（机械工程专业论文）基于plc的双挑式水电机组控制系统设计.pdf

摘要 摘要 水电站监控系统是当代水电站实现综合自动化的基础，是实现水电站无人值班 ( 或少人值守) 的前提条件。随着当代计算机技术和电子技术的日益成熟和迅速发展， 性能先进且运行稳定可靠的水电站监控系统得到了广泛的应用。对于小水电站既要 提高其运行的自动化程度又要减少投资，是小型水电站建设的一个重要原则。而采 用p l c 是水电厂计算机监控的一个重要组成部分，是适用于工业现场的控制设备， 是水电厂计算机监控系统的核心元件，其性能好坏直接决定了整个监控系统工作性 能的优劣。 本课题是以某小水电站为研究对象，详尽的介绍了电站的监控系统的设计和组 成。论文分析了我国小水电站监控技术发展的过程。根据电站的具体参数进行了机 组的选型和调速系统的构造，基于节约投资和“新技术、新设备的精神选用了双 挑式机组，调速设备选用全数字可编程力矩电机调速器。阐述了水电监控系统的设 计要求，分析了适用于小水电站的监控系统的结构并确定了该电站的监控结构，随 之进行该系统的整体设计，即控制结构的选择、现地控制单元各功能模块的实现等。 第四章阐述p l c 的软件设计，系统采用技术成熟的三菱f x 2 n 系列p l c 作为控制器， 来完成水轮机组的启动、停止、调节等功能。第五章是触摸屏画面的制作过程，设 计了水轮发电机组操作流程的人机界面。最后客观地评价本系统各方面的性能和不 足，并对未来的发展前景进行了展望。 目前本控制系统已成功投入运行，实际运行的监测数据证明了本系统能够满足 预定的应用需求，达到了预期效果。该系统性能优越，己使电站赢得了很大的经济 效益，并实现了真正的“无人值班、少人值守”。 关键词：监控系统；p l c ；双挑式机组；触摸屏 河北科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t h y d r o p o w e rs t a t i o n sm o n i t o r i n gs y s t e mi st h ef o u n d a t i o no fh y d r o p o w e rs t a t i o n s i n t e g r a t e da u t o m a t i o na n di ti st h ep r e c o n d i t i o nt or e a l i z et h eu n a t t e n d e dm o d et o o a l o n g w i t ht h es p e e dd e v e l o p m e n to fc o m p u t e rt e c h n o l o g ya n de l e c t r o n i ct e c h n o l o g y , t h e h y d r o p o w e rs t a t i o n sm o n i t o r i n gs y s t e mw i t ha d v a n c e dt e c h n i c a l f u n c t i o n sa n dt h e a d v a n t a g eo fs t a b l ea n dr e l i a b l er u n n i n gi su s e dw i d e l y f o rs m a l lh y d r o p o w e rs t a t i o ni st o i m p r o v et h eo p e r a t i o no ft h ea u t o m a t i o nd e g r e ea n dt or e d u c et h ei n v e s t m e n t ，t h es m a l l h y d r o p o w e rs t a t i o ni sa ni m p o r t a n tp r i n c i p l e w h i l e t h ec o m p u t e rm o n i t o rp l ci s h y d r o p o w e rs t a t i o ni sa l li m p o r t a n tp a r to f , i ss u i t a b l ef o ri n d u s t r i a ls i t ec o n t r o le q u i p m e n t ， c o m p u t e rm o n i t o r i n gs y s t e mi st h ec o r eo fh y d r o p o w e rs t a t i o n ，t h ed i r e c tc o m p o n e n t s d e t e r m i n e st h ew h o l ep e r f o r m a n c eo ft h ew o r k i n gp e r f o r m a n c eo ft h em o n i t o r i n gs y s t e m t h i st o p i ci sas m a l lh y d r o p o