水電站增效擴容中自動化系統改造的實際應用

趙艷波

摘 要：社會的發展與科學技術的進步，自動化在各行各業得到廣泛推廣。原水電站隨著時間的推移，已經無法滿足現代化水電站的運行需要。基于此，本文從分析水電站改造現狀，詳細論述水電站增效擴容中自動化系統改造的實際應用。

關鍵詞：水電站;增效擴容;自動化系統;實際應用

隨著電站運行年限的增長，水電站出現不同程度的老化。其中水電站因為時間過長，嚴重影響機組運行效率。水電站的機電設備和金屬結構的折舊率較高，產生的故障也比較頻繁。科學技術的進步，促使水電站進行增效擴容自動化改造，可以提高機組的安全運行效率。通過增效擴容自動化改造后，機組裝機容量增大，變壓器擴大接線的方式，具有更大的容量和電網相連接。

一、水電站系統改造現狀

（一）機組運行效率下降，存在安全隱患。

電站機組運行時間較長，部分設備老化現象嚴重，并且整體機組運行性能嚴重下降，導致水電站故障頻頻發生。與此同時，發電機的線棒隨著時間的增長老化程度較為嚴重，進而影響電阻機組的正常運行，造成機組運行效率低下，已經無法達到當時設計的額定出力。

（二）機組配套設備過于陳舊，影響自動化效果。

在進行水電站建設之初，采用的水輪機調速器為較低的配置。在機組正常運行過程中，出現嚴重的反應遲鈍，精度不準確。同時因為液壓元件出現卡阻，嚴重造成機組漏油，耗油量較大。這種落后的技術，嚴重制約了自動化技術的發展。例如，某發電站，采用的是KGLF31-I系統，這種過時的系統，自動化程度較低，整體運行調節反應速度過慢，并且壽命周期較短[1]。最后，容易造成水電站事故的發生。當機組超負荷運行時，其設備功率達不到額定范圍值，機組輔助設備老化失效現象較為嚴重，需要依靠手動進行控制操作。

（三）電氣設備運行效率低下

水電站中機組的安全運行至關重要，其中水輪機、調速系統、發電機、變壓器是水電站的關鍵電氣設備。因為長時間的超負荷運作，導致電氣設備運行效率低下。水電站因為長時間沒有更換水輪機，導致主軸密封出現漏水嚴重現象，軸承出現瓦溫較高的現象，進而造成機組效率較低出現安全隱患。科學技術的發展提高了調速器的整體性能，傳統技術的調速器已經無法滿足自動化系統的需要，在進行機組開停機和負荷調節時無法跟上參數變化。傳統的調速器反饋周期較長，其可靠性能較差，設備故障頻頻發生。發電機長期使用造成絕緣水平下降，運行效率低下絕緣效果降低，發電機的長期超負荷運行，增加發電機的維護工作，造成水電站整體運行費用上漲。近年來科學技術的進步帶動各個領域的更新換代，其中對于變壓器，國家相關部門規定高耗能的變壓器必須要更新為低耗能變壓器。

（四）水電站監控失效嚴重

原水電站一般采用布線監控的方式，涉及的二次回路線路較為繁瑣。原來的自動控制功能因為元件損壞嚴重，市場上沒有可以進行匹配更換的部件，進而導致自動控制基礎是失效的狀態。電磁繼電保護也出現位置不準確的現象，嚴重影響主設備的安全。

二、水電站增效擴容中自動化系統改造與實施

（一）水電站主設備改造實施

水電站在進行增效擴容自動化改造之前需要對大壩進行除險加固操作，保證水庫壩高和水庫設計水位沒有發生變化。最后確定水輪機改造中運行參數沒有變化。經過市場反饋調查，選擇型號為HLIF3635D-WJ-73型號的轉輪更換原來的轉輪[2]。新的轉輪使用的是不銹鋼的材料制作。水轉輪在進行制作中，采用的是模具數控機床加工定型，需要保留原水輪機大軸不用更換，新轉輪需要匹配原來銷釘的位置。經過水輪機的一系列的改造，能夠提高水輪機的運行效率，新的水輪機能夠保證效率不低于90%，同時水輪運行出力能夠達到700多kW，在原有基礎上增加較為明顯，促使水輪機增效。水輪機涉及封水面的位置采取鋪焊加工工藝，達到水電站驗收標準。除了水輪機需要進行必要更換，為了保證水電站自動化系統的可靠性，還要對一些主設備進行更換。如圖1

（二）水電站調速控制系統改造實施

隨著年限的延長，調速器控制系統使用年限較長，造成調速器的自動化程度逐漸變低。調速控制系統已經出現開啟關閉時不適應電網的調度，其超負荷運行無法滿足水電站的自動控制使用。與此同時，為保證增效擴容后的運行安全，還需要為每臺機組配備一臺型號為GYWT-600微機型調速器[3]。此調速器又為電氣柜、機械柜，同時也是油壓裝置，能夠保證機組的穩定運行。能夠實現自動開停機，有效進行增減負荷。還能實現主動采集運行參數，出現故障自動換成手動工作狀態，自動發出報警。

