自動化控制系統(tǒng)是水輪機改造的必然產(chǎn)物，廣泛采用數(shù)字技術、智能技術、遠程技術等輔助設備運行，幫助水輪機組實現(xiàn)功能性改造，這也標志著未來水力發(fā)電行業(yè)的科技化發(fā)展趨勢。

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作者簡介：李勇（1980-），男（苗族），鳳灘水力發(fā)電廠高級工，助理工程師，研究方向：水力發(fā)電運行；李明（1987-），男（土家族），鳳灘水力發(fā)電廠高級工，助理工程師，研究方向：水力發(fā)電運行。

（責任編輯：陳 倩）endprint