水電站增效擴(kuò)容中自動(dòng)化系統(tǒng)改造的實(shí)際應(yīng)用

趙艷波

摘 要：社會(huì)的發(fā)展與科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，自動(dòng)化在各行各業(yè)得到廣泛推廣。原水電站隨著時(shí)間的推移，已經(jīng)無(wú)法滿足現(xiàn)代化水電站的運(yùn)行需要?；诖?，本文從分析水電站改造現(xiàn)狀，詳細(xì)論述水電站增效擴(kuò)容中自動(dòng)化系統(tǒng)改造的實(shí)際應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：水電站;增效擴(kuò)容;自動(dòng)化系統(tǒng);實(shí)際應(yīng)用

隨著電站運(yùn)行年限的增長(zhǎng)，水電站出現(xiàn)不同程度的老化。其中水電站因?yàn)闀r(shí)間過(guò)長(zhǎng)，嚴(yán)重影響機(jī)組運(yùn)行效率。水電站的機(jī)電設(shè)備和金屬結(jié)構(gòu)的折舊率較高，產(chǎn)生的故障也比較頻繁。科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，促使水電站進(jìn)行增效擴(kuò)容自動(dòng)化改造，可以提高機(jī)組的安全運(yùn)行效率。通過(guò)增效擴(kuò)容自動(dòng)化改造后，機(jī)組裝機(jī)容量增大，變壓器擴(kuò)大接線的方式，具有更大的容量和電網(wǎng)相連接。

一、水電站系統(tǒng)改造現(xiàn)狀

（一）機(jī)組運(yùn)行效率下降，存在安全隱患。

電站機(jī)組運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng)，部分設(shè)備老化現(xiàn)象嚴(yán)重，并且整體機(jī)組運(yùn)行性能嚴(yán)重下降，導(dǎo)致水電站故障頻頻發(fā)生。與此同時(shí)，發(fā)電機(jī)的線棒隨著時(shí)間的增長(zhǎng)老化程度較為嚴(yán)重，進(jìn)而影響電阻機(jī)組的正常運(yùn)行，造成機(jī)組運(yùn)行效率低下，已經(jīng)無(wú)法達(dá)到當(dāng)時(shí)設(shè)計(jì)的額定出力。

（二）機(jī)組配套設(shè)備過(guò)于陳舊，影響自動(dòng)化效果。

在進(jìn)行水電站建設(shè)之初，采用的水輪機(jī)調(diào)速器為較低的配置。在機(jī)組正常運(yùn)行過(guò)程中，出現(xiàn)嚴(yán)重的反應(yīng)遲鈍，精度不準(zhǔn)確。同時(shí)因?yàn)橐簤涸霈F(xiàn)卡阻，嚴(yán)重造成機(jī)組漏油，耗油量較大。這種落后的技術(shù)，嚴(yán)重制約了自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展。例如，某發(fā)電站，采用的是KGLF31-I系統(tǒng)，這種過(guò)時(shí)的系統(tǒng)，自動(dòng)化程度較低，整體運(yùn)行調(diào)節(jié)反應(yīng)速度過(guò)慢，并且壽命周期較短[1]。最后，容易造成水電站事故的發(fā)生。當(dāng)機(jī)組超負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，其設(shè)備功率達(dá)不到額定范圍值，機(jī)組輔助設(shè)備老化失效現(xiàn)象較為嚴(yán)重，需要依靠手動(dòng)進(jìn)行控制操作。

