水轮机自动化控制系统设置与应用

李勇　李明

摘要：水轮机是水力发电生产的主控设备，水轮机工作状态决定着水电站生产效率。基于自动控制技术发展背景下，水电站开始对水轮机实施自动化升级，利用自动控制技术解决传统水轮机运行缺陷。文章分析了现阶段水轮机组运行存在的问题，总结了水轮机自动化控制发展趋势，介绍了自动控制系统在水轮机调控中的应用方法。

关键词：水轮机；自动化控制系统；水力发电；主控设备；水电站 文献标识码：A

中图分类号：TP273 文章编号：1009-2374（2015）19-0066-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.19.032

水力发电是现代电力生产主要方式之一，利用自然水源产生机械能转变为电能，为地区供电使用提供了资源保障。随着科学技术快速发展，我国水力发电工程规模日趋扩大化，水轮机在发电系统中的作用更加显著。同时，自动化控制成为水力发电的新模式，利用自动控制系统对水轮机组实施综合调控，全面提升了机组结构的可操控性。水电站要充分利用自动控制系统优势，建立更先进的水轮机自动化控制平台。

1 水轮机的构成

水轮机是现代电力生产的主控装置之一，核心功能是实现能量之间转换处理，由水能转变为机械能，为发电生产提供必要的设备条件。我国水力发电行业经历了很长的改革时间，发展至今，电力行业开始采用自动化水轮机，用于水电站内设备组装与控制，利用驱动原理产生电能资源。按照现阶段常用水轮机组，其主要由转子、定子、导轴承、机架、推力轴承、冷却器、制动器等部分构成。每一个组成部分均有其相对应的功能，共同组装成了新型水轮机组运行模式，带动了发电生产行业的可持续发展。

2 水轮机运行存在的问题

水力发电机是电力生产常用设备，以能量转换原理为基础产出能量作为发电来源，维持了区域用电生产一体化建设进程。受到主客观因素影响，水轮机运行期间出现能耗过高现象，导致机组发电效能达不到预定水平，进而阻碍了发电厂日常发电作业状态，不利于区域用电的最优化运行。水轮机能耗过高的原因主要有：

2.1 设备问题

水力水轮机是利用热能发电的生产设备，其内外结构性能对机组能耗有着直接性的影响，也是阻碍电力生产流程的一大原因。在水电站中，上游水库中的水经引水管引向水轮机，推动水轮机转轮旋转，带动发电机发电。设备性能不足会降低能量转换效率，电气系统故障会影响水能、机械能、电能的转换效率，这些都会增加机组的能耗系数。此外，水电站为了节约发电生产成本，配备机组装置不符合操控要求，发电高峰期时设备常发生多种故障，导致水轮机结构性能下降。

2.2 操作问题

除了水轮机设备外，发电厂日常生产与管理方式也会影响机组能耗，这是不可忽略的客观因素。首先，值班人员对水轮机的操控技能不足，机组运行阶段故障率偏高，阻碍了水力热能的产出量；其次，电站对机组设备缺少严格的管理措施，不注重机组维修、维护，组件磨损、零件老化等问题，同样对机组能耗有直接影响；最后，设备更新、在线监测、故障防护等，对机组能耗系数均有明显的影响。例如，作完功的水则通过尾水管道排向下游，水头越高、流量越大，水轮机的输出功率也就越大，若值班人员操控不当，很容易引起机组故障。

3 水轮机自动化的发展趋势

随着电力产业快速发展，传统发电方式与高科技作业模式存在着明显差距，建立更加多样性的发电生产方案，这是电力企业新时期改革的重点内容。信息技术是发电控制系统的核心支撑，借助信息科技设定自动化控制系统具有可行性价值，维持了水轮发电机的稳步运行。未来水轮机机组将朝着自动化控制方向发展，下面结合三种常用水轮机，分析自动化控制的发展趋势：

3.1 卧式结构

随着电力科技不断发展，水轮发电机结构也呈现了多样化形式，卧式结构机组是比较普遍的形式，冲击式水轮机是比较普遍的。卧式结构机组多数选用2～3个轴承，2个轴承机组的轴向长度短，内部结构相对紧密，安装与调试灵活，但若转速达不到要求则会增加机组负荷，此时要采用3个轴承机组。当前，卧式机组基本实现了自动化控制改造，由人工智能技术完成相应的调控人物，利用信号转换处理器对自然语言、机器语言进行综合处理，这些都为卧式机组控制创造了有利条件。

