調速器凈水頭測量錯誤的影響分析與對策

李原立

（湖南省水運建設投資集團大源渡航電樞紐分公司，湖南 衡陽 421414）

調速器凈水頭測量錯誤的影響分析與對策

李原立

（湖南省水運建設投資集團大源渡航電樞紐分公司，湖南 衡陽 421414）

介紹了某水電站2號機組凈水頭測量錯誤，導致調速器導—槳葉協(xié)聯(lián)關系破壞，進而對機組發(fā)電流量、機組震動、水庫調度等方面產(chǎn)生的影響。分析了采用插值計算的方法，通過調速器內置“開度、水頭與流量折算曲線”和實測凈水頭、導葉開度計算出機組凈水頭測量錯誤時的真實流量數(shù)據(jù)的過程，并總結了故障原因和應采取的運行措施。

燈泡貫流式水輪機；凈水頭；導葉開度；調速器；插值計算

0　引言

某水電站2號機組在并網(wǎng)運行狀態(tài)下，于2015-05-02T02：05上位機發(fā)“水頭反饋故障”告警信號，機組水頭數(shù)據(jù)由8.6 m突變?yōu)?.0 m，機組出力出現(xiàn)短暫波動后恢復至設定出力，但是導葉開度、槳葉開度等數(shù)據(jù)與告警信號發(fā)出之前的運行數(shù)據(jù)相比較均已發(fā)生變化。以下分析、計算凈水頭測量錯誤對發(fā)電流量、機組振動、水庫調度等方面的影響及對策。

1　水電站概況

該水電站安裝有1-4號共4臺30 MW奧地利ELIN電氣聯(lián)合公司生產(chǎn)的卡普蘭燈泡貫流式水輪發(fā)電機組和1臺10 MW國產(chǎn)燈泡貫流式水輪發(fā)電機組，總裝機容量為130 MW，平均發(fā)電水頭為7.2 m，多年平均發(fā)電量為5.8億kWh。

該水電站為日調節(jié)水電站，水電站壩址流域面積為53 200 km2，多年平均流量為1 400 m3/s，正常蓄水位為50.00 m，最佳發(fā)電水位50.00 m± 0.1 m，死水位為47.80 m。

1-4號機組水輪機主要技術參數(shù)如表1所示。

2　調速器系統(tǒng)簡介

該水電站1-4號機組調速器系統(tǒng)進行過技術改造，改造之前使用MCE公司的M IPREG DGC 600C型調速器。由于該調速器性能存在缺陷，目前4臺機組的調速器系統(tǒng)已全部改造成由武漢國測三聯(lián)水電控制設備有限公司生產(chǎn)的PSWST-PLC型調速器，其核心元件采用1套德國西門子公司的S7-300系列PLC，具有自動、電手動和機手動3種運行方式，在自動負載工況下具有開度控制、有功控制、流量控制、轉速控制4種運行工況。對于水頭數(shù)據(jù)的采集具有“自動水頭”和“手動設定”2種方式。

表1　水輪機主要技術參數(shù)

3　機組運行數(shù)據(jù)

“水頭反饋故障”前，機組運行于有功控制方式，凈水頭測量正確，導、槳葉處在協(xié)聯(lián)關系下。查詢機組數(shù)據(jù)記錄可知：機組出力22.6 MW，導葉開度為75 %，槳葉開度為55 %，凈水頭為8.6 m，上位機顯示流量為300 m3/s。

“水頭反饋故障”后，凈水頭測量錯誤，查詢機組數(shù)據(jù)記錄可知：機組出力短時間波動后，恢復至設定值22.6 MW，導葉開度變?yōu)?6.5 %，槳葉開度變?yōu)?6 %，凈水頭變?yōu)? m，上位機顯示流量為210 m3/s。

在發(fā)生“水頭反饋故障”時，導葉開度和槳葉開度發(fā)生了明顯的變化。故障前后顯示導葉開度由75 %增加至86.5 %，機組流量由300 m3/s降至210 m3/s，但是實際上，在水頭不變的情況下，機組流量應該是增加的，而不可能是減少的。這說明顯示的流量變化是錯誤的。