（三）電氣設(shè)備運(yùn)行效率低下

水電站中機(jī)組的安全運(yùn)行至關(guān)重要，其中水輪機(jī)、調(diào)速系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)、變壓器是水電站的關(guān)鍵電氣設(shè)備。因?yàn)殚L(zhǎng)時(shí)間的超負(fù)荷運(yùn)作，導(dǎo)致電氣設(shè)備運(yùn)行效率低下。水電站因?yàn)殚L(zhǎng)時(shí)間沒(méi)有更換水輪機(jī)，導(dǎo)致主軸密封出現(xiàn)漏水嚴(yán)重現(xiàn)象，軸承出現(xiàn)瓦溫較高的現(xiàn)象，進(jìn)而造成機(jī)組效率較低出現(xiàn)安全隱患?？茖W(xué)技術(shù)的發(fā)展提高了調(diào)速器的整體性能，傳統(tǒng)技術(shù)的調(diào)速器已經(jīng)無(wú)法滿足自動(dòng)化系統(tǒng)的需要，在進(jìn)行機(jī)組開(kāi)停機(jī)和負(fù)荷調(diào)節(jié)時(shí)無(wú)法跟上參數(shù)變化。傳統(tǒng)的調(diào)速器反饋周期較長(zhǎng)，其可靠性能較差，設(shè)備故障頻頻發(fā)生。發(fā)電機(jī)長(zhǎng)期使用造成絕緣水平下降，運(yùn)行效率低下絕緣效果降低，發(fā)電機(jī)的長(zhǎng)期超負(fù)荷運(yùn)行，增加發(fā)電機(jī)的維護(hù)工作，造成水電站整體運(yùn)行費(fèi)用上漲。近年來(lái)科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步帶動(dòng)各個(gè)領(lǐng)域的更新?lián)Q代，其中對(duì)于變壓器，國(guó)家相關(guān)部門規(guī)定高耗能的變壓器必須要更新為低耗能變壓器。

（四）水電站監(jiān)控失效嚴(yán)重

原水電站一般采用布線監(jiān)控的方式，涉及的二次回路線路較為繁瑣。原來(lái)的自動(dòng)控制功能因?yàn)樵p壞嚴(yán)重，市場(chǎng)上沒(méi)有可以進(jìn)行匹配更換的部件，進(jìn)而導(dǎo)致自動(dòng)控制基礎(chǔ)是失效的狀態(tài)。電磁繼電保護(hù)也出現(xiàn)位置不準(zhǔn)確的現(xiàn)象，嚴(yán)重影響主設(shè)備的安全。

二、水電站增效擴(kuò)容中自動(dòng)化系統(tǒng)改造與實(shí)施

（一）水電站主設(shè)備改造實(shí)施

水電站在進(jìn)行增效擴(kuò)容自動(dòng)化改造之前需要對(duì)大壩進(jìn)行除險(xiǎn)加固操作，保證水庫(kù)壩高和水庫(kù)設(shè)計(jì)水位沒(méi)有發(fā)生變化。最后確定水輪機(jī)改造中運(yùn)行參數(shù)沒(méi)有變化。經(jīng)過(guò)市場(chǎng)反饋調(diào)查，選擇型號(hào)為HLIF3635D-WJ-73型號(hào)的轉(zhuǎn)輪更換原來(lái)的轉(zhuǎn)輪[2]。新的轉(zhuǎn)輪使用的是不銹鋼的材料制作。水轉(zhuǎn)輪在進(jìn)行制作中，采用的是模具數(shù)控機(jī)床加工定型，需要保留原水輪機(jī)大軸不用更換，新轉(zhuǎn)輪需要匹配原來(lái)銷釘?shù)奈恢谩＝?jīng)過(guò)水輪機(jī)的一系列的改造，能夠提高水輪機(jī)的運(yùn)行效率，新的水輪機(jī)能夠保證效率不低于90%，同時(shí)水輪運(yùn)行出力能夠達(dá)到700多kW，在原有基礎(chǔ)上增加較為明顯，促使水輪機(jī)增效。水輪機(jī)涉及封水面的位置采取鋪焊加工工藝，達(dá)到水電站驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。除了水輪機(jī)需要進(jìn)行必要更換，為了保證水電站自動(dòng)化系統(tǒng)的可靠性，還要對(duì)一些主設(shè)備進(jìn)行更換。如圖1

（二）水電站調(diào)速控制系統(tǒng)改造實(shí)施

隨著年限的延長(zhǎng)，調(diào)速器控制系統(tǒng)使用年限較長(zhǎng)，造成調(diào)速器的自動(dòng)化程度逐漸變低。調(diào)速控制系統(tǒng)已經(jīng)出現(xiàn)開(kāi)啟關(guān)閉時(shí)不適應(yīng)電網(wǎng)的調(diào)度，其超負(fù)荷運(yùn)行無(wú)法滿足水電站的自動(dòng)控制使用。與此同時(shí)，為保證增效擴(kuò)容后的運(yùn)行安全，還需要為每臺(tái)機(jī)組配備一臺(tái)型號(hào)為GYWT-600微機(jī)型調(diào)速器[3]。此調(diào)速器又為電氣柜、機(jī)械柜，同時(shí)也是油壓裝置，能夠保證機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行。能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)開(kāi)停機(jī)，有效進(jìn)行增減負(fù)荷。還能實(shí)現(xiàn)主動(dòng)采集運(yùn)行參數(shù)，出現(xiàn)故障自動(dòng)換成手動(dòng)工作狀態(tài)，自動(dòng)發(fā)出報(bào)警。