w e rs t a t i o nf o rr e s e a r c ho b j e c t , d e t a i l e di n t r o d u c e st h e d e s i g no ft h em o n i t o r i n gs y s t e mo fp o w e ra n dc o m p o s i t i o n s m a l lh y d r o p o w e rs t a t i o n ，t h e p a p e ra n a l y s e st h ed e v e l o p m e n tp r o c e s sm o n i t o r i n gt e c h n o l o g y a c c o r d i n gt ot h es p e c i f i c p a r a m e t e r so ft h ep o w e ru n i to ft h es e l e c t i o na n ds p e e dc o n t r o ls y s t e mb a s e do nt h e s t r u c t u r ea n di n v e s t m e n ts a v i n ga n dn e wt e c h n o l o g y , n e we q u i p m e n t ，”t h es p i r i to ft h e d o u b l ep i c kt y p es e l e c t i o n ，e q u i p m e n ts e l e c t i o nd i g i t a lp r o g r a m m a b l et o r q u em o t o rs p e e d e x p o u n d st h ed e s i g nr e q u i r e m e n t so fh y d r o p o w e rm o n i t o r i n gs y s t e m ，a n a l y z e st h es m a l l h y d r o p o w e rs t a t i o n i s a p p l i c a b l et o t h em o n i t o r i n gs y s t e mo ft h es t r u c t u r ea n dt h e s t r u c t u r eo ft h em o n i t o r i n gs t a t i o n s ，t h ei n t e g r a ld e s i g no ft h es y s t e m ，t h ec o n t r o ls t r u c t u r e ， f u n c t i o n a lu n i tc e n t r a l i z ec o n t r o lo ft h em o d u l e ，e t c t h ef o u r t hc h a p t e ro ft h i ss o f t w a r e d e s i g n ，s y s t e mo fp l cu s i n gm a t u r et e c h n o l o g yo fp l c c o n t r o l l e rf x 2 nm i t s u b i s h is e r i e s ， a st ot h et u r b i n eu n i t ss t a r ta n ds t o p ，a d j u s t i n ge t c f u n c t i o n t h ef i f t hc h a p t e ri st o u c h s c r e e n p r o d u c t i o np r o c e s s ，t h e d e s i g np r o c e s s o fh y d r o - g e n e r a t i n gh u m a n m a c h i n e i n t e r f a c e f i n a l l yo b je c t i v e l ye v a l u a t ea l la s p e c t so ft h es y s t e mp e r f o r m a n c ea n dt h e i n s u f f i c i e n c y , a n dt h ef u t u r ed e v e l o p m e n tw a sp r o s p e c t e d s y s t e ms c r e e na sc e n t r a l i z ec o n t r o lu n i to fm a n - m a c h i n ei n t e r f a c e ，a n da c c o r d i n gt o t h ef u n c t i o no fv a r i o u sp i c t u r ed o n ec o n f i g u r a t i o n ，i n c l u d i n gt h