水輪機(jī)自動(dòng)化控制系統(tǒng)設(shè)置與應(yīng)用

李勇　李明

摘要：水輪機(jī)是水力發(fā)電生產(chǎn)的主控設(shè)備，水輪機(jī)工作狀態(tài)決定著水電站生產(chǎn)效率。基于自動(dòng)控制技術(shù)發(fā)展背景下，水電站開(kāi)始對(duì)水輪機(jī)實(shí)施自動(dòng)化升級(jí)，利用自動(dòng)控制技術(shù)解決傳統(tǒng)水輪機(jī)運(yùn)行缺陷。文章分析了現(xiàn)階段水輪機(jī)組運(yùn)行存在的問(wèn)題，總結(jié)了水輪機(jī)自動(dòng)化控制發(fā)展趨勢(shì)，介紹了自動(dòng)控制系統(tǒng)在水輪機(jī)調(diào)控中的應(yīng)用方法。

關(guān)鍵詞：水輪機(jī)；自動(dòng)化控制系統(tǒng)；水力發(fā)電；主控設(shè)備；水電站 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TP273 文章編號(hào)：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(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽瑸榈貐^(qū)供電使用提供了資源保障。隨著科學(xué)技術(shù)快速發(fā)展，我國(guó)水力發(fā)電工程規(guī)模日趨擴(kuò)大化，水輪機(jī)在發(fā)電系統(tǒng)中的作用更加顯著。同時(shí)，自動(dòng)化控制成為水力發(fā)電的新模式，利用自動(dòng)控制系統(tǒng)對(duì)水輪機(jī)組實(shí)施綜合調(diào)控，全面提升了機(jī)組結(jié)構(gòu)的可操控性。水電站要充分利用自動(dòng)控制系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)，建立更先進(jìn)的水輪機(jī)自動(dòng)化控制平臺(tái)。

1 水輪機(jī)的構(gòu)成

水輪機(jī)是現(xiàn)代電力生產(chǎn)的主控裝置之一，核心功能是實(shí)現(xiàn)能量之間轉(zhuǎn)換處理，由水能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，為發(fā)電生產(chǎn)提供必要的設(shè)備條件。我國(guó)水力發(fā)電行業(yè)經(jīng)歷了很長(zhǎng)的改革時(shí)間，發(fā)展至今，電力行業(yè)開(kāi)始采用自動(dòng)化水輪機(jī)，用于水電站內(nèi)設(shè)備組裝與控制，利用驅(qū)動(dòng)原理產(chǎn)生電能資源。按照現(xiàn)階段常用水輪機(jī)組，其主要由轉(zhuǎn)子、定子、導(dǎo)軸承、機(jī)架、推力軸承、冷卻器、制動(dòng)器等部分構(gòu)成。每一個(gè)組成部分均有其相對(duì)應(yīng)的功能，共同組裝成了新型水輪機(jī)組運(yùn)行模式，帶動(dòng)了發(fā)電生產(chǎn)行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

2 水輪機(jī)運(yùn)行存在的問(wèn)題

水力發(fā)電機(jī)是電力生產(chǎn)常用設(shè)備，以能量轉(zhuǎn)換原理為基礎(chǔ)產(chǎn)出能量作為發(fā)電來(lái)源，維持了區(qū)域用電生產(chǎn)一體化建設(shè)進(jìn)程。受到主客觀因素影響，水輪機(jī)運(yùn)行期間出現(xiàn)能耗過(guò)高現(xiàn)象，導(dǎo)致機(jī)組發(fā)電效能達(dá)不到預(yù)定水平，進(jìn)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(yùn)行。水輪機(jī)能耗過(guò)高的原因主要有：

2.1 設(shè)備問(wèn)題

水力水輪機(jī)是利用熱能發(fā)電的生產(chǎn)設(shè)備，其內(nèi)外結(jié)構(gòu)性能對(duì)機(jī)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(kù)中的水經(jīng)引水管引向水輪機(jī)，推動(dòng)水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。設(shè)備性能不足會(huì)降低能量轉(zhuǎn)換效率，電氣系統(tǒng)故障會(huì)影響水能、機(jī)械能、電能的轉(zhuǎn)換效率，這些都會(huì)增加機(jī)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(jī)組裝置不符合操控要求，發(fā)電高峰期時(shí)設(shè)備常發(fā)生多種故障，導(dǎo)致水輪機(jī)結(jié)構(gòu)性能下降。

