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低壓機組水電站安全自動化技術(shù)的研究

文檔作者：尹剛余少彬文檔來源：湖北省地方水電公司安徽水電潛山有限責任公司大關(guān)水電站		點擊數(shù)：	更新時間： 2021年06月05日
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農(nóng)村水電站安全保障技術(shù) SMALL HYDRO POWER 2010No2 Total NolS2
低壓機組水電站安全自動化技術(shù)的研究
尹 剛(湖北省地方水電公司 湖北武漢430071)
余少彬(安徽水電潛山有限責任公司大關(guān)水電站 安徽潛山 246310)
【摘要】在我國，低壓機組水電站總量占全國農(nóng)村水電站的約80％，電站存在安全技術(shù)和安全管鯉的盲區(qū)。對電站
存在的安全問題進行了深入的調(diào)查分析，提出了可行的技術(shù)方法和建議。從根本上解決了低壓機組水電站阻礙實現(xiàn)無人值
班的安全技術(shù)瓶頸問題。
【關(guān)鍵詞】水電站低壓機組安全設(shè)備安全現(xiàn)狀技術(shù)研究 。
1 概述
由于低壓機組水電站機組單機容量都很小，電
站職工素質(zhì)普遍不高，電站的安全問題始終沒有受
到人們的重視，使得低壓機組水電站一直能在設(shè)備
配置十分簡單，技術(shù)裝備普遍落后的環(huán)境下運行。
我國低壓機組水電站安全技術(shù)的研發(fā)工作一直
落后于水電站生產(chǎn)設(shè)備技術(shù)的研發(fā)，造成了我國絕
大部分的低壓機組水電站都存在嚴重的安全隱患。
目前，除國有電站現(xiàn)在還能夠有效的實施統(tǒng)一安全
管理外，集體和民營電站在安全管理方面基本都是
各自為陣，缺乏科學的管理手段，要想落實安全管
理措施非常困難。
低壓機組水電站在農(nóng)村水電站中所占比例較
大，但整體的自動化水平一直得不到提高，電站的
各項控制、調(diào)節(jié)基本都是按人工操作來設(shè)計。這種
落后的設(shè)備配置方式和技術(shù)裝備設(shè)計思想一直延續(xù)
到了現(xiàn)在，造成低壓機組水電站的勞動生產(chǎn)效率無
法提高，電能質(zhì)量很不穩(wěn)定，各種事故頻繁發(fā)生，
已嚴重危及到電站設(shè)備運行安全和人身安全，使得
低壓機組水電站在運行、融資、上網(wǎng)等方面受到責
難，影響到電站的效益和生存，使得電站在市場經(jīng)
濟的環(huán)境下缺乏應(yīng)有的競爭力。
2 安全現(xiàn)狀調(diào)查
上世紀60～80年代，我國經(jīng)濟困難、物質(zhì)匱
乏，小型水電站的建設(shè)主要依靠老百姓投工投勞，
加上政府少量的資金補貼。低壓機組水電站建設(shè)周
期短，投資少，當時建造的小型水電站大多是低壓
機組，受當時設(shè)計水平、設(shè)備制造能力和物質(zhì)分配
方式的制約，電站在建設(shè)時就存在設(shè)計簡化和設(shè)備
· 78 ·
配套不合理等問題，很多電站的出力嚴重不足，由
于缺乏完善的自動化元件，電站基本無自動化可
言。經(jīng)過幾十年的運行，這些電站不但存在安全技
術(shù)問題，其中不少電站已超過使用年限，很多設(shè)備
存在嚴重的機械磨損、絕緣老化和控制、保護失靈
等問題。
改革開放以來，雖然低壓機組水電站的設(shè)計觀
念發(fā)生了很大的變化，設(shè)備制造能力也有了很大的
提高，但電站的投資主體多由國家、集體變?yōu)槊駹I