（三）水電站監(jiān)控系統(tǒng)改造

水電站自動(dòng)化系統(tǒng)操控，需要準(zhǔn)確監(jiān)控各個(gè)機(jī)組的運(yùn)行情況，實(shí)時(shí)掌握各個(gè)機(jī)組的運(yùn)行參數(shù)。當(dāng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)和設(shè)置參數(shù)不一致時(shí)，會(huì)發(fā)出報(bào)警提示。監(jiān)控系統(tǒng)會(huì)定時(shí)生成報(bào)表，主要內(nèi)容為各機(jī)組的運(yùn)行狀況。

1.水電站監(jiān)控系統(tǒng)主要構(gòu)成

水電站主要網(wǎng)絡(luò)布置分為兩層，其中上層為電站層，直接控制各個(gè)機(jī)組的運(yùn)行，又稱控制層。通過(guò)電站層能夠直觀了解各個(gè)機(jī)組的運(yùn)行狀況，為計(jì)算機(jī)直接提供各個(gè)機(jī)組的運(yùn)行數(shù)據(jù)。下層又稱機(jī)組控制層，其中包括LCU控制。監(jiān)控管理計(jì)算機(jī)控制各個(gè)單元的LCU，各個(gè)機(jī)組圖2計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)圖

的操控、信號(hào)指示以及測(cè)量操作都是經(jīng)過(guò)LCU每個(gè)小單元實(shí)現(xiàn)。而上級(jí)和下級(jí)操控層的聯(lián)系主要通過(guò)PLC實(shí)現(xiàn)傳遞，PLC能夠?qū)⒏鱾€(gè)運(yùn)行參數(shù)傳遞給上位機(jī)，進(jìn)而傳遞給LCU實(shí)現(xiàn)機(jī)組的控制。圖2 為計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)圖。

2.水電站基礎(chǔ)層系統(tǒng)改造設(shè)計(jì)

計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)基礎(chǔ)層主要為L(zhǎng)CU的結(jié)構(gòu)和功能，其中主要分為PLC、現(xiàn)場(chǎng)傳感器等。水電站在進(jìn)行基礎(chǔ)層單元配套時(shí)，一般將LCU分為五部分進(jìn)行控制。其中4套用于控制水電站機(jī)組運(yùn)行，起到監(jiān)控的作用。其系統(tǒng)能夠自主進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，根據(jù)指令進(jìn)行自動(dòng)化操作。經(jīng)過(guò)一系列自動(dòng)化系統(tǒng)操作，最終將數(shù)據(jù)呈遞到上級(jí)控制層。最后一套公用LCU進(jìn)行控制其他水電站的設(shè)備，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制操作。

3.水電站電站層系統(tǒng)改造設(shè)計(jì)

整個(gè)水電站的自動(dòng)化控制為電站層，主要起到監(jiān)控和保護(hù)的作用。其中監(jiān)控的效果是及時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行收集處理，具有中央控制的重要作用。另一個(gè)保護(hù)作用是針對(duì)水電站的特殊情況對(duì)系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行保護(hù)操作。比如，變壓器超負(fù)荷工作保護(hù)。

4.水電站控制系統(tǒng)的改造實(shí)施

水電站控制系統(tǒng)的改造中需要了解原水電站元件的設(shè)計(jì)使用情況，針對(duì)原來(lái)的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)進(jìn)行改造實(shí)施。比如，原來(lái)水電站使用的為電磁式繼電器控制發(fā)電運(yùn)行。隨著時(shí)間的改變，造成屏柜和繼電器發(fā)生老化。這樣造成自動(dòng)化水平嚴(yán)重降低。科學(xué)技術(shù)促使二次保護(hù)控制元件已經(jīng)不適應(yīng)水電站的發(fā)展需要，也不適應(yīng)現(xiàn)代化企業(yè)的管理。本次水電站的增效擴(kuò)容自動(dòng)化改造中，需要采取最新的控制方案。比如，上面提到的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，是現(xiàn)代水電站改造中常用的監(jiān)控系統(tǒng)，這種自動(dòng)化系統(tǒng)能夠達(dá)到無(wú)人值班操控的效果。