2.2 操作問(wèn)題

除了水輪機(jī)設(shè)備外，發(fā)電廠日常生產(chǎn)與管理方式也會(huì)影響機(jī)組能耗，這是不可忽略的客觀因素。首先，值班人員對(duì)水輪機(jī)的操控技能不足，機(jī)組運(yùn)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(duì)機(jī)組設(shè)備缺少嚴(yán)格的管理措施，不注重機(jī)組維修、維護(hù)，組件磨損、零件老化等問(wèn)題，同樣對(duì)機(jī)組能耗有直接影響；最后，設(shè)備更新、在線監(jiān)測(cè)、故障防護(hù)等，對(duì)機(jī)組能耗系數(shù)均有明顯的影響。例如，作完功的水則通過(guò)尾水管道排向下游，水頭越高、流量越大，水輪機(jī)的輸出功率也就越大，若值班人員操控不當(dāng)，很容易引起機(jī)組故障。

3 水輪機(jī)自動(dòng)化的發(fā)展趨勢(shì)

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(shí)期改革的重點(diǎn)內(nèi)容。信息技術(shù)是發(fā)電控制系統(tǒng)的核心支撐，借助信息科技設(shè)定自動(dòng)化控制系統(tǒng)具有可行性價(jià)值，維持了水輪發(fā)電機(jī)的穩(wěn)步運(yùn)行。未來(lái)水輪機(jī)機(jī)組將朝著自動(dòng)化控制方向發(fā)展，下面結(jié)合三種常用水輪機(jī)，分析自動(dòng)化控制的發(fā)展趨勢(shì)：

3.1 臥式結(jié)構(gòu)

隨著電力科技不斷發(fā)展，水輪發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)也呈現(xiàn)了多樣化形式，臥式結(jié)構(gòu)機(jī)組是比較普遍的形式，沖擊式水輪機(jī)是比較普遍的。臥式結(jié)構(gòu)機(jī)組多數(shù)選用2～3個(gè)軸承，2個(gè)軸承機(jī)組的軸向長(zhǎng)度短，內(nèi)部結(jié)構(gòu)相對(duì)緊密，安裝與調(diào)試靈活，但若轉(zhuǎn)速達(dá)不到要求則會(huì)增加機(jī)組負(fù)荷，此時(shí)要采用3個(gè)軸承機(jī)組。當(dāng)前，臥式機(jī)組基本實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化控制改造，由人工智能技術(shù)完成相應(yīng)的調(diào)控人物，利用信號(hào)轉(zhuǎn)換處理器對(duì)自然語(yǔ)言、機(jī)器語(yǔ)言進(jìn)行綜合處理，這些都為臥式機(jī)組控制創(chuàng)造了有利條件。

3.2 立式結(jié)構(gòu)

近幾年來(lái)，國(guó)內(nèi)開(kāi)始研發(fā)各種自主品牌水輪機(jī)，堅(jiān)持以科技創(chuàng)新成果帶動(dòng)發(fā)電行業(yè)發(fā)展。國(guó)產(chǎn)水輪機(jī)研發(fā)過(guò)程中，多數(shù)選用立式機(jī)組結(jié)構(gòu)，這類機(jī)組主要由混流式、軸流式水輪機(jī)驅(qū)動(dòng)等，按照不同發(fā)電方案要求進(jìn)行選擇，這些都可以幫助機(jī)組發(fā)揮出預(yù)期的操控效果。在信息科技成果推動(dòng)下，立式結(jié)構(gòu)機(jī)組開(kāi)始以自動(dòng)控制為中心，以智能控制系統(tǒng)為調(diào)度中心，用智能機(jī)器人取代人工操作。人工智能技術(shù)實(shí)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(tái)，滿足了水力發(fā)電機(jī)組作業(yè)要求。

3.3 貫流式結(jié)構(gòu)

水輪機(jī)自動(dòng)化改造是行業(yè)科技趨勢(shì)，也是促進(jìn)發(fā)電行業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整的有效方式，這些都有助于控制系統(tǒng)功能升級(jí)與改造。針對(duì)機(jī)組存在的功能性缺失問(wèn)題，貫流式結(jié)構(gòu)也必須實(shí)施綜合改造與調(diào)整。貫流式發(fā)電機(jī)機(jī)組以水輪機(jī)驅(qū)動(dòng)為中心，配備了軸流式水輪機(jī)作為控制中心，這類機(jī)組具有可調(diào)度性，在中小型或低位水電站中得到普遍應(yīng)用。顯示器貫流式機(jī)組也開(kāi)始進(jìn)行多功能調(diào)節(jié)，利用智能技術(shù)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(shù)支撐。