ep r o b l e m a nc o n t r o l i n t e r f a c e ，t e m p e r a t u r em o n i t o r i n gi n t e r f a c e ，r e m o t es e n s i n ge t c t h ec o n t r o ls y s t e mh a s b e e ns u c c e s s f u l l yo p e r a t i o n ，t h ea c t u a lo p e r a t i o nr e s u l t ss h o wt h es y s t e mc a nm e e tt h e r e q u i r e m e n to fp r a c t i c a la p p l i c a t i o n ，a n dr e a c ht h ee x p e c t e dg o a l t h es y s t e mp e r f o r m a n c e i ss u p e r i o rt op o w e r , a n db r i n g sg r e a te c o n o m i cb e n e f i t sa n dr e a l i z et h er e a lm e a n i n go f ”t h eu n a t t e n d e dm o d e ” t t 。 a b s 仃a c t k e yw o r d s ：p l c ；t o u c hs c r e e n ；d o u b l ep i c kt y p eh y d r ot u r b i n e ；m o n i t o r i n gs y s t e m i i i 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 水电行业发展概况 1 1 1课题的科学意义和应用前景 水电能源是可再生能源，通常大型的水电属于传统能源，而小水电则属于新能 源。2 0 0 5 年2 月我国颁布的可再生能源法鼓励包括小水电在内的一切可再生能 源开发。 小水电站从容量的角度来讲处于所有电站的末端，通常是指容量小于5 万千瓦 的水电站。世界上小水电占整个水电的比重大体在5 一6 。我国的可开发小水电资 源若以统计数7 千万千瓦计，可占到世界资源的一半左右。而且，我国小水电资源 分布十分广泛，特别是在偏远山区和广大的农村地区，因地制宜开发利用小水电资 源，即可以解决当地人民群众用电困难的问题，发展地方经济，投资人还可得到可 观的效益回报，因此小水电有着很大的发展前景，它已经成为中国2 1 世纪前2 0 年 的发展热点。 世界上，许多国家都制订了鼓励投资小水电的政策。运营成本比较低、效益稳、 风险低是小水电站的特色，由于国家各种优惠政策的鼓励，再加上近年来，全国性 缺电严重，全国掀起了投资建设小水电站的热潮。在国家鼓励合理开发与利用小水 电资源总方针的确定下，特大水电项目也开始向民企开放。根据国务院、水利部“十 一五”计划与2 0 1 5 年发展规划，我国将对民企投资小水电和小水电发展给予更多的 优惠政策。 1 1 2 国内外研究现状及发展趋势 中国的小水电资源十分丰富，技术可开发量为1 亿千瓦，广泛分布在全国1 5 0 0 多个山区县。新中国成立6 0 年来，特别是改革开放3 0 年来，中国政府为了解决中 西部贫困山区的用电，促进这些地区的经济和社会发展，制订扶持政策大力开发小 水电，小水电开发建设已具很大规模。每年全国小水电投资规模都在1 3 0 亿元以上， 目前在建规模近5 0 0 万k w 。水电资产已近3 0 0 0 亿元，年营业收入达3 0 0 亿元，年税 收2 0 亿元。小水电已成为中西部农村、山区经济的重要支柱，是地方财政的主要来 源和农民脱贫致富的重要途径。 中国小水电可开发量占全国水电资源可开发量的2 3 ，居世界第一位。因此小 水电的发展潜力很大。小水电通常是小型水电站及其配套的地方小电网的统称。我 国小水电资源蕴藏量极其丰富，分布面广，分布在西南、中南、西北、华东、东北 和华北等地。小水电在电力生产技术上具有与大电网共同的特点，也是电力工业的 重要组成部分，但小水电在建设和管理上却具有地方性、群众性、自主性和政策性 1 河北科技大学硕士学位论文 强等特点。主要表现为：首先，发展小水电时，可以充分动员和利用当地的人力、 物力和财力，在国家给予一定扶持的情况下，就可建成发挥效益，取得相对投资小、 工期短、收效快的效果；其次，小水电分散布点，就地举办，可以有效利用分散能 源，充分发挥我国水力资源丰富的优势；再次，小水电就地举办，就近联网供电， 可以适应农村用电量大、面广、分散的特点，有利于改善电力工业布局，减轻国家 电网的压力。小水电肩负着我国一部分山区县实现电气化的使命，已经成为我国农 村电气化的主要能源之一。 发展小水电是我国农业和能源建设的战略组成部分，它除了可以承担与其它类 型电站一样的发电任务外，还适宜担负以下任务： 1 1 2 1 担负系统的调频、调峰任务 电力系统的负荷随着时间不断变化，为保持系统频率在规定的范围内，电力系 统中必须有一部分发电站或发电机组随负荷的变化而改变出力，以维持整个系统内 发出功率和消耗功率的平衡。