4　調速器凈水頭測量錯誤的影響分析

4.1導—槳葉協(xié)聯(lián)關系被破壞

調速器內置了8條水頭的導—槳葉協(xié)聯(lián)關系曲線。表2為按每條曲線的導葉開度間隔10 %取11點，及水頭從小到大將協(xié)聯(lián)曲線中選定的8條水頭依照當前水頭值和當前導葉開度值采用插值計算的方法得出的槳葉協(xié)聯(lián)開度。

在“水頭反饋故障”前，自動水頭為8.6 m，調速器在8.6 m水頭時的導—槳葉協(xié)聯(lián)關系下運行，此時導葉開度為75 %，槳葉開度為55 %。在“水頭反饋故障”后，凈水頭數(shù)據(jù)測量錯誤，調速器變?yōu)樵?.0 m水頭時的導—槳葉協(xié)聯(lián)關系下運行。此時槳葉開度不再為75 %導葉開度對應的槳葉開度。由于導—槳葉協(xié)聯(lián)關系曲線發(fā)生變化，新的槳葉開度是由水頭2.0 m和導葉開度數(shù)據(jù)采用插值計算出來的。

由于協(xié)聯(lián)關系被破壞，調速器動作關閉槳葉，水輪機效率降低，此時機組出力減小，而調速器在“有功控制”閉環(huán)控制方式下，為維持機組設定的22.6 MW的出力，將動作打開導葉，然后經(jīng)過短暫的調速器調節(jié)過程，最終機組出力穩(wěn)定在22.6 MW，導葉開度穩(wěn)定在86.5 %開度，槳葉開度穩(wěn)定在46 %開度。

4.2發(fā)電流量的變化

調速器也內置8條水頭下的導葉開度—流量折算曲線如圖1。表3為按每條曲線導葉開度間隔10 %取11點，通過插值計算的方法由導葉開度和水頭2個數(shù)據(jù)計算得出的機組流量。

圖1　導葉開度（y）、流量（Q）、水頭（H）折算曲線示意

“水頭反饋故障”導致調速器無法采集到正確的水頭數(shù)據(jù)，致使流量數(shù)據(jù)也是錯誤的。以下通過已知的導葉開度和“水頭反饋故障”前的真實水頭這2個數(shù)據(jù)，通過插值算法來得出正確的機組流量數(shù)據(jù)。

表2　導—槳葉開度協(xié)聯(lián)曲線數(shù)據(jù)

表3　導葉開度—流量折算曲線數(shù)據(jù)

以圖1中9.2 m水頭對應的曲線為例，插值算法公式為：

式中Q1為待求的流量值，Qi為流量上一值，Q（i+1）為流量下一值，y為導葉開度當前值，y（i+1）為導葉開度下一值，yi為導葉開度上一值。

計算過程如下：

（1） 9.2 m水頭下86.5 %導葉開度對應的機組流量Q1計算：

（2） 7.8 m水頭下86.5 %導葉開度對應的機組流量Q2計算：

（3） 8.6 m水頭下86.5 %導葉開度對應的機組流量Q計算：

根據(jù)表3中的流量基值為500 m3/s進行折算，Q=88.52 %×500 m3/s=442.6 m3/s。

（4） 根據(jù)機組數(shù)據(jù)記錄，在“水頭反饋故障”前，機組流量為300 m3/s。由以上計算可知，在發(fā)生“水頭反饋故障”后，2號機組在出力不變的情況下，發(fā)電流量增加了142.6 m3/s。

4.3水輪機效率變低

由以上計算可知，機組出力不變的情況下，發(fā)電流量增加了142.6 m3/s，很明顯水輪機的效率變低了。根據(jù)公式P=9.81 ηQH，式中P為損失的機組出力，η為機組效率，Q為增加的流量，H為水頭。其中η取經(jīng)驗值0.9，Q=142.6 m3/s，H=8.6 m。計算可知P=0.9×142.6×9.81×8.6≈10.8 MW。由此可知，由于水輪機效率變低導致發(fā)電流量的增加，而增加的發(fā)電流量并未轉換為機組出力，造成水資源的浪費和經(jīng)濟損失。通過計算可知，損失的機組出力約為10.8 MW。

4.4對發(fā)電運行的影響

（1） 發(fā)生“水頭反饋故障”時的正確水頭數(shù)據(jù)為8.6 m，而水輪機的導葉、槳葉開度是在2.0 m的協(xié)聯(lián)關系曲線下運行的，因此導致機組水輪機效率降低。