4 水輪機(jī)自動(dòng)化系統(tǒng)的設(shè)置與應(yīng)用

水力發(fā)電是現(xiàn)代電力生產(chǎn)方式之一，利用水運(yùn)動(dòng)產(chǎn)出機(jī)械能后轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽３值貐^(qū)供電運(yùn)輸作業(yè)的穩(wěn)定性。水輪機(jī)是水力發(fā)電的核心設(shè)備，其能耗系數(shù)不僅關(guān)系著電廠運(yùn)營(yíng)收益，也影響著地區(qū)實(shí)際供配電效率。為了避免能耗過(guò)高帶來(lái)的不利影響，可根據(jù)實(shí)際情況對(duì)水輪機(jī)實(shí)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(jī)控制endprint

自動(dòng)化控制是人與計(jì)算機(jī)之間傳遞、交換信息的媒介和對(duì)話接口，是計(jì)算機(jī)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(guò)載、短路保護(hù)單元和電壓調(diào)節(jié)器等。我國(guó)水利發(fā)電已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了人工一體化方式，用機(jī)器取代人工操作適應(yīng)了多功能平臺(tái)要求，降低了人工發(fā)電控制的難度。機(jī)械設(shè)備是水力發(fā)電控制的主要設(shè)備，利用大、中、小型等可控制設(shè)備為中心，配合電氣系統(tǒng)完成自動(dòng)化操作。

4.2 柴油機(jī)控制

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

4.3 微機(jī)控制

該部分是柴油發(fā)電機(jī)組自動(dòng)控制的核心，主要由主機(jī)控制單元、信號(hào)檢測(cè)單元、功率驅(qū)動(dòng)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(dòng)運(yùn)行，所有水輪發(fā)電機(jī)設(shè)備正式運(yùn)行前都要經(jīng)過(guò)詳細(xì)的組裝與調(diào)試，為自動(dòng)發(fā)電控制創(chuàng)造良好的工作環(huán)境，實(shí)現(xiàn)了發(fā)電數(shù)字的一體化調(diào)控。自動(dòng)控制技術(shù)以仿真技術(shù)理論為指導(dǎo)，從實(shí)踐中優(yōu)化了系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)層，進(jìn)而帶動(dòng)人機(jī)界面控制的多功能特點(diǎn)。

4.4 數(shù)字控制

“數(shù)字化”控制是水輪發(fā)電機(jī)自動(dòng)化發(fā)展趨勢(shì)，以數(shù)字信號(hào)為轉(zhuǎn)換中心，借助計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)完成原始數(shù)據(jù)處理，提升了發(fā)電機(jī)數(shù)據(jù)處理的速率。數(shù)字技術(shù)由智能計(jì)算機(jī)參與控制，按照水電站分布及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)定了相對(duì)穩(wěn)定的作業(yè)體系，在無(wú)需人工參與控制條件下實(shí)現(xiàn)了一體化生產(chǎn)，值班人員可根據(jù)井內(nèi)實(shí)況選擇技術(shù)方案參與生產(chǎn)。

5 結(jié)語(yǔ)

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(yīng)體系。水輪機(jī)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(guān)系著廣大用戶日常用電質(zhì)量水平。從安全生產(chǎn)角度來(lái)說(shuō)，企業(yè)要建立科技化機(jī)組調(diào)度方案，解決傳統(tǒng)人工操控模式的種種不足。自動(dòng)化控制系統(tǒng)是水輪機(jī)改造的必然產(chǎn)物，廣泛采用數(shù)字技術(shù)、智能技術(shù)、遠(yuǎn)程技術(shù)等輔助設(shè)備運(yùn)行，幫助水輪機(jī)組實(shí)現(xiàn)功能性改造，這也標(biāo)志著未來(lái)水力發(fā)電行業(yè)的科技化發(fā)展趨勢(shì)。

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作者簡(jiǎn)介：李勇（1980-），男（苗族），鳳灘水力發(fā)電廠高級(jí)工，助理工程師，研究方向：水力發(fā)電運(yùn)行；李明（1987-），男（土家族），鳳灘水力發(fā)電廠高級(jí)工，助理工程師，研究方向：水力發(fā)電運(yùn)行。

（責(zé)任編輯：陳 倩）endprint