3.2 立式结构

近几年来，国内开始研发各种自主品牌水轮机，坚持以科技创新成果带动发电行业发展。国产水轮机研发过程中，多数选用立式机组结构，这类机组主要由混流式、轴流式水轮机驱动等，按照不同发电方案要求进行选择，这些都可以帮助机组发挥出预期的操控效果。在信息科技成果推动下，立式结构机组开始以自动控制为中心，以智能控制系统为调度中心，用智能机器人取代人工操作。人工智能技术实现了操控中心的一体化，为区域调度控制提供多元化平台，满足了水力发电机组作业要求。

3.3 贯流式结构

水轮机自动化改造是行业科技趋势，也是促进发电行业结构调整的有效方式，这些都有助于控制系统功能升级与改造。针对机组存在的功能性缺失问题，贯流式结构也必须实施综合改造与调整。贯流式发电机机组以水轮机驱动为中心，配备了轴流式水轮机作为控制中心，这类机组具有可调度性，在中小型或低位水电站中得到普遍应用。显示器贯流式机组也开始进行多功能调节，利用智能技术完成发电系统的一体化改造，为中小型水电站智能改造提供了技术支撑。

4 水轮机自动化系统的设置与应用

水力发电是现代电力生产方式之一，利用水运动产出机械能后转变为电能，保持地区供电运输作业的稳定性。水轮机是水力发电的核心设备，其能耗系数不仅关系着电厂运营收益，也影响着地区实际供配电效率。为了避免能耗过高带来的不利影响，可根据实际情况对水轮机实施节能改造，创建更加优越的水力发电生产环境。

4.1 电机控制endprint

自动化控制是人与计算机之间传递、交换信息的媒介和对话接口，是计算机系统的重要组成部分。电气控制主要包括电压调节装置、过载、短路保护单元和电压调节器等。我国水利发电已经实现了人工一体化方式，用机器取代人工操作适应了多功能平台要求，降低了人工发电控制的难度。机械设备是水力发电控制的主要设备，利用大、中、小型等可控制设备为中心，配合电气系统完成自动化操作。

4.2 柴油机控制

主要由启动、停机操作、电子调节器及液晶显示模块等部分组成，实现对柴油机的工作状态进行监控。发电机电系统技术综合了各项科技成果，将计算机技术、传感技术、通信技术等相互融通，构建了更为稳定的机电作业平台，协调了水轮发电机组系统内部元件之间的平衡性，深入挖掘人机界面的可利用功能。此外，系统技术具有延续性特点，能按照水电站生产体系制定出不同的方案。

4.3 微机控制

该部分是柴油发电机组自动控制的核心，主要由主机控制单元、信号检测单元、功率驱动单元、参数显示单元和电源单元等组成。并非所有水电站发电都是直接启动运行，所有水轮发电机设备正式运行前都要经过详细的组装与调试，为自动发电控制创造良好的工作环境，实现了发电数字的一体化调控。自动控制技术以仿真技术理论为指导，从实践中优化了系统控制结构层，进而带动人机界面控制的多功能特点。

4.4 数字控制

“数字化”控制是水轮发电机自动化发展趋势，以数字信号为转换中心，借助计算机应用技术完成原始数据处理，提升了发电机数据处理的速率。数字技术由智能计算机参与控制，按照水电站分布及结构特点，设定了相对稳定的作业体系，在无需人工参与控制条件下实现了一体化生产，值班人员可根据井内实况选择技术方案参与生产。

5 结语

水力发电是电能生产的主要模式之一，为区域用电规划建立了能源供应体系。水轮机是水力发电系统的核心部分，其功能状态决定着水电站发电效率，关系着广大用户日常用电质量水平。从安全生产角度来说，企业要建立科技化机组调度方案，解决传统人工操控模式的种种不足。自动化控制系统是水轮机改造的必然产物，广泛采用数字技术、智能技术、远程技术等辅助设备运行，帮助水轮机组实现功能性改造，这也标志着未来水力发电行业的科技化发展趋势。

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作者简介：李勇（1980-），男（苗族），凤滩水力发电厂高级工，助理工程师，研究方向：水力发电运行；李明（1987-），男（土家族），凤滩水力发电厂高级工，助理工程师，研究方向：水力发电运行。

（责任编辑：陈 倩）endprint