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      淺析小水電站按水位自動(dòng)控制的方法

      2015-01-27 01:31:12林智海
      關(guān)鍵詞:前池停機(jī)水頭

      林智海

      (廣東粵水水電發(fā)展有限公司,廣東 廣州 510610)

      0 引言

      YAVUZ 水電站為引水式電站,其引水系統(tǒng)由明渠和壓力鋼管組成,前池在其中間,有著調(diào)整和穩(wěn)定水流的作用,在機(jī)組增、減負(fù)荷時(shí),削減上游渠道水流產(chǎn)生的流浪,當(dāng)機(jī)組突然甩負(fù)荷時(shí),在壓力鋼管中產(chǎn)生的壓力突變,鋼管中流量的變化引起水位的改變,在明渠中將產(chǎn)生非恒定流。取水口、引水渠道、前池、泄水道、尾水渠和電站廠房等為該水電站的主要建筑物。

      壓力前池的作用:①平穩(wěn)水壓,平衡水量;②均勻分配流量;③排除多余水量,電站停機(jī)時(shí),向下游排出水量;④攔阻污泥和泥沙。在前池中設(shè)有攔沙等裝置,能有效的紡織泥沙流入管道,確保水輪機(jī)的正常工作。

      1 系統(tǒng)的組成

      YAVUZ 電站采用的計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)是全開(kāi)放環(huán)境下的計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng),在功能上也是分層分布的。如圖1 所示。

      圖1 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱DFig.1 Network topology graph

      該電站的監(jiān)控系統(tǒng)采用的是計(jì)算機(jī)為主,簡(jiǎn)化常規(guī)設(shè)備為輔的設(shè)計(jì)原則,分為電站控制級(jí)和單元控制級(jí)。單元控制級(jí)包括三套機(jī)組LCU,一套公用LCU,一套前池LCU,一套開(kāi)關(guān)站LCU,一套溢洪門(mén)LCU。在各LCU 之間都能通過(guò)光纖環(huán)網(wǎng)交換數(shù)據(jù)。電站控制級(jí)由兩臺(tái)工業(yè)控制計(jì)算機(jī)和一臺(tái)通訊服務(wù)器組成,其功能就是采集處理電站設(shè)備的數(shù)據(jù),存入歷史數(shù)據(jù)庫(kù),實(shí)現(xiàn)對(duì)電站設(shè)備的控制和操作,監(jiān)視電站的運(yùn)行狀態(tài),控制鏈路與調(diào)度中心監(jiān)控系統(tǒng)的通信。

      機(jī)組LCU 負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)的采集機(jī)組相關(guān)運(yùn)行的參數(shù),監(jiān)測(cè)機(jī)組正常的開(kāi)停機(jī)工作,以及完成對(duì)機(jī)組負(fù)荷的調(diào)節(jié)。

      開(kāi)關(guān)站LCU 主要負(fù)責(zé)的是采集三臺(tái)主變和兩條出線的參數(shù)、狀態(tài)信號(hào)以及控制操作。

      公用LCU 主要負(fù)責(zé)的是實(shí)時(shí)采集直流裝置、消防水泵等輔助設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)、狀態(tài)信號(hào)等。

      前池LCU 主要負(fù)責(zé)的是實(shí)時(shí)采集前池水位和前池閘門(mén)的信號(hào)以及對(duì)前池進(jìn)水閘門(mén)的控制操作。

      溢洪門(mén)LCU 主要負(fù)責(zé)的是實(shí)時(shí)采集壩區(qū)水位信號(hào)、溢洪門(mén)信號(hào)以及對(duì)溢洪門(mén)的控制操作。

      2 調(diào)節(jié)原理

      規(guī)定按水位標(biāo)準(zhǔn)選擇開(kāi)機(jī)數(shù)量,前池水位在282.9~283.9 米時(shí),開(kāi)一臺(tái)機(jī);水位在283.9~284.15 米時(shí),開(kāi)兩臺(tái)機(jī);水位在284.15 米以上時(shí)開(kāi)三臺(tái)機(jī)。圖2 為調(diào)節(jié)水位的控制流程圖。

