尹 剛

(湖北省地方水電公司，湖北 武漢 430071)

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技術(shù)創(chuàng)新推動(dòng)增效擴(kuò)容改造技術(shù)進(jìn)步

尹 剛

(湖北省地方水電公司，湖北 武漢 430071)

增效擴(kuò)容改造實(shí)施過程中以技術(shù)創(chuàng)新帶動(dòng)技術(shù)進(jìn)步，通過技術(shù)進(jìn)步來推動(dòng)我國農(nóng)村水電向水電強(qiáng)國邁進(jìn)?？偨Y(jié)了實(shí)施過程中的新技術(shù)、新思想、新設(shè)備應(yīng)用帶給電站的變化，用通俗的語言介紹了數(shù)字技術(shù)在農(nóng)村水電站的應(yīng)用，對十三五項(xiàng)目增效擴(kuò)容改造的實(shí)施有一定的指導(dǎo)作用。

小水電站；增效擴(kuò)容；技術(shù)創(chuàng)新；技術(shù)進(jìn)步

0 引 言

經(jīng)過4 a的農(nóng)村水電站增效擴(kuò)容改造，我國已有4 000余座農(nóng)村水電站的大部分機(jī)電設(shè)備得到了更新，現(xiàn)代化技術(shù)得到普遍推廣和應(yīng)用，運(yùn)行環(huán)境得到很大的改善，電站效益大幅提高。不僅實(shí)現(xiàn)了增效擴(kuò)容，加大了可再生能源的供應(yīng)量，還美化了電站及周邊環(huán)境，提高了職工的幸福指數(shù)。

增效擴(kuò)容改造工程的實(shí)施，帶動(dòng)了小水電技術(shù)的進(jìn)步，推動(dòng)了中、小水電設(shè)備的產(chǎn)業(yè)革命，使我國從水電大國向著水電強(qiáng)國邁進(jìn)。

1 新轉(zhuǎn)輪助主機(jī)效率大幅提高

增效擴(kuò)容改造工作的前提是增效和擴(kuò)容，我國通過三峽工程的建設(shè)促成了“以市場換技術(shù)”，引進(jìn)了大批國外先進(jìn)的轉(zhuǎn)輪，經(jīng)消化吸收，使我國的轉(zhuǎn)輪技術(shù)向前推進(jìn)了幾十年，也為增效擴(kuò)容改造的水輪機(jī)改造提供了很好的技術(shù)環(huán)境，我國的轉(zhuǎn)輪技術(shù)與國外的差距通過三峽電站的建設(shè)在快速縮小。增效擴(kuò)容改造的電站這次普遍選用哈電、東電和水科院的新型高效轉(zhuǎn)輪，大幅提高了機(jī)組的效率,特別是還在使用20世紀(jì)90年代以前的轉(zhuǎn)輪的水輪機(jī)，改造后效率提高驚人。

精心的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)是制造業(yè)必不可少的重要環(huán)節(jié)，增效擴(kuò)容改造工作應(yīng)嚴(yán)把設(shè)備設(shè)計(jì)制造關(guān)，通過業(yè)主、設(shè)計(jì)院和主機(jī)廠的通力合作，認(rèn)真計(jì)算和反復(fù)比較選擇適合電站的新型轉(zhuǎn)輪，并對轉(zhuǎn)輪的材質(zhì)、工藝進(jìn)行深入的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，然后選擇正規(guī)的招投標(biāo)公司，通過正規(guī)招投標(biāo)選擇適合項(xiàng)目的廠家。設(shè)備監(jiān)造也是保證改造成功的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，增效擴(kuò)容改造工作借鑒了國外的先進(jìn)管理經(jīng)驗(yàn)，很多項(xiàng)目業(yè)主派出了技術(shù)人員駐廠監(jiān)造，對主機(jī)制造的每一個(gè)重要環(huán)節(jié)都實(shí)時(shí)監(jiān)督，保證了設(shè)備質(zhì)量。

發(fā)電機(jī)的改造使得很多的電站在原有的基礎(chǔ)上增加了發(fā)電容量，使電站的效益有很大的提高。不少的電站因此走出困境，實(shí)現(xiàn)盈利，提升了市場競爭能力。在不改變機(jī)座號的前提下增加容量，靠的是新技術(shù)和新材料的應(yīng)用，超薄的云母絕緣替代了傳統(tǒng)的瀝青絕緣，科學(xué)的滿槽率設(shè)計(jì)在不更換定子鐵芯的情況下實(shí)現(xiàn)了增容，效果十分理想。很多電站還實(shí)現(xiàn)了高壓機(jī)組改成低壓機(jī)組的目的，節(jié)約了大量的投資，給局部改造走出了一條科學(xué)的道路。

新材料、新工藝在蝸殼、轉(zhuǎn)輪、導(dǎo)葉和調(diào)速環(huán)設(shè)計(jì)加工上的應(yīng)用，使得流道更加科學(xué)，型線更加合理，傳動(dòng)更加靈活，減少了流道損失，提高了能量轉(zhuǎn)換效率。新材料的應(yīng)用，增加了設(shè)備使用年限，延長了主機(jī)的生命周期。