在進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)操作過(guò)程中，觸摸屏應(yīng)該采用高性能的PLC。系統(tǒng)控制中，主控制級(jí)實(shí)現(xiàn)全站遠(yuǎn)方控制和操作，能夠顯示各個(gè)機(jī)組及設(shè)備的信號(hào)指示。同時(shí)計(jì)算機(jī)主控制系統(tǒng)還能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)處理和打印功能，實(shí)現(xiàn)全水電站的監(jiān)控功能。水電站通過(guò)自動(dòng)化運(yùn)作，最終實(shí)現(xiàn)集中控制各個(gè)水機(jī)組。

在進(jìn)行水電站增效擴(kuò)容自動(dòng)化改造中，需要在監(jiān)控裝置上安裝液晶顯示器，方便技術(shù)人員操作和跟蹤各個(gè)電站運(yùn)行參數(shù)情況[4]。監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化操作，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)和記錄機(jī)組的異常工況，便于技術(shù)人員進(jìn)行分析。

5.水電站其他機(jī)組設(shè)備改造

為了實(shí)現(xiàn)水電站增效擴(kuò)容的最佳效果，需要進(jìn)行繼電保護(hù)和二次接線改造實(shí)施。此次水電站系統(tǒng)自動(dòng)化改造，主要采用安全自動(dòng)裝置。在選取微機(jī)型裝置時(shí)，需要選擇高性能的CPU。這種裝置具有高效能的數(shù)據(jù)處理能力，具有運(yùn)行速度較快、測(cè)量精度較高等特點(diǎn)。

原水電站的電源技術(shù)已經(jīng)出現(xiàn)老化等現(xiàn)象，并且拿到現(xiàn)在使用，技術(shù)過(guò)于落后，已經(jīng)無(wú)法適應(yīng)改造后設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。為了保證整個(gè)計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的正常高速運(yùn)行，需要重新進(jìn)行直流系統(tǒng)的配置。各行各業(yè)技術(shù)的不斷進(jìn)步，設(shè)備的不斷更新?lián)Q代，選擇高配置的直流系統(tǒng)，滿足計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行。比如，直流系統(tǒng)配置一套100AH/220V的微機(jī)自控高頻開(kāi)關(guān)直流系統(tǒng)，蓄電池選擇鉛酸蓄電池。水電站高頻運(yùn)行的部分采取智能型的蓄電池。進(jìn)而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)能夠及時(shí)處理，不用擔(dān)心因?yàn)橹绷飨到y(tǒng)出現(xiàn)故障而導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失。

三、總結(jié)

隨著時(shí)間的推移，原有水電站出現(xiàn)老化嚴(yán)重，一些元件無(wú)法正常運(yùn)行等現(xiàn)象。在進(jìn)行水電站自動(dòng)化改造中，為了保證各個(gè)電站系統(tǒng)相互協(xié)調(diào)，能夠更好銜接運(yùn)作，需要對(duì)原水電站一些機(jī)組設(shè)備進(jìn)行了解。一旦元件和機(jī)組出現(xiàn)排斥現(xiàn)象，會(huì)導(dǎo)致自動(dòng)化改造設(shè)計(jì)失敗。水電站自動(dòng)化改造工程能夠淘汰落后的技術(shù)和設(shè)備，實(shí)現(xiàn)水電站系統(tǒng)自動(dòng)化運(yùn)轉(zhuǎn)，提高水電站的整體安全性能。

參考文獻(xiàn)：

[1]許珍玲.小水電站機(jī)組綜合自動(dòng)化系統(tǒng)改造[J].山東工業(yè)技術(shù)，2016（9）：292.

[2]周濤， 陳韶光， 胡華麗. 老舊小水電站增效擴(kuò)容的自動(dòng)化改造——以所略一級(jí)水電站為例[J]. 裝備制造技術(shù)， 2017（3）：93-96.

[3]蔡青長(zhǎng). 監(jiān)控系統(tǒng)在水電站增效擴(kuò)容改造中的應(yīng)用[J]. 河南水利與南水北調(diào)， 2016（08）：38-39.

[4]李濤. 基于節(jié)能性要求的水電站增效擴(kuò)容改造方法[J]. 黑龍江水利科技， 2019， 47（04）：64-66.