和個體，加上電站安全自動化設(shè)備的研發(fā)嚴重滯
后，電站安全運行和安全管理方法并沒有得到多大
的改善。
低壓機組水電站普遍存在的安全技術(shù)隱患是一
個歷史遺留問題，幾十年來都沒能很好的去加以解
決，主要原因是牽涉的專業(yè)很廣，制約的因素太
多，缺乏應(yīng)有的技術(shù)規(guī)范。隨著社會的進步、技術(shù)
的發(fā)展，從根本上解決電站安全運行和安全管理的
問題，并不是很困難的事情，只要政府、業(yè)主、設(shè)
備生產(chǎn)廠家共同努力，特別是政府要盡快出臺一些
專門針對低壓水輪發(fā)電機組水電站的強制性安全生
產(chǎn)管理規(guī)定，督促業(yè)主和設(shè)備生產(chǎn)廠家認真執(zhí)行。
3 低壓機組水電站的主要安全隱患
3．1 閥門及閘門的控制
低壓機組水電站主閥和閘門的控制操作常用的
有手動和電動操作兩種方式，小容量和部分大容量
的機組現(xiàn)在較為普遍的還是采用手動操作，主要原
因是設(shè)備價格低廉，操作簡單、維護方便。手動操
作的缺點是，操作速度很難滿足事故處理要求，過
慢的關(guān)閉速度會使事故擴大。手動操作的閥門一般
沒有限位開關(guān)，超開和超關(guān)的問題十分突出，經(jīng)常
小水電2010年第2期(總第152期) 農(nóng)村水電站安全保障技術(shù)
會造成閥門機械卡死，超開和超關(guān)會造成設(shè)備的損壞。
由于手動操作的主閥和閘門無自動開閉功能，
也不可能接受電站自動控制系統(tǒng)對其發(fā)出的指令，
當機組發(fā)生緊急事故時，這一最后的技術(shù)安全保障
設(shè)備實際起不到應(yīng)有的作用。
3．2 調(diào)速器
目前我國低壓機組采用的調(diào)速設(shè)備種類繁多，
大體可分為手動、半自動和全自動3種。手動操作
是靠人工操作手輪和折向器(沖擊式機組)來完
成；半自動雖能自動開、關(guān)機，但是負荷發(fā)生變化
時調(diào)速器無法自動調(diào)整，而是需依靠人工操作來完
成，如手動、電動操作器和各種蓄能方式的操作
器；全自動的有電調(diào)、機調(diào)、和微機調(diào)，現(xiàn)在電
調(diào)、機調(diào)正在逐步退出全自動調(diào)速器市場，微機調(diào)
速器已占據(jù)全自動調(diào)速器的主導地位，PLC調(diào)速器
屬微機調(diào)速器的一種。
受設(shè)備價格因素的制約，低壓機組的有功調(diào)節(jié)
還在大量采用手動和半自動調(diào)節(jié)方式。手動調(diào)節(jié)設(shè)
備的安全性能差，容易造成設(shè)備和人身傷害事故。
據(jù)有關(guān)資料介紹，我國每年都會發(fā)生因調(diào)速器問題
而造成人員傷害及設(shè)備損壞的惡性事故。 半自動調(diào)
節(jié)方式雖然在安全方面有了很大的改善，但因為一
般都是開環(huán)運行，如果不與自動化程度較高的控制
設(shè)備聯(lián)合使用，其自動控制的作用很難有效發(fā)揮。
3．3 同期 ‘
低壓機組水電站同期并網(wǎng)操作過去都是采用手
動完成，受運行人員工作責任心和業(yè)務(wù)水平等因素
的影響很大。人工手動同期不但同期的時間較長，
一次同期成功的機率也很低，非同期并網(wǎng)是電站的
主要隱患之一，其對設(shè)備的傷害較大，而非同期并
網(wǎng)造成的主開關(guān)損壞事故近幾年也較多。因此，設(shè)
法提高低壓機組水電站的自動化程度，配置性能優(yōu)
