[科普中国]-水电站

简介

电力系统是现代化社会人们生活和生产不可或缺的动力能量，水力发电是电力工业的先驱者。我国是世界上第二大能源消耗国，而我国目前消耗电力的五分之四来自火力发电厂。利用火力发电会给生态环境带来很大的影响。因此，我国迫切希望能够建立大量水力发电厂，以替换原有的火力发电，以减少污染。我国河流、湖泊分布广泛，落差巨大，蕴藏着丰富的资源优势。

水力发电是我国电力工程中重要的组成部分，由于水力发电具有清洁、高效、能量供给稳定充足的特点，使水电工程受到越来越多的人的重视。水电站由水力系统、机械系统和电能产生装置等组成。

我国水能资源优越，目前利用率很低，发展潜力巨大。水电项目可以很好的和防洪、抗旱、农业灌溉相调节，以促进社会绎济效益所丰收。当然，水电站的建设可能存在对流域生态环境的影响，可以采取必要措施，使这些不利影响减到最小。和煤炭生产过程、专线运输、发电过程中产生的种种环境问题比较起来，水电是一种对环境和生态影响小得多的清洁能源。如果把水电的巨大综合社会经济效益考虑在内，发展水电的优越性就更加突出1。

装机规模对于有巨大未开发可再生能源的发展中国家，政府可以利用本土资源来为自己的国家提供电力、节约大量资源、实现社会经济可持续发展。选择可再生能源作为能源的来源的决策过程是复杂的，要考虑很多方面的因素，比如经济、技术、环境和社会。因此，要得到清晰明确的解决方案是困难的。正是由于这个困难的存在，需要研发一种工具来设计可再生能源电站。这个工具应该能让决策者包括政策制定者、监管机构、投资人及电力公司制定一系列方案，并从中选择最能接受的方案。这个工作涉及需要根据多个准则来进行适当的技术评估以求得出一个折衷方案。

其中一个准则乃是水电站装机规模的评估。对于给定的河流，本文提供了一个先进的初步确定水电站装机规模的方法。应对技术参数、预计的发电量和用电规划，将系统事故减至最小的能力、总的安装、运行和维护费用，还有最重要的还是要根据用户的需要把预期的电能提供给用户，各方面建议都进行比较。

对于评估来说，最重要的是需要输入数据的质量。对一个电站后续的分析要中考虑它的位置、集水面积、流量和水头参数，以求得出一个最佳的装机容量。优化方案的落实，计算出潜在的发电量并确定项目潜在的成本2。

常见故障及维修办法（1）水轮机故障及维修办法

水轮机故障指水轮机无法达到技术指标工作中的工作效果。

水轮机故障原因主要分为两种：

一是水轮机中部分部件与磨损严重的部件老化程度严重，或侵入物质与周围零部件摩擦导致故障；

二是由于水轮机部分零部件长期处于超负荷运行状态，导致零部件出现局部变形或断裂。

从上述分析中可发现，水轮机零部件长时间摩擦与超负荷运转是故障的主要原因，同时，水轮机零部件质量不过关也是重要危险因素。

在水轮机故障维修中，首先要做好检查，检测磨损、变形、折断零部件的位置，并记录损伤原因；其次，根据水轮机型号选择更换零部件类型，更换之后建议指派另一位维修人员进行二次检查；最后，清理零部件周围，降低侵入性物质对零部件的影响，同时，记录下该设备中易于磨损的零部件，提高对此类部件的日常检查、更换频次。

（2）发电机组剧烈震动的故障与维修办法

部分水电站发电机组在运行过程中会出现剧烈震动的情况，这一情况对水电站运行造成威胁。

发电机组剧烈震动的原因分为两种：

一是由于电流流通时间偏长或三相负荷不平衡导致电气震动；

二是受水轮机气蚀的影响，水轮机与发电机之间的联动环境改变，出现机组地脚螺丝松动、联动部分不同心等问题，导致轴承轴瓦损坏、尾水管堵塞，最终引起震动。

长时间的震动极具危害性：震动会导致可控硅、励磁机损坏或烧毁，严重时会导致电路跳闸，酿成严重的安全生产事故。

剧烈震动故障维修过程中，首先要对发电机组进行排查，分析引发震动的具体原因。在排查原因时可排查电流传输情况，根据电流实际指示判断震动类型。三相负荷不平衡会是电气震动的一种表现，若确定为电气震动，可通过调节负荷、恢复负荷平衡的方式缓解振动情况；若电流指数正常，可判定为机械振动。处理机械振动时需要仔细排查机械等内部零部件情况，检查是否某一零部件松动，将零部件加固后震动情况若无明显缓解，则要考虑重新组合机组。

