水电站计算机监控技术与经济效益的研究

赵红涛

（陇县段家峡水电有限责任公司，陕西 宝鸡 721200）

一、水电站计算机监控技术的缺陷

一是，目前水电站计算机监控技术功能单一，不能充分发挥计算机监控技术的绝对优势。

现行的计算机监控技术只能完成常规设备所能完成的任务，从功能上分析只能和常规技术平齐，对水电站经济效益的提高起到辅助作用，不能充分发挥计算机监控技术的绝对优势。

二是，无法将计算机监控技术和水电站经济效益有效结合。

现行的计算机监控技术由于没有突破常规技术功能，无法和水电站经济效益有效结合是制约计算机监控技术发展的主要原因。在已建成的水电站技术改造中，推行的速度比较缓慢。可以说明两个问题：一是已建成水电站对计算机监控技术的认识不足；二是现行的计算机监控技术具有一定的技术缺陷。导致水电站计算机技术监控改造后，并不能给企业带来明显的经济效益。

现行的技术改造主要以“少人值班，无人值守”为目的，但是现状是很多电站改造前后运行人员编制不可能大幅度的减少，企业看不到计算机监控技术的绝对优势，相反只能给企业增加成本。如果能够将计算机监控技术和水电站经济效益相结合，就可以大幅度提高技术改造的热情。

许多年来，利用计算机监控技术来提高水电站经济效益为目的技术方法一直无法突破原有的一些技术瓶颈。在计算机监控技术的发展初期，能够将老式继电保护更新为计算机管理，将“人工值守”变为“少人值班，无人值守”就已经实现了水电人多年的梦想。随着该技术在行业内应用，其上述缺点逐渐暴露了出来。同时，随着小水电在国内市场经济的转型，现行的计算机监控技术已经不能满足市场的需要，要求该技术必须具有新的技术支撑。如果能将计算机监控技术转变成以计算机监控辅以计算机控制下的水电站精准运行为主，不但能够提高水电站的经济效益，而且会激发水电人对计算机监控技术的热情。

二、水电站计算机控制下的精准运行研究

水电站计算机监控及控制下的水电站精准运行问题研究包括两个方面的内容：

1.水轮机最优效率运行的问题

所谓水轮机最优效率运行，就是在水轮机引用不同流量时的效率对比，以选择同流量下的最高效率点为目的的运行方式，以水轮机效率最大化为最终目标。

水轮机最优工况是指设计运行环境下的运行工况，在整个水轮机的研究中是以进出口三角形作为研究方法，以水轮机理论方程作为计算依据。经过研究，目前，水轮机转轮的效率已经得到大幅度的提高，而对为水轮机提供水流的流道却研究很少，也就是忽视了非最优工况的研究。由于反击式水轮机做功主要以势能作为主要做功能源，以水流和转轮相切为最佳功率转换。但是实际运行中很难保证其运行在最优工况，随时会发生变化。在这些变化中，由于提供做功的流道的变化，使水流在转轮室内出现撞击或脱流，造成转轮做功条件的恶化，效率下降得很快。这里主要取决于两个方面的变化：

(1）由于无调节式水电站设计流量和实际运行的流量差异，水轮机实际较长时间运行在非设计工况。

在设计无调节式水电站时，设计流量通常是一个论证流量，实际运行中水电站由于引水流量为自然来水量，随时发生变化。当流量小于设计流量时，转轮工作点就会向左偏移，流量越小偏移越大，离最佳工作点越远；反之亦相同。尤其并入大网以后，水电站的最优工作只是一个有效点，在水轮机运行效率线中，水电站维持在最优工作点的时间非常短暂，大多数时间均处在非最优区间。

(2）由于调节式水电站设计水头和实际水头存在差异，水轮机实际较长时间工作在非设计工况。

调节式水电站设计水头通常是一个加权平均水头。实际运行中水轮机运行水头变化很大，当运行水头在设计水头时，水轮机效率工作在最佳效率点；当运行水头小于设计水头时，转轮工作点向上偏移，水头越小偏移越大，离最佳工作点越远；反之亦相同。