良的自動準同期設(shè)備，確保電站機電設(shè)備的運行安
全是有必要的。
3．4 剎車制動
低壓機組很少設(shè)計自動剎車裝置，也很少裝設(shè)
全自動調(diào)速器，所以電站一般不設(shè)氣系統(tǒng)，機組的
剎車缺乏氣源和油源，現(xiàn)在低壓機組水電站大都是
采用手動油泵制動剎車和木棍剎車，既不安全，又
容易造成環(huán)境污染。在我國，采用木棍剎車造成人
員的傷亡事故時有發(fā)生。
由于沒有自動剎車設(shè)備，剎車的時間需靠肉眼
觀察、人工操作，這樣的操作方式是極不安全的。
如果剎車時間掌握不好，轉(zhuǎn)速沒有降到30％以下，
這時剎車很容易對設(shè)備造成損壞，有時甚至會危及
人的生命。
4 安全隱患的避免和處理方法
要從根本上消除低壓機組水電站存在的安全隱
患，就必須全面提高電站設(shè)備的自動化水平，完善
相關(guān)設(shè)備配置。作為低投入電站，想按大中型水電
廠的模式大范圍提高設(shè)備投入是不現(xiàn)實的。所以，
首先需在低壓機組水電站推廣安全自動化設(shè)備，如
自動準同期裝置、自動勵磁調(diào)節(jié)器、高油壓全自動
調(diào)速器、自動剎車設(shè)備、可電動操作的閥門等。在
設(shè)計選型上要做到?jīng)]有安全防護的設(shè)備堅決不選，
達不到安全防護等級的設(shè)備堅決不用。
加大政府管理機構(gòu)對電站安全生產(chǎn)指導和監(jiān)管
的力度，只有強化了政府的監(jiān)管，才能達到對電站
安全生產(chǎn)監(jiān)管的效果，才能保證電站生產(chǎn)安全。
建立完善的電站管理制度來解決安全問題，如
制定并執(zhí)行小水電生產(chǎn)安全規(guī)章制度；強化安全生
產(chǎn)制度檢查力度；舉辦運行工上崗培訓班，并進行
上崗證的驗審；制訂和完善農(nóng)村水電站的安全生產(chǎn)
激勵機制，將職工切身利益和安全生產(chǎn)直接掛鉤，
等等。這些辦法在國有電站也許還能起到一定的效
果，但對于民營和個體水電站，只能是治標，沒有
做到治本，因為他們?nèi)狈Ω咚刭|(zhì)的員工。
只有通過政府法規(guī)和技術(shù)規(guī)范強制要求電站完
善安全自動化設(shè)備的配置，監(jiān)督使用達到安全標準
的設(shè)備，嚴格按安全標準進行安裝、調(diào)試、實驗，
并通過安全檢測，才能從根本上保證電站運行人員
和設(shè)備在有安全保障的環(huán)境下工作。
5 低壓機組安全自動化
低壓機組水電站安全自動化技術(shù)是在自動化設(shè)
備中設(shè)置預先性的安全措施，可在無人干預的情況
下按規(guī)定的程序或指令自動進行監(jiān)測、操作或控
制，進而保護員工及減少意外和安全事故的發(fā)生。
安全自動化技術(shù)不僅可以把電站運行人員從惡劣危
險的工作環(huán)境及繁重的體力勞動中解放出來，而且
能極大地提高勞動生產(chǎn)率，也是解決電站不安全問
題的有效手段。
6 安全自動化設(shè)計．
安全自動化設(shè)備的配置以保證水電站的主要設(shè)
· 79 ·
農(nóng)村水電站安全保障技術(shù) SMALL HYDRO POWER 2010No2．T~tal No152
備和運行人員不會受到傷害為前提。首先，在水電
站的機電設(shè)計中要重視安全自動化設(shè)計和安全裝置
的配置，體現(xiàn)“以人為本”的現(xiàn)代管理理念。安全
生產(chǎn)標準的制定，保證了一個生產(chǎn)工藝流程的安全
運行，在一定程度上起到對人的約束。一個生產(chǎn)工