（3）水导瓦温度过高引发的故障与维修办法

水电机组水导瓦的温度具有差异性，主要表现为：当发动机组满负荷运转时，水导瓦温度中的温差明显；当发电机组运行恢复正常时，水导瓦的温度会逐渐下降，此时水导瓦的温度差异不明显。但在实际运行过程中，部分水导瓦的温度始终处于大幅度波动状态，有时温度会超过70℃。

同时，油槽与瓦面之间的距离不合理、油槽大小不适宜、油盆缺油也会导致水导瓦温度过高。油槽尺寸不合理导致过油量严重不足，延长过油时间，影响水导瓦瓦面散热，导致温度上升；油槽缺油导致水导瓦在摩擦过程中产生的热量无法散失。

导致水导瓦温度过高的原因众多，维修过程中必须要仔细检查。检查的核心是检查水轮机主轴刨光、水导瓦表面铸造是否出现问题。

检查步骤为：

1）检查发动机组维修记录，并检查水导瓦巴氏合金面；

2）若第一项检查完全正常，则检查油量是否充足；

3）若油量充足则检查油槽与发电机瓦面的距离与质量。按照上述三种步骤，可准确查找导致水导瓦温度居高不下的原因。

针对水电站发电机组存在的常见故障，发电站管理者必须采取有效措施，预防常见故障发生。为进一步提高发电机组工作能力，要对发电机组使用进行控制，并建立相应的信息库，保证发电机组信息的完整。工作人员提出使用申请时，应核实发电机组使用信息资料库里面的发电机使用资料，对于工作人员的发电机组使用情况进行全面、客观的评估，适度的实施发电机组使用计划，将发电机组出现故障的可能降到最低3。

故障的预防措施（1）仪器诊断预防在水电机组故障诊断中的应用

水电站发电机组预防措施必须坚持“高精准”原则，通过先进仪器展开检查。仪器设备诊断法是指通过专业检测设备、工具、仪器完成检测，其中，发电机组结构构成、技术状态(如间隙、振动频率、声波现象、红外线)波形是诊断的核心部分。随着仪器设备的应用于发展，能够越来越准确的发现发电机组中的故障，并根据故障类型做出正确诊断，同时分析故障原因，实现在线检测、精准检测。

利用现代检测技术与检测仪器、设备完成检测任务的检测系统，在发电机组常见故障诊断、检测中具有重要作用。同时，各种检测设备、检测技术都在不断进步、发展之中。例如，以虚拟仪器技术为核心开发出来的发电机组检测系统、发电机组故障诊断计算机分析系统、发电机组性能检测与故障诊断系统等等。

（2）无损检测技术在水电机组故障诊断中的应用

无损检测技术是故障诊断中的重要技术，该技术在不破坏设备外壳的情况下完成设备检测，并利用微型计算机准确观察设备内部情况，具有效率高、经济性强等特点。

无损检测技术有以下几方面优点：

1）无需拆除设备外壳，减少了传统设备检测工序，降低人为因素对设备检测的影响；

2）无损检测技术能满足大多种类设备检测工作，符合水电站设备众多、型号繁多的事实；

3）无损检测技术可在设备运行过程中完成检测，降低了检测工作对总生产的影响。

以水轮故障检测为例，在检测过程中，显示屏中会呈现水轮内部各种零部件的实际情况，其中损伤、断裂、老化的零部件反映出的图像类型不同，检测人员可根据图像精准判断问题零部件位置，为维修人员工作提供真实数据4。

水电站电气自动化改革开放以来我国经济发展迅速，电力行业作业国民经济发展中的基础性行业也获得了较大的进步，其中水力发电作为一种清洁环保电能生产方式越来越受到人们的重视。这就对水电站运行提出了更高的要求，水电站只有保证自身的稳定运行才能够满足不断提升的发点要求。电气自动化在水电站中的应用不仅能够提升水电站运行得靠性，还能提生水电站的发电效率。所以水电站电气自动化的应用是我国水电站发展的必由之路。

主要内容（1）对水电站主要电气设备的监视、控制、保护

输电线路、变压器、母线是水电站的主要电气设备，水电站自动化的重要内容之一就是保护、控制、监视这些设备，并以它们的运行数据为依据对输电线路是否畅通、母线是否异常、变压器工作是否正常进行判断。对于潜在的安全事故，电气自动化系统能够通过及时的设备故障排除有效避免运行故障，进而为供电安全工保证。自动保护的情况包括对发电机组不会立即产生危害的非正常情况；在发电机组过速并且调速器失灵等情况时太靠断路器并关闭进水闸门。

（2）自动监测和控制电站水轮发电机组运行状况

机组监控设备是实现水电站发电机组运行状况控制和的主要设备，控制室计算机从监控设备及时接受机组的监控数据，根据预先设定的程序计算机对发电机组的运行情况进行判断，并发出处理相应问题的命令。