一般说来，对于变化幅度不大的负荷，频率的调整任 务主要是由发电机组的调速装置来完成的。对于变化幅度较大、带有冲击性质的负 荷，则需要有专门的电站或机组来承担调整频率的任务。由于水电站具有生产过程 简单，水轮发电机组启动快，开停机迅速，可迅速改变其发出的功率，而且发电机 组的频繁启动和停机，不会过多消耗能量，在负荷变化较大的情况下仍能保持较高 的效率等特点，所以具有调节能力的水电站特别适宜于作为系统的调频电站担负系 统的调频任务。 1 1 2 2 担负系统的事故备用容量 具有一定的备用容量，是电力系统进行频率调节和机组间负荷经济分配的前提。 为了保证供电的可靠性和电能质量，系统的电源容量应大于包括网损和发电站自用 电在内的系统总负荷，也即应该有一定的备用容量。其中事故备用容量用于代替系 统中发生事故的发电设备的工作，以便维持系统的正常供电；负荷备用容量用于调 整系统中短时的负荷波动，并满足计划外负荷增加的需要。很明显，由于水电站的 优点，适宜担负系统的事故备用容量。至于负荷备用容量，一般就设置在调频电站 内，亦适宜由水电站来承担。个别电站仍采用小电网运行方式，所以可以利用部分 小水电来担负事故备用容量。 小水电资源分布广泛，随着偏远山区和广大农村地区应该大力开发水电资源。 作为水电站的一个必不可少的重要环节一运行管理的自动化、计算机化也就迫在眉 捷。2 0 0 3 年4 月水利部农村水电技术现代化指导意见文件中明确规定：“2 0 1 0 年前，5 0 的农村水电厂及配套电网达到现代化水平。2 0 1 5 年，农村水电行业全面实 现现代化。通过科技创新，管理创新，使农村水电市场竞争力明显提高。”；“新建水 电厂都要按无人值班( 少人值守) 进行设计和建设。二十世纪九十年代以前建设的 2 第1 章绪论 水电厂，要按总体目标要求做出更新改造规划，在2 0 1 0 年前全部实现无人值班( 少 人值守) 。对已超过使用年限，经技术改造认证仍达不到要求的发电机组，要报废重 建或强行淘汰。”开发水电站自动控制系统即有宏观上的意义，那就是顺应时代信息 化、现代化潮流，提高效益，促进国民经济结构优化；也有微观上的意义，那就是 可以提高安全性，加强管理的信息化，提高工作效率，增加单位效益。 由于计算机与通信技术的不断发展，水电站已开始广泛采用信息技术，特别是 为解决水电站自动化水平低，常规设备落后，系统可靠性差等问题，在新建水电站 及老电站改造中越来越多地采用智能仪表、计算机自动控制、p l c 控制技术。大型水 电厂经常采用国外引进的计算机自动控制技术，不但存在着投资大，并且要求运行 人员有较强的计算机基础知识，而对于小水电站在达到技术设备可靠的前提下应注 意减少投资，且适合于水平较低的运行人员【l j 一【2 1 。 1 2 小水电站监控系统发展概况 1 2 1水电站监控系统现状 随着科学技术的发展，电力系统中电能的生产、变换、输送、分配等各个环节 已越来越多地采用自动化和信息化，也为电力系统快速、合理、经济地调度提供了 强有力的技术保证，同时也为社会贡献了巨大的社会效益和经济效益。 早在7 0 年代末，我国就开始研制水电厂计算机监控系统。原水电部就组织了华 中科技大学、南京自动化研究所和长江水利委员会研究葛洲坝水电厂采用计算机监 控系统问题。随即，我国又研制了富春江水电站计算机监控系统、永定河梯级水电 站计算机监控系统。我国自行研制的监控系统于8 0 年代先后投入运行。同时借鉴国 外研制的监控系统，促进我国监控系统研制能力。多年来，我国水电厂计算机监控 系统研制能力取得了很大的进步。技术水平也有了很大的提高。近年来新建的大中 型水电厂己基本上采用了计算机监控系统，各县级小型水电站已开始酌情采用了计 算机监控系统。自动发电控制( i o c ) 、自动电压控$ 1 j ( a v c ) 、事故追忆、故障录波、 报表打印等功能已成为现实。 在水电站监控系统中，可编程控制器p l c 由于其在控制的可靠性、实时性和重 新组态的方便性等方面具有无可比拟的优越性，故被广泛地应用于工业现场。 1 2 2 小水电厂监控系统的采用情况 在上个世纪9 0 年代以前建成的小水电站，由于当时的技术、经济条件的限制， 电站设备简单落后，自动化程度很低；1 9 9 0 年以后，有些新建的县、乡级小水电站， 追求快速回报，减少投资，仍采用较为落后的常规监控系统，自动化程度比较低。 随着电力生产和电网技术的快速发展，这些电站自动化程度难于快速响应电网的要 求，越来越不适应整个电网的要求，并给电站运行带来安全隐患。因此，为确保这 3 河北科技大学硕士学位论文 些己建电站的效益和安全，对己建电站进行自动化技术改造，配备计算机监控装置， 提升农村小水电站现代化水平。 小水电站实行计算机监控，由于其自动化程度高，可转变水电站运行人员的职 能，甚至可实现少人或无人值守，从而降低电力生产成本，提高电站经济效益。水 电站设备的重复操作、调节、运行状态的改变和参数的记录不需运行人员干预就可 由计算机监控系统自动完成。常规继电器控制系统是由继电器或静态集成电路等构 成，其动作准确性要通过动态试验得到证实。