      當(dāng)前池水位太高時(shí),首先通過(guò)增大3臺(tái)機(jī)組出力來(lái)調(diào)節(jié),如果在三臺(tái)機(jī)組滿載運(yùn)行情況下,前池水位還是太高,要通過(guò)減小水庫(kù)閘門(mén)的開(kāi)度減少來(lái)水量,來(lái)控制水位。反之如果水位過(guò)低時(shí),首先通過(guò)增大水庫(kù)閘門(mén)的開(kāi)度來(lái)增加來(lái)水量,在水庫(kù)閘門(mén)全開(kāi)的情況下,前池水位還是偏低,自動(dòng)減少機(jī)組出力甚至關(guān)閉機(jī)組??傊褪歉鶕?jù)前池水位,通過(guò)自動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)組出力達(dá)到最有效的利用水能。

      圖2 控制流程圖一Fig.2 Control flow chart 1

      3 控制過(guò)程

      在正常情況下,水電站要實(shí)現(xiàn)按水位優(yōu)化運(yùn)行需要具備以下條件:各LCU 運(yùn)行正常,上位機(jī)IPC 運(yùn)行正常,光纖環(huán)網(wǎng)通訊正常,前池水位計(jì)工作正常,調(diào)速器要具備按水頭調(diào)節(jié)的功能。中控室的操作人員在上位機(jī)的IPC 人--機(jī)界面上選擇“按水位運(yùn)行模式”,同時(shí)人工設(shè)定進(jìn)入按水位運(yùn)行模式的運(yùn)行的機(jī)組臺(tái)數(shù)和開(kāi)停機(jī)的先后順序。前池LCU 在接收到上位機(jī)的指令后,依據(jù)前臺(tái)水位的實(shí)際值來(lái)確定所開(kāi)機(jī)的臺(tái)數(shù)和運(yùn)行機(jī)組運(yùn)行的具體模式(指的是按給定功率運(yùn)行還是水頭--開(kāi)度的模式)。當(dāng)水電站按水位運(yùn)行模式時(shí),必須保證其中有一臺(tái)機(jī)組是按水頭--開(kāi)度模式運(yùn)行,而其他機(jī)組是按效率的最高點(diǎn)的給定值運(yùn)行。機(jī)組LCU 和前池LCU 必須通過(guò)光纖環(huán)網(wǎng)來(lái)交換信息,也是為了實(shí)現(xiàn)水位調(diào)節(jié)模式下機(jī)組LCU 和前池LCU 的直接控制。

      前池LCU 接收到各機(jī)組LCU 的信號(hào)有:允許開(kāi)啟機(jī)組進(jìn)出口閘門(mén)、機(jī)組事故關(guān)閉機(jī)組進(jìn)水口閘門(mén)、允許關(guān)閉機(jī)組進(jìn)水口閘門(mén)、機(jī)組開(kāi)機(jī)、機(jī)組狀態(tài)、機(jī)組停機(jī)指令、機(jī)組允許開(kāi)機(jī)、機(jī)組開(kāi)機(jī)失敗、機(jī)組關(guān)機(jī)失敗等等各類信號(hào)。而前池LCU 傳達(dá)到各機(jī)組LCU 的信號(hào)有:機(jī)組進(jìn)水口閘門(mén)全開(kāi)位置、機(jī)組進(jìn)水口閘門(mén)全關(guān)位置、按給定功率模式運(yùn)行命令、按水頭-開(kāi)度模式運(yùn)行命令、機(jī)組開(kāi)指令、機(jī)組關(guān)指令。機(jī)組初始的開(kāi)機(jī)順序?yàn)椋?號(hào)機(jī)→2 號(hào)機(jī)→3 號(hào)機(jī)→1 號(hào)機(jī)。機(jī)組初始的停機(jī)順序?yàn)椋? 號(hào)機(jī)→2 號(hào)機(jī)→1 號(hào)機(jī)→3 號(hào)機(jī)。