（2） 水輪機在非協(xié)聯(lián)關系工況下運行，機組振動增加。

（3） “水頭反饋故障”發(fā)生前后，機組出力依然為22.6 MW，但是導葉開度增加，流量增加了142.6 m3/s，導致機組耗水率增加，未能達到機組經(jīng)濟運行的要求。

（4） 對水庫調度的影響。由于該水電站的水庫調度屬于日調節(jié)式，在枯水期季節(jié)的水庫調度原則一般為控制上游水位為50.10 m，入庫流量與下泄流量相持平，從而可以保持高水頭運行。根據(jù)水庫調度運行經(jīng)驗，下泄流量增加150 m3/s，在1 h內，上游水位會下降0.01 m，此次“水頭反饋故障”使得在原調度計劃的基礎上增加了142.6 m3/s下泄流量，如長時間運行，則上游水位會在調度計劃的基礎上呈下降趨勢，不利于水庫調度。尤其在進入枯水期后，入庫流量只有400-500 m3/s的情況，這種影響更為嚴重。

（5） 對負荷考核點的影響。目前地區(qū)調度對下轄水電站的負荷曲線考核方法是，從每天的00：15開始，每15 m in，對比電站實際機組出力與申報負荷曲線是否一致。在發(fā)生“水頭反饋故障”時水輪機效率的降低，使得機組出力會有短時間的波動。如果此時恰巧發(fā)生在考核時間點上，則造成此負荷考核點出力不合格，扣罰水電站一定的本月上網(wǎng)電量，對水電站造成經(jīng)濟效益上的損失。

5　故障原因和存在的問題

經(jīng)檢查分析出此次水頭反饋故障的原因為：水頭電流變送器至調速器反饋通道故障，導致水頭數(shù)據(jù)反饋錯誤。查閱PSWST-PLC型調速器說明書可知：當水頭信號故障時，調速器將以故障前的水頭值作為當前水頭值，并自動切換到水頭手動設定方式。此次“水頭反饋故障”，調速器并未自動切換到水頭手動設定方式，而繼續(xù)在2.0 m的錯誤水頭下以“自動水頭”方式運行，目前原因尚未查明。

6　結束語

調速器水頭數(shù)據(jù)采集錯誤，對機組振動、水輪機效率、水庫調度、耗水率、經(jīng)濟運行等各方面均有較大的影響。

當出現(xiàn)“水頭反饋故障”或者其他原因導致的機組凈水水頭測量數(shù)據(jù)錯誤時，運行人員應立即手動設定凈水頭為實際水頭值，避免機組調速器長時間在非協(xié)聯(lián)關系下運行，進而減小機組振動，以利于水庫調度，降低耗水率，增加發(fā)電效益，達到經(jīng)濟運行的目的。

對于水電站維護人員，在機組檢修期間或日常設備巡檢中應加強對電調、水頭測壓管路、電流變送器、接線等設備的維護工作。

1 許慧敏.燈泡貫流式水輪機導葉、槳葉協(xié)聯(lián)變化的關系和消除振動方法［J］.西北水電，2012，61（6）：67-69.

2 李正貴.燈泡貫流式水輪機協(xié)聯(lián)關系及性能研究［D］.蘭州：蘭州理工大學，2014.

3 黃少玲.淺談燈泡貫流式電站的優(yōu)化運行［J］.中國新技術新產(chǎn)品，2013，21（7）：122-123.

4 陳小飛.燈泡貫流式電站經(jīng)濟運行分析及管理［J］.科技信息2012，29（35）：392-435.

5 馮衍祥.燈泡貫流式機組經(jīng)濟運行問題［J］.水電站機電技術，1996，19（3）：51-53.

6 劉俊俊.炳靈水電站燈泡貫流式機組經(jīng)濟穩(wěn)定運行探討［C］.水電站機電技術研討會論文集，蘭州，2010.

7 李正貴，薛多忠，徐彥軍，等.黃河干流上燈泡貫流式水輪機組經(jīng)濟運行分析［J］.小水電，2013，30（5）：58-60.

8 田嘉彬，王旺寧.烏金峽水電站貫流式水輪發(fā)電機組經(jīng)濟運行分析［J］.西北水電，2013，62（4）：62-65.

2015-10-08；

2016-03-27。

李原立（1992-），男，助理工程師，主要從事發(fā)電運行工作，email：liyuanli_lee@126.com。