（三）水電站監控系統改造

水電站自動化系統操控，需要準確監控各個機組的運行情況，實時掌握各個機組的運行參數。當系統數據和設置參數不一致時，會發出報警提示。監控系統會定時生成報表，主要內容為各機組的運行狀況。

1.水電站監控系統主要構成

水電站主要網絡布置分為兩層，其中上層為電站層，直接控制各個機組的運行，又稱控制層。通過電站層能夠直觀了解各個機組的運行狀況，為計算機直接提供各個機組的運行數據。下層又稱機組控制層，其中包括LCU控制。監控管理計算機控制各個單元的LCU，各個機組圖2計算機監控系統圖

的操控、信號指示以及測量操作都是經過LCU每個小單元實現。而上級和下級操控層的聯系主要通過PLC實現傳遞，PLC能夠將各個運行參數傳遞給上位機，進而傳遞給LCU實現機組的控制。圖2 為計算機監控系統圖。

2.水電站基礎層系統改造設計

計算機監控系統基礎層主要為LCU的結構和功能，其中主要分為PLC、現場傳感器等。水電站在進行基礎層單元配套時，一般將LCU分為五部分進行控制。其中4套用于控制水電站機組運行，起到監控的作用。其系統能夠自主進行數據處理，根據指令進行自動化操作。經過一系列自動化系統操作，最終將數據呈遞到上級控制層。最后一套公用LCU進行控制其他水電站的設備，實現自動控制操作。

3.水電站電站層系統改造設計

整個水電站的自動化控制為電站層，主要起到監控和保護的作用。其中監控的效果是及時對數據進行收集處理，具有中央控制的重要作用。另一個保護作用是針對水電站的特殊情況對系統自動進行保護操作。比如，變壓器超負荷工作保護。

4.水電站控制系統的改造實施

水電站控制系統的改造中需要了解原水電站元件的設計使用情況，針對原來的設計基礎進行改造實施。比如，原來水電站使用的為電磁式繼電器控制發電運行。隨著時間的改變，造成屏柜和繼電器發生老化。這樣造成自動化水平嚴重降低。科學技術促使二次保護控制元件已經不適應水電站的發展需要，也不適應現代化企業的管理。本次水電站的增效擴容自動化改造中，需要采取最新的控制方案。比如，上面提到的計算機控制系統，是現代水電站改造中常用的監控系統，這種自動化系統能夠達到無人值班操控的效果。

在進行現場計算機監控系統操作過程中，觸摸屏應該采用高性能的PLC。系統控制中，主控制級實現全站遠方控制和操作，能夠顯示各個機組及設備的信號指示。同時計算機主控制系統還能夠實現數據處理和打印功能，實現全水電站的監控功能。水電站通過自動化運作，最終實現集中控制各個水機組。

在進行水電站增效擴容自動化改造中，需要在監控裝置上安裝液晶顯示器，方便技術人員操作和跟蹤各個電站運行參數情況[4]。監控系統實現自動化操作，能夠及時發現和記錄機組的異常工況，便于技術人員進行分析。

5.水電站其他機組設備改造

為了實現水電站增效擴容的最佳效果，需要進行繼電保護和二次接線改造實施。此次水電站系統自動化改造，主要采用安全自動裝置。在選取微機型裝置時，需要選擇高性能的CPU。這種裝置具有高效能的數據處理能力，具有運行速度較快、測量精度較高等特點。

原水電站的電源技術已經出現老化等現象，并且拿到現在使用，技術過于落后，已經無法適應改造后設備的正常運轉。為了保證整個計算機監控系統的正常高速運行，需要重新進行直流系統的配置。各行各業技術的不斷進步，設備的不斷更新換代，選擇高配置的直流系統，滿足計算機監控系統的運行。比如，直流系統配置一套100AH/220V的微機自控高頻開關直流系統，蓄電池選擇鉛酸蓄電池。水電站高頻運行的部分采取智能型的蓄電池。進而實現數據能夠及時處理，不用擔心因為直流系統出現故障而導致數據丟失。

三、總結

隨著時間的推移，原有水電站出現老化嚴重，一些元件無法正常運行等現象。在進行水電站自動化改造中，為了保證各個電站系統相互協調，能夠更好銜接運作，需要對原水電站一些機組設備進行了解。一旦元件和機組出現排斥現象，會導致自動化改造設計失敗。水電站自動化改造工程能夠淘汰落后的技術和設備，實現水電站系統自動化運轉，提高水電站的整體安全性能。

參考文獻：

[1]許珍玲.小水電站機組綜合自動化系統改造[J].山東工業技術，2016（9）：292.

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

[3]蔡青長. 監控系統在水電站增效擴容改造中的應用[J]. 河南水利與南水北調， 2016（08）：38-39.

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