      按前池當(dāng)前水位,前池LCU 只需要一臺(tái)機(jī)組運(yùn)行時(shí),選擇優(yōu)先級(jí)最高的某機(jī)組開(kāi)機(jī)。當(dāng)機(jī)組LCU 接到前池LCU 傳達(dá)的開(kāi)機(jī)指令后,開(kāi)機(jī)完成并網(wǎng)發(fā)電,同時(shí)發(fā)布信號(hào)到前池LCU 告知其機(jī)組已并網(wǎng),然后前池LCU 再根據(jù)當(dāng)期安水位環(huán)境下所運(yùn)行的機(jī)組臺(tái)數(shù)的數(shù)量在確定是否需要再開(kāi)機(jī),并將最后并網(wǎng)的機(jī)組按水頭---開(kāi)度模式運(yùn)行,而其他已并網(wǎng)的機(jī)組是按效率最高點(diǎn)的給定值運(yùn)行。

      (1)當(dāng)前池水位在282.9~283.9 米時(shí),經(jīng)前池LCU 判斷后,判定只需要1 臺(tái)機(jī)組運(yùn)行時(shí),按初始的開(kāi)機(jī)順序選擇機(jī)組編號(hào),當(dāng)開(kāi)機(jī)機(jī)組接收到前池LCU 的開(kāi)機(jī)指令后,完成開(kāi)機(jī)并網(wǎng)的工作。前池LCU 收到開(kāi)機(jī)機(jī)組的開(kāi)機(jī)并網(wǎng)信號(hào)后,又向該機(jī)組發(fā)送按“水頭-開(kāi)度模式運(yùn)行”信號(hào),機(jī)組收到該指令后,向調(diào)速器發(fā)送“按水位運(yùn)行模式”運(yùn)行的命令,由調(diào)速器按“水頭--開(kāi)度”曲線模式運(yùn)行。詳見(jiàn)圖3。

      (2)如果在第一臺(tái)機(jī)組全開(kāi)的情況下,前池水位依然持續(xù)上升,水位達(dá)到283.9~284.15 米時(shí),經(jīng)前池LCU 判斷后,認(rèn)為需要開(kāi)第二臺(tái)機(jī)運(yùn)行,將按初始開(kāi)機(jī)順序選擇第二臺(tái)機(jī)。第二臺(tái)機(jī)的運(yùn)行將按“水頭-開(kāi)度”曲線模式運(yùn)行,而第一臺(tái)機(jī)將將改成按效率最高點(diǎn)的給定值運(yùn)行。第二臺(tái)機(jī)按水頭-開(kāi)度模式運(yùn)行。如圖4 所示。

      (3)如果水位繼續(xù)上升,持續(xù)到284.15 米以上,經(jīng)前池LCU 判斷后,需要第三臺(tái)機(jī)組運(yùn)行,將按著初始開(kāi)機(jī)順序選擇開(kāi)啟第三號(hào)機(jī),三號(hào)機(jī)投運(yùn)后,前池LCU將發(fā)送“水頭-開(kāi)度”曲線模式信號(hào)給三號(hào)機(jī)組LCU,使三號(hào)機(jī)機(jī)組按水頭-開(kāi)機(jī)曲線模式運(yùn)行,同時(shí)前池LCU 將最高效率的給定值信號(hào)給1 號(hào)機(jī)組和2 號(hào)機(jī)組,使1 號(hào)機(jī)組和2 號(hào)機(jī)組按最高效率點(diǎn)的給定值運(yùn)行。

      圖3 控制流程圖2Fig.3 Control flow chart 2

      圖4 控制流程圖3Fig.4 Control flow chart 3

      當(dāng)根據(jù)水位的高低判斷需要開(kāi)機(jī)指令,當(dāng)前池LCU 的水位上升, 根據(jù)優(yōu)先級(jí)確定需要開(kāi)機(jī)的機(jī)組編號(hào),觀察是否在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)接收到開(kāi)機(jī)信號(hào),如果機(jī)組沒(méi)有收到再繼續(xù)判斷下一優(yōu)先級(jí)是否需要開(kāi)機(jī),當(dāng)前池LCU 水位下降時(shí),LCU 判斷是否停機(jī),發(fā)出的停機(jī)信號(hào)是按照優(yōu)先級(jí)順序的,若收到信息失敗就要向下一優(yōu)先級(jí)再發(fā)指令。為了避免停機(jī)時(shí)引起電站輸出功率的大幅度波動(dòng),停機(jī)時(shí)要先由前池LCU 發(fā)出指令先退出機(jī)組的水頭-開(kāi)度模式的運(yùn)行模式,待機(jī)組完全停機(jī)后,將停機(jī)優(yōu)先級(jí)次高的機(jī)組置為水頭-開(kāi)度模式運(yùn)行。這樣的停機(jī)順序是安全可靠,并且使功率輸出平穩(wěn)的高效方式。