高改低技術(shù)的推廣，節(jié)約了大量改造成本，特別是低壓機(jī)組一體化技術(shù)的配套應(yīng)用，對運(yùn)行人員的素質(zhì)要求也隨之降低。在增效擴(kuò)容改造過程中，很多高壓機(jī)組改成了低壓機(jī)組，不但減少了前期的設(shè)備投資，還降低了運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用?，F(xiàn)在國內(nèi)的技術(shù)水平足以保證1 800 kW以下的機(jī)組都可以改造成低壓機(jī)組。

2 調(diào)速器改造推陳出新

調(diào)速器是水輪機(jī)的重要輔機(jī)設(shè)備，農(nóng)村水電站的自動(dòng)化依賴于調(diào)速器的進(jìn)步和全自動(dòng)調(diào)速器的推廣應(yīng)用。我國老一輩調(diào)速器專家在完成微機(jī)高油壓調(diào)速器的研究后，開始致力于農(nóng)村水電站全自動(dòng)調(diào)速器的研究和推廣。目前，農(nóng)村水電站調(diào)速器的產(chǎn)品已成系列，100 N·m調(diào)速功以下的調(diào)速器有智能負(fù)荷控制器，100、150 N·m調(diào)速功有手電動(dòng)調(diào)速器，300～3 000 N·m調(diào)速功的機(jī)組有3萬左右1臺的適合農(nóng)村水電站的YWT微機(jī)高油壓調(diào)速器，新型水輪機(jī)調(diào)節(jié)設(shè)備基本涵蓋了農(nóng)村水電站的全部需求。低壓機(jī)組一體化屏與高油壓液壓液控站的配套使用，徹底解決了低壓機(jī)組的自動(dòng)化問題，電站可以在沒有廠用電和直流系統(tǒng)的情況下正常開機(jī)。

過去全自動(dòng)調(diào)速器價(jià)格太貴，農(nóng)村水電站用不起，基本是用手動(dòng)調(diào)速器和手電動(dòng)調(diào)速器，調(diào)節(jié)不穩(wěn)定，還經(jīng)常發(fā)生人身傷害事故。新研發(fā)的低成本微機(jī)高油壓全自動(dòng)調(diào)速器每臺才2.8萬元，在這次增效擴(kuò)容改造的低壓機(jī)組水電站中被大量采用。而且這種調(diào)速器還自帶剎車系統(tǒng)，電站因此取消了中、低壓氣系統(tǒng)，大部分電站還取消了油系統(tǒng)，不僅簡化了電站油、氣、水系統(tǒng)，還減少了油和氣系統(tǒng)的投資，降低了廠用電率，節(jié)約了運(yùn)行費(fèi)用，提高了安全性。

3 勵(lì)磁更加專業(yè)化

勵(lì)磁系統(tǒng)的主要任務(wù)是：在正常運(yùn)行條件下，供給發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流，并根據(jù)發(fā)電機(jī)所帶負(fù)荷的情況，相應(yīng)地調(diào)整勵(lì)磁電流，以維持發(fā)電機(jī)端電壓在給定水平上，使并列運(yùn)行的各臺同步發(fā)電機(jī)所帶的無功功率得到穩(wěn)定而合理的分配。增加并入電網(wǎng)運(yùn)行的發(fā)電機(jī)的阻尼轉(zhuǎn)矩，以提高電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性及輸電線路的有功功率傳輸能力。 在電力系統(tǒng)發(fā)生短路故障造成發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓嚴(yán)重下降時(shí)，強(qiáng)行勵(lì)磁，將勵(lì)磁電壓迅速增升到足夠的頂值，以提高電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性。在發(fā)電機(jī)突然解列、甩負(fù)荷時(shí)，強(qiáng)行減磁，將勵(lì)磁電流迅速減到安全數(shù)值，以防止發(fā)電機(jī)電壓過分升高。 在發(fā)電機(jī)內(nèi)部發(fā)生短路故障時(shí)，快速滅磁，將勵(lì)磁電流迅速減到零值，以減小故障損壞程度。

過去農(nóng)村水電站的勵(lì)磁五花八門，如三次諧波勵(lì)磁恒壓裝置、電抗器移相式相復(fù)勵(lì)勵(lì)磁裝置、電容器移相式相復(fù)勵(lì)勵(lì)磁裝置、磁耦合電抗器移相式相復(fù)勵(lì)自磁恒壓裝置、可控相復(fù)勵(lì)自磁恒壓裝置、可控硅自磁恒壓裝置、模擬無刷勵(lì)磁裝置等。很多農(nóng)村水電站常用的勵(lì)磁方式?jīng)]有調(diào)差功能，發(fā)電機(jī)輸出電壓和無功很不穩(wěn)定，不能多臺機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行，各機(jī)組無功分配不均勻，設(shè)備運(yùn)行很不安全。