若系统某一部分发生故障，运行人员 没能及时发现。若此时设备再发生事故，就有可能造成拒动或误动的严重后果。水 电站计算机监控系统在运行时可通过自检来及时发现自身的故障，相比常规控制系 统可靠性大大提高。 p l c 作为新一代的工业控制器，是当今工业控制技术的一大趋势，其可靠性高、 抗干扰能力强，通讯功能强大，具有较高的性能价格比。它面向控制，和工业控制 计算机i p c 取长补短，构成当代小水电经济、高性能的工业控制平台【3 】。 1 3 可编程控制器技术的现状和发展趋势 上世纪6 0 年代，在世界性技术改造浪潮的冲击下，要求寻找一种比继电器更可 靠，功能更齐全，响应更快的新型工业控制器。1 9 6 8 年，美国通用汽车公司从用户 的角度提出了新_ 二代控制器应具备的十大条件，立即引起了开发热潮。1 9 6 9 年美国 数字设备公司( d e c 公司) 首先研制了第一台可编程序逻辑控制器( p r o g r a m m a b l e l o g i cc o n l r o l l e r ) 简称p l c 。p l c 的设计思想吸取继电器和计算机两者的优点。7 0 年代后期，随微电子技术和计算机技术的迅猛发展，可编程逻辑控制器更多地具有 计算机功能，它不仅用逻辑编程取代了硬接线逻辑，还增加了运算、数据传送和处 理等功能，真正成了一种专门用于工业控制的计算机，而且做到了小型化，超小型 化。这种采用了微电脑技术的工业控制器，称可编程序控制器。 p l c 的编程语言比一般的计算机语言更易被掌握。具有更强的与工业过程相连 接的接口。p l c 采用了典型的计算机结构，从硬件结构看，它主要是由c p u 、存储 器和专门设计的输入、输出模块、电源和编程器组成。整体式p l c 的几大模块装在 一个箱体内。模块式p l c 由i o 模板和模块组成。 目前，世界先进工业国家p l c 已成为工业控制的标准设备。它的应用几乎覆盖 了所有工业企业，p l c 控制技术是当今世界潮流，是工业自动化的三大支柱( p l c 技术、工业机器人、计算机辅助设计和制造) 之一。 1 3 1可编程控制器的主要特点 ( 1 )高可靠性可编程控制器能在工业环境下可靠工作，是因为采取了一系 列硬件和软件的抗干扰措施，在硬件上采取了电磁屏蔽、光电隔离、多级滤波等模 4 第1 章绪论 块式结构，采用密封、防尘、 位 置 开 关 编程器 图形显示器 计算机 其他设备 壳封装结构，以适应工作现场的恶劣环境。 模其 拟他 量信 号 信接电模其 号触磁拟他 灯器阀量信 号 图1 1p l c 控制系统图 f i g 1 - lp l cc o n t r o ls y s t e m 在软件上，p l c 的系统程序可以定期检测外界环境，如掉电、欠压、强干扰信 号等故障检测。在故障条件消失时能进行信息保护和恢复。对程序及动态数据进行 电池后备，停电后利用后备电池供电，有关状态及信息就不会因此而丢失。系统软 件还具有警戒时钟( w d t ) ，如果程序循环时间超过了w d t 规定时间，预示了程序进 入死循环，立即报警。 ( 2 )编程方便，易于使用p l c 继承传统继电器控制电路清晰直观的特点， 采用面向控制过程和操作者的“自然语言”梯形图为基本编程语言，容易学习 和掌握。p l c 控制系统采用软件编程来实现控制功能，其外围只需将信号输入设备 ( 按钮、开关等) 和接收输出信号执行控制任务的输出设备( 接触器、电磁阀等执 行元件) 与p l c 的输入、输出端子相连接，安装简单、工作量少。当生产工艺流程 改变或生产线设备更新时，可在不改变硬设备的情况下改变控制程序，灵活方便， 具有很强的“柔性”。 ( 3 )与外部控制器件接口方便现代p l c 具有数字量和模拟量i o 接1 3 及各 种扩展单元、智能单元和特殊功能模块，可以方便灵活地组合成各种不同规模和要 求的控制系统，以适应各种工业控制的需要 4 1 - 7 1 。 1 4 本论文研究的背景和研究意义 s 够继电器触点 白 灏操作按钮 掮 河北科技大学硕士学位论文 在计算机软件、硬件技术高速发展的今天，各行各业都可以借助广泛普及的 w i n d o w s 平台，根据需要开发出实用的计算机软件，实现自己所要的功能。面向对象 编程从结构和功能上都胜过传统程序，它追求的是现实问题空间和软件系统解空间 的近似和直接模拟。而p l c 的梯形图编程语言，它以简单易学的特点倍受广大工程 技术人员的喜爱。因此我们就采用了p l c 的梯形图语言来开发小水电站计算机自动 控制系统软件，不仅软件的复杂程度低，系统中各模块间的联系少，易于适宜外部 环境的变化，易于维护，而且软件在原设计意图改变时具有相当的应变能力，具有 很强的可扩充性；更重要的是，软件系统中的某些部分或整个设计可以在构造新的 系统时重新利用，即具有可重用性。这种优秀的编程技术为该计算机自动控制系统 软件的开发提供了坚实的软件基础。 本文将在小水电站计算机监控系统设计中采用先进的分层分布式监控系统结 构。在分析了相关的技术资料和文献后，将新型的工业领域控制设备可编程控制器 p l c 应用到小型水电站的控制中。采用两层分布式结构，结构简单，层次清晰。