      4 水電站自控系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)

      水電站的自控系統(tǒng)能夠有效利用水能,發(fā)揮實(shí)際水電站的控制調(diào)節(jié)效果,在運(yùn)行過(guò)程中安全,穩(wěn)定,可靠。

      (1)水電站自控系統(tǒng)可以減少運(yùn)行人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。傳統(tǒng)水電站的運(yùn)行模式主體主要是工作人員,每天定時(shí)巡檢,記錄,調(diào)節(jié)控制等繁雜的工作內(nèi)容,現(xiàn)在的自動(dòng)控制用計(jì)算機(jī)代替了人工,節(jié)省了體力腦力,減少了工人的工作量,釋放更多勞動(dòng)力。同時(shí)提高了工作效率和準(zhǔn)確度,能夠?qū)⑺鼙M最大可能轉(zhuǎn)化成電能。

      (2)水電站自動(dòng)控制系統(tǒng)可以提高水電站的有效性和及時(shí)性。自動(dòng)化系統(tǒng)通過(guò)計(jì)算機(jī),監(jiān)控設(shè)置,控制體系技術(shù)能夠高效的來(lái)通過(guò)前池水位高低控制發(fā)電機(jī)組的開(kāi)停。其高效性和及時(shí)性已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)的超越了完全人工的操作。

      (3)水電站自動(dòng)控制系統(tǒng)可以提高水電站發(fā)電的安全性、可靠性。在人工操作的時(shí)期,工作人員定時(shí)定點(diǎn)的去巡檢,發(fā)現(xiàn)問(wèn)題的及時(shí)程度遠(yuǎn)不及監(jiān)控系統(tǒng)的快速,同時(shí)又避免了操作過(guò)程中工作人員的失誤,所以自動(dòng)控制系統(tǒng)具有一定的安全性和可靠性。

      5 總結(jié)

      近年來(lái)我國(guó)水電工程發(fā)展迅猛,已經(jīng)建成小水電站4 萬(wàn)多座,為我國(guó)的經(jīng)濟(jì)科學(xué)發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步作出了巨大貢獻(xiàn)。我國(guó)的小水電站主要解決中西部的邊遠(yuǎn)地區(qū)的用電問(wèn)題,小水電站的技術(shù)起點(diǎn)低,但是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)的快速發(fā)展,小水電站的自動(dòng)水位優(yōu)化,能夠更加高效地利用水能生產(chǎn)效益。根據(jù)控制原理和方法可以看出,SCADA系統(tǒng)的水位調(diào)節(jié)模式,避免頻繁的開(kāi)機(jī)停機(jī),自動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)組,有效的將水能轉(zhuǎn)化為電能,充分體現(xiàn)了小水電站自動(dòng)控制系統(tǒng)的有效安全,可靠穩(wěn)定的優(yōu)勢(shì)。

      [1]劉加英.小水電站按水位自動(dòng)控制方法的研究[J].大壩與安全,2011,3.

      [2]傅巍. 引水式小型水電站閘門(mén)自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)的研究[D].東北農(nóng)業(yè)大學(xué),2007.

      [3]饒志波. 基于網(wǎng)絡(luò)的小型水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究[D].重慶大學(xué),2012.

      [4]張巍,徐國(guó)君,俞鋒,方華,趙新勇.小水電站自動(dòng)按水位優(yōu)化運(yùn)行的方法[J].小水電,2000,3.

      [5]阮小玲. 水電站計(jì)算機(jī)數(shù)字監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用淺析[J]. 科技致富向?qū)В?012,9.

      [6]楊俊杰,周建中,梁年生.水電站無(wú)人值守自動(dòng)發(fā)電控制模型[J].水電自動(dòng)化與大壩監(jiān)測(cè),2004,3.

      [7]古夫. 小水電建設(shè)項(xiàng)目決策研究[D].天津大學(xué),2007.

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