藝流程的安全標準定得越高，則事故發(fā)生的幾率越少。
由于低壓機組水電站的生產(chǎn)工藝流程是要靠人
工去完成，過去我們只能求助于制度的完善和員工
的自覺性。在創(chuàng)造和諧社會的今天，政府部門有職
責去推動安全自動化設(shè)計理念的更新，推行安全自
動化設(shè)備的使用。如電站進水閥必須配備電動機
構(gòu)、水輪發(fā)電機組應(yīng)該全封閉運行、發(fā)電機控制柜
必須達到3C的防護標準、嚴禁使用手動油剎和木
棍剎車、調(diào)速器不得使用手動操作器和手電操，等等。
隨著n’技術(shù)的快速發(fā)展，智能化的安全保護
設(shè)備已廣泛應(yīng)用到水電站的各個環(huán)節(jié)中，水電站安
全自動化技術(shù)的應(yīng)用，可以極大的降低員工的勞動
強度，提高監(jiān)測精度和信息傳輸?shù)膶崟r性，有效避
免安全事故發(fā)生，保證設(shè)備的安全運行。水電站安
全自動化技術(shù)將成為確保電站安全生產(chǎn)的重要技術(shù)
手段。
7 安全自動化設(shè)備的研究
由于低壓機組水電站設(shè)備技術(shù)落后、設(shè)備配置
不完善、人員素質(zhì)偏低的問題在短期內(nèi)很難從根本
上得到解決。安全自動化設(shè)備的研發(fā)將成為解決這
些難題的最佳方法，傻瓜型低壓機組微機智能控制
保護器、低壓機組數(shù)字勵磁調(diào)節(jié)器和低壓機組微機
全自動調(diào)速器的研制，將根本性解決低壓機組水電
站的安全運行問題，使已建和新建的低壓機組水電
站實現(xiàn)自動控制成為可能，并且可以解決高科技產(chǎn)
品需要高水平員工這一難題。
7．1 低壓機組微機智能控制保護器
低壓機組微機智能控制保護器是專門為實現(xiàn)低
壓機組自動化而研制的安全智能裝置，是微機技術(shù)
與現(xiàn)代通信技術(shù)相結(jié)合的高科技產(chǎn)品。它具有機組
自動控制、測量、自動準同期、發(fā)電機保護、溫度
巡檢等功能，配合低壓機組數(shù)字勵磁調(diào)節(jié)器和低壓
機組微機調(diào)速器，可完整的實現(xiàn)低壓機組水電站安
全自動運行。使低壓機組水電站實現(xiàn)無人值班成為
現(xiàn)實。
低壓機組微機智能控制保護裝置的設(shè)計，主要
從結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便、人機界面簡潔、沒有復雜
· 80 ·
的操作過程和現(xiàn)場不需維護等幾個方面下功夫。達
到運行人員只需按照說明書的要求操作，即可獨立
完成電站的手動開停機操作的目的，正常情況下只
需一鍵就可實現(xiàn)機組的自動開停機，事故情況下機
組可自動完成關(guān)機程序，保證機組安全。這一切都
是由低壓機組微機智能控制保護裝置發(fā)出指令，低
壓機組數(shù)字勵磁調(diào)節(jié)器和低壓機組微機調(diào)速器配合
完成的。
7．2 低壓機組數(shù)字勵磁調(diào)節(jié)器
低壓機組數(shù)字勵磁調(diào)節(jié)器是專為低壓機組研制
的數(shù)字勵磁調(diào)節(jié)器，其采用目前成熟的技術(shù)，在裝
置結(jié)構(gòu)簡單、經(jīng)濟可靠上做文章，可實現(xiàn)無功的自
動調(diào)節(jié)。配以晶閘管功率部分和干式勵磁變壓器，
即可組成完整的自并勵低壓機組勵磁系統(tǒng)。整個勵
磁系統(tǒng)可成套安裝在低壓機組自動控制屏內(nèi)，既簡
化了布置，減少了管理環(huán)節(jié)，也提高了設(shè)備的安全