使 p l c 担负起顺序控制、数据处理、与上位机通信等多重任务，控制结构简单。使电 站层和现地控制层通过以太网构成电站监控系统，符合先进的分布式设计思想。人 机交互界面采用智能型触摸屏，画面的编制和修改极为方便，不需要专门的技术人 员花费大量的时间采用面向对象高级语言编制画面。硬件和软件都采用模块化设计， 可以保证系统功能灵活，易于扩充。 这种控制模式模块化配置减少了系统故障发生的几率。对于在目前我国偏远地 区和农村地区投资不足的情况下加快建设小水电站是很有促进作用的。 1 5 本文研究的内容 本文针对一径流式小水电站进行自动化系统的设计和配置，按照“无人值班、 少人职守”的要求设计，利用上位机和p l c 进行自动化控制和监测，实现电站控制 系统的自动化。 ( 1 )硬件选型与配置通过对电站已有数据和资料进行水轮机组和计算机自动 控制系统选型与配置。在与传统的发电机、水轮机l ：1 的配置对比中，选择采用国 际新型的双挑式机组( 双挑式机组即为由两台水轮机共同给一台发电机提供源动力， 见图1 2 。这种结构更加节约投资，利于小水电的发展。自动控制系统采用两层分布 式结构，上层集中控制层由一台工业控制机( i p c ) 控制，现地控制保护层单元，主 要由两台可编程控制器( p l c ) 及各保护测控单元组成，机组的操作可以在工控机、 触摸屏及自动化屏上进行操作( 见图l 一3 ) 。 6 第1 章绪论 ( 2 )关键问题由于此水电站为双挑式机组，两台水轮机共同拖动一台发电 机，需要考虑到两台水轮机之间的协联关系( 如两台水轮机先后开机程序及同步关 机程序，事故跳闸优先关机程序等) ；两台水轮机与发电机之间的协联关系( 如单机 或双机运行保护器整定值的自适应性) 。 图1 - 2 双挑式机组 f i g 1 - 2 d o u b l ep i c kt y p eh y d r ot u r b i n e 图1 - 3电站系统结构图 f i g 1 - 3 p o w e r s y s t e ms t r u c t u r e 7 河北科技大学硕士学位论文 第2 章水利发电系统原理与配置 2 1水力发电过程 水力发电是利用江、河、水库的势能也就是水位的落差来作功，推动水轮机转 动再带动发电机转动发电的。水轮发电机所发出的功率与上游的水头和单位时间所 流过水轮机的水量成正比的。 2 1 1水力发电厂的特点 水力发电厂的水轮发电机组不但具有设备简单，操作灵活，易于实现自动化等 特点，而且还可以在几分钟内迅速启动投入运行等特点。在正常情况下水力发电厂 的启动到带满负荷只需4 - 5 分钟。在紧急情况下可缩短到1 分钟左右且增减负荷也十 分方便灵活。因此，水轮发电机组通常可以承担电网的调峰，调频曾加电力网的无 功分量和事故备用等。 水力发电厂水轮机组生产效率较高，大、中型水力发电厂效率为8 0 - 9 0 ，小型 水电站一般为6 0 - 7 0 ，而火力发电厂的发电效率仅为3 5 左右。同时水力发电厂发电 成本较底，一般为火力发电厂的三分之一到四分之一，并且水力发电厂几乎不产生 对环境的污染。 2 1 2 水力发电厂的基本型式 按集中落差方式的不同，水力发电厂可区分为堤坝式、引水式和混合式三种。 r 。一。一。一。l ：水轮机 ： - 而 图2 - 1 水利发电过程示意 f i g 2 - 1h y d r o e l e c t r i c i t yp r o c e s s 堤坝式水力发电厂又可按电厂厂房所处的位置的不同，分为坝后式、河床式和 岸边式。坝后式水力发电厂是由河中拦河筑坝建水库，调节水的径流来集中水流落 差，厂房设在堤坝下游的坝处，有的设在坝内但不承受上游水的压力。 r 第2 章水利发电系统原理与配置 按水库蓄水的调节能力的不同，水力发电厂可分为径流式水电厂、日调节水电 厂、周调节水电厂、年调节水电厂和多年调节的水电厂。 径流式水力发电厂没有调节水库，上游来多少水就发多少电，发电能力只能随 季节水量的变化来控制，如遇丰水期还要大量的弃水，造成自然资源的浪费。 2 1 3 水力发电厂的构成 水力发电厂的构成主要有水库、引水管道、水轮机、水轮发电机、调速器、润 滑系统、冷却系统、变压器、高压断路器、配电装置等组成，如 2 - i 所示【8 1 。 2 1 3 1水轮机 水轮机是一种将水的势能转换成机械能的机器。以这种机器驱动发电机，便可 使水能变为电能这就是水轮发电机组。现代水轮机，按水流作用原理和结构特点可 分为两类，一类是仅利用水流动能的称为冲击式水轮机，另一类同时利用水流动能 和势能的称为反击式水轮机。 从上游水库引来的水，先流至引水室( 蜗壳) ，然后经导向叶流入转轮叶片的弯 曲形通道，水水流对叶片产生反作用力，使叶轮转动，此时将水能转换成机械能， 流出转轮的水经尾水管排向下游。 反击式水轮机主要有混流式、斜流式、轴流式，其主要区别在于转轮结构形式 各有不同。 混流式转轮一般由1 2 - 2 0 个流线型的扭曲叶片和轮冠、下环等主要部件组成，水 流从辐向流入，轴向流出，这种水轮机的适用水头范围较广，体积较小，造价较低， 广泛用于高水头。 轴流式又分螺浆式和转浆式，前者的叶片固定不动，后者的叶片可以转动。