（3）监视和自动检测水电站辅助设备运行情况

实现水电站自动化技术的基础之一是检测水电站运行设备各项参数，其中控制设备、监测设备、控制节点是水电站辅助设备运行状况自动检测和监视的基础，计算机接受辅助设定的。在实际运行过程中，虽然对部分对象进行控制时可发现其并未采取任何行动，被控对象依然能够达到良好的控制效果，但需要说明的是，控制对象自身发生改变仍然可能使得控制效果难以达到预计目标。因此，在对电气自动控制系统进行设计的过程中，必须以具体的系统设计原则为依据，对不同的被控对象进行全面分析，通过合理选择或设计来提高对各类电气设备的控制精度5。

技术发展（1）电气自动化系统结构具有通用性的发展趋势

要提升系统控制效率，实现电气自动化系统的通用性具有十分重要的意义。因此，对企业而言，如何实现数据的共享，精准传达数据信息是电气自动化未来发展的趋势之一。借助信息网络技术等，各个管理层实现有效的控制与监督。并在系统规划过程中，实现办公环境从生产、控制等全方位数据的共享。

（2）电气自动化系统需要一个标准接口解决各类通讯问题

现如今电气自动化普遍使用的信息平台为微软公司技术标准体系，其中最常用的即为Windows操作系统。因此，将Windows作为主流的操作系统，将TCP/IP作为通讯标准，使得PC可以在一个自动的操作平台上有一个标准化的程序接口，以此来解决由于不同厂家不同型号接口所带来的通讯问题。

（3）电气自动化系统呈现市场化的发展趋势

企业在运用电气自动化的过程中，紧跟时代步伐，深化改革，集中自己的优势力量培育和促进新兴市场的形成。同时，企业还可以通过市场外包等方式，带动相应的零配件生产集约化，逐步提升企业市场适应能力。产品市场化是有效的提升了资源配置的效率，同时有力的助力了产业的跨越式发展5。

重要意义（1）提升水电站运行的可靠性

发电站运行的根本任务是发电，在有效应用电气自动化技术和设备的条件下，水电站对各个系统的检测工作可以通过自动控制系统精确、快速、及时的实现。同时各个系统的运行数据还能够被自动控制系统准确记录，对于异常数据该装置可进行自动报警，进而保证水电站运行故障的迅速排除。所以水电站电气自动化应用不仅能够形成对发电机组故障的有效预防，还可以防止水电站因发电机组故障而产生了运行事故，实现了水电站发电机组运行可靠性的有效提升。与此同时，在自动装置控制、操作水电站发电机组和辅助设备的情况下误操作能够大幅降低，改变了过去由于工作人员误操作产生运行事故的情况。

（2）保证电能质量

衡量电能质量的主要指标是电压和工频，电网系统中有功功率的平衡会决定了工频，而电网系统中的无功功率则会对电压产生决定性的影响。电网系统的运行状况事实发生改变，只有在电气自动装置的控制和作用下发电机组工作状态才能实现及时、准确调节，进而在规定的范围内维持发电机组所发电能的电压和工频。

（3）提高水电站运行是的经济性

只有水轮发电机的运行处于最佳状态时，水电站才能提升运行的经济性。当水电站具有多个机组时，要提升运行经济性还要依据电网系统分配给水电站负荷大小和水电站的具体情况确定机组最佳运行状态，通过最佳运行机组数量的确定实现发电效率的最大限度提升。对水电站经济运行造成影响的因素较多，综合性的利用水力资源是水电站运行的特点，在人为控制的情况下水电站经济运行要求很难得到满足。只有应用电气自动化的条件下，才能够通过水电站自动控制装置的充分利用提升水电站运行的经济性。

（4）提高水电站劳动生产率

通过电气自动化的应用，水电站日常运行中的工作量大幅降低，只需要较少的工作人员就能实现水电站的正常运行，同时工作人员的劳动强度也得到降低，劳动环境得到有效改善。这种条件下的水电站运行、管理水平也获得了大幅提升。与此同时，少量工作人员通过电脑对自动化设备进行控制和操作，不需要过多人员的参与，这样水电站的电能生产成本和运行成本就得到降低，最终实现水电站劳动生产率的提升5。

综合应用水电站电综合自动化正向智能化方向发展，主要体现在水电站正向实现少人值班、无人值班的方向发展。水电站应用综合自动化系统后，不再像以前拥有大量工作人员，计算机监测、计算等功能代替了部分人的工作。水电站可以根据实际情况适时的调整工作任务，如自动完成数据的采集和报表的打印。另外，水电站综合自动化向着模块化方向发展，体现在水电站电气自动化功能的模块化。每一个电气自动化模块可以实现不同的功能，例如技术供水系统管理模块、调速器和发电机组系统管理模块等。不同的水电站根据自己的实际需求选择相应的模块进行组合大大提高了水电站机组自动化控制的通用性和时效性6。