根據(jù)整流方式，水電站勵(lì)磁可分成單相半控整流、三相半控整流和三相全控整流。由于部分低壓控制設(shè)備生產(chǎn)廠家對勵(lì)磁技術(shù)不甚了解，為節(jié)約成本，還有很多在采用單相半控整流；一般在低壓小型機(jī)組，且對勵(lì)磁功能要求不高的情況下選用。三相半控橋式整流電路的觸發(fā)電路簡單，整流元件所承受的反向電壓較其他電路小、諧波小、對整流變壓器的利用率高，但不具備逆變特性，無法實(shí)現(xiàn)逆變滅磁，運(yùn)行很不安全。

這次增效擴(kuò)容改造大量使用最先進(jìn)的三相全控橋自并勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)，三相全控橋式整流方式具有控制精度高、滅磁方便、滅磁速度快等特點(diǎn)。數(shù)字刷勵(lì)磁系統(tǒng)也是這次低壓機(jī)組勵(lì)磁方式的首選，改造電站都配置了具有通訊功能的數(shù)字勵(lì)磁調(diào)節(jié)器，解決了過壓和無功不足問題，更解決了農(nóng)村水電站的自動(dòng)滅磁問題，電站自動(dòng)化程度大幅提高，運(yùn)行更加安全。

4 數(shù)字監(jiān)控保護(hù)全面推廣

增效擴(kuò)容改造的基本要求是全面實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。通過這次改造，常規(guī)電磁式自動(dòng)化設(shè)備基本退出農(nóng)村水電站，取而代之的是微機(jī)監(jiān)控保護(hù)設(shè)備。自動(dòng)化設(shè)備的更新，改變了過去的管理理念，大部分電站實(shí)現(xiàn)了設(shè)備自動(dòng)控制，事故自動(dòng)處理。低壓一體化控制屏更是實(shí)現(xiàn)了設(shè)備取代人工運(yùn)行的新局面。

增效擴(kuò)容改造自動(dòng)化部分的亮點(diǎn)較多，而且很多處于國內(nèi)、國際先進(jìn)水平。如無PLC監(jiān)控保護(hù)設(shè)備，功能強(qiáng)大，價(jià)格適中，性能可靠。又如低壓機(jī)組一體化系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)一鍵操作開、停機(jī)，無需人工干預(yù)自動(dòng)運(yùn)行，徹底解決了低壓機(jī)組水電站自動(dòng)控制技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)的難題，實(shí)現(xiàn)了低壓機(jī)組全保護(hù)的配置，設(shè)備安全性大幅提高。這些新技術(shù)的應(yīng)用，引導(dǎo)了水電站未來監(jiān)控保護(hù)技術(shù)的發(fā)展。低壓機(jī)組一體化技術(shù)的推廣和應(yīng)用的成功，得到南瑞、四方集團(tuán)的技術(shù)認(rèn)可和參與，試點(diǎn)完成以后，兩大集團(tuán)都投入力量開發(fā)出自己的低壓機(jī)組一體化屏，并在“十二五”后期投入增效擴(kuò)容改造市場。

農(nóng)村水電站自動(dòng)化的實(shí)現(xiàn)，依賴于勵(lì)磁、調(diào)速和自動(dòng)化元件的完美結(jié)合這一理念，通過這次改造，已深入人心，各級設(shè)計(jì)院和項(xiàng)目業(yè)主都已認(rèn)可；這是一個(gè)很大的觀念進(jìn)步，也是增效擴(kuò)容改造的又一重大收獲。

5 存在的問題

農(nóng)村水電站自動(dòng)化是一個(gè)系統(tǒng)工程，單一的設(shè)備先進(jìn)不僅不會(huì)提高自動(dòng)化水平，還可能帶來隱患。如沖擊式調(diào)速器，過去折向器是受機(jī)組自動(dòng)屏控制，現(xiàn)在是調(diào)速器內(nèi)部聯(lián)動(dòng)，經(jīng)常出現(xiàn)調(diào)速器在外部干擾的情況下投入折向器，影響運(yùn)行安全。

由于對水電站設(shè)備技術(shù)的不了解，很多電站在繼續(xù)選擇常油壓調(diào)速器，有不少選擇高油壓調(diào)速器的用戶，任繼續(xù)購買中、低壓氣系統(tǒng)，棄之無用，造成不必要的浪費(fèi)。

在低壓機(jī)組水電站，繼續(xù)采用簡單常規(guī)電磁繼電器保護(hù)、單相半控整流和三相半控整流勵(lì)磁的比較多，技術(shù)水平?jīng)]有提高，安全隱患沒有消除。這都需要“十三五”加以注意。

6 建 議

“十三五”是中國創(chuàng)造的發(fā)展階段，增效擴(kuò)容改造在“十二五”的技術(shù)創(chuàng)新，應(yīng)該加以總結(jié)推廣。納入“十三五”改造的用戶絕大部分是私營企業(yè)，自籌能力相對較弱；應(yīng)該將“十二五”的經(jīng)驗(yàn)加以總結(jié)、宣傳、推廣，使業(yè)主少走彎路，共同享受到技術(shù)創(chuàng)新的紅利，為國家、為業(yè)主節(jié)約大量的資金和資源。

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責(zé)任編輯 吳 昊

2015-06-01

尹 剛(1957-)， 男，主要從事智能農(nóng)村水電站技術(shù)研究工作。E_mail： yg76531@163.com