轴 流式转轮一般由3 - 8 个叶片，转轮体、泄水锥等主要部件组成。这种水轮机的过水能 力较混流式为大。对于转浆式水轮机。由于叶片可随负荷改变其位置，因而在负荷 变化很大的范围内，均具有较高的效率。这种水轮机的抗气蚀性能与机械强度均比 混流式差，结构也较复杂，一般适用于1 0 - 8 0 米的低、中水头范围。 引水室的作用是使水流均匀地流入导水机构，减少导水机构的能量损失，以提 高水轮机效率。大中型水轮机水头在5 0 米以上的，常采用圆形断面金属蜗壳。 导水机构，一般均匀布置于转轮外围，具有一定数量的流线型导叶片及其转动 机构等组成其作用在于引导水流均匀地流入转轮，并通过调节导叶开度，来改变水 轮机的过流量以适应发电机负荷调整变化的要求，全部关闭时也可起到封水的作用。 尾水管，由于转轮出口的水流还有部分剩余能量未被利用，尾水管的作用就是 回收这部分能量并将水排至下游。小型水轮机一般采用直锥型尾水管，效率高，但 大中型水轮机由于尾水管不可能挖的很深，因此均采用肘弯型尾水管。 冲击式水轮机：这种水轮机利用高速水流的冲击力使水轮机转动，最常见的为 9 河北科技大学硕士学位论文 水斗式。 2 1 3 2 调速装置 ( 1 )调速系统调整机组出力，控制设备转速的主要设备，其操作方法是操 作导水机构调整导叶方向以调节水轮机的进水量及进水方向，使水轮机的出力与发 电机负荷随时平衡，从而保持机组在额定转速下运行，来满足系统对频率稳定的要 求，手动开停机及事故紧急停机，配合自动装置合理分配机组负荷或自动开停机。 大中型水力发电厂的水轮机均采用自动调速器，常见的有机械液压式和电气液 压式，后者动作迅速、灵敏、稳定、维修方便。 ( 2 )蝴蝶阀与快速闸门蝴蝶阀一般分别安装在水轮机蜗壳前的钢管上或压 力引水管的进水口处，当机组发生事故而导水机构又同时发生故障不能及时关闭时， 可迅速关闭蝴蝶阀或快速闸门，来紧急停机，避免事故扩大。在停机或检修时将其 关闭，还可减少漏水及确保工作安全。 2 1 3 3 水轮发电机 水轮发电机与汽轮发电机相比，其特点有转速低：由于水头所限，一般均在7 5 0 转分以下，有的每分钟只有几十转分。极数多：因为转速底，为了达n 5 0 h z s 的 电能要求，就需要增加磁极对数，以使定子线圈的磁场每分钟仍能变化5 0 次。结构 尺寸和重量都较大【9 】。 2 2 水电站基本情况 2 2 1 工程概况 水电站位于滦河水系瀑河下游潘家口水库瀑河入口处，通过筑坝蓄水，将河道 裁弯取直，开凿隧洞，获得落差发电。电站隧洞进口与出口自然落差3 5 7 0m ，在 隧洞出口处建压力前池，接压力管道：尾水直接泄入潘家口水库。该电站为非洪水 期日调节水电站。 电站工程包括引水枢纽，隧洞和厂区枢纽三大部分。其中，引水枢纽包括拦河 坝、排砂闸、隧洞进水闸。厂区枢纽包括压力前池、压力管、厂房、变电站和生活 区附属建筑物等。电站前池设计水位2 5 8 8 8ms 最高水位2 6 0 8 2m ；最低水位 2 5 7 8 8m 。最高尾水位取潘家口水库最高蓄水位2 2 4 6 m ；最低尾水位2 2 1 0 5 m 。 电站的最大水头3 9 1m ，设计水头3 6 1m ，最小水头3 2 5m 。 2 2 2 机组方案选择 2 2 2 1 常规机组方案 长期以来，我国水电站水轮发电机组的开发一直沿用着水轮机与发电机一一配 套的模式，至今没有大的变化。采用年利用小时数法方法进行分析计算和论证，电 站装机容量定为2 2 0 0 千瓦较为合理，年利用小时数4 0 9 1 小时，通过4 8 公里的3 5 千 1 0 第2 章水利发电系统原理与配置 伏输电线路，并入当地3 5 千伏变电站。水轮机性能参数如表2 - 1 ： 表2 - 1 水轮机性能参数 t a b 2 - 1t u r b i n ep e r f o r m a n c ep a r a m e t e r s 水轮机型号h l a 5 5l - w j - 6 5h l a 5 5l w j 一5 0 额定转速 7 5 0r r a i nj0 0 0r r a i n 飞逸转速 l4 3 0r r a i nl8 6 0r m i n 额定出力8 6 8 k w5 4 5k w 设计水头3 6 1 m3 6 1 m 设计流量 2 7 2 m 3 | 51 7 1m 3 s 额定效率9 0 o 9 0 o 功率i 1 数c o s c p o 80 8 根据确定的电站装机方案，适用于本电站水头和容量的机型有卧式和立式两种， 卧式机组又有不同的机型，经过综合经济技术比较后确定装机2 台h l a 5 5 1 w j 6 5 和l 台h l a 5 5 1 w j 5 0 的卧式水轮发电机组。配套的发电机性能参数如表2 - 2 ： 表2 - 2 水轮机性能参数 t a b 2 - 2t u r b i n ep e r f o r m a n c ep a r a m e t e r s 发电机型号s f w 8 0 0 - 6 1 4 3 0 s f w 5 0 0 - 4 9 9 0 额定功率8 0 0 k w 5 0 0 k w 额定电压 6 3l ( v6 3k v 额定电流 9 1 5 6a5 7 2 3a 额定转速7 5 0r m i n l0 0 0r r a i n 效率 9 2 09 1 5 2 2 2 2 双挑机组 双挑式水轮发电机组，是两台水轮机作用于一台发电机的新机型，在世界上一 些发达国家目前己成功开发并应用。