性。由于采用的是高性能的元器件，常年依靠電風
扇實現(xiàn)勵磁冷卻的現(xiàn)象將不會發(fā)生，節(jié)能效果十分
明顯。
7．3 低壓機組微機調(diào)速器
DWT低壓機組微機調(diào)速器是為調(diào)速功在
1 000 kw及以下的低壓水輪發(fā)電機組專門研制的高
油壓微機調(diào)速器，它填補了國際、國內(nèi)在低壓機組
領(lǐng)域全自動調(diào)速器的空白。DWT系列產(chǎn)品的研制
成功，既解決了低壓機組水電站安全運行問題，也
使低壓機組水電站實現(xiàn)無人值班成為可能。
低壓機組微機調(diào)速器共有3 000、6 000、10 000
(N·m)3種調(diào)速功和25、40、8O升3類沖擊式調(diào)
速器規(guī)格，基本能夠滿足低壓機組水電站的需求。
該產(chǎn)品具有手動、自動開關(guān)機和避免關(guān)機過度而損
壞導水機構(gòu)的功能；具有頻率調(diào)節(jié)、開度調(diào)節(jié)、水
位控制、閉環(huán)控制和功率調(diào)節(jié)等多種運行模式，能
適應(yīng)不同運行工況的要求；可按“調(diào)保計算”要
求，實現(xiàn)先快后慢關(guān)機；還可提供多種剎車方式及
手動開停機。
8 安全自動化設(shè)備的安裝和維護
低壓機組微機智能控制保護器和低壓機組數(shù)字
勵磁調(diào)節(jié)器的設(shè)備尺寸都是按相同規(guī)格設(shè)計，統(tǒng)一
的設(shè)備尺寸方便了設(shè)備的互換。為了方便維護，裝
置進出線采用的是專用的插座，拆裝如同計算機安
裝，十分簡單，做到了人性化設(shè)計。
低壓機組微機調(diào)速器有接力器外置式和內(nèi)置式
小水電2010年第2期(總第152期) 農(nóng)村水電站安全保障技術(shù)
2種。外置式的接力器與調(diào)速器本體可分開布置，
特別適合廠房跨度小的低壓機組水電站，為了方便
用戶的使用習慣，低壓機組微機調(diào)速器也設(shè)計有接
力器內(nèi)置式結(jié)構(gòu)形式，供用戶選擇。由于調(diào)速器采
用的是模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計，整套設(shè)備由儲油箱、油
泵、高壓氣罐、接力器、數(shù)字閥和電氣柜組成，除
儲油箱和電氣柜外，其他配件都是市場上通用的標
準產(chǎn)品，維護和零部件的更換十分方便。
9 安全自動化設(shè)備的應(yīng)用
DZK低壓機組自動控制屏作為低壓機組水電站
自動化控制設(shè)備的更新?lián)Q代產(chǎn)品，通過不斷的技術(shù)
完善，已實現(xiàn)研發(fā)時制定的安全可靠、操作方便、
維護簡單的目標，達到國際、國內(nèi)先進技術(shù)水平。
產(chǎn)品自推向市場后，在很多地方掀起了低壓機組水
電站自動化改造高潮。浙江某縣共有6o臺低壓機
組，已有近40臺改造安裝了DZK系列低壓機組自
動化設(shè)備。DZK系列低壓機組自動化設(shè)備主要有以
下幾個特點。
9．1 人性化的設(shè)計
DZK系列低壓機組自動化設(shè)備是經(jīng)過了大量需
求調(diào)查后開始研發(fā)的，主要關(guān)注的是設(shè)備的安全性
和使用群體的習慣性，重點在安全自動化和人性化
設(shè)計上下功夫。針對電站運行人員素質(zhì)普遍不高，
將產(chǎn)品設(shè)計成不需現(xiàn)場維護；針對電站運行人員對