2.计算机监控下的水电站效益提升的问题的研究

水电站计算机监控下的效益提升问题包括两个方面的问题：

(1）新建水电站以降低投资成本来提升效益问题的研究。

新建水电站中机电设备投资中，水轮发电机组为主要投资，如果能够降低水轮机发电机的造价，必然会大幅度降低机电设备的投资。要降低水轮发电机造价，必须提高水轮机的转速比，只有提高水轮机的转速比才能降低机组造价，从而降低机房造价，减少水电站的投资。

(2）水电站在相同引水流量下，提高水轮机效率来提升效益问题的研究。

常规的水轮机运转是不采用人为干涉的，在不同的引水流量下，水轮机效率下降，机组无法进行调节，只能按固有特性曲线进行运转，所以效率下降较多。因此，只有采取人为进行效率干预，才能最大限度的实现水轮机的效率提高。

以上的研究、设计、制造均以水轮机转轮模型参数及型谱表（图）为指导，但是在实际运行中，水轮机转轮模型参数及型谱表（图）往往被当做一张废纸而抛弃，这是因为人工运行的状态无法实现迅速对实际运行参数和该表（图）的分析计算，更无法实现快速调节。而现有的计算机监控系统也没有发现该表（图）的重要性。随着科技发展，快速、灵活、精准的计算机控制系统逐渐呈现在世人面前，水电人逐渐发现该表（图）的重要性。如果能够实现以该表（图）在水电站的实际设计、运行中为指导，进行随时调节，其效益是巨大的。总之水轮机最优效率运行的问题研究就是实现水轮机转轮模型参数及型谱表（图）的研究，更是水轮机非最优工况的研究。

三、计算机监控下的水电站效益提升的理论研究

计算机监控下的水电站效益提高的办法是一个系统工程，由以下几个方面构成：

1.以PID原理构成水轮机调节系统

现行的以PID原理构成的调速器只能完成水电站的并网、增减负荷、正常开停机及事故停机。以PID原理构成的水轮机调节系统是现行PID调速器及以PID原理水轮机调节机构构成的。在完成以上任务的同时，完成水轮机最佳效率点的计算、选择、调节等任务。

2.以PID原理构成水轮发电机励磁系统

图1 水轮机运行曲线图

现行的数字式励磁系统只能完成发电机的起励、励磁调节、灭磁等任务。以PID原理构成的水轮发电机励磁系统不但能完成以上任务，同时可以辅助以PID原理构成的水轮机调节系统，完成机组稳定。

3.水电站计算机监控技术的研究结果

通过对水电站计算机监控技术的研究，可以得出以下结果：

(1）水轮机在实际生产运行中可以按照水轮机转轮模型图运行，提高水轮机运行整体效率，达到水电站的精准运行。

计算机监控下的水电站可以提高水电站的整体效率，使得水轮机运转特性曲线变宽，运行在高效区的时间变长，如图1。

(2）在水电站设计新建时，可以减小水轮机转轮直径，增加发电机转速，大大降低水电站一次性水力机械的投资。

新建水电站时可以减少水轮机转轮直径，提高水轮机转速，见表1。

四、计算机控制下的水电站精确运行的技术推广

该技术不但可以应用在新建水电站的设计中，而且可以推广到已建成水电站的技术改造中。我国有许多已建成水电站还没有进行计算机监控技术改造，而且在这些电站技术改造中，若应用该技术则能够极大地提高水轮机的运行效率，提高水电站的经济效益，必将激发已建成水电站的计算机监控技术改造的积极性。

表1

五、计算机控制下的水电站精确运行的经济效益

按两部分进行效益分析：

1.对水电站的效益

(1）对水电站运行效益的提高：

经过分析计算，采用该项技术后会使原水轮机的整体效率提高4.98%。2008年全国水电总发电量6000亿kW・h，若都采用该项技术将多发电293亿kW・h，增加销售收入88多亿元。

(2）降低水轮机制造成本对水电站效益的提高：

采用计算机控制下的水电站精确运行可以提高发电机设计转速，提高水轮机的比转速，降低水轮机造价，降低厂房尺寸，减少投资。

2.对生产该设备企业的效益

全国水电站装机容量已经达到1.75亿kW，若实行该项技术改造，生产该设备的企业净收入按100元/kW计算，该企业就可以净收入175亿元。