这种新机型可以使水轮机保持在高效区运转，在 运行中更加灵活，更能适应各种来水量的变化，可以显著缩短建设工期，降低水电 站建设投资。 ( 1 ) 我国类似机型生产状况杭州发电设备集团公司1 9 9 1 年分别给加拿大、美 国各生产过一台5 0 0 k w 和6 3 0 k w 的类似机组，其形式为水轮机是对称和非对称两种， 垂直进水，整个大轴分段，大轴连接形式为软连接，整套机组四支点，现仍在运行。 重庆水轮机厂在1 9 9 5 年给加拿大生产过一台发电机容量为3 0 0 0 k w 的机组，水 河北科技大学硕士学位论文 轮机容量分别为17 5 0 k w 和1 2 5 0 k w 的双挑水轮机组，其形式为卧式通轴( 水轮机发 电机一根轴) ，整套机组两支点，水轮机斜上方进水。目前在加拿大运行良好。 在我国研究开发这种双挑式水轮发电机组是一项具有现实意义的重要课题。根 据“水电建设要积极采用新技术、新设备的要求，水利部水电局拟在水电站进行机 组选型方案的科学研究 的精神，因此，机组选型时考虑了双挑式机组方案。 ( 2 ) 装机方案水电站装机可采用方案有两种：2 台1 1 0 0k w 的同型双挑水 轮发电机组；1 台14 0 0k w 和1 台8 0 0k w 的双挑异型水轮发电机组。机组主要性能 参数比较见表2 - 3 。 表2 3 机组主要性能参数比较表 t a b 2 - 3m a i np e r f o r m a n c ep a r a m e t e r sc o m p a r i s o n 项目方案i方案i i方案i i i 装机容量( k w )2 2 0 02 2 0 02 2 0 0 水轮机型号2 h l a 5 5 1 一町一7 lh l d 7 5 一w j 一8 42 h l 2 4 0 - w j 一7 5 h l a 3 8 4 - w j - 7 1 设计水头( m ) 3 6 23 6 23 6 2 单机设计流量 3 7 2 2 4 7 4 2 8 1 6 3 8 2 6 电站设计流量7 4 4 47 5 5 67 6 5 2 额定出力 i 1 8 31 5 1 4 8 8 01 1 9 5 额定效率8 9 59 0 8 88 8 额定转速 7 5 0 6 0 0 6 0 06 0 0 吸出高度 3 91 20 9 发电机型号s f w 2 2 0 0 一8 1 7 3 0 s f w 2 2 0 0 一l o 1 4 3 0 s f w 2 2 0 0 1 0 1 7 3 0 额定功率 2 2 0 02 2 0 02 2 0 0 额定电压 6 36 36 3 额定电流 2 5 2 2 5 2 2 5 2 额定转速 7 5 06 0 06 0 0 效率 9 39 39 2 从表2 3 可知，从安装检修角度来看，方案i 、2 台水轮机型号相同，备品、 备件少，安装与检修方便：方案i i 为1 台l4 0 0k w 和1 台8 0 0k w 的异型水轮机， 备品、备件多，安装与检修不便。从水轮机吸出高度看，方案i 均比方案i i 、水 轮机吸出高度大，方案i 厂房开挖深度小，土建费用省。从水轮机效率看，方案i 与方案i i 水轮机额定效率相当；但比方案i i i 高些。因此，综合考虑以上因素，双挑 机组方案中推荐方案i ，即2 h l a 5 5 1 - w j - 7 1 双挑同型机组。 1 2 第2 章水利发电系统原理与配置 2 2 2 3 双挑机组的特点 、 由于该机组为卧式混流式机组，因此它具有一般混流式机组的特点，但它又是 双挑机组，因此又有与一般混流式机组不同的特点。 ( 1 )机组结构形式两台水轮机呈水平对称布置，中间带发电机。旋转方向 从一个方向看水轮机1 台为顺时针，另一台为逆时针。2 台水轮机的导叶、转轮叶片 互为反向。水轮发电机为卧式双伸轴，旋转方向为顺时针。 ( 2 )调速器控制方式机组由2 台调速器控制，因此在开机并网时，须考虑 到不同步的影响，应先以其中1 台来开机并网，再带上负荷稳定运行后，再开另1 台机并逐步增加负荷。关机时2 台调速器可分别关闭2 台水轮机。当出现事故时，2 台调速器可同时关闭2 台水轮机。 ( 3 )机组安装双挑水轮发电机组的安装与常规机组安装最大的不同点就 是：必须先将机组调试固定好，然后再与压力管道相连接。由于水轮机蜗壳和压力 管道是相互独立定位的，两者中心线难免出现偏差，因此在蜗壳与压力管道连接处 应设伸缩节。水轮机大轴的水平度，应严格按规程进行控制，跳动量不超过0 0 2 咖m ， 以保证机组的稳定运行。 2 3 双挑机组协调方案确定 水电站净水头范围为3 2 5 3 9 1 m ，为一典型的径流式电站，水位变化大，其 前池的容量小，建厂房要考虑到地形的限制，厂房要因势而建；还要从经济的运行 的角度来确定机型。 常规方案推荐机组台数为3 台异型机组，运行灵活，机组运行效率较高。双挑 机组方案，由于水轮机单机容量较大，机组台数