高科技的畏懼，盡量減少運行人員的監(jiān)視和操作工
作，運行時只需操作開、停機開關(guān)，剩下的工作都
由自動化設(shè)備去完成；針對電站運行人員大多未經(jīng)
過專門的技術(shù)培訓，將自動化設(shè)備高度集成，減少
操作環(huán)節(jié)，使得操作更簡單、維護更方便、管理更
容易。一臺機組的一次設(shè)備和控制、監(jiān)測、信號、
保護、溫巡、同期、勵磁、廠用電等集中設(shè)計在一
塊屏里；調(diào)速器具備調(diào)速、剎車、黑起動、手動等
功能，這種高度集成的設(shè)計思想，就是安全設(shè)計和
人性化設(shè)計的充分體現(xiàn)。
現(xiàn)在已裝設(shè)DZK系列產(chǎn)品的電站基本上不需
要專業(yè)的運行人員，很多電站采用老年夫妻共同管
理，電站自今都在安全、正常運行。這一運行模式
應(yīng)該同樣適合應(yīng)用在高壓機組水電站。
9．2 低廉的價格，優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品
影響低壓機組水電站自動化技術(shù)應(yīng)用的一個主
要原因就是設(shè)備價格難以承受。產(chǎn)品研發(fā)之初，針
對鎖定的用戶群專門進行了經(jīng)濟承受力調(diào)查，了解
用戶群對設(shè)備價格的期望值。根據(jù)調(diào)查統(tǒng)計，影響
低壓機組水電站安全自動化設(shè)備使用的主要因素有
二，首先是價格因素，其次才是技術(shù)復雜程度。正
常情況下，用戶對價格的承受力為電氣控制屏在每
臺3萬元左右，調(diào)速器在每臺3萬元以下。
設(shè)備價格的低廉并不代表質(zhì)量的低下。為解決
故障設(shè)備的快速更換，減少停機對電站造成的損
失。在產(chǎn)品研發(fā)中，盡量選擇市場上使用率較高的
通用產(chǎn)品，既方便采購，又可以降低零部件的采購
成本。同時，用好的產(chǎn)品質(zhì)量，減少市場營銷和工
程調(diào)試費用。高度自動化的產(chǎn)品和用戶可以接受的
價格，解開了長期制約低壓機組安全自動化的瓶
頸，使得20歲小伙和60歲的長者，無論你是否接
受過專業(yè)技術(shù)的培訓，都能放心的使用，因為安全
自動化操作都是自動進行，無需人工參與。
9．3 系統(tǒng)化的理念
低壓機組安全自動化設(shè)備的各項功能，一開始
就是按系統(tǒng)化理念進行研發(fā)規(guī)劃的，自動控制、勵
磁和調(diào)速器各設(shè)備既是單一的個體，可以獨立使
用，同時也是一個整體，相互關(guān)聯(lián)。任何一個自動
調(diào)節(jié)設(shè)備出現(xiàn)故障，都不會影響到其他設(shè)備的正常
運行，這些有別于國際國內(nèi)使用的低壓機組自動化
設(shè)備。
一套完整配置安全自動化設(shè)備的低壓機組水電
站，其安全自動化的功能，基本可以達到高壓機組
自動化的水平，但價格只是高壓機組的1／10不到，
而且可以真正實現(xiàn)無人值班。這些在已運行的幾百
座電站中已得到印證。
一
尹剛(1957一)，男，高級工程師，長期從事農(nóng)村水
電廠設(shè)計、管理及低成本水電廠自動化技術(shù)的研究：現(xiàn)主
要研究方向為低壓機組自動化系統(tǒng)和數(shù)字化水電站技術(shù)。
EmRil： yg76531@ 163．com
責任編輯趙建達
建立完善安全生產(chǎn)責任制度
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